南海北部陆架坡区涡旋及底地形联合影响下的内孤立波传播演变

Internal solitary waves (ISWs) and mesoscale eddies are two ubiquitous features at the continental shelf/slope in the northern South China Sea (SCS). A recent study of the applicant in the northeastern SCS deep basin showed that the ISW characteristics and dynamics in the propagation processes, once influenced by the mesoscale eddies, would be modulated in different degrees. However, the rule of the shoaling ISW affected by the combined impacts of mesoscale eddies and continental shelf/slope topography in the northern SCS is still not satisfactorily studied. Therefore, this project will focus on how the characteristics and dynamics of shoaling ISWs in the northern South China Sea are affected by the combined impacts of mesoscale eddies and continental shelf/slope topography. This project will base on the in-situ and satellite observations, the fully nonhydrostatic and nonlinear numerical models, and the various kinds of nonlinear equations with variable coefficients. This study will help to deepen our knowledge of the oceanic ISW activities at the continental shelf/slope, enrich the oceanic ISW kinetic and dynamic theories, and will be important to improve the forecast of ISWs in the northern SCS.

内孤立波和中尺度涡旋是南海北部陆架坡区普遍存在的两类中小尺度现象。申请人近期在南海北部深海海盆进行的研究表明，内孤立波在传播过程中，一旦受背景涡旋影响，其相关特征及物理过程均会受到不同程度的调制。然而，目前依然缺少涡旋和南海北部陆架坡区底地形联合效应对内孤立波向岸传播演变等行为规律影响的细致研究。因此，本项目拟结合现场和卫星等多源观测资料的分析，通过全非线性非静力数值模式的模拟及各种非线性变系数方程理论的探讨，研究南海北部陆架坡区涡旋及底地形联合影响下内孤立波向岸演变基本特征及相关物理过程的变化规律。研究结果有助于深化对海洋陆架坡区内孤立波活动规律的认识，丰富海洋内孤立波运动和动力学理论，对改进南海北部内孤立波的预报有着重要的意义。

项目背景：南海北部是研究内孤立波规律的天然实验场。该海域因受黑潮入侵和季风等影响，中尺度涡旋活跃、大尺度环流结构复杂多变。此外，南海北部陆架/陆坡区存在着大量与内孤立波特征波幅及波宽相近的亚中尺度地形。南海北部内孤立波与这些多尺度过程的相互作用是制约内孤立波预报精度的基础性核心科学问题。.主要研究内容：本项目重点研究了南海北部大尺度环流对内孤立波传播演变的影响及南海北部陆架/陆坡区由隆起地形效应造成的跨海盆传播的内孤立波向岸演变规律。.重要结果及关键数据：该研究采用非线性折射模型探讨了1993-2015年间南海北部西边界流及不同黑潮入侵流径对跨海盆传播的内孤立波振幅、相速度等的影响规律。结果表明，20多年中约有1/3时间，由大尺度环流引起的内孤立波传播速度变化超过了科氏效应引起的传播速度变化。在三种不同黑潮入侵流径中，Looping对内孤立波传播加速及振幅减弱的影响最为显著(振幅减弱可超过30m)，而黑潮Leaping流径的影响最弱。造成上述差异的根本原因在于内孤立波对不同大尺度背景环流的响应差异所致。例如，Looping倾向于在研究区域诱发反气旋涡，涡致西向流与内孤立波传播方向相同会增强内孤立波沿波峰线的散射效应及传播的多普勒效应，从而导致内孤立波振幅减弱及传播速度加快。采用自主开发的水平分辨率高达25m的2.5维涡量流函数模式，项目负责人对南海北部大振幅内孤立波的向岸演变规律进行了精细化网格的数值模拟研究，获得了其在整个跨海盆向岸传播过程中受次中尺度隆起地形影响的能量和能通量演变规律。提出南海北部次中尺度隆起地形效应造成向岸传播内孤立波异常演变并诱发新波形成的新观点；指出所诱发的新波除整齐列队的第一模态先头波包外，紧随其后还可能相继出现非整齐列队的第一模态波包和整齐列队的第二模态波包，并阐明新波形成机制；表明大振幅内孤立波的能量耗散约有80%发生在陆坡区，而仅约10%发生在陆架区。.科学意义：该研究可为未来对南海内孤立波的精确数值模拟预报提供理论基础依据。法国著名海洋中小尺度过程研究专家Jonathan Gula在其近期研究中指出项目负责人关于次中尺度海底地形效应对南海北部陆架坡区内孤立波演化影响的研究证实精确地刻画海底地形是理解海洋动力过程的基础。