Coriolis-Stokes力在海洋数值模拟中的影响研究

摘要

本论文由两部分组成:第一部分主要关注于海表面海水运动的速度对上层海洋现象的影响,其中包括风应力、海表面流场、海表面温度、海-气热通量、以及海表面边界层厚度;第二部分具体研究了波浪引起的大尺度Coriolis-Stokes力效应对上层海流的影响。为了完成本论文的研究目标,建立了两个耦合模式:HYCOM-WINDS风-流耦合模式,和SWAN-POM浪-流耦合模式。通过在基于波陡和风速的拖曳系数经验参数化方案中考虑海表面海水运动速度的影响,研究计算了1958-2001年间全球风应力拖曳系数和风应力的分布情况。计算中使用的全球海表面流场来自海洋模式HYCOM,波浪参数输出自波浪模式WW3。通过分析拖曳系数和风应力的空间变化情况得出结论;海表面海水运动速度对风应力平均能够产生5％左右的影响;同时,考虑海表面海水运动速度的影响后,海洋模拟结果将得到一定程度的提高。
　　另外,本文还利用地球耦合系统框架(ESMF)、海洋模式HYCOM以及Donelan etal.(1997)提出的风应力计算关系式的改良版建立了一个风流耦合系统。此耦合系统被应用于全球风应力和海表面流相互作用研究。在此研究中,海表面流的速度被同时考虑到风应力的计算以及海-气热通量的计算之中;包含了海表面海水运动速度影响的风应力将被用作HYCOM的驱动。结果表明:海表面海水运动速度对海表面流场、海-气热通量、和海表面边界层厚度都会产生明显影响。将模拟的海表面温度和TOGA TAO浮标资料进行对比发现,耦合模式的模拟结果要优于非耦合模式的结果,这也证实了海表面海水运动速度在海洋模拟中是一个不容忽视的物理过程。通过计算2000年涌浪指标(swell index)的全球分布,发现太平洋东边界赤道附近区域存在涌浪池。利用ECMWF再分析波浪资料,计算出2000年全球月平均波浪体积输运。比较2000年全球月平均波浪体积输运和2000年QUICKSCAT月平均风场,发现在赤道太平洋东边界涌浪池区域内的波浪输运方向和风向存在很大的差别,两者方向相差大约90°。这进一步验证了这个地区涌浪池存在的真实性。研究发现,赤道太平洋东边界涌浪主要来源于北太平洋和南太平洋的西风带对应的海区。在涌浪池区域内分别在2.5°S和2.5°N取两条边界(边界起点为125°W,终点为美洲大陆西边界),计算通过这两条边界进入赤道区域涌浪的Stokes体积净输运量。结果表明,不同月份通过南、北两条边界波浪的净输运量与当月南、北太平洋西风带的风浪强度密切相关。接下来,利用HYCOM在三个不同区域进行的六个控制性实验研究了波浪诱导的Coriolis-Stokes力对包括海洋环流、温度以及混合过程在内的海洋现象的影响。Coriolis-Stokes力是利用波浪模式WW3的模拟结果来进行计算的,并像风应力一样用做HYCOM的上边界驱动。模拟结果表明:
　　1)在三个水平分辨率不同的区域上,HYCOM都可以成功地模拟海洋上层环流,南中国海、墨西哥湾,以及湾流区域的上层环流特征都被成功的再现出来;
　　2)Coriolis-Stokes力并不能从根本上改变海洋上层流场结构;
　　3)在全球海洋大部分区域上,Stokes输运的方向和Coriolis-Stokes力引起的海流深度积分输运改变量的方向是不一致的;
　　4)月平均混合层深度积分海流输运改变量的大小和方向是逐月变化的,Coriolis-Stokes力在强涡旋区域能够产生高于其它地方的影响;
　　5)海表面温度和混合层厚度也同时受到Coriolis-Stokes力的影响。
　　最后,我们利用海洋模式POM、海浪模式SWAN以及耦合框架MCT,在前人的工作基础上建立了一套双向完全耦合浪-流耦合模型。此耦合模型被用于进一步探讨波浪驱动的海表面流及其引起的风向海洋能量输入的改变情况。大尺度波浪对海流的作用力,Coriolis-Stokes力,被直接添加于POM的动量方程之中。Coriolis-Stokes力计算所需的波浪参数来自波浪模式SWAN的模拟输出结果。实验结果表明,当浪-流系统处于平衡态时,Coriolis-Stokes力驱动的海表面流的速度能够达到0.001 m/s的量级,最大流速达到0.02 m/s。整个模拟区域内波浪引起的总能量输入达到2.8505×1010w,为总的风能量输入的14%。考虑波浪效应后,整个区域内风能量输入增加了13.96%。

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Abstract

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前言

第一部分:海表面海水运动速度在海洋模式中的应用及其对海-气相互作用的影响

1 海表面速度对海-气相互作用的影响研究背景

2 海表面海水运动速度对风应力影响的估算

2.1 拖曳系数及风应力的计算

2.2 数值模式介绍及模式实验设置

2.3 模拟结果及分析

2.4 本章小结

3 海表面流速度在海流模式中的耦合效应

3.1 风-流耦合系统

3.2 试验设置及模式设定

3.3 实验结果及分析

3.4 试验结果验证

3.5 本章总结

第二部分:波浪的大尺度效应(Coriolis-Stokes力)在海洋模式中的影响及应用

4 Coriolis-Stokes力在海洋模式中的影响研究背景

5 Stokes波浪输运

5.1 数据说明及资料来源

5.2 太平洋东边界涌浪池的确定

5.3 涌浪的Stokes体积输运

5.4 涌浪和大洋环流

5.5 数值模式验证涌浪池内涌浪来源

5.6 讨论与结论

6 大尺度浪致Coriolis-Stokes力在海流模式中的应用

6.1 波浪大尺度效应的研究背景

6.2 Coriolis-Stokes力在HYCOM中的运用

6.3 模拟区域背景介绍

6.4 模式设置

6.5 模拟结果

6.6 结论

7 SWAN-POM浪-流耦合模式的建立以及大尺度浪致Coriolis-Stokes力在浪-流耦合模式中的应用

7.1 浪-流相互作用研究背景及现状

7.2 浪-流耦合系统介绍

7.3 Coriolis-Stokes力驱动的海洋环流

7.4 本章小结

结语

参考文献

个人简历

硕博连读期间学术成果

致谢