二维内波生成实验的主要控制因素

二维内波生成实验的主要控制因素

内波是由两个不同密度的接口（interface）引起的波动。在自然界的气体与液体,其密度受压力、温度、湿度及其他相关因素而改变,最为常见的内波发生于液体与气体交接口(即为表面波);然而同相介质亦会产生内波现象,如同在气体介质中的空气与云层接口、海域中盐水与淡水体接口、电波及磁波中于不同密度接口处,都有频繁的波动现象,均谓之为内波(internalwave)。虽限于物理观测之技术问题,我们平时不易想像,广义的内波,即接口波(interfacialwave)随处可见。本文所讨论的内波局限于水体中的交接口.自然界水体的内波运动通常发生在密度稳定分层现象明显之湖泊与海洋的密跃层或温跃层。当水体密度处于稳定分层状态(意即水体密度上轻下重分布)之充分条件下,由外界环境因风场引发的水体质量传输、正压运动的能量转换及海流经海底地形陡变等,使水体动能转换成位能,造成震荡的驱动,导致能量集中于密跃层或温跃层,产生波动行为,必为海洋学者观测到的密度分层脉动的内波现象。对海洋及海岸工程领域而言,海域内波之影响至深,孤立内波因周期长、振辐大,有足够的能量触及海底深处,造成海底冲刷和污染沉积物的再悬浮与传输,对海岸溯涌地区的沉积物冲积及侵蚀也大有影响。在全世界部分宽广的海洋中,内波是一个非常普遍的现象,如在中国南海与东海及菲律宾的苏禄海;内波也被证实对于水域范围较小的湖泊及入海口等处的能量、物质传输及混和等水体运动有重大的影响,如哥伦比亚的贝因湖与英国苏格兰的尼斯湖等。由于现场观测受到天候及经费的限制,研究工作不易达成,实验研究因此受到重视(Kaoetal.,1985),然而至今却未有论及实验内波制造的系统研究,因此本文通过实验进一步探讨造波技术,及各种不同形式内波运动的演化过程。1重力内波的测定实验在长12m、宽0.5m及高0.7m的内波断面水槽进行,如图1于水槽中布置淡、盐水分层之两层水体系统,上层为密度约999kg/m3的淡水,下层为密度1024～1030kg/m3的盐水,上下水层之总水深维持40cm,等间距布置5支超声波计。实验所用的重力内波将由一种叫做“重力塌陷”(gravitycollapse)的方法造成(图2)。此法是先以微帮浦将气动闸板左侧大水域的淡水抽至闸板右侧与水槽右端的较窄空间(若观察者立於水槽正前方,其长度为L;称为造波区),强迫下压淡盐水的交界面,使气动闸板的两边之淡盐水介面有一个固定的水头差,称为造波区位能差(η0);然后由开关控制气动式闸板往上抽起。由于在闸板右侧由泵所造成之较轻的淡水流入并利用闸板升起之动作,内波便会以斜压运动的方式并向水槽中央(闸板左侧)传递。在实验过程中,气动式闸板离水槽右端的较窄空间固定距离为30cm(称造波区长度)。2下层状介质内波的变化—内波的生成与传递孤立内波在实验水槽中以重力塌陷方式造波,于固定不变的总水深H=40cm的两层流体中传递。上下两层水深比H1/H2及造波区位能差η0决定内波的型式、波数、大小及传递速度。由第二支(P2)超声波计所测量到的讯号,如图3所示。图3(a)为在上下两层水体厚度于内波传递区H1/H2=10/30,造波区h1/h2=15/25条件下(对照图1水体布置)的内波波形,如图3(a)(控制条件为上下水层厚度H1/H2=10cm/30cm、η0=h1-H1=5cm)。造波条件h1>H1提供的淡水水团形成一个明显的下沉型孤立内波,适足以存在于此一水体环境条件中(H1/H2<1),因此图3(a)密度接口的波动η(t)呈现一个稳定传递的下沉型孤立内波。