本文關鍵詞：內(nèi)孤立波繞島三維特性演化實驗研究

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【摘要】：海洋內(nèi)波是存在于密度穩(wěn)定分層的海水內(nèi)部中的一種常見的波動現(xiàn)象，在全球各近海陸架區(qū)域普遍存在。內(nèi)孤立波是一種特殊的非線性內(nèi)波，其產(chǎn)生具有隨機性，主要產(chǎn)生機制為正壓潮流過變化的地形產(chǎn)生的內(nèi)潮激發(fā)產(chǎn)生內(nèi)孤立波以及山后波機制。內(nèi)孤立波的出現(xiàn)形式一般有兩種：一種是單個的內(nèi)孤立波；另一種是一組內(nèi)孤立波波列。內(nèi)孤立波具有振幅較大、傳播速度較快的特點，沿單一方向傳播并且在傳播過程中能夠穩(wěn)定保持形態(tài)，攜帶能量從深海傳到近岸區(qū)域，對海洋能量傳遞、生態(tài)環(huán)境、能源開發(fā)、軍事海洋以及海洋工程等都具有重要的影響。南海是內(nèi)孤立波的多發(fā)地帶，內(nèi)孤立波在呂宋海峽附近形成后向西傳播，繞過東沙島時，波形、振幅等波參數(shù)會發(fā)生相應的變化。因此，研究內(nèi)孤立波的三維形態(tài)演化具有非常重要的意義。 目前內(nèi)波的研究主要包括現(xiàn)場觀測、衛(wèi)星觀測，數(shù)值模擬以及實驗室研究。遙感觀測手段的應用可以直接獲取海表面內(nèi)波特征物理量平面分布的全局信息，能夠捕捉到內(nèi)孤立波群。星載和機載SAR(合成孔徑雷達)獲得了大量的海洋內(nèi)波圖像,為海洋內(nèi)波(尤其是陸架海域內(nèi)波)的研究提供了豐富的資料，是研究內(nèi)波過程的有效手段。SAR圖像捕捉到的內(nèi)波圖像為相間的暗色窄條與明暗寬帶，對應內(nèi)波引起的表面輻聚區(qū)和輻散區(qū)。在很多研究中，一定的條件下，可以通過一定的理論（如KdV理論），能夠通過SAR拍攝到的表面輻聚、輻散區(qū)的距離來反演內(nèi)孤立波的其它參量，進行內(nèi)孤立波的研究。存在的問題在于，在之前的部分實驗室研究結果表明，在一定的水深條件下，內(nèi)孤立波的實際波形與KdV的理論波形存在一定偏差，因此通過理論中輻聚區(qū)與輻散區(qū)的距離來反演內(nèi)孤立波的其他參量存在一定的誤差。 本實驗在中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室中進行，運用重力塌陷方法造出內(nèi)孤立波在兩層流體中傳播，其中上層為清水，下層為等密度的鹽水。本實驗主要采用了染色技術、粒子圖像測速技術（PIV）以及熒光技術，通過在二維水槽中的實驗，求解出輻聚區(qū)中心與輻散區(qū)中心的距離與振幅之間的關系式以及內(nèi)波特征波寬與振幅之間的關系式，修正了KdV理論中存在的誤差。在三維實驗中著重研究了內(nèi)孤立波過地形后三維特性的演化，應用修正后的關系式，反演出內(nèi)孤立波繞島后的各個位置處的振幅變化，體現(xiàn)出內(nèi)孤立波繞島后的三維演化特性。這些實驗結果能夠為海洋內(nèi)波實地觀測提供處理數(shù)據(jù)的方法，還能為內(nèi)孤立波的數(shù)值模擬研究提供參考數(shù)據(jù)，在海洋動力學和軍事海洋學都具有非常重要的應用價值。 本文的研究過程分為四步： 第一步，介紹如何構建內(nèi)孤立波的裝置，包括二維和三維水槽裝置，PIV系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)的構建等。 第二步，二維內(nèi)孤立波實驗，包括二維染色實驗和二維PIV實驗，實驗過程中利用CCD相機拍攝內(nèi)孤立波波形圖和流速場原始圖像。每種實驗方法均進行12組實驗，利用處理得到的波形圖和時間序列，進一步得到速度場以及速度梯度場，定量地計算振幅、相速、特征波寬、定義波寬、輻聚區(qū)中心與輻散區(qū)中心之間的距離等參量，得到相互之間的關系，修正內(nèi)波理論中的部分關系式。 第三步，，三維內(nèi)孤立波實驗，包括三維熒光染色實驗和三維PIV實驗，實驗過程中利用CCD相機拍攝內(nèi)孤立波波形圖和流速場原始圖像。在三維熒光實驗中，利用處理得到流速場以及速度梯度場，結合二維實驗中得到的關系，反演出內(nèi)孤立波過地形后的三維形態(tài)的演化。 本文將國際上先進的粒子圖像測速技術（PIV）和激光激發(fā)熒光技術在內(nèi)波實驗中結合使用，并且將二維實驗和三維實驗相結合，不僅運用實驗數(shù)據(jù)修正了理論中存在的部分誤差，并且定量計算了內(nèi)孤立波過地形后各波參量的三維演化。無論從實驗技術還是研究問題上都具有一定的創(chuàng)新性。
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P731.24

【共引文獻】

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本文編號：1300223