【摘要】：本文主要工作為通過在混合層溫度變化方程中加入波浪作用項并進(jìn)行定量計算和在環(huán)流模式HYCOM中以邊界條件的形式加入波浪的作用模擬上層海洋溫度場兩個方面研究分析了波浪的大尺度效應(yīng)對海洋上混合層溫度變化影響的存在性，時空分布特征和相對重要性。 通過對混合層溫度方程的分析，結(jié)合已有Stokes漂流在上層海洋中對平均流，質(zhì)量輸運(yùn)和能量傳遞等方面影響的相關(guān)結(jié)論，在本文中指出Stokes漂流的存在對混合層溫度變化方程中的平流熱輸送項具有一定的貢獻(xiàn)，因此本文對混合層溫度變化方程進(jìn)行修正，在混合層溫度方程中加入Stokes漂流的平流熱輸送作用項。根據(jù)修正形式的混合層溫度變化方程，首先對方程中的各貢獻(xiàn)項（平均流誘導(dǎo)的平流熱輸送項，波浪誘導(dǎo)的平流熱輸送項，熱通量貢獻(xiàn)項和垂直卷挾作用項）進(jìn)行量綱分析，從量綱角度分析波浪作用與其它各貢獻(xiàn)項的可比性。量綱分析的結(jié)果表明在南、北半球中高緯度區(qū)域，波浪的作用較為顯著，能夠達(dá)到與平均流貢獻(xiàn)項和熱通量貢獻(xiàn)項同等量級，因此，對波浪的作用進(jìn)行研究是必要的。根據(jù)混合層溫度變化方程利用HYCOM和WW3模式模擬獲得的數(shù)據(jù)資料對波浪的平流熱輸送貢獻(xiàn)項和其它各貢獻(xiàn)項進(jìn)行定量計算，對各貢獻(xiàn)項的空間分布特征，以及季節(jié)變化特征進(jìn)行分析，并比較分析波浪作用的重要性。計算結(jié)果表明，波浪平流熱輸送作用在南、北半球高緯度海域（40°N-60°N，40°S-60°S），對混合層溫度變化率貢獻(xiàn)的量值較大，而中低緯度海域其貢獻(xiàn)的量值較小。在南極繞極流區(qū)域波浪平流熱輸送作用貢獻(xiàn)Ts的正的最大值能夠達(dá)到0.23×10~(-6)℃/s，即0.6℃/月，而Ts負(fù)貢獻(xiàn)的最大值為0.22×10~(-6)℃/s，即0.57℃/月，年平均量值為0.0992×10~(-6)℃/s，相當(dāng)于0.26℃/月。全球平均的Ts量值的季節(jié)變化特征為，對應(yīng)北半球的夏、秋季量值較大，冬、春季量值相對較小。研究表明與平均流的熱輸送作用相比，在南、北半球的中高緯度區(qū)域，浪致平流熱輸送的貢獻(xiàn)是非常顯著的，浪致水平熱輸送項Ts與平均流熱輸送項Tc絕對值的比值在64°S緯線上出現(xiàn)最大值，能夠達(dá)到50%，即波浪的貢獻(xiàn)占平均流貢獻(xiàn)的一半；在40°S-60°S范圍內(nèi)，即南極繞極流區(qū)域的平均比值也較高，能夠達(dá)到40%；北半球40°N-70°N的范圍內(nèi)的平均比值也能夠達(dá)到30%以上；在低緯度區(qū)域Ts與Tc的比值與高緯度相比相對較小，南、北半球緯度10°-30°內(nèi)的量值大約為20%。加入波浪平流熱輸送作用后，混合層溫度變化率的改變量同樣是較為顯著的，加入波浪的作用后，整體混合層溫度變化率改變量值的全球平均值能夠達(dá)到6%以上，并且在南極繞極流區(qū)域能夠達(dá)到近10%的變化。而對于月平均的結(jié)果，南極繞極流區(qū)域在7月和10月表現(xiàn)出了15%以上的改變。波浪平流熱輸送項與平均流作用項的比值和加入波浪作用后混合層溫度變化率改變的量值證實了波浪平流熱輸送作用在混合層溫度變化過程中的重要性。波浪作用項并不是混合層溫度變化的最主要的主導(dǎo)項，但是波浪的平流熱輸送作用，在海洋上混合層溫度場的變化過程中是不容忽視的。 本文進(jìn)一步通過將浪致Coriolis-Stokes力以邊界條件的形式引入到HYCOM模式中，模擬給出海表面溫度場數(shù)據(jù)，并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對波浪影響海洋上層溫度變化進(jìn)行驗證。