海洋上混合层对台风浪响应的数值研究
海洋上混合层对大气与海洋之间的动量、热量和质量的交换起着重要的作用，研究海洋表面存在的海浪及其诱导产生的相关过程对海洋上混合层性质的影响具有重要的科学意义。
本文首先综述了海洋上混合层的研究现状和存在的问题，然后归纳总结了混合层深度(MLD)的定义方法，简要介绍了湍封闭模式的发展过程和不同海洋混合层模式的特点。最后，在现有理论研究和大量实验观测结果的基础上，对定常风及台风浪作用下的海洋上混合层的响应情况做了一系列的数值研究，其中分析比较了考虑与不考虑波浪破碎和Stokes漂对海洋上混合层的影响情况，最终得到了很有意义的结论。
在前人的理论工作和实验观测的基础上，文中首先分析了波浪破碎和Stokes漂对海洋上混合层可能造成影响的几个方面。通过比较认为，在数值模式中通过改变湍动能方程的上边界条件和海表粗糙度的方法引入海表的波浪破碎的影响，并且通过在平均水平动量方程中加入Coriolis-Stokes力的方法引入Stokes漂的影响，对海洋上混合层进行数值模拟是合理可行的。
在数值试验中，首先通过采用包含M-Y2.5阶湍封闭模式的一维混合层模式，模拟了30m/s定常西风作用下海洋上混合层的发展变化情况。模拟结果表明，考虑波浪破碎对MLD和海表温度(SST)的影响不大，但是它会使表层流速和流速的垂向梯度大大减小，近表面层内湍流的剪切生成项也大大减小，而湍流耗散率却增长了两个量级。然而，波浪破碎对混合层的影响深度仅限于一个有效波高的尺度；而考虑Coriolis-Stokes力对MLD和SST的影响稍大于波浪破碎的影响，但变化幅度仍然不大，它最主要的影响体现在对混合层中流廓线的改变上，而且影响深度贯穿了整个混合层。共同考虑波浪破碎和Coriolis-Stokes力对海洋上混合层的影响时，可以很好地模拟出海洋上混合层中的湍流能量分布规律和流廓线的主要分布特征，因此可以肯定在对海洋上混合层进行数值模拟过程中，考虑波浪破碎和Stokes漂的影响是非常必要的。
在上述一维模式研究结果的基础上，基于台风浪对我国影响重大这方面的考虑，文中采用将海浪模式WAM模式与三维海洋模式POM模式相结合的方式模拟了海洋上混合层对台风浪的响应情况。在此数值试验中，首先采用Holland台风模型模拟不同移速的台风风场，并将其引入到海浪模式WAM模式中来模拟台风浪，再将台风浪的波浪要素引入到三维海洋模式POM模式中来着重研究海洋上混合层对台风浪的响应情况，其中采用与一维模式中同样的方法来考虑波浪破碎和Coriolis—Stokes力的影响。
模拟结果表明移动的台风风场具有明显的右偏性，即台风路径右侧相同距离处的风速大于其左侧的风速，且台风的移速越大，右偏性就越强，从而产生的台风浪也具有类似的特点。海洋上混合层的MLD和SST对风应力的响应时间尺度较长，台风过境一天半后才能达到平稳，它们的分布同样具有明显的右偏性，且对台风移速十分敏感，但是海流对风应力的响应时间尺度较短，所以台风移速对海流量值的影响不太明显。
在此三维海洋模式中单独考虑波浪破碎的影响时，MLD在台风路径附近会有明显加深；相应地SST在台风路径附近降温幅度明显增大：海洋表层流速则会减小，在台风中心附近尤为明显；而且波浪破碎对MLD、SST和表层流速的影响量值和影响区域对台风的移速非常敏感。单独考虑Coriolis—Stokes力的影响时，混合层内的MLD、SST和表层流场的变化会随着台风中心的移动而呈现比较复杂的变化。共同考虑波浪破碎和Coriol is—Stokes力这两种效应时，对MLD和SST的影响程度与台风的移速有关，移速越快，波浪破碎效应的影响越显著，移速较慢时，则是Coriolis—Stokes力的影响占主；而对于表层流速来说，则是不管台风的移速快慢都是Coriolis—Stokes力的影响占主。
三维海洋模式中考虑波浪破碎和Coriolis-Stokes力对海洋上混合层的影响比在一维模式中更显著，但是它们所得结论在定性上基本保持一致。
海洋上混合层;湍封闭模式;波浪破碎
中国海洋大学
博士
物理海洋学
管长龙
2006
中文
P444
112
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）