不同Stokes漂流公式选取对模拟海洋上层Langmuir环流影响的大涡模拟研究

发布时间：2020-05-06 19:06

【摘要】：Langmuir环流影响着海洋上层的能量输入,对混合层的形成和加深有重要的作用,对于海洋上混合层具有重要意义。Langmuir环流是由Stokes漂流与海表风应力非定常性影响形成的涡旋相互作用产生的,其在动量、热量和质量转移中发挥着关键性的作用,因此Langmuir环流是上层海洋湍流的重要特征。一系列研究证明了 Langmuir环流对Stokes漂流的依赖性,在海洋模型中添加Langmuir环流效应,需要正确的模拟Stokes漂流速度的大小和剪切。由于在实际应用中可能无法获得完整的Stokes二维波谱,因此通常采用单波公式作为Stokes漂流的一种参数化方案来代替进行计算。随着近年来Stokes漂流观测资料及数值解的进一步丰富,关于Stokes漂流近似解的新公式也被提出。本文采用不同的Stokes漂流剖面估算公式(单波公式、e指数公式,Phillips谱近似公式),使用大涡模拟方法,研究不同的Stokes漂流剖面参数化方案对Langmuir环流产生的影响。首先讨论了 Stokes漂流及Langmuir数的全球分布情况,基于ERA5数据,计算了年平均的Stokes漂流表层流场分布,海表Stokes漂流速度分布呈现高纬度偏大的特征,尤其在南极绕极流海域,Stokes漂流强盛,相对的Langmuir数也较小,可以达到0.35以下。结果表明大部分海域的混合作用是由于剪切不稳定和Langmuir湍效应共同导致的。在部分海域,Langmuir数可达到0.3以下,证明在大尺度的海洋数值模拟中,Langmuir环流的作用不容忽视。然后利用大涡模拟模式设计理想对比实验,研究在定常风速下,不同Stokes漂流公式垂向剖面对Langmuir环流模拟的影响。结果表明选取不同Stokes漂流公式对于Langmuir环流场的速度场结构产生影响,选取不同公式模拟的结果,相同之处在于都能体现Langmuir环流的性质:海表出现平行的条纹状速度场;垂向速度截面出现直达混合层底部的大涡状结构;垂向混合增强,湍流各方向的速度方差增大。但是三个公式的模拟结果存在差异之处,单波公式的海表条纹间距较宽,e指数公式的条纹则相对较为密集。单波公式的垂向速度和合速度极值均大于e指数公式和Phillips公式,垂向速度方差的最大值及最大值深度也并不相同。最后,在理想对比实验的基础上,本文基于CBLAST观测试验数据,利用大涡模拟方法研究了在变化的实测风速条件下,不同的Stokes漂流公式剖面与实测Stokes漂流剖面对湍流模拟结果的影响。结果表明不同的Stokes漂流公式模拟结果的流速场,湍动能分布及垂向湍流涡粘系数分布均存在较大差异,垂向湍动能的相对偏差值最大可达14.62%,在Langmuir环流作用较强的时间段内,垂向涡粘系数的最大相对偏差值可达22.63%。结果证明不同Stokes漂流公式选取造成的对Langmuir环流的影响不能忽略。
【图文】：

得到不同Ｓｔｏｋｅｓ漂流公式计算出的Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流结果的差别，研究在理想实验情逡逑况下，不同的Ｓｔｏｋｅｓ漂流参数化方案对Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流结果造成的影响。逡逑（４）第五章中运用实测数据进行模拟，区别于第四章理想实验中使用固定温盐逡逑和风应力背景场，研究在实际变化的控制条件下，不同的公式计算结果与实测波逡逑浪谱模拟结果的异同。逡逑（５）在第六章中，对结果进行整理和分析，，并说明本文研究的不足之处以及日逡逑后需要继续研究的方向。逡逑本文创新点在于区别于传统大涡模拟模拟Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流时使用的单波公式，逡逑采用新的Ｓｔｏｋｅｓ漂流参数化方案，使用大涡模拟工具，在精细尺度上讨论了不同逡逑的Ｓｔｏｋｅｓ漂流参数化方案对Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流模拟的影响，对在大尺度海洋混合模型逡逑中模拟Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流效应时，使用不同的Ｓｔｏｋｅｓ漂流参数化方案会对结果产生的逡逑影响提供参考。逡逑Ｌａｎｇｍｕｉｒ环流研究

本文编号：2651728