中尺度涡诱导的海洋内波动力学研究和海洋遥感高新技术探索

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海洋内波是发生在海水密度稳定层化的海洋中的一种波动，它是海水运动的重要形式之一，是一种能将大、中尺度运动过程的能量传递给小尺度的过程。内波是引起海水内部混合、形成温、盐细微结构的重要原因，它能将深层较冷的海水连同其中的营养盐输送到海洋上层，有利于海洋生物的生长。此外，内波引起的等密面的波动会影响海洋中声速的大小与传播方向，从而影响声呐的效能，对潜艇的隐蔽与监测起着有利或有害的作用。由此可见，海洋内波与物理海洋学、海洋生物学、海洋水声学和军事海洋学等诸多学科有着密切的联系，对海洋内波的研究具有重要的学术意义和实际应用意义。对海洋内波来说，关于其生成机制的研究一直是一个倍受关注的课题，本文旨在利用动力学分析方法研究海洋内波生成机制。普遍认为，在陆架区，潮汐一地形相互作用是内波的主要生成机制。然而，在明显不存在潮汐一地形相互作用的条件下，海洋内波的观测也被频频报道，关于不同内波生成机制的研究也逐步发展起来，例如，河口羽流、海底地形特征的波动、黑潮流场的不稳定性以及温跃层变浅等因素都可以激发内波。除上述由各种不同机制产生的海洋内波之外，1982年对湾流的海上观测还发现了一种不同类型的内波，该内波与一个反气旋式涡旋同时存在，它被发现于反气旋式涡旋内部，并向涡旋中心传播。之后，没再发现关于此类型内波海上现场观测的报道。然而，近年来，随着合成孔径雷达 (synthetic aperture radar,SAR)图像在海洋内波研究中的广泛应用，无论是机载还是卫星SAR都陆续在GrandBanks南部海域、远离挪威沿岸海域、湾流北部海域和 Tehuantepec湾等海域探测到了海洋内波与海洋中尺度涡同时存在的现象。为了研究这两种不同尺度海洋过程之间的内在联系，本文利用动力学分析方法，应用海洋内波的线性理论，提出了一种新的内波生成机制，即海洋中尺度涡诱导内波的内波生成机制。首先，本文综述了目前存在的各种海洋内波生成机制，详细研究了海洋内波和海洋中尺度涡的动力学特征，探讨了SAR的基本原理，分析了海洋内波和中尺度涡的SAR成像机制，介绍了内波SAR成像的解析式，并且在考虑波一流相互作用的基础上建立了中尺度涡成像于SAR图像的理论模型，推导了其解析表达式。这为以后利用SAR图像分析二者之间的内在联系奠定了理论基础。在利用动力学方法分析中尺度涡和海洋内波共存条件下内波的生成机制时，通过将内波类型的扰动的振幅展开为傅立叶积分的形式，本文在柱坐标系下，对海洋内波的控制方程组和边界条件进行了求解，给出了傅立叶积分形式的内波解，并且在此基础上分析了中尺度涡流场结构的不稳定性，即中尺度涡诱导的海洋内波的产生条件。稳定性分析表明，中尺度涡流场结构的不稳定性为内波的产生提供了动力学机制，内波会从中尺度涡吸收能量并成长。基于海洋内波的控制方程组，本文推导了海洋内波的能量方程。能量方程清楚地表明，由中尺度涡激发的海洋内波的能量来自中尺度涡，与中尺度涡流场的垂直切变有关，在内波成长过程中，内波与中尺度涡之间存在能量交换。根据内波控制方程组的可解条件，本文导出了中尺度涡诱导的内波的频散关系。频散关系表明，内波的传播受中尺度涡流场不稳定性的调制。另外，对卫星图像探测到的内波波包的谱分析表明，海洋内波具有近单频特性。利用内波的近单频近似和积分中值定理，本文对傅立叶积分形式的内波解进行了简化，得到了内波的近似解析解。中尺度涡诱导内波的理论模型被应用到海上现场观测以及SAR图像探测到的多个内波和中尺度涡共存现象中，观测到的中尺度涡的流场结构满足中尺度涡诱导的内波的生成条件。与产生于湾流反气旋涡内的内波相比，理论模型导出的内波频散关系与观测结果十分吻合。SAR图像探测到的远离挪威沿岸和Tehuantepec湾反气旋涡诱导的内波波包的二维理论波形表现为圆弧形曲线，这体现了涡旋流线的主要特征。