波浪往往被認(rèn)為是時(shí)空尺度較小的現(xiàn)象。但是，由于波浪在時(shí)空上的持續(xù)性和普遍性，又會(huì)對(duì)較大尺度現(xiàn)象造成影響。本文研究了波浪的大尺度效應(yīng)即波浪科氏-斯托克斯力（CSF）在上層海洋輸送中的影響，尤其關(guān)注大洋涌浪在平均方向和波浪誘導(dǎo)的Stokes輸運(yùn)中的作用。從對(duì)波動(dòng)中尺度較大的涌浪傳播特征和耗散機(jī)制的研究中總結(jié)規(guī)律，并分析了海浪WW3模式在大洋涌浪模擬方面的性能。 涌浪對(duì)波浪誘導(dǎo)的Stokes輸運(yùn)有重要影響，特別對(duì)局地波浪的平均方向有所制約。全球Ekman輸運(yùn)主要呈帶狀分布，赤道海區(qū)兩側(cè)的信風(fēng)帶上Ekman輸運(yùn)的量值較大，可以的達(dá)到3m~2s以上；Ekman輸運(yùn)N-S分量Ty,E與整體量值分布一致，而W-E分量Tx,E受經(jīng)向風(fēng)作用呈帶狀傾斜。全球Stokes輸運(yùn)也主要為帶狀分布，尤其是兩半球西風(fēng)帶的波浪輸運(yùn)量很大。而經(jīng)向上的輸運(yùn)Ty,S，總的來看也基本呈現(xiàn)帶狀，但在大洋東側(cè)卻明顯更強(qiáng)，體現(xiàn)了涌浪的作用。全球Stokes輸運(yùn)占Ekman輸運(yùn)的量值最大可達(dá)50%，太平洋和大西洋27.5N，30N和32.5N緯線的積分Ekman輸運(yùn)和Stokes輸運(yùn)有夏秋季強(qiáng)（向北）、冬春季弱（向南）的季節(jié)變化趨勢(shì)，波浪輸運(yùn)不同海區(qū)不同季節(jié)有正貢獻(xiàn)或負(fù)貢獻(xiàn)。波浪Stokes經(jīng)向輸運(yùn)沿27.5N，30N和32.5N的緯線積分值與Sverdrup關(guān)系估計(jì)的西邊界流流量呈相似的季節(jié)變化，夏秋和冬春季相反；波浪導(dǎo)致的經(jīng)向輸運(yùn)量值約為整體大洋輸運(yùn)的5到10%，在10月至4月為正貢獻(xiàn)，5月至9月為負(fù)貢獻(xiàn)。與SODA估計(jì)的黑潮流量相比，波浪作用可以達(dá)到5%。通過浪致表面應(yīng)力來闡述波浪作用，發(fā)現(xiàn)波浪抽吸速度在中高緯海區(qū)較強(qiáng)，量值可達(dá)5cm/day，是波浪作用產(chǎn)生的源區(qū)。而風(fēng)應(yīng)力抽吸在副熱帶最強(qiáng)。各個(gè)大洋東西側(cè)的波浪抽吸有局地的特征。 波浪中尺度較大的涌浪在西風(fēng)帶產(chǎn)生的源區(qū)可以近似為圓形和點(diǎn)源，長(zhǎng)波以風(fēng)暴生成區(qū)為中心以近似扇形散開，沿大圓傳播。涌浪各分量以群速傳播能量，周期越長(zhǎng)的分量傳播越快；涌浪平均周期可以較好的保留涌浪傳播的信息。在橫向上可以基本保持同樣的擴(kuò)散速度，但距離點(diǎn)源越遠(yuǎn)相關(guān)性越低。在海盆靠近陸地的區(qū)域由于地形變化，波浪發(fā)生折繞射較強(qiáng)，破壞了波峰線的連續(xù)性。在局地風(fēng)較強(qiáng)的區(qū)域，涌浪依然會(huì)發(fā)生與局地風(fēng)和波浪的相互作用。涌浪在傳播過程中會(huì)發(fā)生能量的衰減，空間耗散率約為-4~5×10~(-7)m~(-1)。在離點(diǎn)源距離較近的6000km以內(nèi)，風(fēng)暴強(qiáng)度差異引起能量較離散；6000-12000km之間，涌浪的能量差異減��；當(dāng)距點(diǎn)源距離大于12000km，能量又有所增加。不同周期的分量耗散率范圍沒有明顯的差別，初始波陡越大，耗散率越大。涌浪能量耗散主要由于其與海氣邊界層湍應(yīng)力相互作用和與混合層湍流作用引起耗散。波陡和反波齡是衡量耗散強(qiáng)度的主要參數(shù)。反波齡隨波陡增加而增大，隨周期增大，反波齡降低至-1~1，隨著離點(diǎn)源距離增加反波齡增大。波陡δ=0.01處為一較明顯的分界線，當(dāng)δ 0.01時(shí)，反波齡在-1~1，正負(fù)相當(dāng)，風(fēng)速和波速方向同向和反向同樣明顯，且風(fēng)速總小于波速；當(dāng)δ0.01，普遍傾向于反波齡γ0，即風(fēng)向與波向同向較多，且在周期較短的分量上依然有γ1，風(fēng)速大于或接近波速，涌浪依然受局地風(fēng)的影響。 WW3的ACC350配置包含了有關(guān)涌浪耗散的物理現(xiàn)象的源函數(shù)項(xiàng)，模式對(duì)太平洋整體有效波高模擬較好，但約8米以上的波高模擬的有偏大趨勢(shì)。4月的誤差相對(duì)較大，12月誤差最�。荒Ｊ皆谥械途晭д`差偏大較為明顯。模式可以較好的進(jìn)行大洋風(fēng)浪的模擬，精確度較高。對(duì)涌浪的模擬波高偏大，整體來講周期和波向的模擬比波高的精度高；模式對(duì)周期模擬的誤差主要來自對(duì)涌浪周期的模擬誤差，整體稍偏大。ACC350配置模式采用的基于涌浪耗散的物理模型可以部分改進(jìn)BAJ模型涌浪波高模擬誤差，尤其是在大洋中部較明顯。模式的模擬能力需要依賴大量數(shù)據(jù)和對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步改進(jìn)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：P731.2
【部分圖文】：

