标题：海洋内波
介绍
海洋内波
（ocean internal waves）
密度稳定层结的海洋水体内部的波动。内波和表面波不同，最大的振幅发生在海面以下。它是一种重  海洋内波力波，或称为内惯性重力波。这种波动很缓慢，相速不足1米/秒。通常的内波 ，振 幅为几米至几十米 ，波长近百米至几十千米，周期几分钟至几十小时。它是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。内波是一种重要的海水运动，它将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物带到较暖的浅层，促进生物的生息繁衍。内波导致等密度面的波动，使声速的大小和方向均发生改变，对声呐的影响极大，有利于潜艇在水下的隐蔽；对海上设施也有破坏作用。1893～1896年北极探险过程中，F.南森发现船只莫名其妙地减速，经研究得知，船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被消耗，因此显著减速。这种现象称为死水。由于对密度跃层的观测困难，研究的进展很慢，到了20世纪40年代后，由于温深仪及各种快速取样仪器的发明，对内波的调查才迅速开展起来。这项研究与生产和军事都有密切的关联。
密度稳定层结的海水内部产生的波动。内波和表面波不同，最大振幅发生在海面以下，频率局限于惯性频率f(=2ωsinφ)（即科里奥利参量）与浮力频率 之间。ω为地转角速率,φ为地理纬度，g为重力加速度，ρ为局地时间平均密度，cs为声速；z为垂向坐标,向上为正。频率较高的内波，其恢复力主要是重力与浮力之差，频率较低时主要是地转惯性力（或叫科里奥利力）。所以这种内波也是一种重力波或者叫做内惯性重力波。由于实际海水密度的层间变化很小（跃层上下的相对密度差也仅约0.1%）,所以只要很小的扰动就会在内部产生轩然大波。这种波动很缓慢，相速仅为相应表面波的几十分之一，即不足1米/秒。由于内波具有很强的随机性，因而其振幅、波长和周期分布在很宽的范围内，一般分别为几米至几十米,近百米至几十公里,几分钟至几十小时。只要海水密度处于稳定层结状态（即N2为正值，或通俗地说是上轻下重分布着），就能观测到脉动现象。虽然它们并非全是内波所致，但频率介于f和N之间的脉动，可能主要是内波的表现。 
内波是一种重要的海水运动，是转移大中尺度运动能量的重要环节，也是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。它将海洋上层能量传至深层，也将深处较冷的海水连同其中的营养物质带到较暖的浅层，从而促进生物的生长。内波导致的等密度面的波动，使声速的方向和大小都发生脉动,因而极大地影响着声呐的功能,故有利于潜艇的隐蔽而使监听遇到困难。在海洋开发中发现内波对海上设施也有影响。
海洋内波的分类
根据不同的分类标准，我们可以把内波分为不同的种类。
从频率、周期及波长尺度来分类，海洋内波大致可分为三类：第一类是短周期及短波长的高频内波，其周期大约在几分钟到几个小时，通常空间尺度也较小，为几十米到几百米，这类内波一般表现出很强的随机性；第二类是具有准潮周期的内潮波以及与内潮密切相关的潮成内孤立波，内潮波的波长范围为几十千米到几百千米，而非线性很强的内孤立波，其变化周期通常在几个小时，空间尺度为几百米到几千米，此类内孤立波的随机性相对较弱；第三类是频率接近当地惯性频率的内惯性波，其周期在12小时以上，空间范围为几十千米以上，这类波的随机性也较强。
从地理位置对内波进行分类，海洋内波可分为大洋内波、近海内波、极地内波及赤道内波。
还可以从扰源进行海洋内波的分类，在应用当中我们常常采用这种分类方法。例如:由正压潮与地形相互作用所产生的内波，称之为潮成内波；而由风的惯性振荡所引起的内波称之为惯性内波。由水下运动物体或局部扰动源所引起的内波称之为源致内波等等。
