基于数值模拟的台风浪对海表降温以及北极海浪研究

【摘要】：海浪作为海洋和大气相互作用的产物,在此相互作用过程当中,会出现动量、能量和其他物理量的交换,而由热带气旋在移动过程当中所生成的海浪对海洋上层能量输入、物质交换以及上层温度的影响有着更加重要的作用。随着计算机以及海洋理论知识的发展,数值模型在海洋预报业务化方面有着不可或缺的作用。西太平洋是热带气旋的高发地区,并且近年来因全球气候变暖北极海冰的融化导致日益增强的海浪活动出现在北极的相关海域。本文基于数值模型来研究西太平洋双台风引起的台风浪对海洋表面降温的影响以及北冰洋波浪的长期分布,文章主要分为两个部分:第一部分利用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模型以及sb POM海洋环流模型模拟双台风背景下产生的台风浪对海表降温的影响;第二部分利用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模型研究北冰洋的长期波浪分布情况。本文利用ECMWF再分析风场资料和Holland台风模型构建H-E台风风场,并且将其作为WAVEWATCH-Ⅲ模型的驱动场,模拟四个台风期间的波浪场。通过Jason-2卫星高度计有效波高数据验证了WAVEWATCH-Ⅲ模型模拟结果。对比结果表明,在双台风“布拉万”(Bolvan),“天平”(Tembin)和双台风“灿鸿”(Chan-hom),“莲花”(Linfa)期间,有效波高的均方根误差分别为0.54m和0.5m,相关性分别为0.91和0.90。基于WAVEWATCH-Ⅲ模型输出的波浪要素和相应的参数化方案,计算了四种波浪效应:波浪破碎,搅拌混合,辐射应力,斯托克斯漂。将四种波浪效应加入到sb POM环流模型的控制方程当中,通过Argo浮标数据对比sb POM模型模拟结果,发现与未加入波浪效应之前其精确度提高了0.4℃。我们还分析了在四次台风期间海表面温度的日平均分布,发现平行型双台风引起的降温幅度大约在2℃,交叉型双台风引起的降温幅度大约在4℃。在模型当中引入由台风引起的波浪诱导效应时,混合显著增强,垂直混合系数增加了3倍以上。另外,交叉型双台风引起的混合比与平行型双台风引起混合的强度要强,前者在垂直方向上的扰动深度达到了100米而后者的扰动深度只有50米。对于北极波浪的研究,本文利用WAVEWATCH-Ⅲ模型(版本6.07)提供的8个海冰源项(IC1、IC2、IC3、IC4＿M1、IC4＿M2、IC5、IS1和IS2),并以ECMWF再分析资料风场、哥白尼海洋环境监测中心的海冰浓度和海冰厚度为强迫场,对2017年4个月份(3月,5月,9月和12月)进行模拟。使用Jason-2卫星高度计数据对模拟结果进行验证,比较显示在5月和9月海冰减少期间有效波高的均方根误差约为0.6m,而在3月和12月海冰扩张期间的均方根误差约为0.9m。对比8个冰源项的模拟结果,以及在高纬度使用IS1和IS2冰源项的波浪模拟不足,最终认为IC4＿M1适合北冰洋波浪的模拟。将60°N以上的北冰洋海域分布划分为8个特定区域,并发现WAVEWATCH-Ⅲ模型模拟的有效波高的季节性变化存在两种模式:“U”型和“SIN”型。在“U”型下,有效波高的波谷出现在6月,在“SIN”型下,有效波高在5月到10月期间随着风速的降低而逐渐增加,引起这种结果的原因可能是因为海冰覆盖面积减少导致相关的风区扩张。并且年际波浪变化表明,风速的趋势和“U”型下的有效波高保持一致,在20年间北冰洋长期波浪分布表明北冰洋的风是影响年际变化的关键。