海洋上混合层对台风浪响应的数值研究

论文摘要

海洋上混合层对大气与海洋之间的动量、热量和质量的交换起着重要的作用,研究海洋表面存在的海浪及其诱导产生的相关过程对海洋上混合层性质的影响具有重要的科学意义。本文首先综述了海洋上混合层的研究现状和存在的问题,然后归纳总结了混合层深度（MLD）的定义方法,简要介绍了湍封闭模式的发展过程和不同海洋混合层模式的特点。最后,在现有理论研究和大量实验观测结果的基础上,对定常风及台风浪作用下的海洋上混合层的响应情况做了一系列的数值研究,其中分析比较了考虑与不考虑波浪破碎和Stokes漂对海洋上混合层的影响情况,最终得到了很有意义的结论。在前人的理论工作和实验观测的基础上,文中首先分析了波浪破碎和Stokes漂对海洋上混合层可能造成影响的几个方面。通过比较认为,在数值模式中通过改变湍动能方程的上边界条件和海表粗糙度的方法引入海表的波浪破碎的影响,并且通过在平均水平动量方程中加入Coriolis-Stokes力的方法引入Stokes漂的影响,对海洋上混合层进行数值模拟是合理可行的。在数值试验中,首先通过采用包含M-Y2.5阶湍封闭模式的一维混合层模式,模拟了30 m /s定常西风作用下海洋上混合层的发展变化情况。模拟结果表明,考虑波浪破碎对MLD和海表温度（SST）的影响不大,但是它会使表层流速和流速的垂向梯度大大减小,近表面层内湍流的剪切生成项也大大减小,而湍流耗散率却增长了两个量级。然而,波浪破碎对混合层的影响深度仅限于一个有效波高的尺度;而考虑Coriolis-Stokes力对MLD和SST的影响稍大于波浪破碎的影响,但变化幅度仍然不大,它最主要的影响体现在对混合层中流廓线的改变上,而且影响深度贯穿了整个混合层。共同考虑波浪破碎和Coriolis-Stokes力对海洋上混合层的影响时,可以很好地模拟出海洋上混合层中的湍流能量分布规律和流廓线的主要分布特征,因此可以肯定在对海洋上混合层进行数值模拟过程中,考虑波浪破碎和Stokes漂的影响是非常必要的。在上述一维模式研究结果的基础上,基于台风浪对我国影响重大这方面的考虑,文中采用将海浪模式WAM模式与三维海洋模式POM模式相结合的方式模拟了海洋上混合层对台风浪的响应情况。在此数值试验中,首先采用Holland台风模型模拟不同移速的台风风场,并将其引入到海浪模式WAM模式中来模拟台风浪,再将台风浪的波浪要素引入到三维海洋模式POM模式中来着重研究海洋上混合层对台风浪的响应情况,其中采用与一维模式中同样的方法来考虑波浪破碎和Coriolis-Stokes力的影响。

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海洋上混合层的研究现状
• 1.3 海浪对海洋上混合层影响的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 2 混合层理论及模式发展
• 2.1 混合层的基本知识
• 2.1.1 海洋中的混合
• 2.1.2 湍流的基本特征及生消机制
• 2.1.3 海洋上混合层的影响因素
• 2.1.4 混合层深度的定义
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型的发展
• 2.2.2 湍封闭方法
• 2.3 混合层模式
• 2.3.1 块体模式
• 2.3.2 扩散模式
• 2.4 小结
• 3 波浪破碎和 Stokes 漂影响海洋上混合层的一维模式研究
• 3.1 海洋上混合层的一维物理模式
• 3.1.1 一维模式的控制方程
• 3.1.2 M-Y2.5 阶湍封闭模式
• 3.1.3 一维模式的边界条件
• 3.2 波浪破碎对混合层影响的研究
• 3.2.1 波浪破碎对湍动能的影响
• 3.2.2 波浪破碎对混合长l的影响
• 3.3 Stokes 漂对混合层影响的研究
• 3.4 一维模式设置及结果分析
• 3.4.1 一维模式设置
• 3.4.2 一维模式计算结果及分析
• 3.5 结论
• 4 海洋上混合层对台风浪响应的三维模式研究
• 4.1 台风模型介绍
• 4.1.1 Holland 台风模型简介
• 4.1.2 台风模型参数设置及计算结果
• 4.2 海浪模式介绍
• 4.2.1 WAM 模式的物理方程
• 4.2.2 WAM 模式中源函数的参数化
• 4.2.3 WAM 模式的数值计算方法
• 4.2.4 WAM 模式模拟台风浪的设置
• 4.2.5 WAM 模式模拟台风浪的计算结果
• 4.2.6 WAM 模式模拟台风浪小结
• 4.3 POM 模式介绍
• 4.3.1 POM 模式的控制方程
• 4.3.2 POM 模式的边界条件
• 4.3.3 POM 模式设置
• 4.3.4 数值试验E 的计算结果与分析
• 4.3.5 数值试验F 的计算结果与分析
• 4.3.6 数值试验G 的计算结果与分析
• 4.3.7 数值试验H 的计算结果与分析
• 4.4 结论
• 5 结语
• 5.1 主要结论
• 5.2 提出问题和工作展望
• 参考文献
• 致谢