基于POM的浪流耦合模式的建立及其在大洋和近海的应用

摘要

海洋中温度的垂直结构大体可以分为三层：上混合层、温跃层和底层弱垂直温度梯度层。对于海洋环流模式来说，无论对于大尺度全球气候模拟还是小尺度的近海模拟，准确地再现上层海洋的垂直混合过程和模拟上混合层是很重要的。目前广泛应用Mellor和Yamada(M-Y)湍流混合模型在层化较强的流体(如夏季上层海洋)中对湍流混合系数计算效果不佳。模拟得到的夏季海洋表层温度(SST)偏高、上混合层偏浅且温跃层强度偏低是采用M-Y湍流混合模型的海洋环流数值模式所面临的普遍问题。 袁业立于1979年指出，造成表层海水混合的主要因素有三种：(1)由非稳定层化造成的自由浮力对流；(2)流动的剪切不稳定性；(3)海浪的搅拌。在层化较强的上层海洋中，海浪的搅拌的作用可以超过前两种的作用的总合。M-Y湍流混合模型可以较好地描述和表达前两种机制造成的混合，但不包括海浪的搅拌造成的混合，这是采用M-Y湍流混合模型的海洋环流模式所模拟的夏季海洋上混合层偏浅的根本原因。如何准确地描述海浪引起的垂直涡动扩散系数并应用到实际的三维海洋模式中是一项具有挑战性的工作。 本文在袁业立和乔方利等提出的波浪运动混合的理论框架的基础上，基于MASNUM1(前身为LAGFD-WAM)海浪波数谱数值模式和POM(普林斯顿海洋模式)环流模式建立了MASNUM浪-流耦合模式。耦合的方法是首先利用MASNUM海浪波数谱数值模式来计算波浪的方向谱，再利用袁业立、乔方利提出的理论计算浪致混合Bv和海浪对海流的动量转移项，并将其引入到环流模式中。 本文首先将MASNUM浪-流耦合模式应用到准全球大洋，所模拟的海浪有效波高同Topex/Poseidon高度计观测结果符合较好。由海浪模式得到的浪致混合Bv和由M-Y湍流模型得到垂向混合系数Kh相比，在夏季的中高纬度海区的上层，Bv比Kh要大；在低纬度热带海区上层Bv小于Kh。将浪-流耦合模式和采用M-Y湍流模型的原始POM模式模拟得到的夏季上层温度结构同Levitus资料比较表明：浪-流耦合模式的结果明显比原始POM的结果和Levitus资料相吻合，浪-流耦合模式模拟得到的夏季上混合层厚度比原始POM要深，和Levitus资料符合较好，在中高纬度海区尤为明显。这说明浪致混合在中高纬度海区夏季上混合层的形成过程中起关键作用，对热带上层海洋的温度结构也有相当的作用。 另外，黄海冷水团作为中国近海的一个独特的水文现象吸引了国内外众多海洋学家的关注。关于黄海冷水团的底层和垂向环流，至今仍存在不同的观点。本文在MASNUM浪-流耦合模式的基础上，在边界引入潮流边界条件，建立了MASNUM浪-潮-流耦合模式，并利用该模式对黄海夏季的三维环流结构进行了模拟研究。该模式较为准确地模拟了该海区潮汐、温度和盐度结构，所得的流场结果与实测资料较为吻合。利用模拟的流场结果并结合实测资料，本文提出了一个完整的夏季黄海三维环流结构： (1)在表层(0-4m)，受风场的作用，主导流向为东北向。 (2)在上层(4-40m)为一海盆尺度的气旋式环流，动量方程的诊断分析和敏感性实验表明，上层气旋式环流是一个准地转的沿潮致锋面的环流，潮余流对上层的气旋式环流也有加强的作用。流函数表明黄海的深度积分的净的环流为气旋式(逆时针)，流量约为0.1Sv。 (3)在底层(40m以下)存在由黄海中心向近岸的辐散流动，该辐散流在黄海冷水团边缘的温度锋区流速较大。由温度锋面造成的斜压梯度力使底层的海水从中间向两侧辐散。同时在黄海中部存在一支弱的南向流。潮余流和风场在表层引起的北向输运的补偿流是形成该南向流的两个主要机制。 在垂向环流方面，不同断面的垂向环流结构有所不同。在靠近朝鲜半岛一侧的锋区的底部存在一个流环，在锋区沿海底陆坡为上升流，在锋区离岸一侧为下降流。在靠近中国一侧沿陆坡也存在上升流。由温度锋面引起的斜压梯度力是引起锋区沿海底陆坡上升流的主要原因，但靠近中国一侧沿陆坡也存在由风场Ekman输运引起的补偿上升流。 本文所建立的MASNUM浪-流耦合模式从物理机制上解决了采用M-Y湍流混合模型的海洋环流模式所模拟的夏季海洋上混合层偏浅的问题，对于大尺度全球气候模拟和小尺度的近海模拟均有重要意义；所建立的MASNUM浪-潮-流耦合模式提高了原始POM对近岸海区的模拟能力。

目录

文摘

英文文摘

0前言

0.1简介

0.2常见混合层模拟的方法及存在的问题

0.3本文的主要工作

1 MASNUM浪-流耦合模式的建立

1.1海浪—海流耦合作用的理论推导

1.2基于POM的准全球大洋环流模式的建立和模拟结果

1.3 MASNUM浪-流-耦合模式的建立

附图

2 MASNUM浪-流耦合模式在大洋中的应用

2.1模式介绍

2.2海浪模拟结果检验

2.3浪致混合Bv在全球的分布特征

2.4浪致混合对夏季上温度结构的影响分析

2.5小节

附图1

附图2

附图3

3MASNUM浪-潮-流耦合模式的建立及在黄海中的应用

3.1黄海夏季环流研究现状

3.2 MASNUM浪-潮-流耦合模式的建立

3.3模拟的潮汐、温度和盐度的验证

3.4夏季水平环流的模拟结果

3.5夏季垂直环流的模拟结果

3.6环流形成机制分析

3.7小节

附图1

附图2

4结论和展望

参考文献

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