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次级环流及波致垂向混合研究
摘 要
海洋上混合层作为连结大气和海洋的一个中间层,在大气和海洋之间的水汽、热量和动量的交换过程中起着非常重要的作用。
次级环流作为海洋上混合层中的一种垂向环流,它可以把海洋上层中的热量、动量与物质携带到次表层,促成上层海洋物质和能量的垂直输运、交换与混合, 对海洋中的垂向混合和相关要素的垂向分布都起着很重要的作用。因此,对次级环流的研究,包括其生成机制以及与其他海洋动力过程的相互作用等,都有着很重要的科学意义,更可以丰富我们对海表边界层的科学认识。本文首先利用线性稳定性理论研究了经典的 Ekman 流的不稳定性,从中可以看出由 Ekman 流的不稳定性生成的次级环流存在着相当广泛范围的空间和时间尺度,其尺度大小与雷诺数、Ekman 流的衰减速率、水平湍粘性系数与垂向湍粘性系数比值等密切相关。此外,次级环流与主流之间的偏角与科氏力有显著关系,北半球偏向主流左侧, 南半球偏向主流右侧;但当水平湍粘性系数与垂向湍粘性系数比值取值较大时不再符合这一规律。除去对经典 Ekman 流的分析之外,我们还利用一组青岛外站的多普勒海流剖面仪(ADCP)流资料进行了稳定性分析,得出的次级环流尺度
与 Qiao et al (2009) 所观测到的浒苔爆发期间条带状结构间距具有良好的一致性。此外,海浪为存在于海气界面上的一种重要运动形态,研究其对混合层的动
力学结构和热力学结构的影响具有重要科学意义。本文中利用一维的 阶 Mellor-Yamada 湍封闭混合层模式,在原有混合基础上加入非破碎海浪的混合作用,基于 Papa 站的长期观测进行了数值模拟。分析了非破碎波浪对混合层各项特征分布的影响,并详细分析了混合层急剧加深过程中波致混合的作用。数值模拟结果表明,改进后的模型克服了 Mellor-Yamada 湍流闭合模型预测夏季上混合层深度太浅、海水表面温度过高的不足。模拟的六月到九月平均温度偏差从 ℃降低到-℃。原有的混合方案模拟的温度演化最大偏差甚至可以达到 ℃左右,通过加入波致混合 Bv,将最大温度偏差降低到 ℃左右,而相对较大的温度偏差只存在于 9 月下旬这一很短的一段时间内。统计资料分析表明,考虑波致
混合 Bv 后,在 20-60m 的次表层,模拟与观测间的平均绝对误差(MAE)、均方
根误差(RMSE)分别下降了 ℃和 ℃,相关系数从 提高到 。此外, 数值实验结果表明增加任何常数背景混合都得不到上述改善结果。
关键词:混合层次级环流稳定性理论波致垂向混合
On the secondary circulation in the upper ocean and wave-induced vertical mixing
Abstract
The ocean mixed layer is a crucial layer connecting the atmosphere and ocean. It plays very important role in the exchange of water vapor, heat and the momentum between the ocean and atmosphere.
The secondary circulation in the mixed layer of the upper ocean can bring the heat, momentum and m