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。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）,以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度（SST）季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常（SSTA）进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在（45°N,150°E）附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°~45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。     

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。     

波面位移非线性特征数值研究

基于Longuest-Higgins(1963)非线性海浪模型,在有限水深且存在均匀背景流的条件下,根据Song(2006)给出的波面位移二阶表达式,采用Combi海浪频谱计算了海表面定点波面位移时间序列和波面位移概率统计分布。分析了波面位移统计分布随风速、水深、反波龄和均匀背景流的变化特征和规律以及不同海况条件下二阶非线性项对波面位移统计分布的影响。结果表明:二阶非线性项使波面位移分布偏离正态分布,二阶非线性作用受风速、水深、反波龄和均匀背景流的影响。风速增大、水深降低、反波龄减小或者均匀背景流和风速传播方向相反均使波面位移二阶非线性项的作用加强,无因次波面位移概率密度分布的偏度和峰度随之增大,反之则二阶非线性项作用减弱。当均匀背景流和风速相同时,虽然使非线性项的作用减弱,但平均波面位移反而比静止水平面降低。当均匀背景流和风速相反时,虽然使非线性作用增强,但平均波面位移反而趋于静止水平面。得到如下结论:二阶非线性项对于波面位移有显著影响,数值模拟波面位移需要增加二阶非线性项。通过以上研究,提高了数值模拟波面位移的准确性,而波面位移是海浪最基本的特征量,从而增强了海浪模拟和预报的准确性,对海洋工程、海–气相互作用、上层海洋动力学等具有重要意义。     

台风过程中浪致Stokes漂流对海洋上层温度影响的数值模拟

Stokes漂流对海洋上层温度变化具有重要影响。本文以"麦德姆(Matmo)"台风过程为例,基于浪流耦合模型,通过对比分析考虑和未考虑Stokes漂流的模拟结果,研究了台风过程中浪致Stokes漂流及其效应对海洋上层温度变化的影响。研究表明Stokes漂流及其效应与海浪大小的分布密切相关,海浪越大, Stokes漂流、Stokes输运和Ekman-Stokes数相对越大。Stokes漂流在台风过程中起降低海表面温度的作用,台风路径处的Stokes漂流及其效应较大,降温较明显,最大降温约2°C。产生降温的原因是Stokes漂流造成海表流场改变,以及Stokes输运引起海水辐散等作用加强了上下层海水质量和能量的交换。利用Argo资料进行验证,发现考虑了Stokes漂流作用的海洋上层温度模拟结果与Argo测量结果更接近。     

球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用

为开展海浪对海洋上混合层的搅拌混合作用及其对海气界面通量的影响等研究,在LAGFD WAM区域海浪数值模式基础上建立了球坐标系下的全球海浪数值模式.重点导出了球坐标系下的海浪能量谱平衡方程及其复杂特征线方程,该组方程包含了背景流场对波动传播的调整、波动沿大圆传播的折射等.数值积分则采用复杂特征线嵌入计算格式.初步数值模拟结果表明,该海浪全球数值模式能够较为精确地刻画海浪的动力过程.     

海浪混合参数化的渤海、黄海、东海水动力环境数值模拟

在浪-流耦合的概念下,对Princeton Ocean Model(POM)模式进行改进,增加特征波参数下的海浪混合作用,并把潮流和环流同时模拟,得到了渤海、黄海、东海典型的环流和水文特征,特别是夏季黄海的温跃层现象,夏季长江冲淡水扩展路径以及我国东部海域冬季和夏季典型环流等.研究表明,海浪的作用使海洋上层混合得更均匀,潮流的作用使海洋底层混合得更均匀,二者是温跃层形成的重要原因;考虑潮效应模拟流场,由于潮扩散和潮余流的作用,长江冲淡水路径与实际观测更为符合.     

波-流相互作用源函数及其对海浪模拟的影响

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水平方向上的波-流相互作用对海浪能谱的改变以及对海浪模拟可能造成的影响。结果表明：水平流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及流速梯度方向均可以影响波-流相互作用源函数的作用效果,使得有效波高、谱峰波向的模拟结果发生变化。在更符合实际的水平流速梯度量级下,波-流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值的影响非常小;但考虑到涌浪的长距离传播,其对谱峰波向的影响仍可能明显改变涌浪的传播形态。     

Stokes漂流对全球海表面温度模拟的影响

Stokes漂流对海洋上混合层中的流场和温度场结构具有不可忽视的作用。本文基于WAVEWATCHⅢ海浪模式模拟的海浪要素计算得到Stokes漂流,将其引入SBPOM模式的动量方程中,从体积输运的角度研究Stokes漂流对全球海表面温度的影响。分析发现Stokes漂流与Stokes输运在全球呈现高纬度强于中低纬度的带状分布特征,且这种流动与输运对全球海表面温度具有降温作用,该降温作用的分布与全球Stokes输运强度相对应,高纬降温作用大于中低纬度,特别是南极绕极流海域平均降温明显大于其余海域,最大降温可达1.5℃,且全球月平均降温超过0.1℃。