基于大涡模拟耦合模式的小尺度海气相互作用研究

大气和海洋是影响地球气候系统的两个重要因素,它们之间的相互作用是海洋和大气研究的重要课题,海气耦合模式则是研究海气相互作用的重要工具,而海气耦合模式重点考虑的参数是海气通量。针对传统的大尺度海气耦合模式缺少湍流尺度分析的问题,本文使用并行大涡模拟海气耦合模式（The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM）,在小尺度上探究风速对海气通量及湍流动能收支（Turbulence Kinetic Energy Budget,TKE Budget）的影响,设置了5、10和15m/s三种地转风速度对大气边界层（Atmospheric Boundary Layer,ABL）和海洋混合层（Oceanic Mixed Layer,OML）进行海气耦合模拟。研究表明：海气通量的分布与风速大小密切相关,风速越大,净热通量和浮力通量相对越大,由于温度上升导致海水蒸发加剧,使得大气的淡水通量增大;海洋湍流动能收支各项在近海面处受风速影响较大,且随着深度加深而逐渐减弱。本研究初步展示了小尺度海气耦合模式在海气通量研究中的应用,对进行小尺度海气相互作用研究具有一定的意义。     

基于大涡模拟的三角形地形之层结流体湍动能收支模型

为了探究海底地形对湍流动能收支的影响,本文使用并行大涡模拟模式(The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM),以坡陡作为无量纲地形参数(δ),设置了亚临界、临界和超临界三种地形状态(δ=0.5,1和2)进行数值模拟。文章计算并呈现了地形作用下的流体速度和湍流动能收支分布,以及湍流动能平衡方程各参量。通过回归分析和量纲分析重点讨论了地形顶点处耗散和海表处能量的耗散,与地形坡陡的关系,得出其关系均呈指数形式。     

基于大涡模拟与被动示踪物模型的人工鱼礁数值研究

投放人工鱼礁是解决海洋生态环境问题的重要措施之一。通过使用并行大涡模拟模式（the parallelizeda large-eddy simulation model,PALM）及被动示踪物模型模块,研究了不同流速条件（0.1,0.2,0.4和0.6 m/s）下方型人工鱼礁对流场形态、营养盐的抬升作用、和湍流动能收支的影响。研究表明,鱼礁的存在使得其附近垂向速度增大,产生上升流。受到上升流的抬升作用,鱼礁底部的示踪物迅速进入海洋上层,之后遇到鱼礁后方的背涡流,示踪物的抬升受阻,高度逐渐降低。在上升流区域以及背涡流区域的共同影响下,示踪物抬升区域的最大高度与来流流速无关。不同上升流定义对应的上升流区域的高度与来流流速均不相关;上升流区域的最大速度、平均速度与来流流速都成线性增加的关系;然而随着来流流速的增大,不同上升流定义对应的上升流区域面积的变化趋势却完全不同。投放鱼礁后,鱼礁区域底部的混合增强,区域底部的能量被输运至上层。这说明,鱼礁的存在不仅对营养物质具有抬升作用,还能将能量向上输运。     

低风速下海面附近气温场对海气动量通量的影响

实用测的海上和层平均风剖面数据和温度剖面数据，通过数据回归和迭代方法计算出了在不同大气稳定情况下的海面阻力系数。得到了与前人理论计算一致的结论：海面阻力系数随海面大气稳定度的增加而减小，另外，我们还发现：在海面风速小于１３ｍ／ｓ时，不能认为气温剖面外推到海面的值与海面水温的是一致的。这样若用海气温差作为衡量海面上方大气的稳定程度，难于得到上面给出了理结论。这一点同前人的理论计算结果是不相同的。     

关于涡相关海气通量计算的资料处理技术

针对海气通量观测中存在的气流扰动等非湍流信号影响风速脉动进而导致涡相关通量计算失真的问题,借用惯性耗散法的思想进行了资料处理技术的改进性研究.以湍流惯性耗散的-5/3密率分布为依据,获得了一种滤除非湍流信号的新途径.以动量通量的计算为例,从对实测风速数据的处理情况来看,其结果与经验公式所得吻合得非常好.相比于通常的通量计算软件来说,该资料处理技术能极大地降低非湍流信号的影响并由此得出更为可靠的通量结果.从而,此技术可以用于新通量算法软件的研究和开发.     

