西北太平洋复杂地形下内波动量通量及其对背景流场反馈的研究

The Northwest Pacific Ocean is one of the most energetic regions with internal waves, mesoscale eddies and circulation. Internal waves are a bridge to connect these multiple-scale processes. Compared with the energy analysis, studies on exchange and transfer of internal wave momentum are relatively limited, although the internal wave momentum flux is an important indicator for oceanic wave-mean-flow interaction and is directly related to material transport. In this project, we will focus on the impact of internal wave momentum flux on background currents. We will first set up a theoretical framework for internal wave and mean flow interaction, investigate the conditions to break the limit of the nonacceleration theorem, analyze the effects of asymmetric or anisotropic wave field due to internal wave generation, critical or inertial layers of background shear and internal wave dissipation, and also compute the internal wave drag. Using an internal wave model in the Northwest Pacific Ocean which include the Kuroshio and mesoscale eddies, we will extract the temporal and spatial characteristics of internal wave momentum flux generated by complex topography, evaluate its impact on the intensity and vorticity of background currents and quantify the influence on oceanic material transport. We will also design an observational plan for internal wave momentum based on the model results.

西北太平洋是全球内波、中尺度涡、环流等海洋现象最活跃的区域之一，海底复杂地形引发的内波是联系这些多尺度海洋过程相互作用的桥梁。相比于能量角度，海洋内波引起的动量交换和传递的研究相对较少，而内波动量通量是海洋波流相互作用的重要参量，并且与海水物质输运直接相关。本项目聚焦于内波动量通量及其对背景流场影响这一有限目标，系统的建立内波-平均流相互作用的理论模型框架，考察海洋中打破非加速原理限制产生有效内波动量通量的条件，分析内波场各向异性、临界层、惯性层以及内波耗散对内波动量通量的影响。搭建包含黑潮和中尺度涡的西北太平洋内波模式，考察西北太平洋复杂地形产生的内波动量通量的时空分布特征和生成条件，评估内波引起的波动拖曳效应对背景流场强度和涡度的反馈作用，量化其对大洋物质循环的影响，并基于模式结果研究制定内波动量通量的观测方案。

本项目围绕内波致平均流这一科学问题，通过理论和数值分析，从内波动量通量的角度，揭示了不同背景条件下内波如何产生有效的平均流输运，进一步讨论了内波产生的背景平均流对环流、中尺度涡等多尺度现象和物质输运的影响。研究发现内波引起的物质输运反映在拉格朗日平均流上，其包括欧拉平均流和内波致斯托克斯漂流两部分，两者对平均流输运的作用通常是相反的，以拉格朗日余流为基础重构了内波-平均流相互作用的理论框架，探讨了动量通量如何打破非加速原理限制产生平均流。利用二维MITgcm模式建立内波动量通量分析模式，利用粒子追踪的方法计算内波引起的平均流，同时揭示了内波生成传播过程中伴随着近惯性运动的调整过程和平均流动量平衡的建立，后者建立在科氏力、压强梯度力和内波动量通量散度之间的平衡基础上。建立了针对西北太平洋典型地形结构的三维内波数值模式，揭示了内波动量通量的三维空间结构，发现内波动量通量产生的应力与海表中等风速引起的应力几乎相当，这也提示我们需要重新评估内波动量通量产生的海表和海底应力对海洋边界层过程的作用。针对内波动量通量这一关键动力过程参数，提出了利用水下自主航行器和声学观测技术，对内波动量通量的观测方案。.关键数据体现在SUNTANS模型数据，项目组基于非结构化网格，计算了西北太平洋内波的生成传播，在线计算了內潮转化率、能通量、动量通量及其引起的平均流，可用于西北太平洋内潮的后报和预报。.本项目从内波动量通量的角度，为西太计划 “（一）西太平洋沟弧盆体系调控下的近海-大洋环流系统与物质循环”提供了大洋物质循环的一条重要途径。内波动量通量引起的应力在海表与中等风速的风应力相当，可能会影响涡旋、环流等大尺度现象，从而影响海气界面过程；其在海底引起的平均流将会影响水体的物质输运，从而会影响西太海域包括海底峡谷等在内多种地形地貌形成和迁移过程，从而影响海底界面过程。