关于海洋内波介绍

[拼音]：haiyang neibo

[外文]：ocean internal waves

密度稳定层结的海水内部产生的波动。内波和表面波不同，最大振幅发生在海面以下，频率局限于惯性频率f(=2ωsinφ)（即科里奥利参量）与浮力频率

之间。ω为地转角速率，φ为地理纬度，g为重力加速度，ρ为局地时间平均密度，cs为声速；z为垂向坐标，向上为正。频率较高的内波，其恢复力主要是重力与浮力之差，频率较低时主要是地转惯性力（或叫科里奥利力）。所以这种内波也是一种重力波或者叫做内惯性重力波。由于实际海水密度的层间变化很小（跃层上下的相对密度差也仅约0.1％），所以只要很小的扰动就会在内部产生轩然大波。这种波动很缓慢，相速仅为相应表面波的几十分之一，即不足1米/秒。由于内波具有很强的随机性，因而其振幅、波长和周期分布在很宽的范围内，一般分别为几米至几十米，近百米至几十公里，几分钟至几十小时。只要海水密度处于稳定层结状态（即N2为正值，或通俗地说是上轻下重分布着），就能观测到脉动现象。虽然它们并非全是内波所致，但频率介于f和N之间的脉动，可能主要是内波的表现。

内波是一种重要的海水运动，是转移大中尺度运动能量的重要环节，也是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。它将海洋上层能量传至深层，也将深处较冷的海水连同其中的营养物质带到较暖的浅层，从而促进生物的生长。内波导致的等密度面的波动，使声速的方向和大小都发生脉动，因而极大地影响着声呐的功能，故有利于潜艇的隐蔽而使监听遇到困难。在海洋开发中发现内波对海上设施也有影响。

在1893～1896年北极探险过程中，F.南森发现船只莫名其妙地减速。经研究得知，船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被如此消耗，因此显著减速。这种现象称为“死水”。对密度跃层的波动的理论研究，可回溯到半个世纪以前。G.G.斯托克斯在1847年就研究过两均匀流体层的界面处的界面波（内波的一种特殊情况），接着J.W.S.瑞利研究了连续层结的情况。至于实际的内波研究，由于观测困难，在很长时期很少进展。自40年代起，温深仪的发明及各种快速密集取样调查仪器与方法的相继出现，对内波的调查迅速开展起来。由于使用了资料的随机处理方法，尤其是谱分析的技术，使内波的研究进入一个新阶段。60年代后期至70年代前期，为大洋内波研究的迅猛发展时期，G.加勒特和W.蒙克(1972)提出了大洋内波谱模型（GM模型）。此模型与远离边界、表面和海底、且流速梯度不大的区域的实测资料非常符合。但它只是现象的统计描述，未能揭示出内波的物理机制。尽管如此，它仍是内波资料分析的准绳，也是进一步开展理论研究的出发点，因而被誉为内波研究的里程碑。

现在研究的重点已从状况较简单的大洋主温跃层上下的内波，向情况复杂的上层、底层及大陆坡等处的内波转移，并从单纯对现象的描述，转入从海洋的整体运动过程的角度，来研究内波能量的产生、传递和耗散的机制，以及内波与其他海洋运动的相互关系。同时开展与生产和军事紧密相关的应用研究。

内波的频率和波数必须满足一定的关系，即弥散关系。波数为一向量，其方向与相速度一致，量值等于沿此方向 2π间隔内所含的波的数目。由内波引起的质点运动的水平速度、垂向速度和垂向位移之间，也存在一定的关系。密度的垂向分布对内波的特性有很大的影响。最简单的内波为界面波，它沿界面传播，群速与相速方向一致。最大振幅出现在界面处。在不同深度的内波的振幅，随该处至界面的距离的增大而按指数律减小。界面上质点运动的水平速度和界面下者方向相反。在紧贴界面上下的质点，当其处于波峰或波谷时，有最大的水平速度。此处质点的水平速度随深度的变化极快，即存在很强的速度剪切。界面处的质点恰好通过界面平衡位置时，具有最大的垂向速度，峰前向上，峰后向下。这样，在浅跃层处的界面波可能在表面形成相间的辐聚带和辐散带，在海面呈现明暗清晰的条带图案。

