波浪破碎及气泡影响下的上层海洋数值模拟研究

发布时间：2020-06-30 22:45

【摘要】：上层海洋与大气下边界层相接,在海气相互作用中起着十分重要的作用,对于大气与海洋之间的动量、热量和质量交换有极大影响。上层海洋在不同风浪状况下的响应问题一直是海洋学科的研究热点。本文对国内外关于上层海洋的研究进展进行了梳理总结,选取了三个有重要影响的物理过程作为研究对象:朗缪尔环流、波浪破碎和海洋气泡。本文将波浪破碎模型与传统风应力模型结合,根据海气间动量和动能传递的平衡关系,用波浪破碎代替风应力作为主要输入,构建了一套可用于模拟上层海洋主要动力过程的LES模型;选取气泡浓度模型对气泡的产生、发展进行模拟,研究上层海洋中气泡的分布规律。文中对波浪破碎产生的流场结构进行了分析。结果表明模型与观测数据较为吻合,能够用于精细模拟波浪破碎后产生的流场结构,模型中的强度参数会影响涡的强度和传播速度,而深度参数增大会导致涡旋对流场的影响深度增加,这为后续工作打下了基础。利用新的模型,本文对中高风速下的上层海洋主要特征进行了分析。对比两组数值实验及文献数据,结果表明波浪破碎能够极大地增加近海面的流场不稳定性和湍流运动强度,湍流耗散率也比风应力作为输入时高约一个量级。高风速下湍动能随深度增大衰减缓慢,存在混合层显著加深的趋势,而湍流耗散率的减小速度则高于理论预测值。文中对海洋气泡的运动发展过程同样进行了模拟研究。大尺寸的气泡在浮力作用下很快浮至水面,小尺寸气泡受下降流的影响能够长期存在于流场中。上层海洋中的气泡主要分布在表层海水中,且聚集于朗缪尔环流的下降流区域;即使海水中的溶解气体处于饱和状态,气泡也能在静水压力和表面张力作用下小幅度增大水中溶解气体浓度。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P731.22
【图文】：

浙江大学硕士学位论文逦绪论逡逑以及海上溢油等也有着一定程度的影响［３４＿３６］。这些研究对于我们深入理解海洋中逡逑的物理过程，合理开发运用海洋资源，增强灾害预警和应对能力都有着重要意义。逡逑１．３波浪破碎逡逑波浪破碎（ｗａｖｅ邋ｂｒｅａｋｉｎｇ）是海表上十分常见的现象。风吹过平静海面时，逡逑很大一部分能量留在波浪场中，用于推动波浪的发展与传播，当波浪场处于充分逡逑发展状态时，大部分输入的能量通过波浪破碎输送至海面以下，小部分能量则通逡逑过波浪间非线性相互作用等方式耗散掉或以涌浪的形式继续传播。波浪破碎在靠逡逑近海表的水体内造成强烈的湍流运动，与ＬＣ致湍流和剪切致湍流一起，构成海逡逑洋上层湍流混合的主要成因，如图１．２所示。除此之外，波浪破碎会将部分空气逡逑卷入水下形成气泡，影响海水中溶解气体的浓度，飞溅而起的飞沫在空气中运动、逡逑蒸发，进一步促进海气间的物质和热量交换。逡逑

图１．３盒式滤波示意图（图片取自网络）逡逑

【参考文献】

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本文编号：2735927