不同Stokes漂流公式选取对模拟海洋上层Langmuir环流影响的大涡模拟研究

论文摘要

Langmuir环流影响着海洋上层的能量输入,对混合层的形成和加深有重要的作用,对于海洋上混合层具有重要意义。Langmuir环流是由Stokes漂流与海表风应力非定常性影响形成的涡旋相互作用产生的,其在动量、热量和质量转移中发挥着关键性的作用,因此Langmuir环流是上层海洋湍流的重要特征。一系列研究证明了 Langmuir环流对Stokes漂流的依赖性,在海洋模型中添加Langmuir环流效应,需要正确的模拟Stokes漂流速度的大小和剪切。由于在实际应用中可能无法获得完整的Stokes二维波谱,因此通常采用单波公式作为Stokes漂流的一种参数化方案来代替进行计算。随着近年来Stokes漂流观测资料及数值解的进一步丰富,关于Stokes漂流近似解的新公式也被提出。本文采用不同的Stokes漂流剖面估算公式(单波公式、e指数公式,Phillips谱近似公式),使用大涡模拟方法,研究不同的Stokes漂流剖面参数化方案对Langmuir环流产生的影响。首先讨论了 Stokes漂流及Langmuir数的全球分布情况,基于ERA5数据,计算了年平均的Stokes漂流表层流场分布,海表Stokes漂流速度分布呈现高纬度偏大的特征,尤其在南极绕极流海域,Stokes漂流强盛,相对的Langmuir数也较小,可以达到0.35以下。结果表明大部分海域的混合作用是由于剪切不稳定和Langmuir湍效应共同导致的。在部分海域,Langmuir数可达到0.3以下,证明在大尺度的海洋数值模拟中,Langmuir环流的作用不容忽视。然后利用大涡模拟模式设计理想对比实验,研究在定常风速下,不同Stokes漂流公式垂向剖面对Langmuir环流模拟的影响。结果表明选取不同Stokes漂流公式对于Langmuir环流场的速度场结构产生影响,选取不同公式模拟的结果,相同之处在于都能体现Langmuir环流的性质:海表出现平行的条纹状速度场;垂向速度截面出现直达混合层底部的大涡状结构;垂向混合增强,湍流各方向的速度方差增大。但是三个公式的模拟结果存在差异之处,单波公式的海表条纹间距较宽,e指数公式的条纹则相对较为密集。单波公式的垂向速度和合速度极值均大于e指数公式和Phillips公式,垂向速度方差的最大值及最大值深度也并不相同。最后,在理想对比实验的基础上,本文基于CBLAST观测试验数据,利用大涡模拟方法研究了在变化的实测风速条件下,不同的Stokes漂流公式剖面与实测Stokes漂流剖面对湍流模拟结果的影响。结果表明不同的Stokes漂流公式模拟结果的流速场,湍动能分布及垂向湍流涡粘系数分布均存在较大差异,垂向湍动能的相对偏差值最大可达14.62%,在Langmuir环流作用较强的时间段内,垂向涡粘系数的最大相对偏差值可达22.63%。结果证明不同Stokes漂流公式选取造成的对Langmuir环流的影响不能忽略。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 Langmuir环流和Stokes漂流研究进展
•     1.2.1 Langmuir环流研究进展
•     1.2.2 Stokes漂流研究进展
•   1.3 大涡模拟
•     1.3.1 大涡模拟方法介绍
•     1.3.2 大涡模拟理论发展及应用
•   1.4 本文的研究内容及结构
• 2 Stokes漂流的空间分布
•   2.1 数据来源介绍
•   2.2 海表风速及波高分布
•   2.3 海表Stokes漂流场
•   2.4 Langmuir数的全球分布
•   2.5 小结
• 3 大涡模式
•   3.1 模型建立
•   3.2 次网格封闭
•   3.3 五米定常风速理想实验
•     3.3.1 初始场设置
•     3.3.2 定常风Langmuir环流实验结果分析
• 4 不同Stokes漂流估算公式对Langmuir环流的影响
•   4.1 Stokes公式选取
•   4.2 模式设置
•   4.3 模式结果分析
•     4.3.1 不同Stokes公式模拟结果三维流场对比
•     4.3.2 垂向截面的垂直速度分布
•     4.3.3 湍流强度对比
•   4.4 小结
• 5 CBLAST观测试验模拟
•   5.1 CBLAST数据介绍
•   5.2 实验设计
•     5.2.1 初始场
•     5.2.2 Stokes漂流垂向剖面
•   5.3 结果分析
•     5.3.1 不同公式模拟的U,V速度场对比
•     5.3.2 不同公式模拟的湍动能对比
•     5.3.3 不同公式模拟的湍流垂向涡粘系数对比
•   5.4 小结
• 6 总结
•   6.1 主要结论
•   6.2 讨论与展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 仇颖

导师: 李爽

关键词: 大涡模拟,环流,漂流,湍动能,垂向涡粘系数

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 浙江大学

分类号: P731.27

总页数: 71

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