海洋内波的产生条件
海洋内波的产生应具备两个条件：一是海水密度稳定分层，二是要有扰动能源，两者缺一不可。在海底深层，当海水因温度、盐度的变化，出现密度分层后，经大气压力变化、地震影响以及船舶运动等外力扰动，就可能在海水内部引发起内波。当海水密度上下分布不均匀时，尤其是在海水出现跃层，也就是两层海水的相对密度值大于O.1%时，在外力扰动下，就会在两层海水界面上产生内波。
由于海水的密度分布，经常是处于不均匀状态，因此出现海洋内波是一种比较普遍的现象。内波的波高，一般要比海面波高大得多，大的可达到几百米；内波的波长，一般有几百米，甚至万米以上。
海洋内波的危害
主要危害是能形成共振，从而使人死去，或让物品破损。
例如1963年4月10日，美国“长尾鲨”号核潜艇，在大西洋距波士顿港口350公里处突然沉没，艇上129人无一生还，事后经过对沉入海底，变成碎片的残核分析判断，下沉的原因是潜艇在水中航渡时，遇到了强烈的内波，将其拖拽至海底，承受不了超极限的压力而破碎，这就是强大内波垂直力作用的后果。
研究简史
在1893～1896年北极探险过程中，F.南森发现船只莫名其妙地减速。经研究得知，船只航行在很浅的密度跃层上方时，其动力造成在跃层处产生内波，船只的动能被如此消耗，因此显著减速。这种现象称为“死水”。对密度跃层的波动的理论研究，可回溯到半个世纪以前。G.G.斯托克斯在1847年就研究过两均匀流体层的界面处的界面波（内波的一种特殊情况），接着J.W.S.瑞利研究了连续层结的情况。至于实际的内波研究，由于观测困难，在很长时期很少进展。自40年代起，温深仪的发明及各种快速密集取样调查仪器与方法的相继出现，对内波的调查迅速开展起来。由于使用了资料的随机处理方法，尤其是谱分析的技术，使内波的研究进入一个新阶段。60年代后期至70年代前期，为大洋内波研究的迅猛发展时期，G.加勒特和W.蒙克(1972)提出了大洋内波谱模型（GM模型）。此模型与远离边界、表面和海底、且流速梯度不大的区域的实测资料非常符合。但它只是现象的统计描述，未能揭示出内波的物理机制。尽管如此，它仍是内波资料分析的准绳，也是进一步开展理论研究的出发点，因而被誉为内波研究的里程碑。 
现在研究的重点已从状况较简单的大洋主温跃层上下的内波，向情况复杂的上层、底层及大陆坡等处的内波转移，并从单纯对现象的描述，转入从海洋的整体运动过程的角度，来研究内波能量的产生、传递和耗散的机制，以及内波与其他海洋运动的相互关系。同时开展与生产和军事紧密相关的应用研究。
非随机特性
内波的频率和波数必须满足一定的关系，即弥散关系。波数为一向量，其方向与相速度一致，量值等于沿此方向 2π间隔内所含的波的数目。由内波引起的质点运动的水平速度、垂向速度和垂向位移之间，也存在一定的关系。密度的垂向分布对内波的特性有很大的影响。最简单的内波为界面波，它沿界面传播，群速与相速方向一致。最大振幅出现在界面处。在不同深度的内波的振幅，随该处至界面的距离的增大而按指数律减小。界面上质点运动的水平速度和界面下者方向相反。在紧贴界面上下的质点,当其处于波峰或波谷时,有最大的水平速度。此处质点的水平速度随深度的变化极快，即存在很强的速度剪切。界面处的质点恰好通过界面平衡位置时，具有最大的垂向速度，峰前向上，峰后向下。这样，在浅跃层处的界面波可能在表面形成相间的辐聚带和辐散带，在海面呈现明暗清晰的条带图案。 
密度连续层结的流体中的内波，比界面波复杂得多。水质点的运动速度与波的相速度垂直，传输波能的群速与相速垂直。频率不同的内波，不但相速度的大小不同，而且方向各异。近似于惯性频率的内波，相速的方向近于铅直，质点运动轨迹近于水平圆周，群速的方向也近于水平。随着频率的增大，相速与水平之交角变小，质点运动轨迹的椭度增大；群速与轨迹椭圆的长轴方向一致,与水平方向的交角增大。接近稳定性频率的内波,相速近于水平,群速近于铅直,质点近于铅直往复运动。由于群速与相速垂直，出现了费解的现象：波形向斜上方传播时，波能向斜下方输送；反之亦然。 
