波浪破碎下湍流混合的实验研究

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大,波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似。实验中采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)计算波浪破碎过程中湍动能耗散率的空间分布。湍流强度与波浪的相位密切相关,波峰位置处湍流活动最为剧烈,而且波峰位置处湍流混合区内湍动能耗散率量值的垂向分布基本保持不变,即出现"湍流饱和"现象,湍流影响深度可以达到波高的70%—90%。计算湍流扩散系数的垂向分布发现,湍流扩散在混合区上部随深度的增大以指数函数的形式增加,在混合区下部趋于稳定。作为对比,在相同位置处对声学多普勒流速测量仪(acoustic Doppler velocimeter, ADV)测量的单点流速做频谱分析,发现与该位置处PIV湍动能耗散率结果量级处于同一水平,进一步验证了实验结果的准确性。     

同化海温观测数据研究波浪破碎对海洋上层结构的影响

首先利用考虑波浪破碎效应的Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合方案,探讨了海表温度(SST)对波能因子α和Charnock数β的敏感性问题。然后采用变分数据同化途径,基于Papa海洋天气站(OWS Papa Station)的上层温度观测数据,对该参数化方案中的波能因子α和Charnock数β两个参数进行了最优估计。最优估计的结果表明,当α约为167、β约为4.1×105时,价值函数达到最小值。利用上述参数的最优估计进行海温的数值模拟,可以较好地反映出海表温度的日变化和月变化过程,模拟的上混合层的温度和深度也与观测较为一致。最后利用以上参数的最优估计结果对湍动能方程进行诊断计算,研究了波浪破碎对海洋上层湍能量收支的影响。     

垂向混合参数化方案对模拟黄海夏季上层温度结构的影响研究

采用POMgcs(Princeton Ocean Model with generalized coordinate system)和MITgcm(MIT General Circulation Model)两个海洋数值模式,研究了M-Y2.0、基于固壁近似假定的M-Y2.5、基于波浪破碎作用的M-Y2.5和KPP 4种垂向混合参数化方案对模拟黄海夏季上层温度结构的影响。结果表明,M-Y2.0和基于固壁近似假定的M-Y2.5方案低估了黄海上层的湍动能,模拟的黄海夏季温度上混合层的效果与实测相比均偏浅,不能够很好地重构黄海夏季温度的垂直结构。而基于波浪破碎作用的M-Y2.5和KPP方案均可以增加海洋上层湍动能的输入量,模拟的黄海夏季温度上混合层的效果与实测较为一致。故推测黄海夏季的上层结构是受波浪混合和流场剪切等物理机制共同调节的,若通过合理的垂向混合参数化方案将这些物理机制的作用加以体现,将会较真实地模拟和重构出黄海夏季海温上层结构。     

热力学效应及斯托克斯漂流对混合层影响的研究

本文通过理想化的外部强迫以及海洋站点实测数据驱动普林斯顿海洋模式来研究海洋热力学效应和斯托克斯漂流对上混合层数值模拟的影响。在Mellor-Yamada湍流闭合方案中，经常出现夏季海表面温度偏暖和混合层深度偏浅的模拟误差。实验表明，斯托克斯漂流在冬季和夏季均能增强湍流动能，加深混合层深度。这种效应可以改善夏季的模拟结果，但与观测数据相比，将增大冬季混合层深度的模拟误差。斯托克斯漂流可以通过增强湍动能来加深混合层深度。结果表明，将斯托克斯漂流与冷皮层和暖层对上部混合层的热效应相结合，可以正确地模拟混合层深度。在夏季，海洋冷皮层和暖层通过“阻挡结构”和双温跃层结构模拟出更真实的上混合层变化。在冬季，海洋热力学效应通过增强上层海洋层结平衡了斯托克斯漂流的影响，并且由斯托克斯漂流引起的过度混合被校正。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

上层海洋中浪致混合研究评述——研究进展及存在问题

本文较系统地分析和总结了海浪在上层海洋中的混合作用研究的国内外现状,分别探讨了海浪破碎、波生运动以及波-湍相互作用导致的混合作用,指出了现有研究存在的问题。对今后研究做一展望,并指出实验室热分层水槽中的系统实验研究的必要性。     

