09-1-海洋内波

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《海洋工程环境学》
第四章 海洋波浪
船舶工程学院 马山 副教授
内波基本概括和特性
1、内波的一般特性 2、内波的形态 3、内波与表面波的区别 4、内波的动力学作用
1、内波的一般特性
内波：发生在海洋内部不同密度层间的波动就称为海洋内 波(Internal Wave)。主要控制力是重力，浮力和地转科氏惯性 力。所以内波也称为内重力波或内惯性重力波。
地形变化激发的内波2
蓝色的是冷的密度大的水团，红色是暖的 轻的水团。当冷水团沿斜坡下滑时会因旋转而 对暖水团有侧向裹挟。从而产生内波。
实际海水密度的层间变化很小（跃层上下的相对密度差也仅为 0.1%），海水只要受很小的扰动就会偏离平衡位置产生大波。这种波 动很缓慢，相速一般不足1m/s。常见的波长为几十米至几十千米，周 期为几分钟至几十小时。振幅一般为几米至几十米，有时甚至高达 180m。 。
• 有益的方面：
• 内波反复地将海水由光照较弱的较深处抬升到光照较强的浅层 ，促进了较深层的海洋生物的光合作用，提高了海洋初级生产 力。由潮汐引起的内波在陆架外缘等地形变化的海域形成上升 流，将营养丰富的深层海水输送到浅层，有利于生活在浅层的 海洋生物的增强。 • 内波引起的海水混合，尤其是穿过等密度面的混合，有利于物 质与热量的输送，从而对海洋环境和海洋生态保护发挥重要作 用。
海洋内波形成的两个必要条件
海洋内波的产生应具 备两个条件：一是海 水密度稳定分层，二 是要有扰动能源，两 者缺一不可。在海底 深层，当海水因温 度、盐度的变化，出 现密度分层后，经大 气压力变化、地震影 响以及船舶运动等外 力扰动，就可能在海 水内部引发起内波。
内波形成示意图
内波生成的演示
地形变化激发的内波1
内波的破坏力，主要是在产生内波的跃层上下，会形成两支流 向正相反的内波流。这种内波流速可高达1．5米／秒，犹如剪刀一 般，破坏力极大。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台， 就曾遭内波袭击而不得不中断作业。海底输油管和电缆等的断裂很 可能与这种作用有关。
海洋内波具有许多表面波所没有的特性，难以像表面 波那样直接测量，观测比表面波困难，一般须间接测量海 水温、盐、密度等参量的变化来得到内波的变化特征，近 来对它的研究得到重视，但还在认识之中。
1963年4月10日，美国“大鲨鱼”号核潜艇，在距马萨诸 塞州海岸外350公里处突然沉没，艇上129人无一生还，事后 经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判断，下沉的原因是 潜艇在水中航行时，遇到了强烈的内波，将其拖拽至海底而 被压碎。我国也发生过类似事故，某潜艇在航行中突然从8米 深处被拖至80米深处险遭不测。
内波中的水粒子轨迹图示
这种辐聚辐散可反映在雷达图像上。形成强弱不同的条纹。
航天飞机在纳米比亚 （Nambia）附近拍摄的照片。在 雷达图像中，内波的反映将是周 期性明暗相间的条纹。
在天空中观测到的内波
我国南海受潮汐作用激发，内波活动也相当 活跃。
台湾海研二号研究船雷达所看到的南海中一排排的內 波，可以看到4道內波的波峰线。4道内波波峰线大致互 相平行地排布，与大河底的砂波、砂漠中的沙丘的平面分 布形态相似。
不利的方面：
内波引起的等温度面和等密度面的起伏会影响到海洋 中声信号的传播速度与方向。从而降低了声纳的功能，增 加了水下通讯和目标探测的困难。
内波会引起等密度面的快速（流速急）的大振幅上下 起伏。如果有潜艇和鱼雷等水下航行物体位于这种等密度 面处，它们将随等密度面上下运动或快速上浮下沉，导致 鱼雷脱靶，潜艇难以操作。如有海上采油平台，也会受到 严重影响和损害。
4、内波的动力学作用
• 内波能将能量和动量从相对较高的上层海洋传入的深层， 所以内波是能量和动量垂向传输的重要载体。 • 内波将能量从含能较高的大尺度运动过程传递给含能较低 的较小尺度运动过程，再传给更小尺度的运动过程，直至 成为湍流而耗散。 • 内波引起和参与的混合过程是保持海洋层结状态的关键因 素。
台湾研究船上声纳系统在东沙环礁所看到的南海具 有巨大振幅的內波，咖啡色及紅色部分是海底。
3、内波与表面波的区别
内波和表面波都是界面波，它们没有本质的差别。表面波 发生在密度很小的空气和密度很大的海水之间界面上的波动。 自由海面的海水上升需要克服重力，因此振幅的升高受到限 制。但海洋内部的海水上升时，本身的重量大部分被浮力抵消 ，于是升高比较容易。对以相同能量产生的内波和表面波，内 波的最大振幅要比表面波的最大振幅大得多。
2、内波的形态
内波发生在水体内部，一个实验室的演示，可以给出内 波的基本形态。 水槽中有 两层不同密 度的流体： 上层是淡 水、下层是 染了色的盐 水。交界面 由绿线表 重密度的深色盐水沿着水槽底部 示。内波传 从左向右运动产生的内波 播时，上层 自由水面保 持静止。
内波的振幅并不达到海面，但内波的振荡会影响海面的海水 流动，造成海面流动的辐聚辐散。