Langmuir环流和波浪破碎对上层海洋混合影响的数值研究

发布时间：2020-05-25 15:49

【摘要】： 表面波主要通过两种方式影响上海洋混合层(OML)：(1)波浪破碎(WB),WB导致的波浪能量通量可以在海表提供额外湍动能源,同时增强近表层能量耗散；(2) Langmuir环流(LC),风生Stokes漂流与平均流共同作用导致的LC对OML内湍流生成和垂向混合的影响至关重要。尽管它们产生的湍流能量通量仅限于海表几米之内,但是它们却可以影响整个OML内的湍流混合过程。混合层数值模拟,如,湍封闭模型已经被用于模拟OML (Kantha and Clayson,2004; Sun et al.2005),这些模型对于LC和其它混合过程的模拟研究尚不完整。本文利用MY2.5阶湍封闭模式,参照Craig和Banner (1994),通过修改边界条件及模式控制方程中的源函数项等,研究LC与其它动力和热力过程(WB、海表热通量)的相互作用机制,特别是WB和LC共同作用所引起的强混合问题。其中包括研究不同海况下(不同风速、不同破碎强度和不同海表热通量)LC对海洋上层混合(如：混合深度、强度、混合率等)的影响。通过逐一或联合考虑不同风速下、有无WB、不同海表热通量大小时,LC对海洋上层混合的影响。为了更加细致地描述LC和WB对OML内湍流生成机制的相对作用,本文对介于直接数值模拟(DNS)和参数化湍封闭模式之间的三维湍流模拟工具—大涡模拟(LES)进行了改进,使之包含了OML中小尺度动力过程,并针对LC和WB对OML的影响进行数值模拟。通过分析湍动能收支,讨论了标准边界层(剪切和浮力)和考虑波浪影响下的湍流边界层(WB和LC)湍动能收支各项的相对重要性。另外,通过不同风速和不同波浪条件下的理想数值实验,考察了不同海况下LC和WB对混合机制的影响。最后,利用LES方法模拟了伍兹霍尔实验室海气相互作用边界层耦合低风速观测实验(CBLAST-Low),并对湍流Langmuir数Lat大于2(剪切)、Lat,小于1(LC)、风速逐渐增强,风速逐渐减弱以及风速迅速减小五种情况下,比较分析了观测与LES数值实验结果间的异同,研究了LC和WB对湍流生成和混合机制的影响。
【图文】：

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LES仍是研究上层海洋LC的主要工具。Noh(2004)等发现海表波浪破碎与LC的共同作用可以显著增强海洋上边界层的湍流混合和卷挟。利用LES模型，Li(李明)等人(2005)建立了区分浮力热量对流、剪切引起的湍流和Langmuir环流的模式图(图1一2上层海洋中由剪切到Langmuir环流的过渡 (Lictal.2005).)。他们发现LC发生在充分发展的海况中，而LC引起的湍流的垂向强度约是剪切引起的湍流强度的两倍并且位于上层观测区域，并因此得出风驱动的上层海洋在特定的海况下将由LC主导。与此同时，先进的观测手段，如:side一 seanDopplerSonar(Smithetal.，1987)、 FreelyDriftingInstruments(Farmer&Li， 1995)，和 AutomatedUnderwaterVehieles(AUVs)(Tho印 eetal.

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-一一一一----一一一一------~一一一---------卜一-l0-，m一~叫图1一1左图为Langmuir环流的草图，取自于 WIlliamEmery讲座笔记(}lttp://ccar.c。z。rado.ed飞」/ase【152152):右图为 GreatSalt湖Langmuir环流存在时海表形成的风线(windrows)照片(P.P.Sullivan.提供)。1938年，Langmuir注意到海表规则条纹并首次对这一现现进行了系统的观测研究。之后的几十年里，许多学者主要集中在对这种现象的理论解释上。在众多理论中，多数学者接受CL理论(Craik， 1977;CraikandLeibovieh1976)，认为LC的生成机制为风生流与表面波间的非线性相互作用所致。 Huang(1979)在此基础上考虑了地转的影响，有效的解释了LC的双涡旋结构。McwilliamS等人(1997)在能量方程中加入stokes湍动能生成项 (stokesTKEproductionterm)从新的角度来描述LC的影响，进一步发展了LC基本理论。近年来
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（海洋研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P731.2

【参考文献】