基于CESM1.2.2模拟的浪致混合对末次冰盛期和工业革命前气候的影响

海洋上层垂向混合在模式中发挥重要的作用,以往的研究表明垂向混合的不足使得模拟的海洋温度和混合层深度与观测存在显著偏差。前人提出一种修正方案,考虑波浪产生的垂向混合,将由表面风作用下产生的波浪这样一个实际物理过程的湍混合进行参数化,其结果被证实能够显著提高模式模拟和预报的准确性。本文首次将浪致混合引入海气耦合的古气候模式,基于末次冰盛期和工业革命前2种不同的气候条件,探究浪致混合在海气耦合模式中的作用。在不同气候背景下,由于风场强度的不同,导致末次冰盛期浪致混合的强度小于工业革命前,但2个气候时期都体现出中纬度混合强度最大的特点。将浪致混合加入到气候模式中,模拟结果表明：中纬度海域2个时期都出现海表面降温而次表层升温的现象,但末次冰盛期的表面降温强度弱于工业革命前状态;不同月份下的模拟结果显示,在南北半球的夏季,海洋表层温度的降温最为显著。中纬度海域海洋上混合层深度在年平均条件下2个气候背景时期都出现加深现象,但末次冰盛期的加深程度弱于工业革命前;不同月份下的模拟结果显示,在南北半球的冬季,混合层加深的变化达到极值。另一方面,在高纬度海域,末次冰盛期的海表面温度出现了显著升高,这是由于浪致混合导致海冰的减少进而引发海洋表层升温。最后将末次冰盛期的模拟结果与代用资料进对比,发现浪致混合使得72%的数据点模拟结果与代用数据的差异减少。     

黄海西部海洋湍流的季节变化特征分析

在2006—2007年开展的"中国近海海洋综合调查与评价"项目中,作者利用自由下降湍流剖面仪MSS60在南黄海海区分别进行了夏、冬、秋季三个航次的微尺度湍流观测,并计算分析了该海区的湍动能耗散系数ε,湍扩散系数κ等。通过与温度、流速分布图对比,结果表明三个季节的湍流混合趋势大体一致。在沿岸浅水区,混合作用比较强烈。而深水区湍流混合的垂直分布明显地表现出三层结构,混合较强的上混合层和底混合层,及相对较弱的中层。风混合和潮混合是黄海湍流混合的主要形式。风的影响主要表现在海洋上层,潮流的影响则表现于底层。     

全球Stokes 漂流的时空分布特征研究

利用海浪模式WWIII(Wave Watch III)2008年的模拟结果对海面Stokes漂流、Stokes输运、Stokes深度以及全球Langmuir数的年平均分布特征和季节平均分布特征分别进行了详细的研究与分析。结果表明,海面Stokes漂流和Stokes输运均呈现高纬度偏大的特征,以南极绕极流海域最为突出。全球大部分海域Stokes漂流影响深度在20 m以内,呈现大洋东部偏大,西部偏小的分布特征。全球大部分海域的混合作用是剪切不稳定性和Langmuir湍效应并存的状态,甚至有些海域是以Langmuir湍效应为主。因此,在进行大尺度的海洋数值模拟时,应该考虑波浪导致的混合效应。     

深水波浪破碎特征量与风速和摩擦风速的关系

破碎是常见的海浪现象之一,研究海浪破碎现象在许多方面有重要意义.首先,海浪破碎是海-气相互作用包括动量、热量及质量交换的主要动力因素,而且波浪破碎还涉及到其它海-气边界过程,如海面白浪(whitecaps)、海洋表面气泡、大气贴水层水雾及海洋上层混合等[1,2];其次,由于破波施加于海洋结构物上的作用力(冲击力)远大于没有破碎时的波浪力,因此,在计算海上建筑物所受外力中,必须考虑破波的出现率及破波强度的影响;另外,波浪破碎会对波高产生影响,因此,在对波高作统计预报时也应考虑波浪破碎的影响[3];还有的学者认为,很多污染物在海洋中的扩散速度与波浪破碎率有密切关系[4].     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

基于观测资料的海浪与混合层深度相关性分析

从观测数据角度出发,考察海浪与上层海洋混合层深度的变化关系。采用卫星高度计和三套温度观测数据,利用改进的混合层深度提取方法,获得海洋混合层深度。简要分析了多年月平均的有效波高和混合层深度的空间分布特征及时间变化规律,并进一步分析了它们的相关性。二者直接相关性分析的结果表明,在南北半球的中纬度地区二者的相关系数较大,而赤道地区较小。滤除年周期的气候态月平均场后,计算的距平相关系数在赤道区域较小;但在太平洋东部、南部和南印度洋存在一个大值区。此外,进一步研究了有效波高和混合层深度年际距平的相关系数,其空间分布特征与二者的距平相关系数的分布特征类似。为探究混合层深度的影响因素,同时也分析了风场与混合层深度的相关系数。综合上述结果,海浪和上层海洋的混合层深度之间存在着一定的相关性,海浪过程是风输入能量向次表层海洋传播的一个重要途径。     

利用Argo资料研究2001-2004年期间西北太平洋海洋上层对热带气旋的响应

利用Argo剖面浮标观测资料,对2001-2004年11月期间西北太平洋热带气旋经过后海洋上层的响应作了分析研究.结果显示,热带气旋经过后,55.6%的观测剖面其混合层深度会加深,范围在0-60m,并且在气旋过后5d内更为明显;由于混合加剧,大约有77.8%的观测剖面其混合层温度会下降,最多达5℃;61.1%的混合层盐度会下降,平均降盐约0.12;表层流速增大的占54%,平均增大30cm·s,表层流速的变化与风速的大小呈正相关,相关系数仅为0.06;混合层内温度变化与热带气旋风速呈负相关,相关系数为-0.15;混合层温度下降有明显的右偏现象,在气旋路径右侧50-150km处,温度下降尤为明显,而混合层盐度在气旋路径两侧的变化基本呈对称状分布;混合层深度在气旋路径右侧加深更为明显,在右侧100 150km范围内达到最大;混合层深度的变化与气旋经过前混合层的初始深度呈明显的负相关,相关系数达-0.42.     

