台风期间海洋飞沫对海气通量及海洋上层温度的影响研究

发布时间：2017-10-11 13:16

  本文关键词：台风期间海洋飞沫对海气通量及海洋上层温度的影响研究

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【摘要】：海洋与大气之间的通量交换对台风发展和维持有着重要的作用,而海洋飞沫通过一系列微物理过程显著地影响着海洋与大气之间的通量交换,因此,台风期间关于海洋飞沫问题的研究具有重要的科学意义。首先,本文从宏观和微观两方面全面地考虑了海洋飞沫对海气动量通量和热量通量的影响,并改进了现有的飞沫通量算法。宏观方面,以海面动力粗糙度长度为切入点,推导出全风速下含海洋飞沫动量影响的动力粗糙度长度。在高风速条件下(33m/s),考虑海洋飞沫动量影响后,拖曳系数的变化特征与实际的观测结果相一致。微观方面,修正Fairall et al(1994)海洋飞沫热通量算法中的白冠覆盖率和海洋飞沫的反馈过程,使其更符合实际的物理过程。其次,基于黑潮延伸体附近的KEO (Kuroshio Extension Observatory)浮标观测数据和上述海洋飞沫通量算法,分析了2006年台风Yagi经过KEO浮标站期间海洋飞沫对海气通量交换的影响及其分布特征,并结合海洋混合层诊断方程和一维GOTM湍模式,进一步研究台风期间海洋飞沫对海洋上层的影响。海洋飞沫通量的计算结果表明,热量方面,台风Yagi期间海洋飞沫显著地加强了海气之间的热量交换,尤其是潜热交换。总的潜热通量的最大值比未考虑飞沫影响时增加了137.2W/m2,增加量是界面潜热通量的15.7%。同时,海洋飞沫对热通量的影响与风速和波龄之间存在一定的相关性。动量方面,海洋飞沫显著地加强了海洋与大气之间的动量交换。当风速大于30m/s后,海洋飞沫动量通量与界面动量通量具有相当的量级。海洋飞沫滴在海气界面形成极限饱和的悬浮层,进而影响空气动力学过程,使总的动量通量的增长速率也随之减小。混合层诊断结果表明,在热量平衡过程中,海洋飞沫使由夹卷通量项引起的混合层降温速率的最大值增加了1.22℃/d,增加量是未考虑海洋飞沫影响时的84%；在质量平衡过程中,海洋飞沫使由夹卷速度项引起的混合层加深率的最大值增加了0.7m/d,增加量是未考虑海洋飞沫影响时的6%。总之,台风期间海洋飞沫的影响主要通过动量夹卷显著地加强总的夹卷效应,进一步使混合层加深和变冷。GOTM湍模式的模拟结果表明,当台风Yagi经过KEO浮标站时,海洋飞沫效应增强了该站点50米以浅的湍动能,其中,使海表湍动能的最大值增加了一倍。台风过境的两到三天,增加的海洋湍动能下传至水下75米。因此,台风期间海洋飞沫效应增加的湍动能加强了海洋上层的湍混合,进一步使海洋表层降温,次表层增暖,从而与未考虑飞沫效应相比,海洋温度的垂向分布结构更符合实际的观测资料。最后,基于三维海洋模式POMgcs,研究台风期间中国渤、黄、东海海域的飞沫通量的分布特征,并分析了海洋飞沫对该海域上层温度的影响机制。模式结果表明,台风期间,海洋飞沫通量的分布特征依赖于台风的局地位置以及台风结构。在台风中心,海洋飞沫通量基本为零,而在台风眼壁区域,海洋飞沫通量的大值区基本位于台风的右前方,与风速和有效波高的分布特征基本一致。飞沫动量通量主要影响温度的平流和垂直扩散过程,而飞沫热通量主要影响温度的垂直扩散。当同时考虑飞沫动量通量和热通量影响时,二者之间存在的正反馈过程将进一步共同影响海洋上层热量的收支。此外,海洋飞沫显著地加强了台风对海洋的“冷抽吸”和“热泵”强度。在“冷抽吸”过程中,飞沫效应显著地加强台风中心位置对应的水下60米深的降温。在“热泵”过程中,飞沫效应加强了海洋上层的降温和下层的增暖。考虑海洋飞沫效应后,台风轨迹右侧的海表降温比未考虑海洋飞沫影响时最大增加了0.5℃,更符合实际的台风期间海表面的降温过程。
【关键词】：海洋飞沫 海气通量 台风 上层海洋
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P732.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 1 前言16-30
