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【科研分享】王虎与师生探秘海洋内波 探讨学科交叉

2017-05-23 点击数:      

天津大学科研新媒体中心 学生记者 王梦璇

 

  主讲人简介:王虎,天津大学海洋科学与技术学院讲师。2015年博士毕业于中国海洋大学。目前参加国家自然科学基金等项目5项,发表论文10篇。主要从事海洋工程地质和沉积动力学方面的教学和研究工作。

王虎老师

 

  5月5日中午12点30分,第85期青椒学术沙龙在卫津路校区教职工文化活动中心多功能厅如约举办。天津大学海洋学院王虎老师带来题为《漫话海洋内波》的讲座,吸引了来自各单位的几十名青年教师和学生参加。
  什么是海洋内波?
  王虎老师介绍到,海洋内波是发生在海洋内部密度稳定层化水层之间的一种波动,是海洋中普遍存在的一种动力学过程,它在海水水平和垂直交换过程中对于动量和热量的输运起重要作用。海洋内波发生需要具备海水密度层化形成稳定层结,另外还需要风、流等外界扰动。
  海洋内波有哪些特点呢?首先,与海洋表面的波浪相比,海洋内波最大振幅出现在海洋内部,海水密度层间变化很小,密度跃层上下的相对密度差不超过0.1%。所以,海水受到很小的扰动,就会偏离平衡位置产生轩然大波。其次,海洋表面波的主要恢复力为重力,而内波的恢复力为重力、浮力和地转科氏力。
  海洋内波按频率、周期及波长等大致可分为:短周期、短波长的高频内波;具有准潮周期的内潮波以及与内潮密切相关的潮成内孤立波;频率接近当地惯性频率的内惯性波。
  海洋中普遍存在的潮汐、潮流为内潮发生提供了能源,使得海水做潮周期运动。变化的地形是内潮的扰动源,使得等密度面起伏产生额外的压强梯度力,稳定层化的海水是内潮的必要条件。内波如果非线性较弱,以近似于正弦波的形式传播,则与潮汐具有相同或相近的周期,如全日潮和半日潮周期。
  与內潮波相对应的的是非线性强,不确定性大的内孤立波,其振幅一般可达百米的量级,宽度几百米到几千米,周期几分钟到几个小时。内孤立波会在海表面产生强烈的辐聚和突发性强流,可能单独存在,也可能会以波列、波包的形式传播。

  海洋内波的生成机制是怎样的?


  王虎老师在报告中讲解到,海洋内波的产生应具备两个条件:一是海水密度稳定分层,二是要有扰动能源,两者缺一不可。以南海东北部海域为例,大洋传来的潮波通过吕宋海峡时,受到恒春、兰宇两个陡峭海脊的激发而产生内波,向南海东北部陆坡和陆架传播过程中发生非线性深化,在到达东沙高原时候由于水深变浅,而耗散、衰减,从下凹型变为上凸型,并最终消亡于陆架浅海,整个过程大概3天。在这里,强潮是动力源,例如,内波多发生在新月和满月大潮的时候;两个海脊则是必要的地形条件,使潮波发生扰动;稳定层结是必要条件,内波在夏季发生频率高,因为夏季南海强而浅的温跃层有利于内波形成,冬季的深混合层则抑制了内波的产生。
  海洋内波有哪几种研究方法?
  据介绍,海洋内波研究目前主要有遥感影像、原位(温盐流)观测、声学方法等。
  遥感影像是使用合成孔径雷达(SAR)为工具。由于内波会在海面产生有规律的辐聚、辐散,进而产生明暗条纹,可利用SAR观测海表明暗条纹,进而捕捉内波、分析内波特征。
  原位(温盐流)观测则是使用潜标、船载、中性浮子为工具。由于内波是密度层化水层之间的波动,而密度又与温、盐、压相关,所以观测海洋内部温度、盐度等指标的变化,可以捕捉到内波的传播过程、规律。温盐观测是最直接、最有效的方法,但只能获得单点、一定时间范围的观测数据。
  声学方法是通过声层析(ASIAEX)、地震反射等进行研究。内波伴随的等密度面波动,影响水声传播速度和方向,利用声传播规律可反演海洋内部温度、盐度、流速流向,进而捕捉海洋内波。
  此外,由于内波观测难度较大,及前述研究方法各自的局限性,MITgcm、SUNTANS、ROMS等形式的数值模式是海洋内波研究的有力补充。

  海洋内波思想的延展
  王虎老师谈到,从概念上来看,大气、海洋、固体地球都是连续介质,只要有密度层结、有扰动,就有可能形成内波。除了海洋内波外,还有常见的“大气内波”。另外还有地质学家提出离奇的“地幔内波”,即在地球内部围绕地幔和地壳的界面——莫霍面发生类似于内波机制的波动,综合了板块构造说水平运动控制论和槽台说垂向运动控制论,用于解释构造运动和地球演化。
  除内波外,沙漠中的沙丘是空气与松散砂体之间的界面波动起伏;同样,在海水与海底沉积物界面也会发育海底沙波。海洋调查揭示,南海东北部海域不仅是海洋内波多发区,而且在东沙岛周围80~250 m水深处广泛发育海底沙波,并且部分沙波具有活动性。在这一水深,常规波浪已经影响不到海底,潮流的影响也非常微弱,有学者提出风暴浪成因模式,但风暴运移方向不定,无法与沙波脊线近于与岸线平行相对应。
  同一海域同时存在着海洋内波与海底沙波,二者存在着何种关联?沙波发育的南海东北部陆架正是内波耗散、消亡的地带,研究已证明凹状内孤立波会与海底发生强烈相互作用,同时沙波发育规模由海向陆逐渐减小,这与内波由海向陆传播的特征相一致。所以,海底沙波的形成是否由内波沉积所致? 海底沙波移动是否由海洋内波导致?还有很多的疑问和谜题,需要开展进一步的工作,如海底地形、浅地层探测;取样、(物理、力学、粒度、矿物、测年、测磁)测试;理论和数值分析等来揭示这些科学问题。

  在讲座的最后,王虎老师强调了海洋学科的开放性和交叉性,欢迎各位师生共同交流探讨,开展合作研究。王虎老师邮箱:hu.wang@tju.edu.cn

 

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(编辑 王涛)