变地形条件下模态-1与模态-2内孤立波斜向相互作用的动力学机制与能量传递研究

本研究针对海洋中普遍存在但机制不明的多模态内孤立波(ISWs)斜向相互作用问题，采用三维高分辨率MITgcm模型，系统分析了模态-1与模态-2 ISWs在平坦地形和海底悬崖条件下的斜向碰撞动力学。研究发现：相同模态ISWs相互作用符合KP理论预测，而跨模态相互作用会因相位速度差异形成非共振折射；在海底地形突变区则出现马赫杆(Mach stem)特征及模态间能量转移，并首次观测到模态-3 ISWs的生成。该成果为理解海洋多尺度能量传递提供了新视角。

　　

海洋中隐藏着一种被称为内孤立波(Internal Solitary Waves, ISWs)的神秘现象，它们像水下巨人般携带着巨大能量悄然移动。这些波长约10公里、振幅可达百米的水下波动，不仅威胁着海底管线安全，更是驱动海洋垂向混合、影响全球气候的关键角色。然而当来自不同方向的ISWs斜向相遇时，特别是最常见的模态-1（单峰结构）与模态-2（双峰结构）波相互碰撞时，会引发怎样的能量博弈？这个困扰学界多年的难题，在复杂海底地形的加持下更显扑朔迷离。

为揭开这一谜团，中国海洋大学的研究团队在《Ocean Modelling》发表了创新性成果。他们运用三维MITgcm海洋模型，首次系统模拟了变地形条件下多模态ISWs的斜向相互作用。通过构建三种理想化V形波初始场，结合KP(Kadomtsev–Petviashvili)方程理论分析，揭示了跨模态波动的非线性动力学特征。关键技术包括：高分辨率三维数值模拟（水平网格100米）、基于EOF(Empirical Orthogonal Function)的模态分解、以及地形敏感度对比实验设计。

Oblique interactions between mode-1 ISWs
当两个振幅均为-10米的模态-1 ISWs以37°、31°和18°夹角碰撞时，平坦地形下的相互作用完美验证了KP理论预测。临界角Ψ_c=31°的实验显示，大于此角度时形成相位偏移的X波，小于时则产生马赫杆共振，其振幅可达原波的3.2倍。

Interactions between mode-1 and mode-2 ISWs
跨模态相互作用展现出截然不同的图景：由于模态-1波速(c₁=2.94 m/s)显著快于模态-2(c₂=1.78 m/s)，无法形成经典马赫杆，而是呈现类似光折射的非对称波前弯曲。但在水深突变的悬崖地形中，局部相速匹配促使能量从模态-1向模态-2转移，并伴随二次谐波产生。

Impact of shoaling topography
最令人惊奇的发现出现在浅化地形区：当模态-2 ISWs传播至大陆坡时，不仅出现极性反转（ depression波转为elevation波），还首次在数值模拟中捕捉到模态-3 ISWs的自发产生，其能量占比达总波能的15%。

这项研究从根本上拓展了对多模态ISWs相互作用的认识框架。理论方面，修正了传统KP方程仅适用于单模态的局限；实践层面，揭示了海底地形突变区作为"模态转换器"的关键作用——其通过改变相速关系促进跨模态能量再分配。这些发现为解释南海等海域频繁出现的巨型内波提供了新机制，也为海洋混合参数化方案的改进奠定了理论基础。作者特别指出，未来需结合现场观测验证数值结果，并探索地球自转效应对斜向相互作用的影响。