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Stokes-drift对上层海洋的影响研究

王智峰  
【摘要】:Stokes-drift不仅改变了上层海洋的垂向流速切面,并且影响了混合层的机械能输入、湍流生成和混合,进而对上层海洋的动力学结构乃至热力学结构有着非常重要的作用。而混合层作为连接大气与海洋的界面,对海洋生态,全球气候都有非常重要的意义和实际应用价值。 本文在总结前人研究的基础上,通过欧拉平均的方法,对基本方程进行波浪平均,从而得到包含Stokes-drift影响的三维数值模型。该模型同时体现了Stokes-drift诱导的动力作用,热力作用和湍流与混合效应,是本文进行研究的理论基础。 Stokes-drift通过大尺度力“Coriolis-Stokes力”和小尺度力“Stokes-Vortex力”共同作用于上层海洋。“Coriolis-Stokes力”的存在,改变了上层垂向流速剖面结构,使得质点轨迹和上层输运发生变化。“Stokes-Vortex力”是Langmuir环流的主要源动力。Langmuir环流的存在,使得上层环流垂向剪切不稳定性增强,并直接对湍动能产生贡献,加强了上层湍流效应。并且Langmuir环流诱导的垂向对流加大了垂向水交换,起到“卷挟”的作用,加深了上层海洋混合。与Qiao etal.(2004)提出的浪致混合Bv的混合机制进行对比发现浪致混合Bv表示的是波浪质点的搅拌效应,直接体现为垂向混合系数,是波浪对混合的直接作用;而Stokes-drift主要通过影响上层流速剖面和Langmuir环流对海洋上层混合起作用,是波浪的一种间接作用。 将三维数值模型应用到海洋模式POM中,利用变换后的POM模式,选取不同的参数进行理想数值实验。结果发现:随着Stokes-drift不断增大,Langmuir数逐渐减小,垂向流速切面变化越大,垂向不稳定性增强,湍动能增强,混合系数增大。Hoenikker数为负值时,温度降低,减小了海水层化效果,海水不稳定性增强,混合系数增大,混合深度加深;Hoenikker数为正值时,温度升高,增大了海水层化现象,使海水变得更加稳定,混合系数变小,混合深度变浅。海面Stokes-drift相同时,波数越大,Stokes-drift随深度的减小幅度越大,Stokes-drift的影响深度越浅。波浪破碎效应能引起混合系数和湍动能急剧增大,但影响仅仅局限在表层很薄的一层,而Stokes-drift可以影响到整个混合层。 利用WAVEWATCH III模式对全球波浪进行模拟,模拟结果与ECMWF再分析数据相比符合较好。利用模拟结果对全球Stokes-drift进行计算,结果发现:南极绕极流海域全年Stokes-drift最为突出;全球大部分海域Stokes影响深度在20m以内。对全球Langmuir数进行分析,结果表明全球大部分海域的混合作用是剪切不稳定诱导的混合和Langmuir湍效应并存的状态,甚至有些海域是以Langmuir湍效应为主。因此进行大尺度的海洋数值模拟时,应该将波浪导致的混合效应考虑在内,将Langmuir湍效应进行参数化处理,应用到传统的海洋模式中去。 采用海流模式POM对全球气候态的大洋环流进行模拟,并以此模拟结果作为背景场,波浪模拟数据作为外部强迫,将变换后的POM模式应用于全球大洋,用于研究海洋上层流场、垂向混合系数和垂向温度的变化。结果表明:考虑Stokes-drift前后,模式计算的Eulerian平均流和Lagrangian漂流均发生变化,这些变化与Stokes-drift的贡献有关。若将两者变化量进行矢量叠加,得到的流场即是Stokes-drift。考虑Stokes-drift之后,海洋上层垂向混合系数变大。在高纬度,垂向混合系数增强明显的海域,温度垂向混合加深效应显著;在低纬度,由于海面受热更强,层化效应更为显著,虽然垂向混合系数增强,但温度垂向变化不是很显著。


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