此外，远离挪威沿岸和Tehuantepec湾的内波波包的结构与理论解的对比表明，理论模型能够很好地模拟观测到的内波波包的主要特征。介质的复折射率一般来说是复数，它的虚部代表了电磁波在该介质中传播时振幅的衰减。对于海洋微波遥感来说，电磁波在海水中传播时其振幅的衰减尤其重要，这是因为海一气界面的Snell折射率、海一气界面的反射率和发射率、利用微波辐射计反演海表面温度和盐度，以及基于散射理论利用主动微波雷达探测海洋现象和反演风矢量等都与之有密切的关系。界面反射率的传统公式是在可见光理论基础上推导出来的，没有考虑电磁波在介质中传播时振幅的衰减。然而，涉及到海一气界面时，由于在微波波段电磁波在海水中传播时其振幅衰减很大，因此，界面反射率的传统公式并不能直接应用于海洋微波遥感。考虑到电磁波在海水中传播时振幅的衰减，本篇推导出了一个计算海一气界面反射率的新公式，并将其应用到海一气界面的发射率的计算、海表面温度微波遥感模式以及雷达后向散射系数的计算。研究表明，在微波波段，考虑到电磁波辐射能量在海水中的衰减，新的海面反射率公式比传统公式更精确。将海面反射率的新公式应用到海洋微波遥感，可以提高海表面温度的反演精度以及雷达后向散射理论模型的准确性。作为对电磁波基本理论的发展，本篇提出的海一气界面反射率计算公式对海洋微波遥感理论也具有特殊重要意义。发射率海洋生态模型研究一个很重要的方面是验证模型的模拟值与观测数据的一致性。要达到这个目的，必须知道生态模型中众多参数的取值。然而，大部分模型参数，例如浮游动物最大捕食率，生长率和死亡率等，其观测资料比较少，现场实验测定也比较困难。因此，只有极少数参数的值可以通过实验室或海上测定获得。而作为强约束同化方法之一的伴随同化方法可以利用现有的观测数据，系统、客观地对模型参数进行调整，使得观测值和模拟值之间的误差最小，从而获得最佳的模型参数值。自1995年首次应用于海洋生态模型以来，伴随同化方法已经得到了广泛的应用。在本篇中，作者详细阐述了海洋生态模型中伴随同化方法的结构和特点，具体介绍了伴随法在海洋生态模型中的研究进展。针对渤海和北黄海海域，本文建立了物理海洋模型与NPZD生态模型的耦合模型，并且首先就如何选择控制变量这个问题做了深入研究。研究发现，对于渤海和北黄海海区的NPZD模型，除了传统的确定控制变量的方法之外，代价函数关于控制变量的梯度信息也可以作为选取控制变量的标准之一，这从另一个角度解决了如何确定控制变量的问题。另外，随着遥感数据越来越广泛的被应用于生态模型的伴随研究，本文通过孪生实验验证了在NPZD生态模式中使用伴随同化方法同化水色遥感数据的可行性。基于孪生实验的成功性，利用伴随同化方法将水色卫星遥感表层叶绿素a浓度数据同化到渤海和北黄海物理一生态耦合模型中。研究表明，将遥感表层叶绿素数据同化到生态模型之后，生态模型可以更好地模拟渤海和北黄海浮游植物的春华现象。同时，海洋表层营养盐浓度的年循环也与现场观测数据更为吻合。这表明，我们所建立的生态模式适合于研究渤海和北黄海海域生态系统的年循环。

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作者
徐青;
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作者单位

中国海洋大学;

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授予单位中国海洋大学;
学科物理海洋学
授予学位博士
导师姓名刘玉光,郑全安;
年度 2007
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类跃层与内波;遥测技术设备;
关键词
海洋内波; 中尺度涡; 流场不稳定性; 合成孔径雷达; 海洋生态模型; 数据同化; 海洋遥感; 微波; 海面反射率;

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