【摘要】： 表面波主要通過兩種方式影響上海洋混合層(OML)：(1)波浪破碎(WB),WB導致的波浪能量通量可以在海表提供額外湍動能源,同時增強近表層能量耗散；(2) Langmuir環(huán)流(LC),風生Stokes漂流與平均流共同作用導致的LC對OML內(nèi)湍流生成和垂向混合的影響至關重要。盡管它們產(chǎn)生的湍流能量通量僅限于海表幾米之內(nèi),但是它們卻可以影響整個OML內(nèi)的湍流混合過程。 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),這些模型對于LC和其它混合過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),通過修改邊界條件及模式控制方程中的源函數(shù)項等,研究LC與其它動力和熱力過程(WB、海表熱通量)的相互作用機制,特別是WB和LC共同作用所引起的強混合問題。其中包括研究不同海況下(不同風速、不同破碎強度和不同海表熱通量)LC對海洋上層混合(如：混合深度、強度、混合率等)的影響。通過逐一或聯(lián)合考慮不同風速下、有無WB、不同海表熱通量大小時,LC對海洋上層混合的影響。 為了更加細致地描述LC和WB對OML內(nèi)湍流生成機制的相對作用,本文對介于直接數(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)進行了改進,使之包含了OML中小尺度動力過程,并針對LC和WB對OML的影響進行數(shù)值模擬。通過分析湍動能收支,討論了標準邊界層(剪切和浮力)和考慮波浪影響下的湍流邊界層(WB和LC)湍動能收支各項的相對重要性。另外,通過不同風速和不同波浪條件下的理想數(shù)值實驗,考察了不同海況下LC和WB對混合機制的影響。 最后,利用LES方法模擬了伍茲霍爾實驗室海氣相互作用邊界層耦合低風速觀測實驗(CBLAST-Low),并對湍流Langmuir數(shù)Lat大于2(剪切)、Lat,小于1(LC)、風速逐漸增強,風速逐漸減弱以及風速迅速減小五種情況下,比較分析了觀測與LES數(shù)值實驗結果間的異同,研究了LC和WB對湍流生成和混合機制的影響。
【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度約是剪切引起的湍流強度的兩倍并且位于上層觀測區(qū)域，并因此得出風驅(qū)動的上層海洋在特定的海況下將由LC主導。與此同時，先進的觀測手段，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Langmuir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)流存在時海表形成的風線(windrows)照片(P.P.Sullivan.提供)。1938年，Langmuir注意到海表規(guī)則條紋并首次對這一現(xiàn)現(xiàn)進行了系統(tǒng)的觀測研究。之后的幾十年里，許多學者主要集中在對這種現(xiàn)象的理論解釋上。在眾多理論中，多數(shù)學者接受CL理論(Craik， 1977;CraikandLeibovieh1976)，認為LC的生成機制為風生流與表面波間的非線性相互作用所致。 Huang(1979)在此基礎上考慮了地轉的影響，有效的解釋了LC的雙渦旋結構。McwilliamS等人(1997)在能量方程中加入stokes湍動能生成項 (stokesTKEproductionterm)從新的角度來描述LC的影響，進一步發(fā)展了LC基本理論。近年來
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（海洋研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：P731.2

【參考文獻】

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本文編號：2680380