潮汐和内波在大陆架上
格雷戈里·n·艾维
文摘综述最近的实验室试验、现场观测和数值模拟内波潮汐运动产生的,与特定的关注澳大利亚西北大陆架。截然不同的政权都观察根据环境的特点密度分层的强度、地形和潮汐强迫。字符区域的边界附近的流波生成是非常重要的在确定内部波响应。气旋存在时,强烈的混合在水柱可以抑制内部产生的潮波运动形成了许多天。
9.1介绍
海洋内波是无处不在的,可以由湍流搅拌(例如门罗和萨瑟兰2008)或运动,如潮汐流在地形(如方。贝恩斯,1985)。潮汐的作用全面分层水海洋地形导致内波的生成的潮汐来源(内部潮汐),反过来,扮演着重要的角色在深海混合和大型海洋环流(例如蒙克和温斯迟1998;温斯迟和法拉利2004),是本文的重点。
自由传播内波频率m传播能量的群速度矢量的方向角度为6的水平色散关系m2 = N2sin20 + f 2 cos20«N2sin20 (9.1)
简化的有效提供科里奥利参数f小于浮力频率n .潮汐发电的一个重要参数
学校的环境系统工程和映象海洋研究所,西澳大利亚大学M015 35斯特林公路,克劳利,佤邦6009年,澳大利亚的电子邮件:(电子邮件保护)
a·席勒g . b . Brassington (eds),操作海洋学在21世纪,225年
DOI 10.1007 / 978 - 94 - 007 - 0332 - 2 - _9,©Springer科学+商业媒体帐面价值2011
内波是因此地形陡度参数y = S / a, S = hs / ls的平均斜率地形(hs和ls是垂直和水平lengthscales特征)和波斜率是定义为一个= tan 0。注意,根据这个定义Y是一个总体参数和一个临界点的通常定义(例如Gostiaux和Dauxois 2007;Zhang et al . 2008年)底坡是当当地匹配波射线斜率。
除了迫使频率<作为潮汐潮流的特点是速度情况,其他参数内潮一代的重要性(例如Garrett和Kunze 2007)地形弗劳德数Fr =情况/ Nhs和潮汐情况/ rnl偏移参数。亚临界地形(y < 1),在极限情况/ rnl ^ 1和hs / H ^ 1,线性内部产生潮汐(Balmforth et al . 2002;贝尔1975;莱格和Huijts 2006)。随着地形的临近criti-cality (y = 1),内部潮流表现为射线结构,来自地形上的临界点(Gostiaux和Dauxois 2007;格里菲斯和Grimshaw 2007),而对于情况/ rnl > 1的响应是由更高的谐波频率(例如贝尔1975)。
内部波运动通常观察附近大陆斜坡(Hollo-way et al . 2001;留置权和格雷格2001)、山(Lueck和玛吉1997;Toole et al . 1997年)、中期海洋山脊(雷米彻姆1997)和大陆架附近地区如澳大利亚西北大陆架(NWS)。NWS具有强大的潮汐强迫和有很多激烈的内部波运动可以发挥重要作用的能源预算,因此湍流搅拌大陆架水域(例如Holloway et al . 2001;范Gastel et al . 2009年)。NWS地区位于参数空间y < 2,情况/ rnl ^ 1和Fr ^ 1。
实地测量是稀疏,只有提供点的位置信息。因此经常很难识别的物理产生机制内部潮流和随后的在一个给定的地区内部波传播和耗散。因此本文评论最近的实验室、现场观测和数值模拟的内部与特定的关注NWS潮一代。作为NWS也容易受到龙卷风的影响在夏季,我们结束考试的气旋影响一代内部的潮汐。
9.2实验室模型
大多数实验室研究都聚焦于内部潮一代的过程在不断分层流体,在临界点附近(y = 1),内部潮流表现为局部平行发出射线结构底部从地形上的临界点(例如Gostiaux和Dauxois 2007;孔雀et al . 2008;Zhang et al . 2008年)。最近的两项研究(Lim et al . 2008, 2010),研究了生成过程由不同y而迫使相对动荡的搅拌强度。描述的底部附近的湍流边界层涡流粘度K的影响迫使可以以当地的雷诺数定义为Re =情况/ (NK)(莱格和Klymak 2008)。上的正压强制,因此再保险公司检查在这些研究考虑
Asinrat
Asinrat
-
- Asinrat
图9.1配置的实验室实验Lim et al . (2008、2010)。垂直振动的柱塞在左端生成一个振荡正压流/货架地形斜率的另一端。实验用一个两层的密度分层和b连续密度分层
图9.1配置的实验室实验Lim et al . (2008、2010)。垂直振动的柱塞在左端生成一个振荡正压流/货架地形斜率的另一端。实验用一个两层的密度分层和b连续密度分层巧妙地比以前的实验研究和实验配置显示在图9.1中,理想化的两层和连续分层版本的分层。