密度连续层结的流体中的内波，比界面波复杂得多。水质点的运动速度与波的相速度垂直，传输波能的群速与相速垂直。频率不同的内波，不但相速度的大小不同，而且方向各异。近似于惯性频率的内波，相速的方向近于铅直，质点运动轨迹近于水平圆周，群速的方向也近于水平。随着频率的增大，相速与水平之交角变小，质点运动轨迹的椭度增大；群速与轨迹椭圆的长轴方向一致，与水平方向的交角增大。接近稳定性频率的内波，相速近于水平，群速近于铅直，质点近于铅直往复运动。由于群速与相速垂直，出现了费解的现象：波形向斜上方传播时，波能向斜下方输送；反之亦然。

内波在稳定性频率 (N)变化的介质中传播时会发生折射。在表面和底面或在内波频率ω=N的深度（转折深度）处会发生反射。内波在运动介质中传播时，会发生多普勒效应，从而改变其传播速度。在介质运动速度等于相速（临界层）处，内波可能消失。

由于表面与底面（或转折深度处）的反射，可能在铅直方向形成驻波。这种驻波有几个波腹，就称此内波处于第几模态，模态越高，运动就越复杂。

由于海洋内波随时间和空间而随机地变化，并且频率范围很宽，故需要在较长的时间内快速密集地取样。许多新近发展的通用海洋调查仪器，都能满足这种要求。观测中最常用的是能同时兼测温度、电导率和深度等的锚系自容式海流计，或能同时兼测温度、盐度和深度的仪器。将多个锚系装置和多架仪器布置成立体的仪器阵列。观测的时间常连续多日甚至数月。它可得到各种锚系频率谱，例如温度频率谱和水平流速分量的频率谱。从平均温深剖面和温度频率谱，可得等温面垂向位移频率谱。从各种频率谱可分析得到方向谱（见海浪谱）。

从船上或平台上连续收放温度电导率深度仪 (CTD)，投弃式和非弃式温深仪（XBT和UBT）及电磁速度剖面仪等，可得投抛谱，即垂向位移（或水平流速）垂向波数谱。利用走航观测仪器，如称为“拖鱼 (towedfish)和“蝙蝠鱼”(batfish)的温度电导率深度仪，可得拖曳谱如垂向位移（或温度）水平波数谱。若拖曳适当配置的测温链等阵列，可得种类更多的频率谱。

选定在等密度面处作中性漂浮或上下运动的温度电导率深度仪，是观测内波的理想专用仪器，它能记录下较纯的内波运动。用声学方法（如多普勒声呐）也可以观测内波，还可采用卫星或航空摄影来观测浅层的内波。

在上述观测的同时，还应作海域环境调查，如水深、潮汐、平均温盐深剖面、平均流、气压、风等，以供综合分析。

由于内波的随机性，很难从不同地点、不同时间、不同手段所得观测资料，得出统一的结果。加勒特和蒙克应用随机过程理论，并引入一些理想化的假设，如假设实际的海洋内波是由许多不同频率、不同波数、具有随机振幅和随机相位的正弦波线性叠加而成，将大量调查资料统一于一个普遍适用的模型即GM模型。

模型谱的特点是：在远离边界的大洋中，内波的能量波数频率谱具有普适性，即除一些特殊地区外，不论何时何地所得到的调查资料，都与这模型的结果近乎一致。它在近似惯性频率处有一峰值，近似稳定性频率处有一小峰或平肩，在中间频段有ω-2特性。对水平波数K的依从关系为(1+K/K*)-2.5，其中K*为适当选定的波数比尺。

调查资料较普遍地反映出在半日潮的频率处有一个大小不一的谱峰，但这种模型没有表达出来。这种模型也未能包括在上层海洋、陆架和陆坡处及平均流强盛处的复杂情况。

各种内波谱之间存在一定的关系，可用来检验观测所得的脉动量是否为内波。

上述特性主要是运动学的。内波动力学研究波能的获得和耗散，以及在不同频率、不同波数的内波之间的传递机制。这一研究方兴未艾。气压变化、风应力、表面波、大中尺度平均流、表面混合层湍流、潮流经过变化的底地形等，都可能产生内波。虽然GM模型引入了线性假设，但实际的内波是非线性的。不同频率、不同波数的内波之间通过非线性相互作用而进行能量交换，将具有低垂向波数的内波的能量传给具有高垂向波数的内波。具有高垂向波数的内波容易破碎而发生混合，形成了细微结构。它引起的严重的速度不均匀性，容易产生湍流。因此，内波的能量又转移给更小尺度的湍流和细微结构。另外，内波的波能在临界层处会被较大尺度的平均流所吸收（临界层吸收）。因此，内波是各种大中小尺度的海洋整体运动过程中的一个积极的环节。