中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

大涡模拟及其在海洋湍流数值模拟中的应用

本文概述了大涡模拟的定义及特征,介绍了大涡模拟的几种常用方法以及它在海洋湍流场数值模拟中的应用,并指出了一些尚待改进的问题。     

大尺度海气相互作用中SST演变的数值模拟

本文研制了一个全球浅水耦合海气模式。模式海洋部分包含了关于海表温度的热力学方程;大气部分是球坐标下有地形的正压模式。大气受到来自海洋加热的强迫,驱动海洋的风应力与大气模式的风速成正比。以气候实时资料作初始场所做数值积分,结果显示西太平洋暖水地及赤道东太平洋冷舌的范围与形状能较正确模拟。海洋模式部分线性化与非线性化的对比试验,表明随时间增加,两者海温差异逐渐加大,且中、高纬的差异大于低纬。非线性项在中、高纬的作用不可忽视。混合参数试验指出预报的结果对参数的选择很敏感。     

基于经验模态分解和小波分解估算海气通量涡相关计算中的截断时间尺度

基于时长38天的海表风场实测数据,应用经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)和小波分解(Wavelet Decomposition, WD)这两种数据处理方法首先对涡相关法中的截断时间尺度(CutoffTimescale,CTS)进行估算,结果显示:基于EMD与WD方法估算出的CTS一般都在40秒左右(EMD的结果略小),远远小于传统涡相关法中CTS的取值(固定为10分钟),且EMD和WD的使用使得每一段数据都能够根据自身的湍流特点而获得合适的CTS; EMD方法和WD方法有效的去除了计算结果中的非湍部分,且对通量传输方向的刻画也更加合理,极大提高了通量的计算精度,所得通量与传统方法计算的通量偏差平均值高达45%;研究还对EMD和WD的优缺点进行了对比分析,结果表明EMD相比于WD有更高的自主性,而WD对信号的分离程度则更高。     

风向对航母甲板风影响的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了来风风向对航母甲板风的影响,得到了不同来风风向条件下,艏艉对称面附近、甲板上方低场及航母后方某点处压力和垂向速度随时间的变化关系。结果表明:航母有一定角度的侧向风对舰载机起飞有利,右舷风比左舷风有利;从有利于舰载机着舰角度看,右舷来风较左舷来风有利;从舰载机着舰下滑稳定性上看,来风风向角度越小越有利。     

海上大气表面层风温湿廓线的测量及参量化研究

以渤中８号采油平台为基地，对海上大气表面层的风速、温度和湿度廓线进行了同步测量。据测量数据的统计分析，确定了较好适用于渤海中部大气表面层的大气稳定度函数模式（不稳定状态），从而确定了一种海上大气表面层风湿廓线的参量化模式。依此模式，可由实测风温湿廓线数据计算海－气动量、感热和水汽通量。     

均方斜率与风速及波龄关系的研究

本文利用NOAA在太平洋的几个浮标站测得的风浪数据,研究了均方斜率s2与风速U10和波龄β的关系,发现s2随U10的增大而增大,s2=(0.4U102 5U10 2)×10-4;随β的增大而减小,s2=0.01β-0.8696。基于以上结论,建立了s2同时随风速和波龄变化的关系:s2=10-4×9(U10β-0.4348 1),这表明β以负幂指数的形式改变了s2随风速线性增长的斜率。波龄对s2的影响在风速较小时作用比较明显,在风速较大时影响比较微弱,但引起s2变化的最主要因素还是海面风速。本文的研究工作对于高度计准确地信息反演提供了重要的理论依据。     

北太平洋海面异常风场的时空分布特征与海气热量交换

用北太平洋（含赤道太平洋区）１９４９～１９７９年的ＣＯＡＤＳ资料，通过矢量ＥＯＦ分解得到北太平洋异常风场的分布型及其时间变化规律。分析表明，ＥＯＦ１～５场与大气活动中心、海洋相互作用有联系，具有明显的天气学意义。此外，还讨论了ＥＯＦ异常风场间的转换及其季节性差异。     

深水风浪破碎发生率与风速和风区的关系

根据于渤海中部采油平台测得的数据，结合实验室的测量，提出一种深水风浪破碎发生率与风速和风区关系的经验公式，与现已发表的少量海上测量结果相比较，此式符合良好。利用此式较好地解释了风浪破碎起始风速问题。     

两类典型台风路径影响下的黄、渤海海浪场特征研究

台风引起的海浪灾害对我国黄、渤海沿岸影响巨大,严重威胁相关区域人民群众生命财产安全.本文主要利用ERA5(the fifth generation European Center for Medium-Range Weather forecasts atmospheric reanalysis of the globa...     

海面风速微波散射测量与分析

为了深入研究海面风的微波散射特性 ,利用海洋石油平台和飞机作为仪器的工作平台 ,对海面微波散射特性进行了测量 ,并应用统计分析方法 ,对测量数据作处理分析。结果表明 ,海面微波后向散射系数 (σ°)值与海面风速成线性关系 ,随风速增大而增大。同时 ,σ°值与夹角及散射计天线入射角、极化方式有关。结合对海面微波散射算法中 Phillips模式的分析比较 ,得到 Phillips模式的计算值与实测值变化趋势一致的结果