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海表皮肤层厚度模型与应用

作　者: 张扬
导　师: 孙志林
学　校: 浙江大学
专　业: 港口海岸及近海工程
关键词: 巴切勒微尺度海表皮肤层统一厚度模型理查森数温盐剖面卫星遥感误差海气气体交换速率
分类号: P714
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海表皮肤层是海气边界层的重要组成部分和上层海洋温盐气剖面的上边界,也是海表温度(SST)和海表盐度(SSS)卫星遥感数据的可能误差源之一。海表皮肤层研究是海气交互作用的重要课题,对于提高遥感数据精度具有重要意义。本文首先引入Batchelor微尺度概念,提出了一个对海表风场和热通量场响应、用以计算海表温度、盐度和气体浓度皮肤层厚度的模型。据此认为任意两个皮肤层厚度之比可用对应物理量分子扩散率之比的平方根表示。模型对冷温层和高盐层效应的量化在理论上更为合理并符合实测资料。根据本厚度模型,可计算低风速情况下、海表风速和散热通量共同作用下的海气界面气体交换速率。利用OAFlux项目及ISCCP遥感实测的全球海表风场及热通量场等资料,基于皮肤层统一厚度模型模拟了全球海表面高盐层和冷温层的厚度及其上下表面物理量差异。结果显示,夜间无太阳热辐射情况下,全球高盐层和冷温层平均厚度分别约为65μm和1mm。全球平均冷温层上下表面温差均值为0.2℃左右,高盐层上下表面盐度差均值约为0.09psu。由高盐层厚度和上下表面盐度差模拟结果认为,高盐层在全球范围内可能引起的遥感海表盐度误差仅可达0.02psu。全球皮肤层理查森数分布显示,在大部分海域,皮肤层演变是由海表风应力引起的受迫对流控制。由于冷温层相比于高盐层更厚且更早达到不稳定,皮肤层内的自由对流不稳定性基本被冷温层作用控制。本文还对比了冷温层和高盐层分别对应的热通量场,分析了两皮肤层全球分布形态的相似性及其原因。考虑到遥感测量海水表面温度及表面盐度时需用海表以下实测温盐资料加以校正,但长时间大范围进行海洋表层海水垂向温盐剖面野外观测非常困难,建立经有限资料验证的混合层数值模型,用于模拟受太阳热辐射影响的表层海水温盐剖面演变十分重要。因此文章利用美国加利福尼亚湾三组船载光学实验的气象及海温资料,基于皮肤层效应和太阳热辐射的共同作用,结合混合层动力模式,建立了一个整合数值模型,用于模拟海表以下20m深度范围内的温盐剖面演变。本模型通过实时计算冷温层厚度合理加密了表层网格,并通过冷温层和高盐层作用的定量计算使数值模型更准确地估计海表的热量交换和盐度变化。计算结果与野外实测海温资料对比表明,模型能准确描述海温剖面的演变趋势。在近海表20cm深度内,特别是与遥感SST相关的近海表1cm深度内,模拟结果优于无本皮肤层模型的计算结果。文章也进一步分析了误差及其产生原因。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-13
1 绪论  13-32
  1.1 背景和意义  13-21
    1.1.1 海洋表层温盐剖面研究的背景和意义  13-19
    1.1.2 海气界面气体交换研究的背景和意义  19-21
  1.2 海洋表层温盐剖面及海气气体交换研究现状  21-30
    1.2.1 海表微尺度层研究现状  22-25
    1.2.2 热温层作用研究现状  25-27
    1.2.3 海-气气体交换研究现状  27-30
  1.3 海洋表层海水温盐剖面模拟及海气气体交换理论存在的问题  30-31
  1.4 本文的主要研究工作  31-32
2 海表皮肤层统一厚度模型  32-45
  2.1 海表皮肤层统一厚度模型的建立  32-39
    2.1.1 引入巴切勒(Batchelor)微尺度  32-34
    2.1.2 紊流耗散率和统一厚度模型  34-38
    2.1.3 海表面气体交换速度公式  38-39
  2.2 模型中参数和系数的确定  39-41
    2.2.1 模型参数的确定  39-40
    2.2.2 模型中系数的确定  40-41
  2.3 模型对比  41-44
    2.3.1 冷温层计算结果比较  41-43
    2.3.2 高盐层模型比较  43-44
  2.4 本章小结  44-45
3 全球海表冷温层、高盐层分布与分析  45-73
  3.1 研究资料及其分析  46-52
    3.1.1 研究资料的来源  46-47
    3.1.2 热通量场和海表风场全球分布的特点  47-52
  3.2 全球海域冷温层与高盐层分布  52-63
    3.2.1 理查森数全球海域分布与分析  52-55
    3.2.2 高盐层厚度全球海域分布与分析  55-58
    3.2.3 △T_C和△S的全球海域分布与分析  58-63
  3.3 模拟结果的分析与讨论  63-71
    3.3.1 高盐层对卫星遥感SSS误差的影响  63-65
    3.3.2 冷温层与高盐层全球分布相似性分析  65-68
    3.3.3 蒸发作用对皮肤层的影响  68-71
  3.4 本章小结  71-73
4 海洋表层温盐剖面演变模型  73-108
  4.1 温盐演变模型的建立  73-77
    4.1.1 二阶Mellor-Yamada模型  73-74
    4.1.2 模型的整合  74-75
    4.1.3 海温资料及气象资料  75-76
    4.1.4 初始条件及边界条件  76-77
  4.2 模型计算结果  77-98
    4.2.1 输入数据及理查森数分析  77-80
    4.2.2 冷温层模拟结果  80-84
    4.2.3 高盐层模拟结果  84-88
    4.2.4 水深5m内温度剖面演变的模拟  88-97
    4.2.5 水深5m内盐度剖面演变的模拟  97-98
  4.3 讨论及误差分析  98-106
    4.3.1 皮肤层模型对近海表温度剖面的优化  98-101
    4.3.2 温度剖面演变过程中的突变  101-104
    4.3.3 误差及其产生原因的分析  104-106
  4.4 本章小结  106-108
5 结论与展望  108-112
  5.1 主要结论  108-109
  5.2 创新点  109-110
  5.3 研究展望  110-112
参考文献  112-119
攻读博士学位期间取得的科研成果  119
  个人简历  119
  论文情况  119

海表皮肤层厚度模型与应用

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