【摘要】： 表面波主要通過(guò)兩種方式影響上海洋混合層(OML)：(1)波浪破碎(WB),WB導(dǎo)致的波浪能量通量可以在海表提供額外湍動(dòng)能源,同時(shí)增強(qiáng)近表層能量耗散；(2) Langmuir環(huán)流(LC),風(fēng)生Stokes漂流與平均流共同作用導(dǎo)致的LC對(duì)OML內(nèi)湍流生成和垂向混合的影響至關(guān)重要。盡管它們產(chǎn)生的湍流能量通量?jī)H限于海表幾米之內(nèi),但是它們卻可以影響整個(gè)OML內(nèi)的湍流混合過(guò)程。 混合層數(shù)值模擬,如,湍封閉模型已經(jīng)被用于模擬OML (Kantha and Clayson,2004; Sun et al.2005),這些模型對(duì)于LC和其它混合過(guò)程的模擬研究尚不完整。本文利用MY2.5階湍封閉模式,參照Craig和Banner (1994),通過(guò)修改邊界條件及模式控制方程中的源函數(shù)項(xiàng)等,研究LC與其它動(dòng)力和熱力過(guò)程(WB、海表熱通量)的相互作用機(jī)制,特別是WB和LC共同作用所引起的強(qiáng)混合問(wèn)題。其中包括研究不同海況下(不同風(fēng)速、不同破碎強(qiáng)度和不同海表熱通量)LC對(duì)海洋上層混合(如：混合深度、強(qiáng)度、混合率等)的影響。通過(guò)逐一或聯(lián)合考慮不同風(fēng)速下、有無(wú)WB、不同海表熱通量大小時(shí),LC對(duì)海洋上層混合的影響。 為了更加細(xì)致地描述LC和WB對(duì)OML內(nèi)湍流生成機(jī)制的相對(duì)作用,本文對(duì)介于直接數(shù)值模擬(DNS)和參數(shù)化湍封閉模式之間的三維湍流模擬工具—大渦模擬(LES)進(jìn)行了改進(jìn),使之包含了OML中小尺度動(dòng)力過(guò)程,并針對(duì)LC和WB對(duì)OML的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)分析湍動(dòng)能收支,討論了標(biāo)準(zhǔn)邊界層(剪切和浮力)和考慮波浪影響下的湍流邊界層(WB和LC)湍動(dòng)能收支各項(xiàng)的相對(duì)重要性。另外,通過(guò)不同風(fēng)速和不同波浪條件下的理想數(shù)值實(shí)驗(yàn),考察了不同海況下LC和WB對(duì)混合機(jī)制的影響。 最后,利用LES方法模擬了伍茲霍爾實(shí)驗(yàn)室海氣相互作用邊界層耦合低風(fēng)速觀測(cè)實(shí)驗(yàn)(CBLAST-Low),并對(duì)湍流Langmuir數(shù)Lat大于2(剪切)、Lat,小于1(LC)、風(fēng)速逐漸增強(qiáng),風(fēng)速逐漸減弱以及風(fēng)速迅速減小五種情況下,比較分析了觀測(cè)與LES數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的異同,研究了LC和WB對(duì)湍流生成和混合機(jī)制的影響。
【圖文】：

LES仍是研究上層海洋LC的主要工具。Noh(2004)等發(fā)現(xiàn)海表波浪破碎與LC的共同作用可以顯著增強(qiáng)海洋上邊界層的湍流混合和卷挾。利用LES模型，Li(李明)等人(2005)建立了區(qū)分浮力熱量對(duì)流、剪切引起的湍流和Langmuir環(huán)流的模式圖(圖1一2上層海洋中由剪切到Langmuir環(huán)流的過(guò)渡 (Lictal.2005).)。他們發(fā)現(xiàn)LC發(fā)生在充分發(fā)展的海況中，而LC引起的湍流的垂向強(qiáng)度約是剪切引起的湍流強(qiáng)度的兩倍并且位于上層觀測(cè)區(qū)域，并因此得出風(fēng)驅(qū)動(dòng)的上層海洋在特定的海況下將由LC主導(dǎo)。與此同時(shí)，先進(jìn)的觀測(cè)手段，如:side一 seanDopplerSonar(Smithetal.，1987)、 FreelyDriftingInstruments(Farmer&Li， 1995)，和 AutomatedUnderwaterVehieles(AUVs)(Tho印 eetal.

-一一一一----一一一一------~一一一---------卜一-l0-，m一~叫圖1一1左圖為L(zhǎng)angmuir環(huán)流的草圖，取自于 WIlliamEmery講座筆記(}lttp://ccar.c。z。rado.ed飛」/ase【152152):右圖為 GreatSalt湖Langmuir環(huán)流存在時(shí)海表形成的風(fēng)線(windrows)照片(P.P.Sullivan.提供)。1938年，Langmuir注意到海表規(guī)則條紋并首次對(duì)這一現(xiàn)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測(cè)研究。之后的幾十年里，許多學(xué)者主要集中在對(duì)這種現(xiàn)象的理論解釋上。在眾多理論中，多數(shù)學(xué)者接受CL理論(Craik， 1977;CraikandLeibovieh1976)，認(rèn)為L(zhǎng)C的生成機(jī)制為風(fēng)生流與表面波間的非線性相互作用所致。 Huang(1979)在此基礎(chǔ)上考慮了地轉(zhuǎn)的影響，有效的解釋了LC的雙渦旋結(jié)構(gòu)。McwilliamS等人(1997)在能量方程中加入stokes湍動(dòng)能生成項(xiàng) (stokesTKEproductionterm)從新的角度來(lái)描述LC的影響，進(jìn)一步發(fā)展了LC基本理論。近年來(lái)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（海洋研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類(lèi)號(hào)】：P731.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2680380