海洋环流与波动重点实验室知识库

本文基于现场观测、卫星高度计和再分析数据探究了副热带西北太平洋风生NIW、中尺度涡和混合之间的关系。观测表明受涡度的影响，混合层中的近惯性动能（NIKE）与风功并非成简单的线性关系，负涡度有利于增强混合层中的NIKE。观测发现近惯性剪切是构成副热带西北太平洋上层海洋垂直剪切的主要分量，NIW与混合的之间存在显著的正相关，因此是混合增强的主要原因。此外，观测发现负涡度和正涡度期间，NIKE和混合均存在明显的增强。

潜标完整地观测到反气旋涡捕获NIW的“惯性烟囱”过程，这是迄今为止少有的一次观测。结果显示风生NIW被反气旋涡捕获，近惯性能量传播并停留在反气旋涡底部，促进反气旋涡底部混合的增强。该观测为分析“惯性烟囱”过程提供了直接的数据支撑。基于ADCP流速观测提出了一种估算NIW水平波长和垂直群速度的方法，结果表明NIW的垂直传播分为加速和减速两个阶段：加速阶段，NIW的垂直波长和垂直群速度随时间逐渐增加；而减速阶段，NIW的垂直波长和垂直群速度随时间逐渐减小，当垂直群速度减小至0时，近惯性能量到达临界层。量纲分析表明在季节性跃层内层结和有效科氏频率对NIW的垂直传播具有等效的作用。波数守恒方程表明，当有效科氏频率和层结的垂直梯度大于0时，将有利于NIW的垂直传播，当有效科氏频率和层结的垂直梯度小于0时，将不利于NIW的垂直传播。受反气旋涡的影响，随深度减小的层结促进NIW的垂直传播，而随深度增加的有效科氏频率抑制NIW的垂直传播。射线追踪模型进一步证实了随深度减小的层结对NIW垂直传播的加速效应，而随深度增加的有效科氏频率的减速效应。更重要的发现是随着反气旋涡的向西运动，在反气旋涡中出现随深度减小的有效科氏频率，从而对NIW的垂直传播起到加速的作用。

一般地，气旋涡内生成的NIW很难传播至气旋涡的底部，本文通过观测首次发现其它区域传播至气旋涡底部的强NIW。射线追踪结果表明由于海洋中复杂的涡度场分布，NIW可以通过水平传播至气旋涡的底部，从而增大气旋涡底部的混合。此外，气旋涡底部增强的近惯性剪切进一步促进了近惯性内波与其它内波间的非线性相互作用，加快了近惯性能量向高频内波转移，为高频内波提供能量来源。

第一章 引言... 1

1.1 海洋内波与近惯性内波... 1

1.1.1 海洋内波... 1

1.1.2 近惯性内波的生成机制... 1

1.1.3 风生近惯性内波的特征... 5

1.2波‒涡相互作用理论... 7

1.2.1 理论基础... 7

1.2.2 物理意义... 8

1.2.3 自由内波被捕获... 9

1.3 近惯性内波‒中尺度涡相互作用研究背景及现状... 13

1.3.1 副热带西北太平洋背景介绍... 13

1.3.2 中尺度涡对近惯性内波的影响研究... 15

1.3.3 近惯性内波致混合及其意义... 18

1.4 关键科学问题和主要工作... 21

第二章 数据和方法... 23

2.1 资料与数据处理... 23

2.1.1 观测数据... 23

2.1.2 锚系ADCP流速质量控制... 25

2.1.3 信号提取... 27

2.1.4 高分辨率HYCOM模式数据... 28

2.1.5 卫星高度计数据... 28

2.1.6 NCEP/DOE风场数据... 29

2.1.7 CPLDA再分析数据... 29

2.2 射线追踪模型（Ray-tracing model）... 29

2.3 混合层平板模型（Mixed-layer model）... 30

2.4 混合估算方法... 30

2.4.1 微结构观测... 30

2.4.2 细结构观测... 32

2.4.3 混合估算方法比较... 36

第三章 副热带西北太平洋近惯性内波、中尺度涡和混合之间关系的观测研究    39

3.1 近惯性内波与风场之间的关系... 39

3.1.1 风功... 39

3.1.2 近惯性能量与风场之间的关系... 40

3.2 近惯性内波与中尺度涡之间的关系... 43

3.3 跨等密度面混合与近惯性内波之间的关系... 44

3.4 跨等密度面混合与中尺度涡之间的关系... 48

3.4.1 潜标观测... 48

3.4.2 微结构湍流剖面仪观测... 51

3.5 本章小结... 54

第四章 副热带西北太平洋反气旋涡捕获近惯性内波研究... 56

4.1 近惯性内波垂直传播动力学分析... 56

4.2 近惯性内波的特征与垂直传播... 57

4.2.1 近惯性内波的垂直传播观测... 57

4.2.2 近惯性内波的波长与垂直群速度估算... 59

4.3 反气旋涡中有效科氏频率和层结的变化... 61

4.4 近惯性内波-反气旋涡相互作用... 63

4.4.1 反气旋涡捕获近惯性内波... 63

4.4.2 近惯性内波垂直传播的动力过程... 65

4.5 临界层内近惯性内波动力过程... 70

4.5.1 临界层近惯性内波间非线性相互作用... 70

4.5.2 临界层内波致混合... 72

4.6 本章小结... 74

第五章 副热带西北太平洋气旋涡中近惯性内波传播特征分析... 77

5.1 涡度场的时空变化... 77

5.2 台风“珊瑚”后海洋的响应... 79

5.2.1 海表面温度、混合层深度和最大层结深度响应... 79

5.2.2 风功通量... 82

5.3 近惯性内波传播观测... 83

5.3.1 观测结果... 83

5.3.2 气旋涡底部近惯性内波的来源... 85

5.3.2 层结对近惯性内波垂直传播的影响... 87

5.4 气旋涡底部混合与波–波间相互作用... 91

5.5 本章小结... 94

第六章 总结与展望... 97

6.1论文总结... 97

6.2未来工作展望... 99

参考文献... 101

附录... 113

附录1台风“珊瑚”三维空间结构... 113

附录2 数据质量比较：CPLDA模式产品数据与潜标观测数据... 116

附录3 射线追踪模型公式推导... 117

附录4 NIW垂直群速度估算和垂向传播动力过程... 118

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.. 123