實驗分為兩組，第一組HYCOM模式中未加入波浪的作用，第二組實驗HYCOM模式中引入了波浪的影響。選取2001年Argo浮標(biāo)在太平洋海域不同緯度范圍內(nèi)的五組實測SST數(shù)據(jù)，與模擬所獲得的SST進(jìn)行比較，得出這樣的結(jié)論：HYCOM模式中引入波浪作用后對海表面溫度SST的模擬結(jié)果比未引入波浪的影響更接近實測，這一結(jié)果證明了波浪的作用對于海洋上層溫度場變化影響的真實存在性和重要性。 利用ECMWF ERA-40波浪數(shù)據(jù)集對南極繞極流區(qū)域的海表面波浪場有效波高要素年距平的低頻變化特征進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明在南極繞極流區(qū)域的海表面波浪場中存在與南極繞極波（ACW）特征一致的低頻信號，有效波高年距平信號具有明顯的4-5年周期性，并且在1985-1995年時間段內(nèi)表現(xiàn)了明顯的向東傳播的特征。此外，有效波高年距平信號與SST距平信號間具有一定的相關(guān)性，波浪信號超前于SST信號。南極繞極流區(qū)域的波浪場與SST具有一致的低頻變化特征和二者間超前滯后的關(guān)系，揭示了海表面波浪對海表面溫度距平的長周期變化存在影響的可能性。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P731
【圖文】：

圖 1-1 Stokes 漂流定義示意圖1.3 海表面波浪對上層海洋影響的研究現(xiàn)狀海表面波浪因其破碎，生成氣泡，飛沫等特性，在海氣界面的氣體，溫度，能量交換的微物理過程中起到不可忽視的作用，海表面波浪的這些小尺度的物理過程為以往研究主要關(guān)注的對象，而經(jīng)過近年一些關(guān)于波浪大尺度效應(yīng)的相關(guān)研

隨著季節(jié)的改變，此區(qū)域的海表面風(fēng)應(yīng)力的特征并未出現(xiàn)大的改變，只是在冬季和春季，赤道以北的風(fēng)應(yīng)力較夏季和秋季略強(qiáng)；赤道南側(cè)的風(fēng)應(yīng)力在夏季和秋季比春季和冬季強(qiáng)，但是隨著季節(jié)的變化風(fēng)場的主要方向并未發(fā)生改變。南北半球高緯度區(qū)域是常年盛行的西風(fēng)帶區(qū)域，海表面風(fēng)應(yīng)力也相應(yīng)的表現(xiàn)了明顯的自西向東的特征，隨著季節(jié)的變化，北半球西風(fēng)帶海表面風(fēng)應(yīng)力在春季和冬季較夏季和秋季要強(qiáng)，相對應(yīng)的，南半球西風(fēng)帶的海表面風(fēng)應(yīng)力在夏季和秋季較強(qiáng)，在春季和冬季相對較弱。印度洋海域的海表面風(fēng)場的特征較為特殊，夏季印度洋的海表面風(fēng)應(yīng)力是四個季節(jié)中最大的。印度洋赤道以北的海域海表面風(fēng)應(yīng)力隨季節(jié)變化較為顯著，春季風(fēng)應(yīng)力量值較小，方向主要為東向；夏季風(fēng)應(yīng)力的量值最大，方向主要為東北向；秋季風(fēng)應(yīng)力量值較小，風(fēng)向大致與夏季一致；冬季風(fēng)應(yīng)力量值也較小，方向主要為西南向。印度洋赤道以南的海域海表面風(fēng)應(yīng)力的方向為由東南向西北方向，隨著季節(jié)的變化風(fēng)應(yīng)力方向并未發(fā)生改變，只是風(fēng)應(yīng)力量值大小有所改變，夏季和秋季量值較大，春季和冬季量值較小。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2731064