南海中尺度背景下内波生成传播机制研究

Internal waves and mesoscale processes have different scales in time and space. Recent observations in the South China Sea reveal a relationship between these two phenomena, however, their interaction and related dynamics are still unclear so far. Therefore, we propose to systemically study their interaction through in situ observations, theoretically analysis and numerical models, focusing on the South China Sea where amount of internal waves and mesocalse motions have been observed. Economic and efficient observational plan will be made for this study. Through this study, we expect to understand how the Kuroshio in Luzon Strait affects the generation of internal tides, how the Kuroshio and mesoscale eddies affect the propagation of internal waves, and how the energy is transferred, redistributed and dissipated between internal waves and mesoscale eddies. Then a parameterization scheme will be proposed and applied in regional ocean models. In the South China Sea, amounts of mesoscale processes, such as the Kuroshio, mesoscale eddies, etc., exist, and the internal waves are one of the largest ones in the world. Therefore, the South China Sea provides a natural field for this study. In addition, this study can support our understanding the dynamics in the South China Sea, and also serve for our economy and surveillance.

海洋中内波和中尺度过程有着不同的时空尺度，近期南海观测资料表明这两者存在着联系，然而这两者之间的相互作用关系尚无一系统的阐述。本项目将集中于我国北部南海内波和中尺度过程丰富的深水海域，制定经济、高效的跨尺度海洋观测方案，分别从现场观测、理论分析、数值模式三个角度系统的考察和研究以吕宋海峡黑潮锋面和南海中尺度涡为代表的中尺度过程是如何影响内波生成和传播的，内波混合对中尺度涡生消过程的影响，阐明黑潮、中尺度涡与内波之间能量传递、分布、耗散过程，并提出相应的混合参数化方案。南海存在着丰富的黑潮、涡旋等中尺度过程，并且是全球内波振幅最大的区域之一，为开展此项研究提供了天然的测试场所。此项研究目的是理解和掌握南海关键海域动力过程，服务于海洋科学研究和我国经济国防建设。

本项目的研究目标为理解南海区域包括黑潮、中尺度涡在内的海洋中尺度过程对内波生成传播的影响机制和关键过程。通过观测数据分析、理论框架建立和数值模式仿真，聚焦南海北部，系统的研究了吕宋海峡黑潮对内波生成的影响、黑潮和中尺度涡旋对内波传播规律的影响、内波混合对于中尺度运动过程的影响。分别讨论了黑潮入侵引起的温跃层倾斜、叠加的多普勒效应对吕宋海峡内潮生成的影响，中尺度涡引起的层结变化和海流对内波传播和内孤立波生成的影响和作用机理，借助分析模型量化分析了观测数据中发现的南海内部内孤立波振幅的变化。同时，深入分析了中尺度过程引起的温跃层起伏对内波生成传播的影响。通过本项目的研究，我们较好的完成了此目标，相关的研究成果发表在Journal of Physical Oceanography和Journal of Geostrophic Research上，并形成了几项基于海洋观测的专利。理论上，针对不同的关键过程，包括非线性、倾斜温跃层、背景流场等，我们搭建了多个中尺度过程下内波生成传播的数学模型，并研究了相关的求解算法；数值模式上，搭建了高分辨率南海内波模式和基于四维变分同化的南海背景环境场模式，可以对南海海域的内波做较为准确可信的诊断和预报，预报模式正在初步应用于中海油石油平台的海洋环境安全保障；现场观测方面，利用倒置式回声仪作为内波的主要观测手段，虽然由于航次的问题，投放较晚，但是利用已有的倒置式回声仪数据分析了不同时间段内波特征的不同，并结合理论模型和数值模式，定量和定性分析了中尺度过程在内波生成传播过程中的作用，而这一作用因素越来越引起海洋学家的重视。