圖 2-1 浮標(biāo)二維海浪譜（箭頭為風(fēng)向，風(fēng)速14.7m/s）際大洋中很難定義某時(shí)某地的海浪狀態(tài)嚴(yán)格屬于風(fēng)浪或涌浪，以，有必要了解波浪的成熟程度。鑒于開闊大洋中風(fēng)區(qū)基本無(wú)高只依賴于風(fēng)速和風(fēng)時(shí)。一般情況下，我們討論已經(jīng)基本充分風(fēng)獲得能量的風(fēng)浪形成的涌浪。根據(jù)第三代海浪模式 WAM 對(duì)義，有效波高sH 可以通過下式計(jì)算(Chen et al, 2002)，其中U2 2s 10 102 2 4 3s 10 10 101.614 10 (0 7.5m/s)10 8.134 10 (7.5< 50m/s)H U UH U U U = ×= + ×定義( )ss,re s,th s,th/Hr H H HΔ= 代表涌浪影響的程度，其中實(shí)際有效波高，s,thH代表由上式計(jì)算的理論風(fēng)浪充分成長(zhǎng)后可波高。當(dāng)再分析有效波高大于理論波高時(shí)，代表肯定有涌浪存

充分成長(zhǎng)后不能從局地風(fēng)獲得能量，從而成為涌浪；其二是在以南北緯30°為中心的緯帶和三大洋赤道中東側(cè)海區(qū)存在的明顯的大值區(qū)，這主要是由于這些區(qū)域局地的風(fēng)較弱，來自兩半球西風(fēng)帶的涌浪傳播經(jīng)過副熱帶時(shí)成為海況的主導(dǎo)，匯聚到赤道中東側(cè)海域時(shí)依然保留了一定的能量（波高）并導(dǎo)致這些海域成為“涌浪池”，海況也常年以涌浪占優(yōu)。由于南半球大洋開闊，這種狀況在30 S 更加明顯。與此同時(shí)，涌浪作用不甚明顯的區(qū)域也分為兩類：其一是兩半球信風(fēng)帶海域，由于東風(fēng)較強(qiáng)，且方向較為均一、變化不劇烈，控制了局地風(fēng)浪的成長(zhǎng)，涌浪并不占優(yōu)，而以相對(duì)較強(qiáng)的風(fēng)浪為主；其二是整個(gè)南大洋海域，涌浪的作用也不明顯，這是由于南大洋常年風(fēng)速很強(qiáng)，雖然受擾動(dòng)的向東傳播的風(fēng)暴影響風(fēng)向不斷變化，可以暫時(shí)表現(xiàn)出涌浪的優(yōu)勢(shì)（伴隨sHrΔ的小值區(qū)零星出現(xiàn)的大值點(diǎn)），但由于南大洋沒有連通的陸地阻隔，整個(gè)海域形成了循環(huán)的風(fēng)區(qū)，不限制風(fēng)浪的發(fā)展，較強(qiáng)的風(fēng)浪很快發(fā)生破碎和能量耗散，并重新生成，所以以風(fēng)浪占優(yōu)。

用k 代替λ 也是合理的�？梢�，由于科氏效應(yīng)的加入，波質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生了橫向運(yùn)動(dòng)速度，使運(yùn)動(dòng)軌道面發(fā)生傾斜（圖2-3）。新產(chǎn)生的速度分量 v 與垂向速度 w 位相相同，當(dāng)進(jìn)行波動(dòng)平均時(shí)，會(huì)產(chǎn)生浪致雷諾應(yīng)力 vw 項(xiàng)，括號(hào)代表波動(dòng)平均。此時(shí)，浪致雷諾應(yīng)力的散度為一個(gè)體作用力，2 2kzsvw fa k e fuzσ = ≡ ，其中2 2kzsu =a kσ e為深水單頻波 Stokes 漂流的表達(dá)式。即便波向不是沿 x 方向，考慮存在的夾角，可以將這個(gè)波致作用力寫成矢量表達(dá)式的形式，s f × u，即為科氏斯托克斯力 CSF。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2834436