基于Argo资料的海洋内部湍流混合数值研究

发布时间：2017-03-17 16:03

  本文关键词：基于Argo资料的海洋内部湍流混合数值研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋内部混合一直是物理海洋学研究的热点和难点问题。海洋内部混合的参数化在海洋数值模式中起至关重要作用,直接影响数值模拟结果的可靠性,不准确的混合参数化方案将导致不真实的水平环流、经向翻转流、温盐分布等模拟结果。因此,发展合理可信的海洋内部混合参数化方案能有效提升海洋数值模式的模拟及预报能力。海洋内部的混合系数是一个随空间变化的参量。由于现场观测上的困难,目前尚无覆盖全球海洋的、基于观测数据的混合系数为海洋数值模式所使用。在实际应用中,主要依靠一些局部海域的观测实验结果以及数值模式使用者的经验来给出所需的混合系数。在一部分海洋模式中,利用常数来给定水平混合和垂向混合(跨等密度面混合),这种做法显然不合理。在另一部分海洋模式中(如MOM4),混合张量被用来描述海洋内部各个方向上混合系数,中性面斜率则是其中一个重要参量。在这些海洋数值模式中,中性面斜率是利用模式输出的模拟结果(温、盐场等)来计算的。由于模式本身存在误差,由此计算的中性面斜率定会偏离实际情况。因此,有必要基于实际观测来计算出全球海洋中性面斜率,以改进此类海洋模式的内部混合参数化方案。还有一部分海洋模式(如混合坐标海洋模式HYCOM),通过一个常数背景混合系数结合一个混合层参数化方案(如KPP)来给定跨等密度面混合。同样,背景混合系数也是随空间变化的,需要根据实际观测数据来估算,而不能简单的使用一个常数。以往,由于全球海洋范围内的观测较为稀疏、时空连续性较差,无法获得计算全球范围海洋内部跨等密度面混合系数所需的系统性观测信息,因此目前还没有适合模式应用的基于观测所估算的跨等密度面混合产品。Argo剖面浮标的出现在很大程度上弥补了这个不足,它能持续地提供全球海洋上层2000米内温、盐等观测数据。本论文将基于Argo观测资料,给出更为真实的中性面斜率以及海洋内部跨等密度面混合系数信息,提高海洋内部混合参数化方案的合理性及准确度,这将有助于提升全球海洋气候模式的模拟及预测能力。本文收集了自Argo计划之始至2012年12月的剖面浮标观测资料,为了确保数据的可靠性,在比较分析两种延时质量控制方法的基础上,对其进行了有效的盐度延时质控和人工审核,并讨论了温盐质控中需要注意的海洋现象等问题,制作形成了网格化温盐压数据集。依据“国际海水状态方程-2010”计算了多年平均的全球大洋上层2000m标准层上的密度数据集。依据上述数据,利用局地参考的等位势密度面近似中性面,估算了全球大洋中性面的斜率,分析了其大小和分布趋势。采用精细尺度参数化混合方案,计算了全球大洋内部跨等密度面的混合系数AD,给出了具有空间分布特征的格点化混合系数数据集。研究发现,全球大洋内部跨越等密度面的混合系数介于0.05×105～2.5×10-5m2/s,呈显著的空间变化特征,具有很强的局地性。总体来说,其大小与纬度和深度紧密联系。在水平方向上,基本上随纬度增加而增大；在垂直方向上,随深度增加而增强。在风能输入大的区域,例如南极绕极流区,呈现混合系数剧增的斑块区域。南半球的平均混合系数高于北半球。强烈西风引发的混合强化基本可达Argo浮标观测的深度。随后将本文所计算的跨越等密度面的混合系数应用于HYCOM海洋数值模式中,设计了两组数值实验：北大西洋实验和全球实验,考察了其对数值模拟结果的影响。结果表明,具有空间变化特征且更具物理意义的跨越等密度面混合系数的引入使经向翻转流、温度和盐度的数值模拟结果均产生了显著的变化,特别是在赤道和高纬度海区(尤其是北大西洋高纬度海区)这两个对于全球气候至关重要的地区对海洋内部的混合系数十分敏感。将跨等密度面湍流混合与中性面斜率相结合,得到了适用于Z坐标模式应用的海洋内部内波引起的湍流混合张量,分别讨论了x、y、z方向上混合分量的量级和分布特征。Kxx和Kyy具有相同的量级和相似的空间分布特征。Kzz的数值范围为10-710-5 m2/s,量级远远小于Kxx和Kyy。这种具有空间变化特征的混合能有效提高z坐标海洋数值模式的物理完备性。
【关键词】：Argo浮标 延时质量控制 中性面斜率 跨越等密度面的混合 混合张量
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P731.26
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 1 概述16-29
• 1.1 引言16-17
• 1.2 海洋混合的研究背景17-26
• 1.2.1 海洋内部混合的机制17-18
• 1.2.2 海洋内部混合的尺度量级及估算方法18-22
• 1.2.3 海洋模式中垂向混合的参数化22-26
• 1.3 研究内容/本文要解决的问题26-29
• 2 Argo数据处理及质控29-56
• 2.1 Argo计划简介29-33
• 2.1.1 Argo计划的由来和科学意义29-31
• 2.1.2 中国Argo计划进展31
• 2.1.3 Argo浮标结构和工作原理31-33
• 2.2 Argo数据的收集33-34
• 2.3 Argo数据质量控制34-47
• 2.3.1 Argo数据误差种类和产生原因35-37
• 2.3.2 两种盐度延时订正方法的比较37-46
• 2.3.3 小结46-47
• 2.4 Argo资料人工审核中应该注意的海洋现象问题47-56
• 2.4.1 受到强流影响的浮标48-50
• 2.4.2 台风对温盐关系的影响50-52
• 2.4.3 被中尺度涡捕获的Argo浮标52-55
• 2.4.4 小结55-56
• 3 中性面斜率的计算56-72
• 3.1 基于Argo观测得到的温度、盐度和压力网格化数据集57-64
• 3.2 海水状态方程及海水密度64-67
• 3.3 中性面斜率67-70
• 3.4 小结70-72
• 4 跨越等密度面混合72-88
• 4.1 沿着等密度面的混合和跨越等密度面的混合72-74
• 4.2 内波破碎引起的跨越等密度面混合的精细尺度参数化74-85
• 4.3 小结85-88
• 5 基于Argo的跨等面度面湍流混合在HYCOM中的应用88-109
• 5.1 HYCOM模式简介88-89
• 5.2 将基于Argo的内波破碎引发的跨越等密度面混合应用于HYCOM模式89-90
• 5.3 实验设置90-92
• 5.3.1 北大西洋实验90-91
• 5.3.2 全球实验91-92
• 5.4 结果和的分析92-106
• 5.4.1 北大西洋实验92-101
• 5.4.2 全球实验101-106
• 5.5 小结106-109
• 6 适用于Z坐标模式的湍流混合109-117
• 6.1 混合张量的表达式110-112
• 6.2 基于Argo观测计算的混合张量112-115
• 6.3 小结115-117
• 7 结论117-121
• 7.1 本文的工作和研究成果117-119
• 7.2 不足与展望119-121
• 参考文献121-131
• 致谢131-132
• 个人简历132-133
• 发表的学术论文133

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