吕宋海峡不同湍流估算方法的应用对比研究

由于湍流混合直接观测技术难度大、成本高,很大程度限制湍流混合的研究,所以基于温、盐、流资料估算海洋湍流混合的方法应运而生。本文应用在吕宋海峡观测到的23个自由下降微结构湍流剖面仪观测数据和水文观测数据,首次对目前常用的Gregg-Henyey-Polzin(GHP)细尺度参数化、Mackinnon and Gregg(MG)参数化和Thorpe尺度方法进行比较研究,评估它们的适用性。发现GHP参数化方法能够很好地估算吕宋海峡的湍流混合。虽然GHP参数化方法估算的耗散率总体上要偏弱于观测的结果,但估算和观测的差异在2倍以内的结果占71%,与微结构湍流剖面仪观测到的耗散率在水平分布和垂向分布上呈现出相同的分布特征。基于MG参数化方法发现估算的吕宋海峡西侧1200m以浅的耗散率比观测值大,但总体上呈现出相同的分布特征。另外,MG参数化估算与观测差异在2倍以内的结果占58%。表明相比于GHP参数化方法,MG参数化方法的估算值更偏离观测值。Thorpe尺度方法在估算吕宋海峡的耗散率时,估算和观测的差异在2倍以内的结果仅有30%,70%的估算结果与观测结果相差高出1个量级,空间分布上与观测结果差异较大。对比吕宋海峡湍流混合参数化方法的结果表明GHP参数化方法最优,MG参数化方法其次,Thorpe尺度方法相对GHP和MG参数化方法较差。     

南海北部上层细尺度流速剪切的时间变化规律研究

基于2011年4月至2012年3月南海北部陆坡区潜标观测的高分辨率流速数据,本文研究了海洋上层细尺度流速剪切的时间变化特征及其演变规律。流速剪切的功率谱分析结果显示,南海北部上层的细尺度流速剪切主要受亚惯性运动、近惯性内波、全日内潮和半日内潮四种过程控制。其中,风生近惯性内波和中尺度涡旋所对应的亚惯性运动是造成上层流速剪切时间变化的主要原因,以往研究强调的全日和半日內潮的贡献则相对较弱。进一步分析发现,冬季中尺度暖涡能够极大地增强海洋上层的亚惯性剪切;夏、秋季南海活跃的台风所激发的近惯性内波能够造成近惯性剪切增强。另外,研究还发现,背景涡度对近惯性剪切具有重要的调制作用,即负涡度相较于正涡度更有利于近惯性剪切增强。该研究所揭示的流速剪切的时间变化规律及调控机制对改进海洋混合的参数化方案具有重要的参考价值。     

大洋细结构的一种可能的机制Ⅲ.对混合过程动能耗散的估计

继第部分之后研究了惯性内波和近惯性内波由f～的作用所致的剪切不稳定引起的破碎机制。物理上,该机制很象存在由风应力所致薄表面涡旋漂流层时表面波的破碎与饱和过程。惯性内波和近惯性内波的破碎产物与小尺度湍流一起形成了混合块,它与Gregg等人(1986)的持久混合观测结果一致。依据Thorpe(1973)实验的结果作者提出了一个估计湍流动能耗散率和消衰时间的方法。结果表明,在剪切不稳定中近惯性内波在湍动耗散中起了关键作用,而惯性内波引起非常弱的湍动耗散。使用内波能量谱的标准总能量密度估计出的近惯性内波的耗散率和消衰时间与PATCHEX测量结果非常一致。文中还讨论了几个与此破碎机制有关的问题。     

南海混合的能量源研究

南海是全球内波高发区之一,也是强混合海区。本文利用公开的温盐、流场、风场等数据,结合理论模型分别给出了近惯性内波、内潮、背风波对南海混合的能量贡献及空间分布。三者输入南海的能量之和约为19GW,其中近惯性内波贡献27%;内潮贡献66%;背风波贡献7%。假设这些能量全部在南海耗散为混合提供能量,计算得到南海的平均混合率约为2.8×10~(-3)m~2·s~(-1)。     

南海中部上层海洋湍流混合的空间分布特征及参数化模型

通过对2010年5月南海16°N和14.5°N断面的湍流微结构剖面观测资料分析,给出了南海海盆上层湍流混合空间分布特征:在16°N断面上,上层10~400m垂向平均湍动能耗散率ερ在东侧略大于西侧;相反,在14.5°N断面上,西侧ερ均值约是东侧ερ的4倍,其中,西侧110.5°~111°E的ερ的平均值为2.6×10-6 W/m3,东侧118.5°E的ερ仅为5.89×10-7 W/m3。通过分析细结构剪切和湍流混合的相关性,发现剪切是南海中部上层强湍流混合的主要驱动力,揭示了高模态内波破碎可能是湍流混合的主要机制。另外,研究了大洋中的3种参数化模型,发现适用于大洋近海的参数化MacKinnon-Gregg(MG)模型能较好地用浮频和剪切估算南海中部深海区上层湍流耗散率。     