图3(b)及图3(c)同为上下层水体厚度在内波传递区H1/H2=30/10的环境条件及造波区水层分别为h1/h2=25/15、35/5的造波条件下的内波波形,内波波形如图3(b)(控制条件为上下水层厚度H1/H2=30cm/10cm、η0=h2-H2=5cm)所示,由造波条件h1>H1下形成的下沉型孤立内波在内波传递区中与适合上举型孤立内波环境条件H1/H2>1不相符合,导致初始的下沉型孤立内波于传递过程逐渐转换,如图3(c)(控制条件为上下水层厚度H1/H2=30cm/10cm、η0=h1-H1=5cm)所示,第二个上举波形振幅比第一个下沉波形稍大,波动进而随传递过程上下持续震荡,呈现一个非线性的衰减波形。图4及图5分别为在图3(b)及图3(c)所示的控制条件下,P2、P3及P4超声波计随时间变化的内波波动。由此图可了解在实验水槽中以重力塌陷方式造波,抽板两边淡、盐水水头差距(造波区条件)与上下两层水体厚度比(环境条件)之关系对实验结果的差别。图4显示一个稳定的孤立内波由P2朝P4方向传递;而图5则无呈现稳定孤立波形,可知该造波条件并不适合孤立内波之实验。由于本研究单就孤立内波传递与反射进行讨论,故以重力塌陷方式产生不同造型稳定孤立内波,需同时顾及上下水层厚度比及抽板两侧水头差距的关连性。在所有实验项目中,依据上下水层厚度比决定;H1/H2=10/30(<1),水头差距h2>H2之控制条件必产生稳定的下沉型孤立内波;同理,上层水体厚度H1=30或30cm(H1/H2>1),水头差距h2>H2之控制条件必产生稳定的上举型孤立内波。图6为上下层水深比H1/H2=1的密度分层水体,在造波区位能差η0=5cm(h1>H1)的控制条件下,P2、P3及P4超声波计记录内波波形的时间变化。图中第一个下沉型孤立内波是造波条件在h1>H1情形下提供的盐水水团,由于环境条件H1/H2=1的影响,孤立内波难以维持,波形随时间迅速频散,且随主波后方亦出现连续的内波波列。3古地理模式下的受复性淡水水团依孤立内波的结构叙述,内波因不同水深比,会有上举及下沉两种孤立内波形式,其初始波形式取决于内波传递区与造波区的淡、盐水水头差距,造波区的淡水水头高度h1大于传递区的淡水水头高度H1(如图7(a)及图7(c))时,造波区提供了一个淡水水团于传递区,此淡水水团随即以孤立波形式在水槽中传递,是为“下沉型孤立内波”;反之,当造波区的盐水水头高度h2大于传递区的盐水水头高度H2(如图7(b)及7(d))时,造波区提供的盐水水团,则在传递区产生一个由盐水组成的“上举型孤立内波”。随后,孤立内波离开造波区,其波形旋即再依据水槽主体之淡、盐水两层水深比H1/H2条件于内波传递区中做适当的波形调整。在实验水槽中要生成“稳定”传递的上举或下沉型孤立内波波形,除了造波区淡水或盐水水头位能条件,仍须配合两层水体系统里上下层水深比H1/H2。当H1/H2>1时,为上举型内波;当H1/H2<1时,为下沉型内波。水槽造波时,造波区水头位能及水深比条件均符合一致的波形,才能在实验水槽造出稳定传递的孤立内波;反之,若前后两个条件所形成的内波波形不相符合,会导致内波传递过程中波形转换。4沉型内波的特性由搭配适合的上下层水深比H1/H2及造波区水位比h1/h2的条件,以重力塌陷方式抽板造波,可在水槽中制造出稳定传递的上举型(H1/H2>1,η0=h2-H2<0)及下沉型(H1/H2<1,η0=h1-H1>0)孤立内波。造波区位能差η0愈大,孤立内波的振幅愈大、波速愈快。内波受到减重力影响,波形不易规则化,本研究所使用的造波设备,在国际