• 1.1 微观上海洋飞沫热量影响的研究现状16-26
• 1.1.1 海洋飞沫微物理过程16-18
• 1.1.2 海洋飞沫增长函数18-21
• 1.1.3 海洋飞沫热通量算法21-26
• 1.2 宏观上海洋飞沫动量影响的研究现状26-27
• 1.3 海洋飞沫数值模拟研究现状27-28
• 1.4 本文要解决的问题、研究内容28-30
• 2 海洋飞沫影响的理论推导30-45
• 2.1 块体模型COARE2.6的理论框架30-33
• 2.1.1 块体模型COARE2.6的理论推导30-32
• 2.1.2 块体模型的Charnock关系32-33
• 2.2 宏观上考虑海洋飞沫的动量影响33-39
• 2.2.1 高风速下的海面动力粗糙度长度33-34
• 2.2.2 中低风速下的海面动力粗糙度长度34-36
• 2.2.3 全风速下含飞沫效应的海面动力粗糙度长度36-37
• 2.2.4 海洋飞沫对海面拖曳系数的影响37-39
• 2.3 微观上考虑海洋飞沫的热量影响39-42
• 2.4 海气间湍通量的计算方案42-44
• 2.5 本章小结44-45
• 3 基于定点观测研究海洋飞沫对海气通量和海洋上层的影响45-67
• 3.1 资料介绍与试验设计45-48
• 3.1.1 数据资料45-46
• 3.1.2 台风介绍46-47
• 3.1.3 试验设计47-48
• 3.2 台风过程中海洋飞沫对海气湍通量的影响48-57
• 3.2.1 海洋飞沫对热通量的影响48-51
• 3.2.2 海洋飞沫热通量的特性51-54
• 3.2.3 海洋飞沫对动量通量的影响54-55
• 3.2.4 海洋飞沫动量通量的特性55-57
• 3.3 诊断分析台风过程中飞沫对海洋混合层的影响57-66
• 3.3.1 混合层诊断模型58-59
• 3.3.2 海洋飞沫对混合层热量收支的影响59-62
• 3.3.3 海洋飞沫对混合层质量收支的影响62-66
• 3.4 本章小结66-67
• 4 基于GOTM模式研究台风期间海洋飞沫对海洋上层的影响67-78
• 4.1 GOTM模式简介67-69
• 4.2 数据资料69
• 4.3 试验设计69-70
• 4.4 试验结果70-77
• 4.4.1 海洋飞沫对海表温度的影响70-71
• 4.4.2 海洋飞沫对次表层温度的影响71-73
• 4.4.3 诊断分析海洋上层的湍动能收支73-75
• 4.4.4 诊断分析温度垂向湍扩散系数75-77
• 4.5 本章小结77-78
• 5 基于POMgcs模式研究海洋飞沫对海洋上层温度的影响78-108
• 5.1 POMgcs海洋模式简介78-81
• 5.2 POMgcs模式的配置81-85
• 5.2.1 模式的垂向坐标及地形数据81-82
• 5.2.2 模式的驱动场中引入海洋飞沫效应82-83
• 5.2.3 模式的边界条件和初始场83-84
• 5.2.4 模式的潮强迫84
• 5.2.5 模式的垂向混合参数化84
• 5.2.6 模式的试验设计84-85
• 5.3 POMgcs模式的验证85-90
• 5.3.1 温度结果验证85-88
• 5.3.2 盐度结果检验88-89
• 5.3.3 流场结果检验89-90
• 5.4 模式结果分析90-107
• 5.4.1 台风过程中风速与有效波高的分布特征90-92
• 5.4.2 台风过程中飞沫热通量的分布特征92-94
• 5.4.3 台风过程中飞沫动量通量的分布特征94-96
• 5.4.4 台风过程中海洋飞沫对海表温度的影响96-98
• 5.4.5 台风过程中海洋飞沫对海洋温度垂向结构的影响98-107
• 5.5 本章小结107-108
• 6 结论与展望108-112
• 6.1 主要结论108-110
• 6.2 主要创新点110-111
• 6.3 不足与展望111-112
• 参考文献112-124
• 致谢124-125
• 个人简历125
• 发表的学术论文125

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