海洋內波

海洋內波

（ocean internal waves）

密度穩定層結的海洋水體內部的波動。內波和表面波不同，最大的振幅發生在海面以下。它是一種重力波，或稱為內慣性重力波。這種波動很緩慢，相速不足1米/秒。通常的內波，振 幅為幾米至幾十米，波長近百米至幾十千米，周期幾分鐘至幾十小時。它是引起海水混合、形成細微結構的重要原因。1893～1896年北極探險過程中，船隻的動能被消耗，因此顯著減速。這種現象稱為死水。由於對密度躍層的觀測困難，研究的進展很慢，到了20世紀40年代后，由於溫深儀及各種快速取樣儀器的發明，對內波的調查才迅速開展起來。這項研究與生產和軍事都有密切的關聯。

密度穩定層結的海水內部產生的波動。內波和表面波不同，最大振幅發生在海面以下，頻率局限於慣性頻率f(=2ωsinφ)（即科里奧利參量）與浮力頻率 之間。ω為地轉角速率,φ為地理緯度，g為重力加速度，ρ為局地時間平均密度，cs為聲速；z為垂向坐標，向上為正。頻率較高的內波，其恢復力主要是重力與浮力之差，頻率較低時主要是地轉慣性力（或叫科里奧利力）。所以這種內波也是一種重力波或者叫做內慣性重力波。由於實際海水密度的層間變化很小（躍層上下的相對密度差也僅約0.1%）,所以只要很小的擾動就會在內部產生軒然大波。這種波動很緩慢，相速僅為相應表面波的幾十分之一，即不足1米/秒。由於內波具有很強的隨機性，因而其振幅、波長和周期分佈在很寬的範圍內，一般分別為幾米至幾十米，近百米至幾十公里，幾分鐘至幾十小時。只要海水密度處於穩定層結狀態（即N2為正值，或通俗地說是上輕下重分佈著），就能觀測到脈動現象。雖然它們並非全是內波所致，但頻率介於f和N之間的脈動，可能主要是內波的表現。

內波是一種重要的海水運動，是轉移大中尺度運動能量的重要環節，也是引起海水混合、形成細微結構的重要原因。它將海洋上層能量傳至深層，也將深處較冷的海水連同其中的營養物質帶到較暖的淺層，從而促進生物的生長。內波導致的等密度面的波動，使聲速的方向和大小都發生脈動，因而極大地影響著聲吶的功能，故有利於潛艇的隱蔽而使監聽遇到困難。在海洋開發中發現內波對海上設施也有影響。

根據不同的分類標準，我們可以把內波分為不同的種類。

從頻率、周期及波長尺度來分類，海洋內波大致可分為三類：第一類是短周期及短波長的高頻內波，其周期大約在幾分鐘到幾個小時，通常空間尺度也較小，為幾十米到幾百米，這類內波一般表現出很強的隨機性；第二類是具有準潮周期的內潮波以及與內潮密切相關的潮成內孤立波，內潮波的波長範圍為幾十千米到幾百千米，而非線性很強的內孤立波，其變化周期通常在幾個小時，空間尺度為幾百米到幾千米，此類內孤立波的隨機性相對較弱；第三類是頻率接近當地慣性頻率的內慣性波，其周期在12小時以上，空間範圍為幾十千米以上，這類波的隨機性也較強。

從地理位置對內波進行分類，海洋內波可分為大洋內波、近海內波、極地內波及赤道內波。

還可以從擾源進行海洋內波的分類，在應用當中我們常常採用這種分類方法。例如：由正壓潮與地形相互作用所產生的內波，稱之為潮成內波；而由風的慣性振蕩所引起的內波稱之為慣性內波。由水下運動物體或局部擾動源所引起的內波稱之為源致內波等等。

