水下波动―内波
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摘 要：该文首先介绍了内波的发现以及作用，内波被称为水下声道的背景噪声源，并且在其生成、传播、衰减过程中将能量向深海区传递；然后介绍了内波的观测，内波的观测对于内波理论研究具有重要意义；最后从数值研究和理论研究两个方面介绍了内波的发展。
关键词：内波的发现及其作用 背景噪声源 能量传递 内波观测 数值研究 理论研究
中图分类号：F038 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0232-02
1 内波的发现及其研究价值
内波是指发生在密度稳定层结流体中、最大振幅出现在流体内部的波动，是一种普遍存在的自然现象。但是，鉴于在水体内部才能产生内波，在水面上通常很难被观测到。内波现象是由一个叫Nansen在北极探险过程中最早发现的，Nansen发觉船只在进入一片上层冰发生融化的淡水区域时行驶突然变的十分困难。1904年，Ekman用内波增阻效应解释了这种现象，认为船只停滞不前是由于咸淡水面之间产生的内波做功[1]。
人们最早开始注意海洋内波的威力源自于石油公司的海上钻井作业。19世纪70年代，经过长达4个月的观测，在安得曼海域发现有些流速甚至达到了1.8 m/s，此后人们发现这是由于该海域有孤立子内波的通过。因此，人们决定不在轻视这隐藏在水下这“轩然大波”的威力[2]。
对海洋结构有影响的内波，波长可以是几百米甚至百公里，温跃层处，内波振幅可以达到百米量级，所诱导的内波流场的最大流速可以达到2 m/s甚至以上[3]。内波被称为水下声道的背景噪声源，它对海洋中声音的传播具有重要影响，海洋中传播的声信号起伏现象都是由于内波所致。移动中的潜艇会产生内波使其踪迹暴露，增大了能量损失，因而对船舶辐射噪声识别影响巨大[4]。内波在其生成、传播、衰减过程中将能量向深海区传递[5]。在深海区，内波破碎对海水混合有重要作用，是其主要方式。此外，内孤立波会导致水下强烈波动，这种波动会严重影响到水中武器的发射等等[6]。因此，对内波进行研究不仅仅具有重要学术价值，而且还具有很强的研究意义。
2 内波的观测
海洋内波的观测比表面波的观测困难的多。这是由于海洋内波发生海洋的内层，采用直接测量的方式是不可行的，为了获得其变化特征需要对海水的密度、温度、盐度等进行间接测量。
内波的观测手段的不断更新在很大程度上促进着其理论的不断发展内波现场观测以定点观测为主，早期的观测仪器主要有Nanson瓶、温深仪，到了20世纪70年代出现了热敏电阻温度计、海流计，80年代出现了XBT（抛弃式温探仪）、CTD（温盐深仪）和Aanderaa海流计，而现在常用的主要有海流计、温度链和ADCP等。遥感观测方面，SAR（合成孔径雷达）凭借其对海面粗糙度的敏感反应、不受云层和气候影响等优点，已成为观测内波的主要传感器。伴随着观察手段的发展，内波理论也在不断进步和完善。Garrett和Mtlnk提出了普遍适用的谱形式，称之为CM72、CM75、CM79（Garerct&Munk，1979），为内波的研究工作奠定了基础。Muler等指出CM谱的缺点以及不足，提出大洋内波场的IWEX谱，从而使得CM谱进一步得到发展。
3 内波研究的发展
3.1 理论研究
内波的理论研究在国外有着悠久的历史，1847年斯托克斯进行了两层流体之间的界面波的研究，这标志着人们开始对内波进行理论研究。Lamb[7]假定波振幅与波长的比值为小量，将问题线性化，接着Defant[8]讨论了界面长内波以及内孤立波。对于深海，Benjamin[9]和Ono[10]各自进行了独立不同的研究，他们通过一定的推导得到界面内波的方程，称为Benjamin-Ono方程；此后，Kubota等导出ILW方程，浅水时退化为KdV方程，无限水深时又退化为BO方程。
3.2 数值研究
与理论解相比，数值解具有其不可替代的优越性，且在内波研究中起着越来越重要的作用。目前关于大多数国内外学者在海洋内波方面所做的数值模拟主要将海洋内波的简化为二维情况进行模拟。例如蔡树群[11]等利用（RLW）模拟了该孤立子内波的传播及其演变过程。Paisley[12]等利用针对不可压缩流体的纳维斯托克斯方程的多重网格技术，在中性稳定以及密度稳定分层的条件下，进行了有界区域内粘性流体通过二维障碍物的计算。
相对于二维数值模型，三维模型的适用范围更加广泛，三维数值模型由于考虑了运动要素在3个空间坐标方向上的变化，能够进行更加复杂情况的计算，尤其三维数值模型中的地形可以设置成不同的形状。方国洪[13]等建立了一种可以模拟内波传播的一种分层三维数值模式，这种模式的建立经过了复杂的推导过程，该数值模式在建立时包含了非线性平流项；S. B. VOSPER[14]等在坐标下建立了非粘性、非静力公式的有限差分模型，进行了强烈的分层流穿过圆锥地形的三维数值模拟，并将一系列模拟结果同来自分层拖曳水池的实验结果进行了比较。
参考文献
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[13] 方国洪，李鸿雁，杜涛.内潮的一种分层三维数值模式[J].海洋科学集刊，1997，38（1）：1-15.
[14] S.B.VOSPER.Three-Dimensional Numerical Simulations of Strongly Stratified Flow past Conical Orography[J].Journal of the atmospheric sciences，2000（57）：3716-3739.
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