【摘要】：本論文由兩部分組成：第一部分主要關(guān)注于海表面海水運動的速度對上層海洋現(xiàn)象的影響,其中包括風應(yīng)力、海表面流場、海表面溫度、海-氣熱通量、以及海表面邊界層厚度；第二部分具體研究了波浪引起的大尺度Coriolis-Stokes力效應(yīng)對上層海流的影響。為了完成本論文的研究目標,建立了兩個耦合模式：HYCOM-WINDS風-流耦合模式,和SWAN-POM浪-流耦合模式。 通過在基于波陡和風速的拖曳系數(shù)經(jīng)驗參數(shù)化方案中考慮海表面海水運動速度的影響,研究計算了1958-2001年間全球風應(yīng)力拖曳系數(shù)和風應(yīng)力的分布情況。計算中使用的全球海表面流場來自海洋模式HYCOM,波浪參數(shù)輸出自波浪模式WW3。通過分析拖曳系數(shù)和風應(yīng)力的空間變化情況得出結(jié)論；海表面海水運動速度對風應(yīng)力平均能夠產(chǎn)生5%左右的影響；同時,考慮海表面海水運動速度的影響后,海洋模擬結(jié)果將得到一定程度的提高。 另外,本文還利用地球耦合系統(tǒng)框架(ESMF)、海洋模式HYCOM以及Donelan etal.(1997)提出的風應(yīng)力計算關(guān)系式的改良版建立了一個風.流耦合系統(tǒng)。此耦合系統(tǒng)被應(yīng)用于全球風應(yīng)力和海表面流相互作用研究。在此研究中,海表面流的速度被同時考慮到風應(yīng)力的計算以及海-氣熱通量的計算之中；包含了海表面海水運動速度影響的風應(yīng)力將被用作HYCOM的驅(qū)動。結(jié)果表明：海表面海水運動速度對海表面流場、海-氣熱通量、和海表面邊界層厚度都會產(chǎn)生明顯影響。將模擬的海表面溫度和TOGA TAO浮標資料進行對比發(fā)現(xiàn),耦合模式的模擬結(jié)果要優(yōu)于非耦合模式的結(jié)果,這也證實了海表面海水運動速度在海洋模擬中是一個不容忽視的物理過程。 通過計算2000年涌浪指標(swell index)的全球分布,發(fā)現(xiàn)太平洋東邊界赤道附近區(qū)域存在涌浪池。利用ECMWF再分析波浪資料,計算出2000年全球月平均波浪體積輸運。比較2000年全球月平均波浪體積輸運和2000年QUICKSCAT月平均風場,發(fā)現(xiàn)在赤道太平洋東邊界涌浪池區(qū)域內(nèi)的波浪輸運方向和風向存在很大的差別,兩者方向相差大約90°。這進一步驗證了這個地區(qū)涌浪池存在的真實性。研究發(fā)現(xiàn),赤道太平洋東邊界涌浪主要來源于北太平洋和南太平洋的西風帶對應(yīng)的海區(qū)。在涌浪池區(qū)域內(nèi)分別在2.5°S和2.5°N取兩條邊界(邊界起點為125°W，終點為美洲大陸西邊界),計算通過這兩條邊界進入赤道區(qū)域涌浪的Stokes體積凈輸運量。結(jié)果表明,不同月份通過南、北兩條邊界波浪的凈輸運量與當月南、北太平洋西風帶的風浪強度密切相關(guān)。 接下來,利用HYCOM在三個不同區(qū)域進行的六個控制性實驗研究了波浪誘導的Coriolis-Stokes力對包括海洋環(huán)流、溫度以及混合過程在內(nèi)的海洋現(xiàn)象的影響。Coriolis-Stokes力是利用波浪模式WW3的模擬結(jié)果來進行計算的,并像風應(yīng)力一樣用做HYCOM的上邊界驅(qū)動。模擬結(jié)果表明：1)在三個水平分辨率不同的區(qū)域上,HYCOM都可以成功地模擬海洋上層環(huán)流,南中國海、墨西哥灣,以及灣流區(qū)域的上層環(huán)流特征都被成功的再現(xiàn)出來；2)Coriolis-Stokes力并不能從根本上改變海洋上層流場結(jié)構(gòu)；3)在全球海洋大部分區(qū)域上,Stokes輸運的方向和Coriolis-Stokes力引起的海流深度積分輸運改變量的方向是不一致的；4)月平均混合層深度積分海流輸運改變量的大小和方向是逐月變化的,Coriolis-Stokes力在強渦旋區(qū)域能夠產(chǎn)生高于其它地方的影響；5)海表面溫度和混合層厚度也同時受到Coriolis-Stokes力的影響。 最后,我們利用海洋模式POM、海浪模式SWAN以及耦合框架MCT,在前人的工作基礎(chǔ)上建立了一套雙向完全耦合浪-流耦合模型。此耦合模型被用于進一步探討波浪驅(qū)動的海表面流及其引起的風向海洋能量輸入的改變情況。大尺度波浪對海流的作用力,Coriolis-Stokes力,被直接添加于POM的動量方程之中。Coriolis-Stokes力計算所需的波浪參數(shù)來自波浪模式SWAN的模擬輸出結(jié)果。實驗結(jié)果表明,當浪-流系統(tǒng)處于平衡態(tài)時,Coriolis-Stokes力驅(qū)動的海表面流的速度能夠達到0.001 m/s的量級,最大流速達到0.02 m/s。整個模擬區(qū)域內(nèi)波浪引起的總能量輸入達到2.8505×1010w,為總的風能量輸入的14%。考慮波浪效應(yīng)后,整個區(qū)域內(nèi)風能量輸入增加了13.96%。
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：P731.2

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本文編號：2682668