海—气动量通量及海洋大气边界层湍流特征分析

摘要

海-气通量交换过程是气候系统各层圈相互作用的主要过程之一。海洋表面能量、物质交换反映了海洋-大气之间相互作用和联系,海-气通量输送强烈地影响上层海洋结构及大气边界层结构,进而影响大气环流和海洋环流,造成不同尺度的天气及气候变化。而且海-气通量的观测研究对于模拟和理解海洋-大气系统的耦合、变化性质也十分重要,天气预报及气候模式中海洋边界层参数的不确定性极大的影响了其模拟能力。利用涡动相关法测量边界层通量是目前最可靠的测量方法之一,但由于海上环境复杂以及一些具体条件的限制,使得其在海上进行观测的难度很大。本文利用国家海洋局2006-2007年“908专项”-ST02区块水体环境调查及2005年国家863规范化外海实验两个项目的近海层大气湍流观测资料,尝试克服在海上观测所面临的大量硬件及软件方面的困难,利用涡动相关法计算了海-气间的分析和计算了北黄海、南海北部及吕宋海峡海域及西太平洋近海面层动量通量、风速标准差、曳力系数、空气动力粗糙度,分析了部分特征量与水平平均风速(U)的关系。进而得到了一些有意义的结论:(1)通过计算稳定度参数发现近海面层大气绝大多数时间处于不稳定、弱不稳定的状态。(2)在东方红2号综合海洋调查船上用相同的仪器相同的观测方法及后期处理方法,计算了3个海区的动量通量值。北黄海秋、冬季、南海北部及吕宋海峡海域及西太平洋海域动量通量平均值分别为:0.079、0.081、0.107、0.070 N/m2。(3)各海区曳力系数值对平均风速不敏感,随平均风速变化较小,在平均风速大于4m/s时,北黄海秋、冬季、南海北部及吕宋海峡海域及西太平洋海域103CD平均值分别为:1.335、1.359、1.046、1.324。(4)近海面层大气湍流强度数值量级约为10-2,比近地面层大气湍流强度普遍低一个量级,且近海面层大气湍流强度与风速呈负相关关系。(5)当平均风速大于4m/s时,各海区水平风速标准差与稳定度参数的关系不明显,数据较离散,北黄海秋、冬季节无量纲垂直风速标准差与稳定度参数相似性关系较好,满足Monin-Obukhov相似理论。秋季最佳拟合关系为σw/u*=1.9(-Z/L)11/3,冬季为σw/u*=2.0(-Z/L)1/3。(6)当平均风速大于4m/s时,各海区粗糙度与平均风速均呈线性关系。北黄海秋、冬季、南海北部及吕宋海峡海域及西太平洋海域拟合关系式分别为:103Z0=0.0350U-0.1335、103Z0=0.0414U-0.1719、103Z0=0.0429U-0.2004、103Z0=0.0303U-0.1031。

目录

摘要

Abstract

1 引言

1.1 选题依据

1.2 大气边界层湍流研究的发展史与进展

1.3 国内外在海洋大气边界层湍流研究的主要贡献

2 研究区概况、观测方法与数据说明

2.1 研究区概况及数据说明

2.1.1 北黄海海域

2.1.2 南海北部及吕宋海峡海域

2.1.3 西北太平洋海域

2.2 观测仪器说明

3 数据处理方法

3.1 平均时间的选取

3.2 异常值剔除

3.3 船体对观测影响的订正

3.4 坐标轴旋转

3.5 趋势去除

3.6 计算公式

4 近海面层大气平均场状态

4.1 背景场特征

4.1.1 北黄海

4.1.2 南海北部及吕宋海峡海域、西北太平洋海域

4.2 大气稳定度

4.2.1 各海区大气稳定度参数计算值

4.2.2 稳定度参数与平均风速关系

5 海面动量通量

5.1 北黄海海域

5.1.1 北黄海海域秋季

5.1.2 北黄海海域冬季

5.2 南海北部及吕宋海峡海域

5.3 西北太平洋海域

5.4 三海区秋季结果分析对比

6 海面曳力系数

6.1 研究概况

6.2 三海区计算结果

6.3 讨论

7 湍流强度及风速标准差特征

7.1 湍流强度特征

7.1.1 湍流强度特征值

7.1.2 湍流强度随平均风速的日变化

7.2 无量纲风速标准差

7.2.1 水平方向无量纲风速标准差分析

7.2.2 垂直方向无量纲风速标准差分析

8 海面粗糙度

8.1 研究概况

8.2 海面粗糙度值及与平均风速的关系

9 结论与展望

9.1 本文主要结论

9.2 存在的不足与展望

参考文献

致谢

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