近惯性内波的实验研究

Internal waves carry a substantial fraction of kinetic energy in the ocean and have small vertical scales but large vertical shears. Therefore, internal waves play a crucial role in vertical mixing and energy transport in the ocean. Previous research suggests that the work done on near-inertial motions in the mixed layer by the wind is as large as 0.3-1.4 TW, comparable to the energy needed to maintain the abyssal stratification which is about 2 TW. It is even greater than the energy involved in the conversion from the barotropic tide to internal tide. All these proved the importance of near-inertial motions in the mixing of the deep ocean. This research project will focus on understanding of the physical processes that govern the generation and evolution of inertial internal waves by laboratory modeling method. The inertial internal waves will be generated by applying different perturbations on the surface of a rotating and stratified fluid. The fluid density and velocity field will be measured by 'synthetic schlieren' method and 'PIV' method, respectively. The transportation of energy will also be quantatively measured. The experiment is designed to: i) To study the effect of rotation: inertial motions with different Rossby number. ii) To study the effect of density stratification: first with homogeneous fluid, then linear stratification, and then stratification with a thermocline. iii) To compare different disturbance sources: 2-D plane waves and 3-D point source. The aim of this research project is to acquire a better understanding of the dynamic processes involved in the generation of inertial internal waves by sea surface disturbances and study the vertical structure and propagation of the generated inertial internal waves, which is very important in the study of oceanic wave spectrum.

海洋中的内波携带着动能，并存在小的垂向尺度和大的垂向剪切，因此对海洋混合和能量传输起着重要作用。部分研究估算表明混合层中由近惯性运动所做的功为0.3－1.4TW，与维持大洋深海层结需要的2TW相当，甚至高于正压潮向内潮的转化，证明了它在深海混合中的重要作用。 本项目希望通过实验室模拟的方法研究近惯性内波的产生与传播特征。在旋转层化流体表面利用扰动源产生扰动，利用断面流场测量技术及数字纹影技术分别测量近惯性内波引起的流场及密度场，定量测量其能量的传递。 实验内容包括i） 旋转的影响：不同Rossby数下的惯性运动； ii）层结的变化：从无分层到线性分层，最后跃层型密度分布； iii)扰动源：从二维平面波扰动源到三维点源。 通过此系列实验研究揭示海表扰动源生成的近惯性内波的机理，给出近惯性内波的垂向结构及传播特征，定量测量海面扰动到近惯性内波传播过程中的能量传输,这对海洋波谱的讨论十分重要。

近惯性内波是频率接近于局地科式频率的一种内波，在上层海洋混合中发挥着重要作用。近惯性内波可以影响海洋中的许多过程，包括生物化学甚至是气候。因此，近惯性内波的生成与传播演化值得进行深入的研究。本项目通过开展一系列的系统实验，研究了近惯性内波的生成与演化，这对于海洋混合参数化方案的改进是至关重要的。本项目的主要研究内容与进展如下。. （1）为了研究地转效应对内波生成与传播的影响，我们自行设计搭建了大型地转实验平台，配有的尺寸为157cm*157cm*40cm实验水槽，可以满足实验需求。我们开展了往复潮流经过山脊地形生成内波的实验，给出了内波能量、能通量和临界参数与地形高度的关系。考虑地转效应时，地形上可以激发三波共振，这是近惯性内波生成的一种新机制。. （2）设计实验探讨了层结对内波传播的影响，发现在内波射线非均匀层结流体中传播时方向不断变化，并给出了能量在传播过程中的变化规律。. （3）利用数值模拟与实验研究了内波在地形上的传播演化。开展了内波射线在三维海山地形反射的实验，发现了内波能量聚焦现象，指出了这一过程中可以激发平均流，并探讨了其生成机制。利用数值模型，研究了低模态内潮在陆架地形上的散射问题，重点讨论了地形形状对这一过程的影响。. （4）利用潜标观测资料，研究了南海北部上层海洋近惯性内波诱导的剪切。结果表明，尽管近惯性内波的方差在流速的总方差中占比很小，但对于上层海洋剪切贡献却占有较大比重。