台风条件下朗缪尔环流对上层海洋混合的影响研究进展

回顾了近10年来台风条件下朗缪尔环流影响上层海洋混合的研究进展，朗缪尔致湍流对海洋上混合层的形成和加深的重要作用已形成了基本共识，但对于朗缪尔致湍流对海洋上混合层的混合作用机制和程度仍然存在诸多不确定性。观测表明台风条件下台风眼附近的混合层平均湍流动能受到了较强的抑制，可能与台风不同位置朗缪尔致湍流的特征变异有关；台风条件下，现有的朗缪尔致湍流参数化方案在上层混合过程模拟中还有显著误差。在今后研究中，通过改进斯托克斯漂流剖面的计算方法，优化表征台风条件下海面状况的朗缪尔致湍流参数化计算方案，是进一步揭示台风条件下朗缪尔环流对海洋上层混合的影响机理的必要途径。     

海岸波浪多次破碎波能耗散模型

在坡度很缓(接近或小于1∶100)的海岸，波浪在向海岸传播的过程中，可能经历多次破碎，而在两次波浪破碎之间将伴随着波浪恢复(波浪恢复到不破碎状态)。在现有海岸波高计算模型中，波浪破碎是通过波能耗散来模拟的，但所采用的波能耗散模型都不能自动考虑波浪出现多次破碎的过程，特别精确模拟这一过程中出现的波浪恢复。本文提出了解决这一问题的新的波能耗散模型，模型的建立是通过在Dally模型中重新建立稳定波能、饱和波高水深比和波能耗散系数，并引入了波浪恢复的判断条件实现的。该模型的波能耗散在波浪恢复区的值很小故能描述波浪恢复区的波浪运动。与实验结果的对比表明，新模型可以适合缓坡情况波浪多次破碎的波高模拟，而且对不同坡度的平坡和沙坝海岸(1∶100～1∶10)的破碎波模拟都可以给出与实验结果符合的结果，并且可以自动识别多次波浪破碎的存在和波浪恢复的发生。     

一种冰-海洋模式的热力耦合方案

冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近.     

双边多单元造波机造波性能分析

由若干独立摇板组成的多单元造波机是实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备。由于单元摇板宽度和波浪周期对斜向波浪模拟方向角的限制、斜向波浪模拟引起的杂波和三维短峰波浪模拟的有效实验区范围等,是影响多单元造波机波浪模拟质量的关键问题。通过对海洋深水池双边多单元造波机性能的分析,获得了波向角与规则波浪周期的关系,避免杂波产生的波浪周期范围和三维短峰波浪有效实验区的范围。分析结果对于海洋深水池高质量模拟波浪并为海洋工程结构物模型试验提供良好的波浪环境条件具有重要意义。     

内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程。通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化。本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)获得内孤立波与地形作用时的流场结构,定量分析整个作用过程。结果表明,地形会改变波形甚至引起破碎,内波与地形作用时,振幅和能量密度会在内孤立波爬坡时迅速增大,在地形前缘产生强烈能量耗散。入射波的能量与塌陷高度呈二次函数关系,透射波能量随地形升高减小,反射波能量随地形升高增大。地形前缘局地湍耗散率极值时间序列在部分实验中呈双峰结构,对应内孤立波界面处剪切加强引起湍流耗散和波后缘翻转破碎。破碎引起的地形前缘区域平均湍耗散率量级在10~(-5)m~2/s~3,局地湍耗散率极值与入射波振幅呈指数关系,所有实验中局地湍耗散率的最大值接近10~(-3) m~2/s~3量级。     

海洋破碎波判据研究

海洋破碎波是海气交换、海洋工程、海浪预报等研究中的重要物理现象，是全球变化研究以及海洋空间探测技术研究中必须要考虑的重要因素之一。在海洋破碎波研究与应用中的首要的问题是选择准确可靠的破碎波判据。本文总结了破碎波判据的研究状况，给出了各种波浪破碎波判据的表达形式及其相互间的换算关系；通过分析破碎波判据的理论与实验研究结果，提出了一个包含风场和波参量的风浪破碎判据的计算模式及实测结果验证，同时给出了各种破碎波判据及破碎波发生率的实测结果。这是国内首次进行海洋破碎波判据研究的报道。     

海浪对海洋上层的动量与混合作用分析

分析了波浪影响海洋环流的3种机制，给出了波浪对海流的雷诺应力表示、搅拌混合系数表示以及对温盐扩散的搅拌混合系数表示；计算了东中国海区域的波浪动量作用、搅拌混合系数空间分布和时间演化，进而定量分析了波浪对表层海流的动量输送及对海洋上混合层与跃层形成的作用。