波浪对环流输运影响和涌浪传播耗散特征研究

发布时间：2020-10-10 00:20

　　波浪往往被认为是时空尺度较小的现象。但是，由于波浪在时空上的持续性和普遍性，又会对较大尺度现象造成影响。本文研究了波浪的大尺度效应即波浪科氏-斯托克斯力（CSF）在上层海洋输送中的影响，尤其关注大洋涌浪在平均方向和波浪诱导的Stokes输运中的作用。从对波动中尺度较大的涌浪传播特征和耗散机制的研究中总结规律，并分析了海浪WW3模式在大洋涌浪模拟方面的性能。涌浪对波浪诱导的Stokes输运有重要影响，特别对局地波浪的平均方向有所制约。全球Ekman输运主要呈带状分布，赤道海区两侧的信风带上Ekman输运的量值较大，可以的达到3m~2s以上；Ekman输运N-S分量Ty,E与整体量值分布一致，而W-E分量Tx,E受经向风作用呈带状倾斜。全球Stokes输运也主要为带状分布，尤其是两半球西风带的波浪输运量很大。而经向上的输运Ty,S，总的来看也基本呈现带状，但在大洋东侧却明显更强，体现了涌浪的作用。全球Stokes输运占Ekman输运的量值最大可达50%，太平洋和大西洋27.5N，30N和32.5N纬线的积分Ekman输运和Stokes输运有夏秋季强（向北）、冬春季弱（向南）的季节变化趋势，波浪输运不同海区不同季节有正贡献或负贡献。波浪Stokes经向输运沿27.5N，30N和32.5N的纬线积分值与Sverdrup关系估计的西边界流流量呈相似的季节变化，夏秋和冬春季相反；波浪导致的经向输运量值约为整体大洋输运的5到10%，在10月至4月为正贡献，5月至9月为负贡献。与SODA估计的黑潮流量相比，波浪作用可以达到5%。通过浪致表面应力来阐述波浪作用，发现波浪抽吸速度在中高纬海区较强，量值可达5cm/day，是波浪作用产生的源区。而风应力抽吸在副热带最强。各个大洋东西侧的波浪抽吸有局地的特征。波浪中尺度较大的涌浪在西风带产生的源区可以近似为圆形和点源，长波以风暴生成区为中心以近似扇形散开，沿大圆传播。涌浪各分量以群速传播能量，周期越长的分量传播越快；涌浪平均周期可以较好的保留涌浪传播的信息。在横向上可以基本保持同样的扩散速度，但距离点源越远相关性越低。在海盆靠近陆地的区域由于地形变化，波浪发生折绕射较强，破坏了波峰线的连续性。在局地风较强的区域，涌浪依然会发生与局地风和波浪的相互作用。涌浪在传播过程中会发生能量的衰减，空间耗散率约为-4~5×10~(-7)m~(-1)。在离点源距离较近的6000km以内，风暴强度差异引起能量较离散；6000-12000km之间，涌浪的能量差异减小；当距点源距离大于12000km，能量又有所增加。不同周期的分量耗散率范围没有明显的差别，初始波陡越大，耗散率越大。涌浪能量耗散主要由于其与海气边界层湍应力相互作用和与混合层湍流作用引起耗散。波陡和反波龄是衡量耗散强度的主要参数。反波龄随波陡增加而增大，随周期增大，反波龄降低至-1~1，随着离点源距离增加反波龄增大。波陡δ=0.01处为一较明显的分界线，当δ 0.01时，反波龄在-1~1，正负相当，风速和波速方向同向和反向同样明显，且风速总小于波速；当δ0.01，普遍倾向于反波龄γ0，即风向与波向同向较多，且在周期较短的分量上依然有γ1，风速大于或接近波速，涌浪依然受局地风的影响。 WW3的ACC350配置包含了有关涌浪耗散的物理现象的源函数项，模式对太平洋整体有效波高模拟较好，但约8米以上的波高模拟的有偏大趋势。4月的误差相对较大，12月误差最小；模式在中低纬带误差偏大较为明显。模式可以较好的进行大洋风浪的模拟，精确度较高。对涌浪的模拟波高偏大，整体来讲周期和波向的模拟比波高的精度高；模式对周期模拟的误差主要来自对涌浪周期的模拟误差，整体稍偏大。ACC350配置模式采用的基于涌浪耗散的物理模型可以部分改进BAJ模型涌浪波高模拟误差，尤其是在大洋中部较明显。模式的模拟能力需要依赖大量数据和对物理模型的认识进一步改进。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P731.2
【部分图文】：

海浪谱,浮标,风向,风速

图 2-1 浮标二维海浪谱（箭头为风向，风速14.7m/s）际大洋中很难定义某时某地的海浪状态严格属于风浪或涌浪，以，有必要了解波浪的成熟程度。鉴于开阔大洋中风区基本无高只依赖于风速和风时。一般情况下，我们讨论已经基本充分风获得能量的风浪形成的涌浪。根据第三代海浪模式 WAM 对义，有效波高sH 可以通过下式计算(Chen et al, 2002)，其中U2 2s 10 102 2 4 3s 10 10 101.614 10 (0 7.5m/s)10 8.134 10 (7.5< 50m/s)H U UH U U U = ×= + ×定义( )ss,re s,th s,th/Hr H H HΔ= 代表涌浪影响的程度，其中实际有效波高，s,thH代表由上式计算的理论风浪充分成长后可波高。当再分析有效波高大于理论波高时，代表肯定有涌浪存

涌浪,风浪,海域,南大洋

充分成长后不能从局地风获得能量，从而成为涌浪；其二是在以南北纬30°为中心的纬带和三大洋赤道中东侧海区存在的明显的大值区，这主要是由于这些区域局地的风较弱，来自两半球西风带的涌浪传播经过副热带时成为海况的主导，汇聚到赤道中东侧海域时依然保留了一定的能量（波高）并导致这些海域成为“涌浪池”，海况也常年以涌浪占优。由于南半球大洋开阔，这种状况在30 S 更加明显。与此同时，涌浪作用不甚明显的区域也分为两类：其一是两半球信风带海域，由于东风较强，且方向较为均一、变化不剧烈，控制了局地风浪的成长，涌浪并不占优，而以相对较强的风浪为主；其二是整个南大洋海域，涌浪的作用也不明显，这是由于南大洋常年风速很强，虽然受扰动的向东传播的风暴影响风向不断变化，可以暂时表现出涌浪的优势（伴随sHrΔ的小值区零星出现的大值点），但由于南大洋没有连通的陆地阻隔，整个海域形成了循环的风区，不限制风浪的发展，较强的风浪很快发生破碎和能量耗散，并重新生成，所以以风浪占优。

示意图,示意图,雷诺应力,作用力

用k 代替λ 也是合理的。可见，由于科氏效应的加入，波质点产生了横向运动速度，使运动轨道面发生倾斜（图2-3）。新产生的速度分量 v 与垂向速度 w 位相相同，当进行波动平均时，会产生浪致雷诺应力 vw 项，括号代表波动平均。此时，浪致雷诺应力的散度为一个体作用力，2 2kzsvw fa k e fuzσ = ≡ ，其中2 2kzsu =a kσ e为深水单频波 Stokes 漂流的表达式。即便波向不是沿 x 方向，考虑存在的夹角，可以将这个波致作用力写成矢量表达式的形式，s f × u，即为科氏斯托克斯力 CSF。

【参考文献】