在两层实验,Lim et al .(2008)记录不同反应并由两个参数:一个弗劳德数Fr = U0f ^ g 'hE和架子上的层深比ß= h \ / h \ +硫化氢(见图9.1)。他们的分类方案见图9.2。如果上层架子上的深度很瘦(即ß< 0.5),线性内波的抑郁搬到架子上。只有较低的层深度在货架上很瘦(即ß> 0.5)强烈非线性波浪观测激增和不同的孔。在这个后者,弗劳德数也变得重要,和强大的潮汐迫使当Fr ^ 1没有内部波反应观察在货架上。
在连续分层情况下,三种类型的基本流程响应被Lim观察et al。(2010)在实验参数范围内(0.3 < Y < 2.2, 1 < Re < 480):梁、丸结构,最后没有波浪。两个域中的一个临界点的存在和稳定边界层流动平行于边界被发现是梁代的基本标准。与本地振荡平均流量边界平行,为本地关键条件,流体在底部边界的运动方向
澳大利亚NWS兰金(北方地区)
政权B(内部)飙升0.7 < /英国《金融时报》,< 0.8
政权D(无波)
政权D(无波)
政权C(内部丸)
图9.2两层制度分类方案(从Lim et al . 2008年)。弗劳德数Fr =情况/ ^ / g 'hE等效深度的地方他= h1h2s / (h1 + h2s),英国《金融时报》= h1 / h1 + h2s和深度尺度在图9.1中定义的波形特点斜率(见Eq。(9.1))当地底部切线的斜率。如果没有重要的边坡中域,然后没有内部梁代。梁代的地区被证明发生在有限长度的斜率(0.75 < s / scrit < 1.3),这个长度大约是当地表明流体偏移的两倍。沿着波的速度特征表现的提升,与之前的实地研究一致(例如Holloway et al . 2001;留置权和格雷格2001)和实验室(如孔雀et al . 2008;Zhang et al . 2008年)观察。越来越充满活力的条件导致代丸(例如Venayagamoorthy和边缘2007)导致挡土墙倾覆和激动人心的,因为它传播上坡和消散。
Lim et al。(2010)发现整体流动行为随Re和y,但两个无因次参数可以组合来定义一个代参数G
v NKS \ N2 - ?)N2KS (9.2)
简化有效自哪里?^ N2在实验室。
迫使频率小,_强分层
0.5大迫使频率,较弱的分层
°0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500低迫使^ -再保险——强迫
图9.3政权图连续分层(参见Lim et al . 2010年)。参数Y = S / a和Re = U ^ / NK和G定义在(9.2)式。
没有波
总的趋势是,随着强制增加响应的变化从线性梁非线性丸功能最后没有波浪。观察到的行为的摘要图9.3所示。梁所需的临界坡度出现和观察的政权G < 80。没有梁超出这个范围的破坏是由于造成的流场upslope-propagating丸的外观,虽然当地的临界点。在政权有一些重叠,但丸功能在更广泛的范围内成立迫使(5 < G < 600)。最后,对于大型迫使频率和振幅,没有形成快速振荡波正压强制完全占据了流动。所以综上所述,不同的政权都观察到两层,连续分层情况下,边界附近的字符流在一代地区在确定气压的反应是很重要的。
9.3场规模观察
近年来有很多关注内部波的生成和传播过程中在NWS来自一种观察(例如范Gastel et al . 2009年)以及数值模拟的角度(例如Meuleners et al . 2011年)。实际密度分层NWS两者的结合理想化限制被认为是在上面的实验中,因此观察到的反应两者的结合直接代大规模的内波thermo-cline近海的架子上打破和射线内波传播向上从临界点斜率,通常500 m深度范围内,被困在ever-shallowing大陆架水域。
这是最清楚地看到在数值实验中使用rom描述Meuleners et al。(2011)。rom是运行在一个域沿着海岸800公里500公里的名义2.2公里网格分辨率。模型最小深度设置为20米,有70个σ层在垂直交错增加分辨率接近底部。域由三个开放边界北部、南部和西部区段,和在这些边界潮汐迫使应用使用TPXO.7.1潮流模型,和每日平均风和热通量从美国国家气象资料中心应用于表面,NECEP / NCAR再分析数据集,分别。初始密度场和边界条件从麸皮提供2.1版本(好的et al . 2008年)。在运行条件的代表2004年夏天为了与田间试验进行时(Van Gastel et al . 2009年)。