内波在稳定性频率 (N)变化的介质中传播时会发生折射。在表面和底面或在内波频率ω=N的深度（转折深度）处会发生反射。内波在运动介质中传播时，会发生多普勒效应，从而改变其传播速度。在介质运动速度等于相速（临界层）处，内波可能消失。 
由于表面与底面（或转折深度处）的反射，可能在铅直方向形成驻波。这种驻波有几个波腹，就称此内波处于第几模态，模态越高，运动就越复杂。
观测方法
由于海洋内波随时间和空间而随机地变化,并且频率范围很宽,故需要在较长的时间内快速密集地取样。许多新近发展的通用海洋调查仪器，都能满足这种要求。观测中最常用的是能同时兼测温度、电导率和深度等的锚系自容式海流计，或能同时兼测温度、盐度和深度的仪器。将多个锚系装置和多架仪器布置成立体的仪器阵列。观测的时间常连续多日甚至数月。它可得到各种锚系频率谱，例如温度频率谱和水平流速分量的频率谱。从平均温深剖面和温度频率谱，可得等温面垂向位移频率谱。从各种频率谱可分析得到方向谱（见海浪谱）。 
从船上或平台上连续收放温度电导率深度仪 (CTD)，投弃式和非弃式温深仪（XBT和UBT）及电磁速度剖面仪等，可得投抛谱，即垂向位移（或水平流速）垂向波数谱。利用走航观测仪器，如称为“拖鱼 (towedfish)和“蝙蝠鱼”(batfish)的温度电导率深度仪,可得拖曳谱如垂向位移（或温度）水平波数谱。若拖曳适当配置的测温链等阵列，可得种类更多的频率谱。 
选定在等密度面处作中性漂浮或上下运动的温度电导率深度仪，是观测内波的理想专用仪器，它能记录下较纯的内波运动。用声学方法（如多普勒声呐）也可以观测内波，还可采用卫星或航空摄影来观测浅层的内波。 
在上述观测的同时，还应作海域环境调查，如水深、潮汐、平均温盐深剖面、平均流、气压、风等，以供综合分析。
随机特性
由于内波的随机性，很难从不同地点、不同时间、不同手段所得观测资料，得出统一的结果。加勒特与蒙克应用随机过程理论，并引入一些理想化的假设，如假设实际的海洋内波是由许多不同频率、不同波数、具有随机振幅和随机相位的正弦波线性叠加而成，将大量调查资料统一于一个普遍适用的模型即GM模型。 
模型谱的特点是：在远离边界的大洋中，内波的能量波数频率谱具有普适性，即除一些特殊地区外，不论何时何地所得到的调查资料，都与这模型的结果近乎一致。它在近似惯性频率处有一峰值，近似稳定性频率处有一小峰或平肩，在中间频段有ω-2特性。对水平波数K的依从关系为(1+K/K*)-2.5，其中K*为适当选定的波数比尺。 　
调查资料较普遍地反映出在半日潮的频率处有一个大小不一的谱峰，但这种模型没有表达出来。这种模型也未能包括在上层海洋、陆架和陆坡处及平均流强盛处的复杂情况。 　
各种内波谱之间存在一定的关系，可用来检验观测所得的脉动量是否为内波。
动力学
上述特性主要是运动学的。内波动力学研究波能的获得和耗散，以及在不同频率、不同波数的内波之间的传递机制。这一研究方兴未艾。气压变化、风应力、表面波、大中尺度平均流、表面混合层湍流、潮流经过变化的底地形等，都可能产生内波。虽然GM模型引入了线性假设，但实际的内波是非线性的。不同频率、不同波数的内波之间通过非线性相互作用而进行能量交换，将具有低垂向波数的内波的能量传给具有高垂向波数的内波。具有高垂向波数的内波容易破碎而发生混合，形成了细微结构。它引起的严重的速度不均匀性，容易产生湍流。因此，内波的能量又转移给更小尺度的湍流和细微结构。另外，内波的波能在临界层处会被较大尺度的平均流所吸收（临界层吸收）。因此，内波是各种大中小尺度的海洋整体运动过程中的一个积极的环节。