南海北部中深层细结构混合研究

基于2007年8月获得的ADCP（声学多普勒流速剖面仪）海流资料和CTD（温盐深剖面仪）水文资料,应用Gregg模型对南海中深层内波尺度的混合进行估计,同时应用Thorpe尺度对中深层存在的垂向翻转及由此引起的混合进一步分析。两种方法均显示,吕宋海峡附近上层400m的耗散率及混合率均强于18°N断面,中深层两个区域的混合率并没有显著区别。这表明吕宋海峡上层400m,可能存在更活跃的内波活动,从而产生更强的内波混合和垂向水团翻转。Gregg模型估计的耗散率和混合率量级分别为10^-9W·kg^-1和10^-6m^2·s^-1。大部分CTD站位在中深层均存在垂向翻转,而且保持较高的发生率,翻转所对应的混合率并不随深度增加而减小。以上南海北部的细结构混合特征增强对南海中深层混合的认识。     

夏季长江河口层化与湍流混合特征分析

利用2016年夏季长江河口现场水文特性与湍流微结构观测资料, 分析了长江河口水体温盐结构、层化发育、湍流与混合特征。结果表明: 1)夏季长江河口水体密度层化结构明显, 根据各层水体密度梯度差异, 可将水体分为底部混合层和上层密度跃层, 两部分的密度层化界限与浮力频率等值线lg N ² = - 4.0接近。2)底部混合层湍动能耗散率大, 层化结构弱, 水体分层稳定性弱; 上层密度跃层湍动能耗散小, 层化结构强, 水体分层稳定性强, 这有利于河口内波的发育与传播。3)在密度层化的作用下, 水体的湍动能耗散率、湍动能剪切生成及浮力通量的能量关系在一定范围内符合湍动能局部能量平衡方程。不同层之间的湍流弗劳德数Fr_t和湍流雷诺数Re_t在Fr_t-Re_t平面上呈现明显的分区, 与经典的分层剪切流理论基本吻合。     

马里亚纳海沟万米级水文观测研究

深渊观测是开展深渊科学研究的前提。文章介绍了2020年7月"东方红3"船在马里亚纳海沟"挑战者深渊"附近完成的一次海洋调查。基于船载温盐深综合剖面测量系统获取的万米级剖面数据,分析全海深的温盐性质,并依据Thorpe尺度方法和细尺度参数化方法,进一步估算不同深度层的湍动能耗散率。结果表明:"挑战者深渊"的深层海水十分稳定, 3 000—5 000 dbar的温盐特征与下层绕极水相同;受弱层结背景下的内潮影响, 5 000—8 000 m的耗散率显著提升。本次调查获取的万米级水文剖面为马里亚纳海沟的深渊探索提供了数据方面的支撑。     

西北太平洋跨等密度面湍流混合的时空变化分析

基于细尺度参数化方法,利用2000—2007年的历史水文剖面资料,分析了西北太平洋海区(135°—180°E,25°—45°N)跨等密度面湍流混合的时空分布特征。结果表明,垂直平均的耗散率与地形粗糙度的空间分布基本一致,且随经度自西向东减弱。在地形粗糙的地方,耗散率达O(10–8m2/s3),而在地形平坦的地方,耗散率仅O(10–11m2/s3)。另外,上层海洋混合存在明显的季节变化,在日本近岸的海区,耗散率冬季最强而夏季最弱,与风生近惯性能量之间存在显著的正相关;在大洋内区,耗散率冬季最强而秋季最弱,与风生近惯性能量的相关关系较弱。进一步地,本文分析了风应力在不同海区对混合的影响深度,结果显示在伊豆-小笠原海脊以西,风应力的影响深度最浅为620m,而在该海脊以东最深可达1740m。     

赤道地区海水的垂直混合

虽然自1972年就开始了赤道湍流的测量,但是,直到1984年在赤道太平洋水域及其附近所进行的广泛而系统的测量才使我们对湍流混合及其时间变化有了崭新的认识。湍流活动正如我们所预料的那样,是如此巨大;但是它随时间的变化,却远远超过预料之外,日变化尤其如此,夜间平均湍流动能耗散率是白天的一百倍。这种变化发生在温跃层以及混合层中。与之有关的一些问题是:(1)在什么纬度和经度上,以及在什么季节会出现这种周期日变化?(2)是什么引起了这种较长期的时间变化?是大气强迫作用还是通过赤道波的切变场调制?(3)内波起什么样的作用?(4)能否用理查逊数来使湍流作用参数化?如果可以的话,那么合适的尺度有多大?现在已经取得了参数化,有关这些问题的观测结果,并不能肯定地解决这些问题。现在就取得的一些证据展开讨论。     

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...     