图9.4显示了一个典型的快照从模拟沿横断面通过北兰金扩展海外石油和天然气platform-site田间试验的124米的水。横断面显示内部波代发生在临界点附近附近400 - 600米深的海底,外海方向大约70公里的全国步枪协会。内部波光束来自这个斜率反映,尽管注意的实际长宽比梁垂直水平扩展比率约为1:50。此外,小振幅但大型卧式波长萧条温跃层发生海上的架子上打破在退潮。
图9.4快照的速度场(规模,红色在岸和蓝色离岸)表面在等温线(细黑线)沿着垂直横断面的轴承315°NRA平台。时间是2004年3月24日上午12点从rom的解决方案。(有关详细信息,请参阅Van Gastel et al . 2009年)
图9.4快照的速度场(规模,红色在岸和蓝色离岸)表面在等温线(细黑线)沿着垂直横断面的轴承315°NRA平台。时间是2004年3月24日上午12点从rom的解决方案。(有关详细信息,请参阅Van Gastel et al . 2009年)
这抑郁症self-steepens随着波在岸上。模型模拟在许多潮汐周期显示需要大约36 h(三个潮周期)内部波旅行海外代地区的全国步枪协会,这是符合趋陡的时间表估计角et al . (2001)。两种形式的内部波振幅最终形成高度非线性内波在近岸浅水海域温跃层的看到在全国步枪协会,例如(图9.5)。
这些波的类型显示在图9.5明显中尺度和不能被水压代码像rom。范Gastel et al。(2009)描述了当地的测量在124米水深在步枪协会,和发现波振幅峰值大80和相关阶段的速度包1 m / s。这些波在夏季比冬季更强的模型显示,由于弯曲性质的离岸水深、波生成过程的潮流是三维弧的长度约120公里的聚焦波浪能量步枪协会。
图9.5观察大振幅内波(LAIW)在2004年3月6日全国步枪协会。总水深124米,上部面板显示密度轮廓超过14 h显示LAIW抑郁症的到来在0700 h。较低的面板显示了底部附近的高通滤波(3 h)在5 m ASB电流。(参见Van Gastel et al . 2009年)
图9.5观察大振幅内波(LAIW)在2004年3月6日全国步枪协会。总水深124米,上部面板显示密度轮廓超过14 h显示LAIW抑郁症的到来在0700 h。较低的面板显示了底部附近的高通滤波(3 h)在5 m ASB电流。(参见Van Gastel et al . 2009年)
9.4内波和气旋
除了潮汐,NWS也是迫于气旋在夏天季节。戴维森和霍洛威学院(2003年)是第一个研究TCs对内部的影响在NWS潮一代。气旋鲍比的模型研究Condie et al。(2009)研究了浮游植物的生物生产力,发现反应受限于旋风引发沉积物再悬浮,因此营养水柱的输入。最近,Zed(2007)使用区域海洋造型系统(rom)调查感应电流和垂直混合的影响下TC蒙蒂在2004年。
垂直剖面在liie Irani鳗鱼总速度im /£> 26-Fab-20al 9点
垂直剖面在liie Irani鳗鱼总速度im /£> 26-Fab-20al 9点
图9.6 rom建模通过气旋蒙蒂在2004年2月。所有数据显示的快照总速度场(规模,红色在岸和蓝色离岸)表面在等温线(细黑线)沿着垂直横断面的轴承315°NRA平台。日期和时间在每个图所示。26 0200年2月在2月27日2100 h·b·h·c 2月28日在2300 h . d 29 0500年2月在h·e 29 1900年2月在h。最接近的气旋步枪协会于0500年2月29日在h (d)所示
图9.6 rom建模通过气旋蒙蒂在2004年2月。所有数据显示的快照总速度场(规模,红色在岸和蓝色离岸)表面在等温线(细黑线)沿着垂直横断面的轴承315°NRA平台。日期和时间在每个图所示。26 0200年2月在2月27日2100 h·b·h·c 2月28日在2300 h . d 29 0500年2月在h·e 29 1900年2月在h。最接近的气旋步枪协会于0500年2月29日在h (d)所示
-
- 图9.6(继续)
风和压力迫使蒙蒂是提供高时空分辨率的数据双涡模型CycWind (McConochie et al . 2004年),在水面上的风应力估计使用风速依赖所使用的表面阻力系数公式戴维森和霍洛韦(2003)。模拟进行了两周(气旋的时期)。结果(图9.6)表明,迫使风是如此强大以至于大部分NWS混合,基本上150米水深和离岸150公里(图9.6 d)。这些条件可以持续下去,随着强烈的剩余电流,时间尺度的气旋后10天穿越到海岸,不再提供直接风强迫。
因此对于这些订单10天的时间表,虽然near-inertial内波直接兴奋的风,没有密度分层在浅大陆架海域完全抑制通常主导tidally-generated内波的形成。事实上直到分层能够改革,潮汐只能够产生正压振荡并没有明显的内波潮汐的起源被认为在一个大领域。
