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内(重力)波是海洋内部普遍存在的现象,其破碎引起的海洋混合在大尺度海洋环流与全球气候变化中起着重要作用。虽然海洋内波谱上携带最大能量的内波具有大尺度特征,很难直接耗散为海洋混合提供能量,但是它们能够通过非线性波一波相互作用,将能量转移到可直接引起海洋混合的小尺度内波。因此,理解内波之间的非线性能量传递过程对于海洋混合研究具有重要意义。本文通过分析南海海域内的定点观测海流、温度以及盐度资料,配合一些卫星观测资料,从内波谱中携带最大能量的近惯性波和内潮出发,探讨南海低频内波之间的非线性相互作用。同时,运用波流相互作用理论模型以揭示大尺度地转流对Parametricsubharmonic instability(简称PSI,一种非线性共振三合波相互作用)产生的影响。
南海东北部区域邻近吕宋海峡,内潮运动十分显著。通过分析位于该区域的三组定点连续海流观测记录,考察了内潮波在该海域的非线性演变过程。观测结果显示了强迫非共振相互作用的发生。该过程中,低频内潮波之间通过强非线性不稳定产生了一系列的高频潮谐波,能量从内潮转移到高频波。除了强迫非共振相互作用,观测也发现半日内潮的PSI机制能够在远离全日临界纬度(~28°)的南海海域发生,该非线性过程中低模态M2内潮的能量传递给了高模态的全日M1(M1=M2/2)波。不过,所观测的PSI过程可能不同于经典PSI机制,是一种强非线性不稳定过程。
利用一组约75天的定点海流观测资料,分析了南海东北部区域半日M2内潮PSI机制所产生的次谐频波的动力学特征。观测结果表明,M2内潮的PSI机制主要产生两种频率不同的次谐频波,一种是频率约等于M1的全日内波,另一种则是频率明显不等于M1的近惯性波。对于前者而言,两个高模态的全日内波与一个低模态的半日M2波构成了一组PSI共振三合波,能量从M2转移到了全日内波。这个过程所产生的全日内波有两个重要的物理特征:(1)由它们所控制的流速和切变场通常以近直立的驻波信号为特征;(2)它们具有与线性自由内波相同的旋转谱特征。对于PSI过程产生的近惯性波f,它与另一个次谐频波.M2-f连同M2一起构成了另外一组PSI三合波。整个75天的观测记录中,PSI三合波之间存在快速且持续的能量交换,而强非线性不稳定以及内潮的强相干性是提高半日内潮与次谐频波之间能量交换率的主要原因。特别当两列垂直传播方向相反的半日内潮波发生交叉时,非线性不稳定进一步增强,使得半日次谐频波的能量在一个短的时间尺度内(小于1天)迅速增大。
南海位于赤道与25°N之间,覆盖了双日临界纬度(~14°),同时存在着显著的全日内潮(D1)运动。本文利用在南海双日临界纬度附近获得的四套ADCP(声学多普勒流速剖面仪)海流记录,揭示了全日内潮PSI过程的发生。在所观测的动能谱和切变谱上,突出的全日次谐频峰值(0.5D1)是明确分辨出全日内潮PSI过程发生的有力证据。带通滤波后的近惯性速度信号清晰地显出PSI机制产生的近惯性特征,它们与风生近惯性信号存在着明显区别。增强的0.5D1波也或多或少出现了约14天的周期变化,进一步表明它们的能量来源于内潮。此外,观测结果也表明某些深度的0.5D1运动并不是通过局地全日内潮的PSI机制产生,同时增强的0.5D1波具有明显的次惯性特征,而波流相互作用可能是次惯性0.5D1波存在的主要原因。
通过建立一个简单的波流相互作用理论模型,本文从理论上讨论了均匀的大尺度地转平均流对内潮PSI机制可能产生的影响。结果表明,地转流在以下两个方面起作用:(1)通过波流相互作用引起的Doppler频移,使得内潮PSI机制能够在高于临界纬度区域发生,而且最有效的发生纬度会随着地转速度大小发生改变;(2)内潮PSI机制在临界纬度激发的惯性波,虽然传统内波理论近似下(即不考虑任何背景流场的线性理论)群速度几乎为0,但在平均流的作用下,仍然能够以平均流的速度传播能量。通过分析三组ADCP定点海流观测数据,进一步揭示了非局地全日内潮产生的次惯性0.5D1波。基于卫星高度计资料计算的地转流场以及波流相互作用的理论模型,我们提出非局地生成的次惯性0.5D1波可能是全日内潮PSI机制在临界纬度产生的惯性波,之后,通过背景地转流的水平对流,以地转流速度水平传播到高于双日临界纬度的观测站。最后,利用南海北部东沙群岛附近一组约20天的定点海流、温度观测资料,配合背景地转流场,进一步证实全日内潮PSI机制在潜在的波流相互作用下,也能够在高于双日临界纬度区域发生。