内孤立波反射与相互作用实验及南海北部内孤立波传播特征的初步研究

摘要

内孤立波是海洋中普遍存在的自然现象，对海洋生态和海上建筑都有重要的影响。上世纪60年代以来，Korteweg-de Vries(KdV)方程已经成为内孤立波研究最为常用的经典理论。基于KdV方程的解，孤立波在竖直平面上反射或者等振幅孤立波相互作用时，在反射点或者相互作用区域附近可以产生新的孤立波，其最大振幅可达原孤立波振幅的4倍，并且新生成孤立波波峰线随时间增长。目前，对于层结流体中内孤立波的反射和相互作用的研究相对较少，因此本文中首先就该问题采用水槽实验的方法进行了相关实验探究。此外，两层流体假设下KdV方程是最简洁易用的形式，通过内孤立波导致的海水最大水平流速可反演出内孤立波的振幅，结合海水层结数据即可反演其传播特征，据此结合南海北部荔湾区块的实地观测数据对该海域内孤立波传播特征进行了初步分析，并可以为设计一种简单的内孤立波预警方法提供参考。
　　本文研究内容主要包括两部分:
　　第一，采用水槽实验对两层流体中内孤立波反射和对称相互作用进行了模拟，并与基于KdV方程解的内孤立波传播速度以及相互作用理论结果进行了对比。实验结果分析发现，重力塌陷法要优于混合重力流冲击法，前者生成的波形更为对称和完整，而且形成时间较短;层结和入射波振幅一定的情况下，内孤立波的反射或对称相互作用的类型取决于入射角的大小，通过与临界角的对比可以来判断反射类型，即入射角在小于临界角时为马赫反射，入射角大于或等于临界角时为常规反射，与理论结果相吻合;马赫反射的步角要大于理论值，马赫反射中马赫峰的成长速度要大于理论值。此外，水槽实验中反射区域的振幅并未出现4倍放大效应，最大振幅约为入射波振幅的2倍左右;马赫反射的反射角并非定常值，且较理论值偏大;实验中内孤立波的强非线性可能是造成以上偏差的主要原因。
　　第二，基于KdV方程，结合南海北部的锚系观测数据和WOA13数据对南海北部荔湾区块的内孤立波传播特征进行了分析，实测数据共捕获了五次典型的内孤立波过程，其中四次具有两套锚系同步观测。分析发现:对荔湾区块一次大振幅内孤立波过程，背景海流对内孤立波传播速度的影响约为5％，因此对于该海域内孤立波预警而言背景流的作用不是很大;选取第一模态最大值对应深度作为上层海水厚度，结合KdV方程可以对荔湾区块内孤立波传播特征进行预测，且误差控制在9％以内，基于此可以通过监测上层流速的方法进行实时预警;此外还以“海洋石油981”平台为例，利用Morison方程等经验公式对其所受典型内孤立波载荷时历进行了分析，以期对该区域作业的石油平台提供安全参考。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 内孤立波简介

1．2 内孤立波反射和相互作用的研究进展

1．3 南海北部内孤立波研究进展

1．4 主要研究内容

2 Korteweg-de Vries方程简介

2．1 两层流体假定下KdV方程的解

2．2 连续层结假定下KdV方程的解

3 内孤立波反射与相互作用的实验研究

3．1 内孤立波相互作用分类

3．2 水槽实验仪器及内孤立波生成方法简介

3．2．1 实验仪器简介

3．2．2 内孤立波的生成方法

3．3 内孤立波反射实验

3．3．1 实验内容

3．3．2 实验数据处理

3．3．3 实验结果分析

3．4 内孤立波相互作用实验

3．4．1 实验内容

3．4．2 实验数据处理分析

3．5 本章小结

4 南海北部内孤立波传播特征研究

4．1 数据简介

4．1．1 实测数据简介

4．1．2 WOA13数据简介

4．2 内孤立波传播特征获取

4．2．1 观测站位处浮性频率剖面计算方法

4．2．2 内孤立波传播方向提取方法

4．2．3 内孤立波传播速度估算方法

4．2．4 内孤立波传播速度验证

4．3 内孤立波对“海洋石油981”平台的载荷

4．3．1 内孤立波对“海洋石油981”平台的水平载荷估算

4．3．2 内孤立波对“海洋石油981”平台的垂向载荷估算

4．3．3 内孤立波对“海洋石油981”平台的力矩估算

4．4 本章小结

5．结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历