南海北部不同模态内孤立波的形成条件与机制

In situ observational data on the continental slope in the northern South China Sea will be first collected in the present proposed research. Basic kinematic and dynamic characteristics of different modes internal solitary waves (ISWs) will be analyzed and our in-house numerical model will be validated based on these data. By using theoretical analysis and numerical simulation, the influences of different generation conditions on the formation of different modes ISWs will be systematically investigated. These different generation conditions include density stratification, bottom topography, and barotropic tide. The first purpose of this research is to clarify what generation conditions are more favorable for the formation of the first and second baroclinic mode ISWs, respectively. This issue has not been explored in existing literatures and the answer to this question will help to explain the following observational result on the continental slope in the northern South China Sea: in summer, the first mode ISWs appear more frequently than the second mode ISWs, while in winter the reverse is true, i.e., the second mode ISWs appear more frequently than the first mode ISWs. Also, since the generation mechanism of the active second mode ISWs in winter has been unclear, it is the second purpose of the present research to clarify this mechanism. By the present proposed research, the emerging characteristics and generation mechanisms of different modes ISWs observed on the continental slope in the northern South China Sea will be explained in much more detail.

本项目将首先搜集南海北部陆架陆坡处的现场实测数据，分析不同模态内孤立波的运动学和动力学特征，并以此验证自主建立的数值模式。在此基础上通过理论分析和数值模拟，系统深入研究各种形成条件对不同模态内孤立波的形成所产生的影响。这些形成条件包括密度层结、底地形、正压潮流等。研究的目标之一是明确在何种条件下更容易形成第一斜压模态内孤立波，而在何种条件下更容易形成第二斜压模态内孤立波。这个问题在现有文献中鲜有论述，并且该问题的解决有助于解释南海北部陆架陆坡处的现场观测结果：该海域夏季更容易形成第一模态内孤立波，而冬季则更容易形成第二模态内孤立波。另外，由于该海域冬季频繁活跃的第二模态内孤立波的形成机制目前尚不清楚，本项目研究的目标之二是阐明这些内孤立波的形成机制。最终，通过本项目的研究，南海北部陆架陆坡处实测到的不同模态内孤立波的出现规律以及形成机制将得到更加完整的解释。

观测资料显示，南海北部陆架坡处内孤立波的出现规律存在显著的季节性特征：夏季，第一斜压模态内孤立波频繁活跃，而第二模态内孤立波较少出现；冬季情况则刚好相反，第二模态内孤立波频繁活跃而第一模态内孤立波较少出现。本项目研究以此为出发点，系统研究了密度层结形态（包括密度跃层深度、厚度、上下层密度差）、正压潮流振幅、底地形坡度等因素对不同模态内孤立波产生机制的影响。研究结果表明，较浅的密度跃层有利于第一斜压模态内潮波非线性分裂为第一模态内孤立波，而不利于第二模态内潮波分裂为第二模态内孤立波；较深（接近总水深的一半）的密度跃层则有利于第二模态的分裂，而不利于第一模态的分裂。这跟观测事实符合得非常好，因为夏季对应着密度跃层较浅的情况，而冬季则对应着密度跃层较深的情况。本项目进一步研究了连续层化水体和两层流体中内孤立波产生机制的异同，并跟不同海区内孤立波的产生机制对应起来，从而建立了不同海区内孤立波产生机制之间的转变与联系。以南海北部和加拿大奈特湾的情况为例。当加大正压潮流的振幅或者减小底地形的水平尺度时，南海北部的内潮释放机制将转变为共振机制；当进一步将水体层结的浮力频率加大一个数量级时，将得到奈特湾的内孤立波产生机制。本项目系统研究了不同情况下内孤立波的产生过程及其机制。这为内孤立波数值预报技术的开发奠定了良好的基础。