海洋环流与波动重点实验室知识库

近惯性内波（near-inertial waves，NIWs）是海洋中频率接近局地科氏频率f的高频变异信号，在内波动能谱和剪切谱上有明显的峰值。NIWs在全球范围内普遍存在，在时间和空间上具有显著的变化，如季节性特征、不同纬度带之间的分布差异等。NIWs不仅是深海内波的主要能量源之一，还是风能向深海传输的重要载体。因此，NIWs对大洋混合和能量耗散有着至关重要的作用，对全球气候变化有不可忽视的影响。几乎任何力都可以激发近惯性运动，并且NIWs在传播过程中容易受到背景流、中尺度涡和层结等多种动力过程的影响。虽然目前NIWs的生成、传播和耗散过程已经得到了广泛关注，但学界对NIWs生成机制和传播特征的认识仍然存在不足。本论文基于5套潜标观测资料和HYCOM数据，统计分析了菲律宾海西部台风及非台风激发的近惯性内波特征的异同，探讨了近惯性内波的自发生成机制和近惯性内波与反气旋涡的相互作用，并描述了菲律宾海西部观测位置近惯性能量的季节变化特征。论文的主要研究工作和成果如下：

1. 利用在菲律宾岛以东部署的长达32个月的潜标观测数据，本文研究了观测位置的近惯性动能（near-inertial kinetic energy，NIKE）的统计学特征及生成机制。统计分析得出在整个观测期间，台风引起的近惯性能量占总近惯性能量的比值约为1/3，而非台风过程激发的近惯性能量占2/3。将研究深度分为四层讨论NIKE在不同层的相对重要性。结果发现，400 m ~600 m层近惯性能量占海水总动能的比值最高，而不是50 m ~200 m层。观测发现即使在无台风时段也出现了4个强NIKE案例。这些非台风产生的NIWs特征与台风引起的差异较大，核心深度相对较深，能量较为集中，垂直群速度较小，并且频率与局地科氏频率f非常接近。相关性分析表明背景流垂直剪切是引起NIWs自发生成的一种可能机制。在无台风时段，由背景流垂直剪切引起的NIKE占总近惯性能量的比例为14.1%。在反气旋涡的作用下，被捕获的风生NIWs和背景流垂直剪切产生的NIWs共同构成了无台风时段最强的近惯性案例。
2. 基于台湾以东的两套潜标观测数据和HYCOM模式数据，本文对台风米娜（MITAG）在台湾以东引起的NIWs的传播特征进行了探究。HYCOM数据能够对此次近惯性事件进行合理的重现，因此主要利用HYCOM数据揭示了反气旋涡在NIWs的传播和耗散过程中起到的作用。结果显示大部分台风生近惯性内波向负涡度传播。在反气旋涡内NIWs会维持在涡心附近，向下传播到800 m的深度，e折时间尺度为两周，并且近惯性能通量在临界层附近（400 m ~600 m）出现了显著的增强。而在反气旋涡外的NIKE无法跨越温跃层，以低模态的形式迅速传播和耗散。反气旋涡内向深层传播的主要是高模态NIWs，且高模态能量持续增长的状态能超过一周。背景流对近惯性能量具有平流输运作用，在反气旋涡内传播到深层的高模态NIWs在背景流的作用下向西传播。
3. 利用菲律宾海西部获取的五套潜标流速数据，本文通过对近惯性能量垂直剖面和动力模态分解的计算，在统计意义上给出了观测位置近惯性能量的季节变化特征。结果显示，台湾以东海区近惯性能量随季节的变化趋势为秋季最强，冬季次之，春夏较弱。不同观测位置近惯性能量随深度分布的特点不同，黑潮流域外的观测位置在400 m以下存在较多近惯性能量，可能是自发生成或者从其他区域传播而来。而黑潮流域内近惯性能量主要集中于300 m以上。模态分解结果显示，在三个潜标观测位置近惯性能量均由第一模和第三模占优。只有在强台风影响下，第二模态的能量会在较短的时间内占据主导地位。观测位置越靠近黑潮主轴，高模态能量占比越多。菲律宾以东观测位置近惯性动能受强台风支配，在夏季、秋季和冬季均可能出现较强的能量。强台风的作用使近惯性动能最大值出现在100 m~ 300 m层。