引用
贝恩斯PG,方舟子XH(1985)在大陆内部潮一代shelfslope结:比较理论和实验室实验。达因海洋大气压9:297 - 314 Balmforth新泽西,Ierley GR,年轻的车手(2002)潮汐通过亚临界地形转换。J理论物理
Oceanogr 32:2900贝尔TH - 2914(1975)从地形上开放海洋内波的生成。J“Res 80:320 - 327
Condie SA Herzfeld M, Margvelashivili N,小学科(2009)模型的物理和生物地球化学响应海洋货架系统热带气旋。“Res列托人36 L22603 p 6
戴维森FJM,霍洛威学院体育(2003)研究热带气旋影响一代内部的潮汐。J“Res 108:3082 Garrett C, Kunze E(2007)内部潮一代在深海。为流体机械39:57 - 87
Gostiaux L, Dauxois T(2007)实验内部潮汐梁代的陡峭的斜坡。25 19,028102年,页1 - 4格里菲斯SD, Grimshaw RHJ(2007)内部潮一代在大陆架建模使用模态分解:二维结果。J phy Oceanogr 37:428 - 451 Holloway PE, Chatwin PG,克雷格·P(2001)内部澳大利亚北部的潮汐观测
在1995年夏天西架子上。J phy Oceanogr 31:1182 DA - 1199角,Imberger J,艾维GN(2001)在湖泊大规模界面重力波的退化。J流体机械434:181 - 207莱格年代,Huijts公里/小时(2006)内波的初步模拟和混合产生的有限振幅潮汐流在孤立的地形。深海研究II上螺栓Oceanogr 53:140 - 156
雷格年代,Klymak J(2008)内部水跃和推翻由潮汐流在一个高大陡峭的山脊。J phy Oceanogr 38:1949 - 1964留置权RC,格雷格MC(2001)观察动荡的潮汐梁和沿海的山脊。J“Res 106:4575 - 4591
Lim K,艾维GN, nokia RI(2008)内波的生成了潮汐流大陆shelfslope地形。环境流体机械8:511 - 526 Lim K,艾维GN,琼斯RI(2010)实验在大陆架地形内波的生成。J流体机械663:385 - 400 Lueck RG,玛吉TD(1997)从地形上诱导混合浅层海底山周围。科学276:1831 - 1833
McConochie JD,哈代的助教,梅森磅(2004)模拟热带气旋河边风和压力。海洋Eng Meuleners 31:1757 - 1782 M,艾维GN,边缘O,范Gastel P(2011)潮内波的生成
澳大利亚西北大陆架。J续货架Res(提交)蒙克W,温斯迟C(1998)深海食谱II:能量潮汐混合和风力。深海Res。
第一部分Oceangr Res Pap 45:1977 - 2010门罗JR,萨瑟兰BR(2008)内波的生成剪切湍流:实验。环境流体机械8:527 - 534没问题的公关,Brassington G,格里芬哒,席勒(2008)Bluelink海洋数据同化系统。海洋模型21:46 T - 70孔雀,Echeverri P, Balmforth新泽西(2008)一个实验调查的内部潮一代二维地形。J phy Oceanogr 38:235 Ray RD - 242 Mictchum GT(1997)表面的表现内部潮汐在深海:观察guages测高法和岛屿。学监Oceanogr 40:135 - 162 Toole JM,施密特RW, Polzin KL, Kunze E (1997) Near-boundary混合中纬度海底山的侧翼。J“Res海洋102:947 - 959范Gastel P,艾维GN, Meuleners M, Antenucci JP,边缘OB(2009)季节性变化的非线性内波气候学在澳大利亚西北大陆架。续货架Res 29:1373 - 1383
Venayagamoorthy SK,边缘OB(2007)的形成和传播的非线性内部丸在架子上休息。J流体机械577:137 - 159 C温斯迟,法拉利R(2004)的垂直混合,能源和海洋环流。
为流体机械36:281 - 314 Zed M(2007)造型西北大陆架上的热带气旋。学院荣誉论文
环境系统工程,西澳大利亚大学,128页张惠普,王B, Swinney霍奇金淋巴瘤(2008)内部所产生的重力波的实验研究超临界地形。25 100年,244504年,页1 - 4
第四部分造型
继续阅读:涡流对层流海洋环流模型及其应用
这篇文章有用吗?