[论文解读] An investigation into the interaction between waves and ice

Jean Rabault|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2018

Arctic and Antarctic ice dynamics参考文献 51被引用 3

一句话总结

本博士论文通过在斯瓦尔巴群岛的野外考察和波浪水槽实验室实验，研究了波浪-海冰相互作用，重点关注不同海冰类型下的波浪衰减、色散及水流生成。主要发现包括：实验验证了油腻冰中波浪呈指数衰减，观察到波浪-海冰相互作用诱导的涡度和平均流，推动了对极地海洋海冰盖动力学的理解。

ABSTRACT

This thesis is submitted in the partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the University of Oslo. It represents work that has been carried out between 2015 and 2018, under the supervision of Pr. Atle Jensen, Dr. Graig Sutherland, and Dr. Kai H. Christensen, in collaboration with Pr. Aleksey Marchenko and Pr. Brian Ward. The work presented was carried at the University of Oslo and the University Center in Svalbard. Financial support for the work was provided by the Norwegian Research Council under the Petromaks 2 scheme, through the project WOICE (Experiments on Waves in Oil and Ice), NFR Grant number 233901. The thesis consists of an introduction, and a selection of 7 publications. The introduction presents the scientific context in which the work was undertaken, the methodology used, the results obtained, as well as some personal thoughts about unsuccessful directions encountered during the project and possible future work. I certify that this dissertation is mine and that the results presented are the result of the work of our research group, to which I brought significant contribution.

研究动机与目标

• 理解控制海冰中波浪传播与能量耗散的物理机制，特别是油腻冰和固定冰中的情况。
• 利用现场测量与波浪水槽实验，量化自然与受控条件下波浪的衰减与色散。
• 开发并应用新型测量技术，采用市售传感器与开源电子设备测量波浪与海冰动力学。
• 利用粒子追踪测速法（PTV）研究波浪-海冰相互作用下平均漂移流与涡度的生成。
• 通过受控实验验证不可伸展与黏弹性海冰盖下波浪衰减的理论模型。

提出的方法

• 在斯瓦尔巴群岛使用惯性测量单元（IMUs）和自研波高计进行野外测量，记录固定冰与油腻冰中的波浪运动。
• 部署低成本、开源传感器系统，结合加速度计测量油腻冰层中的波浪衰减。
• 对大型冰 floe 上的加速度计数据应用旋转谱分析，以估算波浪反射与传播方向展宽。
• 在波浪水槽中进行受控实验，采用不可伸展与黏弹性表面覆盖物，研究波浪衰减与阻尼。
• 使用粒子图像测速法（PIV）测量波浪-海冰相互作用下水下流场与涡度生成。
• 结合波高计数据与 PIV 结果，分析油腻冰层中波浪衰减与流体动力学，与单层理论模型进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定冰中，波浪色散与衰减如何变化？其控制机制是什么？
• RQ2 市售传感器与开源电子设备在自然油腻冰条件下能否准确测量波浪衰减？
• RQ3 在大型冰 floe 上，波浪反射与方向展宽如何表现？能否从加速度计数据中可靠估算？
• RQ4 不可伸展表面覆盖物在衰减单色表面波中起什么作用？与理论预测相比如何？
• RQ5 波浪在油腻冰下传播时，会生成何种水下流体结构与涡度分布？它们与波浪能量耗散有何关联？

主要发现

• 实验观测到油腻冰中波浪呈指数衰减，且定量结果与基于单层模型的理论预测高度吻合。
• 对大型冰 floe 上加速度计数据的旋转谱分析成功估算出波浪反射与方向展宽，实现了对波浪场特性的远程推断。
• 在巴伦支海的野外测量揭示了一次显著的波浪事件，出现在固态流冰中，可观测到波浪能量传输与结构响应。
• 受控波浪水槽实验证实，不可伸展表面覆盖物引起的波浪阻尼与兰姆（Lamb）的理论模型一致。
• 波浪水槽中的 PIV 测量捕捉到油腻冰碎块碰撞导致的涡度生成，并揭示了冰层下方的平均漂移流。
• 波高计与 PIV 的结合提供了对油腻冰中波浪能量耗散与水下流体动力学的全面视图，验证了简化单层模型在波浪衰减中的适用性。