南海東北部近慣性振蕩的垂向分布特征

南海東北部近慣性振蕩的垂向分布特征

內(nèi)波是穩(wěn)定層和海水之間的波動。它的恢復(fù)力是重力和浮力的力（即約化重力）和地球自轉(zhuǎn)的力，因此內(nèi)波也被稱為內(nèi)重力波或內(nèi)勢波。內(nèi)波的波動頻率介于慣性頻率f和浮力頻率N之間,常見的波長為幾十米到幾十千米,周期為幾分鐘到幾十小時,振幅一般為幾米到幾十米(南海是熱帶西太平洋最大的半封閉邊緣海,位于東亞季風區(qū)內(nèi),深受季風的影響,冬季表現(xiàn)為東北季風,夏季轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂霞撅L,而春季和秋季是季風的轉(zhuǎn)換季節(jié)。南海是熱帶氣旋產(chǎn)生最頻繁的海域之一。據(jù)統(tǒng)計,平均每年由西北太平洋進入南?；蛘咴谀虾＞值厣傻呐_風約有10.2次目前,南海上層海洋對臺風的響應(yīng)研究主要基于數(shù)值模式、衛(wèi)星資料及單個站點的現(xiàn)場的連續(xù)觀測資料。我們的科學問題是,對于臺風經(jīng)過兩個不同水深的站點所激發(fā)的近慣性振蕩,其垂向分布是否存在差異?而造成差異的原因是什么?本文基于2014年9月南海東北部附近海域兩個水深不同的潛標數(shù)據(jù),通過譜分析、濾波等方法,探討南海東北部不同水深處臺風激發(fā)的近慣性振蕩的垂向分布特征及其差異。1數(shù)據(jù)和研究方法1.1西北太平洋2014年第15號臺風“海鷗”于9月8日在西北太平洋生成,并于12日下午發(fā)展為熱帶風暴。9月14日19時左右,臺風“海鷗”在菲律賓呂宋島東北部登陸,此后以約30km·h1.2海流的正壓流和濾波觀測所得的原始海流U(z,t)可以看作正壓流U(7)t(8)和斜壓流U(4)(z,t)之和。將原始觀測得到的海流做深度平均即得出正壓流:其中,z是深度,t是時間,H為海水總深度。從原始海流減去正壓流可得到斜壓流:濾波是將原始信號中某個特定波段的頻率濾出的一種方法。一般通過濾波器來提取近慣性頻帶的內(nèi)波信號。本文對斜壓流進行帶通濾波,使用Butterworth濾波器,濾波頻帶為(0.9~1.1)f其中,u、v分別為近慣性流的東西和南北流速分量,海水密度ρ1.3海洋流速矢量的機信號序列假設(shè)平穩(wěn)隨機信號序列X(n)的自相關(guān)函數(shù)為r其中,X(n)為隨機信號序列,r海洋中某點水平流速矢量沿著深度的分布可以寫為:u(z)+iv(z),i為虛數(shù)單位;并且根據(jù)傅立葉變換,其對應(yīng)垂向上每個波數(shù)m可以記為:其中,u其中,尖括號代表平均,“*”表示共軛。C1.4小波分析連續(xù)小波變換是指將空間的任意函數(shù)在小波基下進行展開,引入了窗口函數(shù)uf059其中,Ψ是窗口函數(shù),W2結(jié)果分析2.1波數(shù)旋轉(zhuǎn)譜臺風“海鷗”在9月15號10時左右從觀測站點南方(117°30′E,17°54′N)經(jīng)過,此時臺風中心氣壓約為970pa,最大風速為35m·s圖4是兩站點臺風期間的近慣性流、全日內(nèi)潮和半日內(nèi)潮的波數(shù)旋轉(zhuǎn)譜,展現(xiàn)了三個主頻帶(近慣性、全日、半日頻帶)垂向傳播的特征。其中C2.2功率譜和相對垂向分析圖5是臺風前后A、B站點近慣性流速東西分量u的時間序列。由于兩站點的近慣性流速東西分量和南北分量的分析結(jié)果類似,所以本文主要展現(xiàn)u分量的分析結(jié)果。在臺風經(jīng)過前,兩站點的近慣性流速u分量均小于0.1m·s圖6和圖7分別是臺風前后A、B站點斜壓流的功率譜,由于譜分析結(jié)果類似,圖中只展示部分深度的功率譜。其中,黑色、紅色實線分別表示臺風前后的功率譜,近慣性(f),全日(D次級波動fD圖9a、b是根據(jù)公式(3)計算得到的臺風前后兩站點的近慣性動能。A、B站點的近慣性動能具有相似的垂向分布特征:近慣性動能在表層都隨著深度增大而增大,最大值出現(xiàn)在次表層,此后隨著深度增加而逐漸減弱。臺風前兩站點的近慣性動能很小,不超過2J·m圖7中B站點的fD我們對A、B站點的斜壓流速進行濾波,分別得出f、D3a、b點分布根據(jù)上述分析,兩站點的近慣性振蕩垂向傳播速度有明顯差異,主要與不同的背景層化特征有關(guān)。兩站點的水體層結(jié)在垂向上的分布存在明顯差異:A、B站點相距約20km,深度相差約400m。根據(jù)潛標所得的溫鹽實測數(shù)據(jù)計算兩站點的浮力頻率,結(jié)果表明,站點A的浮力頻率最大值在61m附近,其值為0.019s誠然,根據(jù)目前掌握的有限觀測資料,難以解釋造成兩站點近慣性振蕩的垂向傳播速度的不同和非線性波-波相互作用現(xiàn)象差異的原因,這有待將來進一步結(jié)合數(shù)值模式來加以研究分析。4斜壓潮流本文基于2014年9月南海東北部附近海域的兩個潛標數(shù)據(jù),研究了南海北部不同水深處臺風致近慣性振蕩的垂向分布特征,結(jié)果如下。1)該海域斜壓潮流主要以全日分潮為主。9月15日—24日,兩個站點在近慣性頻段(站點處慣性周期約為35h)的能量有較為明顯的峰值。臺風前兩個站點的近慣性流很弱,流速值低于0.1m·s2)A、B站點的近慣性振