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波浪对海洋上混合层温度变化的影响研究

张晓爽  
【摘要】:本文主要工作为通过在混合层温度变化方程中加入波浪作用项并进行定量计算和在环流模式HYCOM中以边界条件的形式加入波浪的作用模拟上层海洋温度场两个方面研究分析了波浪的大尺度效应对海洋上混合层温度变化影响的存在性,时空分布特征和相对重要性。 通过对混合层温度方程的分析,结合已有Stokes漂流在上层海洋中对平均流,质量输运和能量传递等方面影响的相关结论,在本文中指出Stokes漂流的存在对混合层温度变化方程中的平流热输送项具有一定的贡献,因此本文对混合层温度变化方程进行修正,在混合层温度方程中加入Stokes漂流的平流热输送作用项。根据修正形式的混合层温度变化方程,首先对方程中的各贡献项(平均流诱导的平流热输送项,波浪诱导的平流热输送项,热通量贡献项和垂直卷挟作用项)进行量纲分析,从量纲角度分析波浪作用与其它各贡献项的可比性。量纲分析的结果表明在南、北半球中高纬度区域,波浪的作用较为显著,能够达到与平均流贡献项和热通量贡献项同等量级,因此,对波浪的作用进行研究是必要的。根据混合层温度变化方程利用HYCOM和WW3模式模拟获得的数据资料对波浪的平流热输送贡献项和其它各贡献项进行定量计算,对各贡献项的空间分布特征,以及季节变化特征进行分析,并比较分析波浪作用的重要性。计算结果表明,波浪平流热输送作用在南、北半球高纬度海域(40°N-60°N,40°S-60°S),对混合层温度变化率贡献的量值较大,而中低纬度海域其贡献的量值较小。在南极绕极流区域波浪平流热输送作用贡献Ts的正的最大值能够达到0.23×10~(-6)℃/s,即0.6℃/月,而Ts负贡献的最大值为0.22×10~(-6)℃/s,即0.57℃/月,年平均量值为0.0992×10~(-6)℃/s,相当于0.26℃/月。全球平均的Ts量值的季节变化特征为,对应北半球的夏、秋季量值较大,冬、春季量值相对较小。研究表明与平均流的热输送作用相比,在南、北半球的中高纬度区域,浪致平流热输送的贡献是非常显著的,浪致水平热输送项Ts与平均流热输送项Tc绝对值的比值在64°S纬线上出现最大值,能够达到50%,即波浪的贡献占平均流贡献的一半;在40°S-60°S范围内,即南极绕极流区域的平均比值也较高,能够达到40%;北半球40°N-70°N的范围内的平均比值也能够达到30%以上;在低纬度区域Ts与Tc的比值与高纬度相比相对较小,南、北半球纬度10°-30°内的量值大约为20%。加入波浪平流热输送作用后,混合层温度变化率的改变量同样是较为显著的,加入波浪的作用后,整体混合层温度变化率改变量值的全球平均值能够达到6%以上,并且在南极绕极流区域能够达到近10%的变化。而对于月平均的结果,南极绕极流区域在7月和10月表现出了15%以上的改变。波浪平流热输送项与平均流作用项的比值和加入波浪作用后混合层温度变化率改变的量值证实了波浪平流热输送作用在混合层温度变化过程中的重要性。波浪作用项并不是混合层温度变化的最主要的主导项,但是波浪的平流热输送作用,在海洋上混合层温度场的变化过程中是不容忽视的。 本文进一步通过将浪致Coriolis-Stokes力以边界条件的形式引入到HYCOM模式中,模拟给出海表面温度场数据,并与实测数据进行比较,对波浪影响海洋上层温度变化进行验证。实验分为两组,第一组HYCOM模式中未加入波浪的作用,第二组实验HYCOM模式中引入了波浪的影响。选取2001年Argo浮标在太平洋海域不同纬度范围内的五组实测SST数据,与模拟所获得的SST进行比较,得出这样的结论:HYCOM模式中引入波浪作用后对海表面温度SST的模拟结果比未引入波浪的影响更接近实测,这一结果证明了波浪的作用对于海洋上层温度场变化影响的真实存在性和重要性。 利用ECMWF ERA-40波浪数据集对南极绕极流区域的海表面波浪场有效波高要素年距平的低频变化特征进行研究,研究结果表明在南极绕极流区域的海表面波浪场中存在与南极绕极波(ACW)特征一致的低频信号,有效波高年距平信号具有明显的4-5年周期性,并且在1985-1995年时间段内表现了明显的向东传播的特征。此外,有效波高年距平信号与SST距平信号间具有一定的相关性,波浪信号超前于SST信号。南极绕极流区域的波浪场与SST具有一致的低频变化特征和二者间超前滞后的关系,揭示了海表面波浪对海表面温度距平的长周期变化存在影响的可能性。


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