主要危害是能形成共振，從而使人死去，或讓物品破損。

例如1963年4月10日，美國“長尾鯊”號核潛艇，在大西洋距波士頓港口350公里處突然沉沒，艇上129人無一生還，事後經過對沉入海底，變成碎片的殘核分析判斷，下沉的原因是潛艇在水中航渡時，遇到了強烈的內波，將其拖拽至海底，承受不了超極限的壓力而破碎，這就是強大內波垂直力作用的後果。

在1893～1896年北極探險過程中，F.南森發現船隻莫名其妙地減速。經研究得知，船隻航行在很淺的密度躍層上方時，其動力造成在躍層處產生內波，船隻的動能被如此消耗，因此顯著減速。這種現象稱為“死水”。對密度躍層的波動的理論研究，可回溯到半個世紀以前。G.G.斯托克斯在1847年就研究過兩均勻流體層的界面處的界面波（內波的一種特殊情況），接著J.W.S.瑞利研究了連續層結的情況。至於實際的內波研究，由於觀測困難，在很長時期很少進展。自40年代起，溫深儀的發明及各種快速密集取樣調查儀器與方法的相繼出現，對內波的調查迅速開展起來。由於使用了資料的隨機處理方法，尤其是譜分析的技術，使內波的研究進入一個新階段。60年代後期至70年代前期，為大洋內波研究的迅猛發展時期，G.加勒特和W.蒙克(1972)提出了大洋內波譜模型（GM模型）。此模型與遠離邊界、表面和海底、且流速梯度不大的區域的實測資料非常符合。但它只是現象的統計描述，未能揭示出內波的物理機制。儘管如此，它仍是內波資料分析的準繩，也是進一步開展理論研究的出發點，因而被譽為內波研究的里程碑。

現在研究的重點已從狀況較簡單的大洋主溫躍層上下的內波，向情況複雜的上層、底層及大陸坡等處的內波轉移，並從單純對現象的描述，轉入從海洋的整體運動過程的角度，來研究內波能量的產生、傳遞和耗散的機制，以及內波與其他海洋運動的相互關係。同時開展與生產和軍事緊密相關的應用研究。

內波的頻率和波數必須滿足一定的關係，即彌散關係。波數為一向量，其方向與相速度一致，量值等於沿此方向 2π間隔內所含的波的數目。由內波引起的質點運動的水平速度、垂向速度和垂向位移之間，也存在一定的關係。密度的垂向分佈對內波的特性有很大的影響。最簡單的內波為界面波，它沿界面傳播，群速與相速方向一致。最大振幅出現在界面處。在不同深度的內波的振幅，隨該處至界面的距離的增大而按指數律減小。界面上質點運動的水平速度和界面下者方向相反。在緊貼界面上下的質點，當其處于波峰或波谷時，有最大的水平速度。此處質點的水平速度隨深度的變化極快，即存在很強的速度剪切。界面處的質點恰好通過界面平衡位置時，具有最大的垂向速度，峰前向上，峰後向下。這樣，在淺躍層處的界面波可能在表面形成相間的輻聚帶和輻散帶，在海面呈現明暗清晰的條帶圖案。

密度連續層結的流體中的內波，比界面波複雜得多。水質點的運動速度與波的相速度垂直，傳輸波能的群速與相速垂直。頻率不同的內波，不但相速度的大小不同，而且方向各異。近似於慣性頻率的內波，相速的方向近於鉛直，質點運動軌跡近於水平圓周，群速的方向也近於水平。隨著頻率的增大，相速與水平之交角變小，質點運動軌跡的橢度增大；群速與軌跡橢圓的長軸方向一致，與水平方向的交角增大。接近穩定性頻率的內波，相速近於水平，群速近於鉛直，質點近於鉛直往複運動。由於群速與相速垂直，出現了費解的現象：波形向斜上方傳播時，波能向斜下方輸送；反之亦然。

內波在穩定性頻率 (N)變化的介質中傳播時會發生折射。在表面和底面或在內波頻率ω=N的深度（轉折深度）處會發生反射。內波在運動介質中傳播時，會發生多普勒效應，從而改變其傳播速度。在介質運動速度等於相速（臨界層）處，內波可能消失。

