穿透性太阳辐射和盐度作用对混合层深度的影响

【摘要】：海洋上混合层的动力和热力过程对整个海洋和大气的运动都有着至关重要的作用，它们决定了大气和整个海洋之间的质量、动量、热量的交换。总的说来，人们对海洋上混合层的热力结构的认识已经颇为深入，但是对混合层内的许多动力过程，以及这些动力过程和热力过程的相互耦合尚缺乏深入的了解。而且，还存在许多问题是人们以前所长期忽视的，如穿透性太阳辐射、盐度效应等在上层海洋动力、热力过程中的作用。对这些问题认识的欠缺，无疑会对海洋上层动力和热力结构的整体认识、数值模拟造成一定的偏差。 本论文在前人研究工作的基础上，利用一维Kraus-Turner海洋混合层模式，对穿透性太阳辐射、盐度效应在海洋混合层发展过程中对混合层深度的影响进行了研究和探讨。本文研究的基本思路是：采用Murtugudde等(1996)提出的描述穿透性太阳辐射的经验公式，代入一维Kraus-Turner海洋混合层模式，研究穿透性太阳辐射对混合层深度的影响；并在此基础上，加入盐度守恒方程，讨论盐度效应在混合层发展过程中对混合层深度的作用。另外，论文对海洋中“次表层海温反升”现象的有关问题也进行了讨论。 ●穿透性太阳辐射对混合层深度的影响 论文采用Murtugudde等单e指数形式的描述太阳穿透性短波辐射的经验公式，将其代入Kraus-Turner一维时变混合层物理模型，得到混合层深度的控制方程。通过数值试验，本文以太平洋赤道、北纬30°、北纬50°海区为例，研究了在不同热状况和不同风速下，穿透性太阳辐射对混合层深度的影响。结果表明：考虑穿透性太阳辐射计算的混合层深度比忽略穿透性太阳辐射的计算结果要深(两者之差最大可达35m)；穿透性太阳辐射对混合层深度的影响程度受风速和海表净短波辐射共同控制，当两者同时满足一定条件时，穿透性太阳辐射对混合层深度的影响比较显著(比如，穿透性太阳辐射对混合层深度影响超过20m的区域一般处于低风速(U_(10)＜10m／s)，且短波辐射处于40～200 W／m~2范围内)。 穿透性太阳辐射对混合层深度的影响随风速和太阳净短波辐射的变化也表现出较强的规律性。在较高风速时(U_(10)＞10m／s)，穿透性太阳辐射对混合层深度的影响随净短波辐射的增加而增大；在低风速时(U_(10)＜10m／s)，情况有所不同： 穿透性太阳辐射和盐度作用对混合层深度的影响 穿透性辐射对混合层深度的影响随净短波辐射的增加先增大后减小，当净短波辐 射大于一定值时，反而会抑制穿透性太阳辐射的作用。当净短波辐射较强时，穿 透性太阳辐射对混合层深度的影响随风速增加先增大后减小;当海面净短波辐射 较小时，穿透性太阳辐射对混合层深度的影响随风速的增加而单调减小。 本文还利用推导的考虑穿透性太阳辐射的混合层发展方程，用20 N，95“W 站点的观测资料(TAO一TRITON资料)对该站点的混合层深度进行了计算，并 与未考虑穿透性太阳辐射的计算方法进行了对比。结果表明，考虑穿透性太阳辐 射的影响，而非单纯的表面加热和冷却过程，能更加细致的刻画混合层深度的短 周期变化。计算结果比未考虑穿透性太阳辐射的计算方法在很大程度上减小了计 算误差，这对改善模式计算的准确性和稳定性都有显著的意义。 .盐度作用对混合层深度的影响 论文在考虑穿透性太阳辐射的基础上，加入混合层盐度守恒方程，推导了考 虑盐度作用时的混合层深度发展方程。然后用数学分析的方法，讨论了在计算过 程中，当混合层处于不同的发展阶段时，影响混合层深度的盐度效应因子。并通 过几组数值试验，讨论了盐度作用在不同的外部条件时对混合层深度的影响。 数值试验的结果显示，若不考虑海面降雨蒸发过程时，盐度作用对混合层深 度的影响有以下特点:当混合层处于Detrainlnent阶段时，盐度对混合层深度的 影响很小，完全可以忽略;当混合层处于Entr~ent阶段时，盐度对混合层深 度的影响较大，且混合层越发展，盐度作用对混合层深度的影响越大。 而且，盐度作用对混合层深度的影响与海洋上层的盐度垂向分布密切相关。 当混合层内海水盐度小于混合层底的海水盐度时，盐度作用会使混合层变浅;反 之，则会使混合层变深。盐度作用对混合层深度的影响也随风速和海表净短波辐 射的变化而变化。当海表净短波辐射一定时，盐度作用对混合层深度的影响随风 速增加而增大;当风速一定时，盐度作用对混合层深度的影响随海表净短波辐射 的增加而减小。 海面降雨蒸发过程引起的盐度变化，对混合层深度也有不同程度的影响。强 烈的降雨过程可以引起混合层内动能产生函数迅速减小，混合层深度在较短的时 间迅速变浅，发生剧烈变化。而蒸发过程则对混合层深度的影响相对较弱，几乎 可以忽略。 穿透性太阳辐射和盐度作用对混合层深度的影响 次表层海水温度反升现象与海洋上层的盐度作用密切相关。本文最后加入次 表层海水温度、盐度控制方程，通过相应的数值试验，讨论了次表层温度反升现 象的产生和消亡过程，并对次表层温度反升现象对混合层深度和混合层内温度结 构的影响进行了初步的探讨。数值试验结果显示:当次表层海水温度高于混合层 内海水温度后，混合层加深速率