内孤立波绕岛三维特性演化实验研究

发布时间：2017-12-17 13:14

  本文关键词：内孤立波绕岛三维特性演化实验研究

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【摘要】：海洋内波是存在于密度稳定分层的海水内部中的一种常见的波动现象，在全球各近海陆架区域普遍存在。内孤立波是一种特殊的非线性内波，其产生具有随机性，主要产生机制为正压潮流过变化的地形产生的内潮激发产生内孤立波以及山后波机制。内孤立波的出现形式一般有两种：一种是单个的内孤立波；另一种是一组内孤立波波列。内孤立波具有振幅较大、传播速度较快的特点，沿单一方向传播并且在传播过程中能够稳定保持形态，携带能量从深海传到近岸区域，对海洋能量传递、生态环境、能源开发、军事海洋以及海洋工程等都具有重要的影响。南海是内孤立波的多发地带，内孤立波在吕宋海峡附近形成后向西传播，绕过东沙岛时，波形、振幅等波参数会发生相应的变化。因此，研究内孤立波的三维形态演化具有非常重要的意义。 目前内波的研究主要包括现场观测、卫星观测，数值模拟以及实验室研究。遥感观测手段的应用可以直接获取海表面内波特征物理量平面分布的全局信息，能够捕捉到内孤立波群。星载和机载SAR(合成孔径雷达)获得了大量的海洋内波图像,为海洋内波(尤其是陆架海域内波)的研究提供了丰富的资料，是研究内波过程的有效手段。SAR图像捕捉到的内波图像为相间的暗色窄条与明暗宽带，对应内波引起的表面辐聚区和辐散区。在很多研究中，一定的条件下，可以通过一定的理论（如KdV理论），能够通过SAR拍摄到的表面辐聚、辐散区的距离来反演内孤立波的其它参量，进行内孤立波的研究。存在的问题在于，在之前的部分实验室研究结果表明，在一定的水深条件下，内孤立波的实际波形与KdV的理论波形存在一定偏差，因此通过理论中辐聚区与辐散区的距离来反演内孤立波的其他参量存在一定的误差。 本实验在中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室中进行，运用重力塌陷方法造出内孤立波在两层流体中传播，其中上层为清水，下层为等密度的盐水。本实验主要采用了染色技术、粒子图像测速技术（PIV）以及荧光技术，通过在二维水槽中的实验，求解出辐聚区中心与辐散区中心的距离与振幅之间的关系式以及内波特征波宽与振幅之间的关系式，修正了KdV理论中存在的误差。在三维实验中着重研究了内孤立波过地形后三维特性的演化，应用修正后的关系式，反演出内孤立波绕岛后的各个位置处的振幅变化，体现出内孤立波绕岛后的三维演化特性。这些实验结果能够为海洋内波实地观测提供处理数据的方法，还能为内孤立波的数值模拟研究提供参考数据，在海洋动力学和军事海洋学都具有非常重要的应用价值。 本文的研究过程分为四步： 第一步，介绍如何构建内孤立波的装置，包括二维和三维水槽装置，PIV系统和图像采集系统的构建等。 第二步，二维内孤立波实验，包括二维染色实验和二维PIV实验，实验过程中利用CCD相机拍摄内孤立波波形图和流速场原始图像。每种实验方法均进行12组实验，利用处理得到的波形图和时间序列，进一步得到速度场以及速度梯度场，定量地计算振幅、相速、特征波宽、定义波宽、辐聚区中心与辐散区中心之间的距离等参量，得到相互之间的关系，修正内波理论中的部分关系式。 第三步，，三维内孤立波实验，包括三维荧光染色实验和三维PIV实验，实验过程中利用CCD相机拍摄内孤立波波形图和流速场原始图像。在三维荧光实验中，利用处理得到流速场以及速度梯度场，结合二维实验中得到的关系，反演出内孤立波过地形后的三维形态的演化。 本文将国际上先进的粒子图像测速技术（PIV）和激光激发荧光技术在内波实验中结合使用，并且将二维实验和三维实验相结合，不仅运用实验数据修正了理论中存在的部分误差，并且定量计算了内孤立波过地形后各波参量的三维演化。无论从实验技术还是研究问题上都具有一定的创新性。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P731.24

【共引文献】

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本文编号：1300223