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基于大涡模拟的海冰悬浮两相流研究

王敏敏  
【摘要】:了解全球气候系统行为的一个关键因素是对极地的气候进行模拟。而其中,北极的海冰作为北极气候系统的重要组成部分,在海洋热量收支过程中占有重要的研究地位。在全球普遍变暖的背景下,北极的气候系统正在发生着非常显著的变化。而影响极地海洋边界层的因素主要包括海冰运动、浮冰、冰间水道、海冰粗糙度等。研究表明,有两个过程是控制海冰的属性:动力学过程,它使冰变形、引起水道破裂或冻结;而热力学过程主要控制着冰盖峰的消融。本文呈现了一种新的海冰模型,并且在前人的工作基础上,结合大涡模拟方法(LES)制定出了适当的海冰校正模型。数值实验是通过将大涡模拟(LES)耦合到海冰模型来实现的,以此研究北极冬季海洋边界层的浮冰动力学和海冰运动。浮冰的浓度使用的是OS版本模型(Omstedt和Svensson,1984)。冰晶体半径和生长速率被设定为恒值,并且还将温度和盐度随深度的变化因素考虑进去。本文仿真的浓度结果与前人文献数据相类似。浮冰的浓度分布会受到海冰运动的影响,当海冰在海水中处于静止状态时,浮冰浓度以细胞模式分布,但是这种分布将被由海冰运动引起的海流所破坏,浮冰的浓度以条纹的形式进行分布,而条纹则与水流的方向保持一致。在这个模型中,考虑到地球旋转,海流在水平方向会产生偏转。海冰粗糙度在涡流形成过程中具有十分重要的作用。由海冰运动引起的夹带流影响了涡流,并对冰晶在垂直方向上的分布也有显著影响,而冰晶体的上升速度和冰浓度的源项系数也会影响浮冰的动力学。温度和盐度一直是海冰模拟研究的两个关键变量。本文还就温度和盐度在海-冰相互界面的变化影响作了相关讨论,通过改变海冰运动速度后,比较盐度、温度对不同速度的反应来说明表面海冰速度的影响作用,海冰的存在隔离了热通量与海洋表面的传输,海冰的运动加快了垂向温盐输运,温盐梯度减少。此外本文还着重讨论了热盐通量在垂直方向上的输运情况。模拟结果显示海冰运动会导致温盐流的滚动循环加快。


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