基于POM的浪流耦合模式的建立及其在大洋和近海的应用

【摘要】：海洋中温度的垂直结构大体可以分为三层:上混合层、温跃层和底层弱垂直温度梯度层。对于海洋环流模式来说,无论对于大尺度全球气候模拟还是小尺度的近海模拟,准确地再现上层海洋的垂直混合过程和模拟上混合层是很重要的。目前广泛应用Mellor和Yamada(M-Y)湍流混合模型在层化较强的流体(如夏季上层海洋)中对湍流混合系数计算效果不佳。模拟得到的夏季海洋表层温度(SST)偏高、上混合层偏浅且温跃层强度偏低是采用M-Y湍流混合模型的海洋环流数值模式所面临的普遍问题。 袁业立于1979年指出,造成表层海水混合的主要因素有三种:(1) 由非稳定层化造成的自由浮力对流;(2) 流动的剪切不稳定性;(3) 海浪的搅拌。在层化较强的上层海洋中,海浪的搅拌的作用可以超过前两种的作用的总合。M-Y湍流混合模型可以较好地描述和表达前两种机制造成的混合,但不包括海浪的搅拌造成的混合,这是采用M-Y湍流混合模型的海洋环流模式所模拟的夏季海洋上混合层偏浅的根本原因。如何准确地描述海浪引起的垂直涡动扩散系数并应用到实际的三维海洋模式中是一项具有挑战性的工作。 本文在袁业立和乔方利等提出的波浪运动混合的理论框架的基础上,基于MASNUM~1(前身为LAGFD-WAM)海浪波数谱数值模式和POM(普林斯顿海洋模式)环流模式建立了MASNUM浪-流耦合模式。耦合的方法是首先利用MASNUM海浪波数谱数值模式来计算波浪的方向谱,再利用袁业立、乔方利提出的理论计算浪致混合Bv和海浪对海流的动量转移项,并将其引入到环流模式中。 本文首先将MASNUM浪-流耦合模式应用到准全球大洋,所模拟的海浪有效波高同Topex/Poseidon高度计观测结果符合较好。由海浪模式得到的浪致混合Bv和由M-Y湍流模型得到垂向混合系数Kh相比,在夏季的中高纬度海区的上层,Bv比Kh要大;在低纬度热带海区上层Bv小于Kh。将浪-流耦合模式和采用M-Y湍流模型的原始POM模式模拟得到的夏季上层温度结构同Levitus资料比较表明:浪-流耦合模式的结果明显比原始POM的结果和Levitus资料相吻合,浪-流耦合模式模拟得到的夏季上混合层厚度比原始POM要深,和Levitus资料