波浪对海洋表层Ekman流和上层混合的影响研究

来源 :中国科学院研究生院(海洋研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:fenghaiweiran
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海洋上混合层是动量输送、热量输送和水气输送非常活跃的区域,对气候变化、环境污染和生物过程等有十分重要的作用,研究波浪对海洋上混合层动力学过程的影响有重要意义。首先,本文分别采用推广到高频范围内的DP谱(Paskyabi等,2012)(记为EDP谱)和Combi谱研究了高频表面波对Stokes漂流的影响,结果表明高频波对Stokes漂流海表处速度大小的影响较明显,但对Stokes输送的影响很小。然后利用EDP谱、Hasselmann等(1988)和Komen等(1994)(记为HK)中的风输入与波耗散表达式和Combi谱、Tsagareli等(2010)和Babanin等(2010)(记为TB)中的风输入与波耗散表达式分别研究了高频表面波对定常Ekman流解的影响,结果发现前一组表达式计算的流速大小在海表处变化明显,而后者对其影响不大,并将两组表达式计算的解与观测数据作比较,可以看出前者的计算结果不接近观测,而后者的结果接近观测,但高频波的影响很小,几乎可以忽略。鉴于两组表达式计算的高频表面波对定常Ekman流影响的结论不一致,本文紧接着比较了EDP谱与Combi谱的差异和HK与TB中的风输入与波耗散表达式的差异,结果表明,谱形的差异很小,而风输入与波耗散表达式的差异明显,并且导致计算出来的定常Ekman流解的差别也不可忽略。于是,将HK和TB中的风输入与波耗散表达式计算的线性涡粘解与观测结果作比较,结果发现TB中的表达式计算的解更接近观测。此外,还将TB中的风输入与波耗散表达式计算的线性涡粘解和“K Profile Parameterization”(记为KPP)涡粘解也与观测作了比较,结果表明KPP形式的涡粘系数优于线性涡粘系数。海洋中的垂向涡粘系数反应了海洋上层混合的强度,对Ekman流场有直接的影响。本文分别将常数涡粘系数、线性涡粘系数、KPP涡粘系数计算的定常Ekman流解和波浪修正LI_MY2.5模式计算的非定常Ekman流解与观测数据作比较,结果发现,与LOTUS3观测作比较时,波浪修正LI_MY2.5模式计算的数值解最接近观测,而与EBC观测作比较时,KPP涡粘解最接近观测。最后,以Navier-Stokes方程为出发点,进行变量分解,并取系综平均和拉格朗日平均来推导出包含波浪影响的平均场方程。根据湍流动量方程,经过系列计算后推导出湍动能方程。利用两点关系法,推导出混合长方程。然后根据Mellor和Yamada(1974,1982)中的思想来给出含有波浪影响的动量通量和热通量的参数化方案,最终从理论上推导出包含波浪影响的MY2.5阶湍封闭模式。通过不同风速和不同热通量条件下的理想实验,利用波浪修正MY2.5阶湍封闭模式研究了波浪对海洋上混合层的影响,结果表明,考虑波浪之后,混合加强,混合层深度加深,表层温度降低。
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