Impact of parameterized lee wave drag on the energy budget of an eddying global ocean model

The impact of parameterized topographic internal lee wave drag on the input and output terms in the total mechanical energy budget of a hybrid coordinate high-resolution global ocean general circulation model forced by winds and air-sea buoyancy fluxes is examined here. Wave drag, which parameterizes the generation of internal lee waves arising from geostrophic flow impinging upon rough topography, is included in the prognostic model, ensuring that abyssal currents and stratification in the model are affected by the wave drag.An inline mechanical (kinetic plus gravitational potential) energy budget including four dissipative terms (parameterized topographic internal lee wave drag, quadratic bottom boundary layer drag, vertical eddy viscosity, and horizontal eddy viscosity) demonstrates that wave drag dissipates less energy in the model than a diagnostic (offline) estimate would suggest, due to reductions in both the abyssal currents and stratification. The equator experiences the largest reduction in energy dissipation associated with wave drag in inline versus offline estimates. Quadratic bottom drag is the energy sink most affected globally by the presence of wave drag in the model; other energy sinks are substantially affected locally, but not in their global integrals. It is suggested that wave drag cannot be mimicked by artificially increasing the quadratic bottom drag because the energy dissipation rates associated with bottom drag are not spatially correlated with those associated with wave drag where the latter are small. Additionally, in contrast to bottom drag, wave drag is a non-local energy sink.All four aforementioned dissipative terms contribute substantially to the total energy dissipation rate of about one terawatt. The partial time derivative of potential energy (non-zero since the isopycnal depths have a long adjustment time), the surface advective fluxes of potential energy, the rate of change of potential energy due to diffusive mass fluxes, and the conversion between internal energy and potential energy also play a non-negligible role in the total mechanical energy budget. Reasons for the <10% total mechanical energy budget imbalance are discussed.     

海洋环境因素对白冠覆盖率的影响及其数值估算

波浪破碎是一个强非线性过程,破碎时产生的大量气泡在海面上表现为白冠,白冠覆盖率是刻画波浪破碎一个重要参数。研究表明,白冠覆盖率与海上风速、海浪状态和大气稳定度等多种海洋环境因素有关。综合前人的观测数据,本文给出了更为可靠的依赖风速的白冠覆盖率公式,发现海水温度越高,白冠覆盖率越大。提出了以波浪破碎耗散函数为参数的白冠覆盖率公式,同时发现波龄小于某个临界值时,白冠覆盖率随波龄增大,波龄大于临界值时,白冠覆盖率保持不变,该临界值随风速增大而减小。     

南海西北部半日内潮参量次谐频不稳定生成的近惯性波研究

为了研究非临界纬度上参量次谐频不稳定(parametric subharmonic instability,PSI)过程生成的近惯性波(near-inertial wave,NIW),本文基于国家重点研发项目的 准实时传输深海潜标资料,对内波速度谱、近惯性流速和动能、D2-f(半日频减惯性频)流速和动能、半日内潮流速和...     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

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。     

Similarities of Some Wind Input and Dissipation Source Terms

Wind input parameterizations proposed by Jeffreys, Sverdrup and Munk, and Plant are analyzed. It is round by analogy that the similarity of integrals of the three wind input parameterizations exists. Wave breaking dissipation parmneterizations proposed by Tsikunov, Hasselmann, and Phillips are also analyzed. Likewise it is found by analogy that the similarity of integrals of the three dissipation parameterizations exists. The similarities of wind input and dissipation are applied to the investigation of the fetch-limited growth of wind waves, together with the 3/2 power law presented by Toba. Some semi-empirical formulas concerning the growth of wave height and period with fetch are presented. The results from the formulas are in good agreement with previous field observations.     

Modelling of periodic wave transformation in the inner surf zone

In this paper, we analyse the ability of the nonlinear shallow-water (NSW) equations to predict wave distortion and energy dissipation of periodic broken waves in the inner surf zone. This analysis is based on the weak-solution theory for conservative equations. We derive a new one-way model, which applies to the transformation of non-reflective periodic broken waves on gently sloping beaches. This model can be useful to develop breaking-wave parameterizations (in particular broken-wave celerity expression) in both time-averaged wave models and time-dependent Boussinesq-type models. We also derive a new wave set-up equation which provides a simple and explicit relation between wave set-up and energy dissipation. Finally, we compare numerical simulations of both, the NSW model and the simplified one-way model, with spilling wave breaking experiments and we find a good agreement.