由於表面與底面（或轉折深度處）的反射，可能在鉛直方向形成駐波。這種駐波有幾個波腹，就稱此內波處於第幾模態，模態越高，運動就越複雜。

由於海洋內波隨時間和空間而隨機地變化，並且頻率範圍很寬，故需要在較長的時間內快速密集地取樣。許多新近發展的通用海洋調查儀器，都能滿足這種要求。觀測中最常用的是能同時兼測溫度、電導率和深度等的錨系自容式海流計，或能同時兼測溫度、鹽度和深度的儀器。將多個錨系裝置和多架儀器布置成立體的儀器陣列。觀測的時間常連續多日甚至數月。它可得到各種錨系頻率譜，例如溫度頻率譜和水平流速分量的頻率譜。從平均溫深剖面和溫度頻率譜，可得等溫面垂向位移頻率譜。從各種頻率譜可分析得到方向譜（見 海浪譜）。

從船上或平台上連續收放溫度電導率深度儀 (CTD)，投棄式和非棄式溫深儀（XBT和UBT）及電磁速度剖面儀等，可得投拋譜，即垂向位移（或水平流速）垂向波數譜。利用走航觀測儀器，如稱為“拖魚 (towedfish)和“蝙蝠魚”(batfish)的溫度電導率深度儀，可得拖曳譜如垂向位移（或溫度）水平波數譜。若拖曳適當配置的測溫鏈等陣列，可得種類更多的頻率譜。

選定在等密度面處作中性漂浮或上下運動的溫度電導率深度儀，是觀測內波的理想專用儀器，它能記錄下較純的內波運動。用聲學方法（如多普勒聲吶）也可以觀測內波，還可採用衛星或航空攝影來觀測淺層的內波。

在上述觀測的同時，還應作海域環境調查，如水深、潮汐、平均溫鹽深剖面、平均流、氣壓、風等，以供綜合分析。

由於內波的隨機性，很難從不同地點、不同時間、不同手段所得觀測資料，得出統一的結果。加勒特與蒙克應用隨機過程理論，並引入一些理想化的假設，如假設實際的海洋內波是由許多不同頻率、不同波數、具有隨機振幅和隨機相位的正弦波線性疊加而成，將大量調查資料統一於一個普遍適用的模型即GM模型。

模型譜的特點是：在遠離邊界的大洋中，內波的能量波數頻率譜具有普適性，即除一些特殊地區外，不論何時何地所得到的調查資料，都與這模型的結果近乎一致。它在近似慣性頻率處有一峰值，近似穩定性頻率處有一小峰或平肩，在中間頻段有ω-2特性。對水平波數K的依從關係為(1+K/K*)-2.5，其中K*為適當選定的波數比尺。

調查資料較普遍地反映出在半日潮的頻率處有一個大小不一的譜峰，但這種模型沒有表達出來。這種模型也未能包括在上層海洋、陸架和陸坡處及平均流強盛處的複雜情況。

各種內波譜之間存在一定的關係，可用來檢驗觀測所得的脈動量是否為內波。

上述特性主要是運動學的。內波動力學研究波能的獲得和耗散，以及在不同頻率、不同波數的內波之間的傳遞機制。這一研究方興未艾。氣壓變化、風應力、表面波、大中尺度平均流、表面混合層湍流、潮流經過變化的底地形等，都可能產生內波。雖然GM模型引入了線性假設，但實際的內波是非線性的。不同頻率、不同波數的內波之間通過非線性相互作用而進行能量交換，將具有低垂向波數的內波的能量傳給具有高垂向波數的內波。具有高垂向波數的內波容易破碎而發生混合，形成了細微結構。它引起的嚴重的速度不均勻性，容易產生湍流。因此，內波的能量又轉移給更小尺度的湍流和細微結構。另外，內波的波能在臨界層處會被較大尺度的平均流所吸收（臨界層吸收）。因此，內波是各種大中小尺度的海洋整體運動過程中的一個積極的環節。