南海陆架坡风致混合及长期混合观测方法研究
发布时间：2020-05-07 02:08
【摘要】： 南海是西北太平洋最大的边缘海,蕴涵着丰富的能量以及各种各样的海洋动力过程,局地风场和潮流产生的内波破碎一般会导致强混合。近岸海洋混合是研究水团物理特征、近岸环流、营养盐通量、近岸环境污染物分布的重要物理过程。南海陆架坡提供了一个很好的实验平台用于研究风致混合及各种决定陆架坡混合变化的动力过程。虽然风致内波、风致混合对海洋内部能量、物质输运等方面的重要作用得到了人们的认可,但是受限于目前的观测手段,很难得到连续的混合观测资料,特别是在极端天气状况下的集成观测数据,使得强风场向海洋内部输运能量、产生强混合的过程仍没有得到很深入的研究。 在本论文中,我们主要解决的问题包括如下两个大的方面:(1)根据在南海陆架坡得到的连续小尺度观测资料、流场资料等,分析强风暴天气情况下海洋的响应,包括海洋混合的变化过程、海洋内波的能量传播等,目的在于研究风致混合随着时间、空间的演变过程以及产生机制。(2)为了在各种天气情况下进行长时间、连续混合观测,本论文利用一种新的观测仪器提出在惯性-对流子域内计算混合参数的新方法。 2005年8月在南海陆架坡处19o37' N, 112o04' E进行了一次集成海洋混合观测,包括锚系ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)流场资料、由小尺度垂向剖面仪TurboMap II观测得到的湍动能耗散率ε剖面以及由温盐链得到的温盐资料。这是第一次在南海通过直接观测获取的高分辨率ε分布结果,并且这次观测是在一次风暴天气过程中进行的。通过观测发现,在混合层内风前、风后的平均湍动能耗散率分别为1. 5×10?6Wkg ?1和2. 0×10?6Wkg ?1,并没有发生明显变化,但是平均混合层由风前的12m增加到了风后的22m,即经过风暴之后强混合层厚度大约增加了10m,而且强混合经过风暴后可以穿透到60m或者更深的水层内。风暴过境期间激发了近惯性内波,能持续1.5个惯性周期或者更长的时间。通过旋转谱分析发现近惯性频率内波能量具有下传的趋势,通过垂向模态分解得出高模态近惯性内波更有效地生成剪切不稳定,是海洋内部强混合的能量来源。 为了能更好地研究各种极端天气情况下海洋的响应,特别是小尺度混合过程的长期变化规律,如何能获取连续的长期观测资料是最大的瓶颈,文中介绍了一种新的混合观测仪器χpod,用于实现混合资料的长期连续观测。利用2005年在赤道太平洋锚系系统TAO上得到的高分辨率、长期观测资料,在惯性-对流子域内通过温度梯度谱的尺度分析估算了热耗散率和湍动能耗散率。得到的结果与通过高波数范围内的温度梯度谱尺度分析得到的混合参数结果进行了比较,结果发现在这两种波数范围内计算的数值在90%置信区间内吻合得比较好,相差在5倍以内。我们建议具有2Hz的采样频率的温度观测资料就可以估算出合理的热耗散率及相关的其他混合参数,远远低于120Hz采样频率,因此大大降低了长时间观测对于数据存储的要求。
【图文】：
量从低垂向波数的双倍惯性频段的运动传输到高垂向波数的近惯性频段运动，这个过程产生的高垂向波数近惯性流场的强剪切是控制湍流混合过程的一个关键因素（图1-1）。从上个世纪60年代开始，由于地形作用产生的内波首先受到了研究学者的重视，Rattray（1960）基于简单的内波两层控制方程，分别给出了正压潮作用在阶梯状海底地形、斜坡海底地形上激发出来的内波解析解。Baines（1973；1974）研究了在阶梯状海底地形和余弦状海底地形下正压潮向内潮能量的转化率，并证明了由内潮引起的剪切不稳定及混合最容易出现在边界及临界点处(海底坡度等于内潮的群速度的点)。Bell (1975a，b)，Hibiya（1986）和St. Laurent and Garrett（2002）建立和发展了亚临界状态海底地形（海底坡度小于内潮的群速度方向）
带来了大约 3°C 的变化；下图显示了风暴过境期间的某段时刻混合层深度地急剧变化过程。http://opd.apl.washington.edu/~dasaro/DENNIS/Overview.jpg特别是在强风天气条件下，，如图1-2所示，海气作用尤为明显，大量的能量由风场传向海洋，海洋温度、层结、混合强度等物理特征都会产生明显的响应（D’Asaro 2003）。周磊等（2005）把在南海持续观测近3个月、共28层的潜标海流资料与已有的6小时分辨率的NCEP／NCAR风场资料结合起来进行了分析，结果表明风场在一个连续的宽频带范围内向海洋上混合层输送能量；而风的低频异常变化对流场的低频异常变化的作用则是输送能量的“最有效”途径。但这些能量
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P731.2
本文编号：2652254
【图文】：
量从低垂向波数的双倍惯性频段的运动传输到高垂向波数的近惯性频段运动，这个过程产生的高垂向波数近惯性流场的强剪切是控制湍流混合过程的一个关键因素（图1-1）。从上个世纪60年代开始，由于地形作用产生的内波首先受到了研究学者的重视，Rattray（1960）基于简单的内波两层控制方程，分别给出了正压潮作用在阶梯状海底地形、斜坡海底地形上激发出来的内波解析解。Baines（1973；1974）研究了在阶梯状海底地形和余弦状海底地形下正压潮向内潮能量的转化率，并证明了由内潮引起的剪切不稳定及混合最容易出现在边界及临界点处(海底坡度等于内潮的群速度的点)。Bell (1975a，b)，Hibiya（1986）和St. Laurent and Garrett（2002）建立和发展了亚临界状态海底地形（海底坡度小于内潮的群速度方向）
带来了大约 3°C 的变化；下图显示了风暴过境期间的某段时刻混合层深度地急剧变化过程。http://opd.apl.washington.edu/~dasaro/DENNIS/Overview.jpg特别是在强风天气条件下，，如图1-2所示，海气作用尤为明显，大量的能量由风场传向海洋，海洋温度、层结、混合强度等物理特征都会产生明显的响应（D’Asaro 2003）。周磊等（2005）把在南海持续观测近3个月、共28层的潜标海流资料与已有的6小时分辨率的NCEP／NCAR风场资料结合起来进行了分析，结果表明风场在一个连续的宽频带范围内向海洋上混合层输送能量；而风的低频异常变化对流场的低频异常变化的作用则是输送能量的“最有效”途径。但这些能量
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P731.2
【引证文献】
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1 韩林生;南海西北陆坡区不同尺度运动特征分析[D];中国海洋大学;2011年
本文编号：2652254
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