[科普中国]-切变波

简介

发生在切变界面上，波动的幅度不大，对湾流的主流轴方向不构成的影响的波，称为切变波。海洋切变波又称为8天波，是由于其生命期约8天左右，其充分成长期约4~6d(10~150h)；波速30~60cm/s较为接近。

特征（1）切变波具有广泛存在性和阵发性；

（2）切变波是由强速度剪切引起的，是由剪切流本身固有的不稳定性决定的；

（3）波动随着振幅的增大而倒卷破碎，以暖水回流及冷水入侵形成的暖水舌和冷水楔结构；

（4）对强流与水体的交换输运过程起着重要作用，影响海区的温盐结构和环流特征；

（5）切变波发生具有季节性；

（6）切变波的发生是双峰的；

（7）切变流的发生依赖湾流的运动。1

参数切变波的波长范围48km-128km，测量平均值为75km。

切变波的波幅范围9km-35km，测量平均值为17km。

切变波的周期，可以根据波动的普遍公式T=λ/C，由已知的波长和相速度来计算。相速度的平均值和标准差为100±26cm/s，周期为27±10h。

切变波的发生频率，切变波是一种短暂现象，每次时间仅维持数日。2

发生机制大气作用是切变波的激发机制，而强的切变流则是发生这种现象的必要条件。切变流的发生依赖湾流的运动，利用切变波的相速度可以测出湾流的局地流速。

风可能是切变波的激发机制。因为北风能引起西向的Ekman传输，与局地湾流反向流动，从而增强了相应切变效应。如果北风变成一种稳定的和盛大的大气作用，这会造成一种均匀的表层漂流，上述的”增强效应“将会降低。另一方面，风的变化可能加大切变不稳定。按照这一假设，可以解释已经观测到的切变波事件的其他动态特征：在研究海区，间歇的短期持续北风与多变风情仅发生在春、秋两季。因为，切变波的发生应是双峰的，由于一个天气循环通常为5-7天，所以一次切变波事件的兴衰过程也恰为一周。2

研究历史切变波这种现象最初是在查尔斯顿隆起以北发现。

1979年，Legeckt猜想地形可能是其激发机制。

1981年，Lee通过卫星照片的分析，根据切变波在湾流北侧无地形处也存在的事实向地形激发学说提出了挑战。

1981年，Mollo一Christensen提出潮汐激发学说，郑全安据切变波周期与潮汐周期相差太远而否定了这种假设。

到80年代中期，人们用来支持或否定某种激发机制依赖的只是这种扰动的周期是否与切变波的周期相接近，这种观点本身就是值得商榷的。通过实测资料建立切变波模型方面最有代表性的是Lee模式。

1988年，李立利用实测资料对Lee模式提出了一些定性改进。姜景忠的工作比较详尽地介绍了黑潮和湾流区域切变波的特征。

80年代以来有很多人试图通过数值模拟的手段来揭示其形成机制。

Luther和Bane在忽略粘性和扰动非线性效应的条件下考虑水平及垂直剪切及海底地形，以小扰动随空间的发展来模拟哈特勒斯角以南的湾流变异。

oey采用简化的湾流模型得到了控制锋面不稳定的两个主要因子。

shen一Yu chao数值求解三维斜压原始方程组时指出，初始不稳定小扰动的发展对纬度变化十分敏感，高纬海区发展较慢。

Douglas等的模拟证明小 扰动初期成长以正压方式从平均流获得能量。

郑全安，通过大量卫星照片的动态分析着重讨论了切变波的衰减过程，在骤置常条状风及移动条状风的条件下，可以激发出切变波。

Brooks在1983年指出，北卡罗莱纳近海的切变波与局地风应力、风应力旋度和散度均无关系，提出切变波可能主要与湾流的不稳定性有关。1

切变波模拟从准地转涡度方程出发利用伪谱方法对存在于大洋西边界流强剪切区中的切变波的形成过程进行直接数值模拟。据K一H不稳定性理论，适当选取的初始扰动从平均运动中吸取能量而迅速成长。得到的等涡线的变化反映了涡对通过合并或撕裂方式成长为大涡的过程，而物质线的演化过程形象地再现了暖水回流和冷水入侵所形成的倒卷结构，与卫星照片显示的结果非常相似。非线性作用使能量在不同尺度的运动间相互传输，值得注意的是，随着扰动振幅的增大能量将从扰动运动返回平均运动，这相当于雷诺应力为负值。

（1）初始时刻在强剪切平均流的基础上加入一定的小扰动，从准地转涡度方程出发进行直接数值模拟，等涡线的变化规律反映了涡旋的成长过程，物质线随时间的演化可以得到与实测特征尺度相当的有倒卷结构的海洋切变波。

（2）湍流粘滞系数的增大使切变波纵向尺度变小，波数比和相位差的改变影响切变波的成长方式，但得到的大尺相干结构非常相似。

（3）从平均运动和扰动运动的总动能随时间的变化可以看到由于雷诺应力改变符号造成的能量“鼓包“。

（4）旋转系统使得剪切层的不稳定性受到一定抑制。1