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陆架海垂直混合过程研究

作　者: 汪嘉宁
导　师: 魏皓
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 陆架海垂直混合湍流分子扩散底边界层扩散边界层
分类号: P731.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海洋混合是陆架海中核心的物理过程之一,对海洋中物质的交换、动量和能量的输运与海洋环流系统的维持起着不可缺少的作用。陆架海是人类生存与发展最为重要的海域,其丰富的热力动力过程为多种环境下海洋混合过程的研究提供了良好的实验场。本文通过分析渤海、黄海和西北大西洋新英格兰陆架的现场观测资料,运用一维模型对观测现象进行了机制性模拟,阐述了不同层化、不同水层和不同时空尺度的陆架海垂直混合过程,讨论了水体各层之间的相互联系和影响,较为系统综合的研究了陆架海垂直混合过程。针对黄海强层化弱湍流背景下的湍流微尺度剖面观测数据,本文提出最佳拟合法来改进原有处理方法,通过在较高波数段使观测和理论剪切谱无限靠近消除湍流微尺度剖面仪在低波数段可能存在的观测误差,可以有效提高湍动能耗散率(ε)的估计准确性,对强层化水体中湍流观测数据的处理有参考意义。底边界层的湍流混合主要由剪切不稳定机制产生,强的流速剪切导致梯度Richardson数(Ri)小于0.25,对应着强的ε。渤海湾和新英格兰陆架的数据分别给出了水体弱层化和强层化背景下底界面强剪切混合的特征和其对水体的影响。通过分析以上数据得到如下主要结论：(1)在弱层化水体中底边界的强剪切混合可以延伸到水体内部,在强层化水体中强层结通过增加水体的稳定度抑制了强剪切混合向水体内部的延伸；(2)在强剪切向上延伸时,随着距底高度的增加剪切和流速都出现位相差,但剪切的位相差显著大于流速的位相差。本文发现剪切的位相差紧密联系于流速剖面中流速最大值位(?)max的变化,因为(?)max处流速导数为零,可以表征剪切从零开始增加的时刻。(?)max的变化由雷诺应力导致的流速位相差和流速振幅差共同决定,剪切位相差和流速位相差不一致的原因就在于不同高度流速振幅的差异。弱层化会增加上下层流速的位相差和振幅差,从而使剪切位相差也增加；(3)近底的强层化和地形坡度会对底边界湍流混合产生重要影响,近底层的差别输运和沿陆坡方向的盐度分布使向岸流时可以产生不稳定层化和对流混合,在离岸流时可以增加稳定层化的强度并抑制混合。近底强层化层的存在还破坏了近底湍动能生成率和耗散率的局地平衡,湍动能耗散率大于生成率,这可能是水平的湍动能输运或不稳定层结产生的负浮力通量导致的。本文基于新英格兰陆架的观测数据还探讨了水体内部的湍流混合机制。不同于边界层湍流,水体内部湍流混合很难基于宏观剪切不稳定理论去解释,而可根据内波的波波相互作用来阐述。ε并没有随Ri的减小而增加,而是随层化和剪切的增强而增加,浮频率的大小可以表征内波能量的强弱,ε看作是从大尺度内波向小尺度内波能量的传递速率。水体内部的流速剪切主要来源于近惯性内波运动。本文验证了MG模型在模拟陆架海水体内部ε的可行性,层化作用的双重性和MG模型缺少长度量纲的物理量是MG模型参数ε0不确定性的可能原因。本文提出以下措施来提高模拟的准确性,第一模型只能应用于剪切稳定水体,第二模型要应用到具有相似层化和剪切结构的水体中,第三通过在浮频率和剪切上增加指数常数来修正模型减小模拟误差。通过分析黄海会场湾和渤海湾扩散边界层和底边界层的联合原位观测数据,本文讨论了扩散边界层的分子混合过程和其与底边界层动力要素的联系。观测显示扩散边界层的厚度(δDBL)一般小于1mm,溶解氧浓度在扩散边界层呈线性减小趋势,沉积物-水界面扩散通量的大小紧密联系于δDBL。δDBL和扩散通量的变化显著受到了底边界层流速和ε的影响,在动力状况增强时δDBL减小,扩散通量增加。基于扩散边界层和底边界层的联系,我们首先根据量纲分析法提出使用流速和分子扩散系数来参数化δDBL,上述方案虽然具有很高的模拟准确性,但参数在不同地点变化较大,不具有普适性。随后我们提出使用分别以ε、摩擦速度和流速为变量的Batchelor尺度来量化δJDBL,结果表明以流速为变量的Batchelor尺度量化准确度最高,相关系数平方达0.73,该公式除流速外还考虑了各观测地点粗糙度和运动学粘性系数等变量,可以适用于两地观测数据,是趋向普适的参数化δDBL的方案。综上,水体内部和底边界层的垂直混合过程由湍流来控制,底边界层及其影响范围内水体的湍流主要由剪切不稳定机制产生,不受边界层影响的层化水体内部湍流可以由内波的波波相互作用来解释。扩散边界层的垂直混合过程由分子扩散来控制,但其显著受到了底边界层动力要素的影响,扩散边界层厚度可使用以流速为变量的Batchelor尺度来进行参数化。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-13
1 引言  13-20
  1.1 研究背景和动机  13-18
  1.2 本文的主要内容  18-20
2 研究方法  20-43
  2.1 观测与分析  20-32
    2.1.1 高频三维点式流速仪的湍参数处理  22-23
    2.1.2 湍流微尺度剖面仪的数据处理  23-32
  2.2 数值模型  32-43
    2.2.1 统计模拟  34-38
    2.2.2 一维湍流模型GOTM  38-43
3 弱层化背景下底边界层潮流剪切及其对水体的影响  43-61
  3.1 引言  43-44
  3.2 现场观测  44-45
  3.3 观测分析  45-54
    3.3.1 风和水体层化  45-47
    3.3.2 潮流特征  47-49
    3.3.3 对数层分布  49-50
    3.3.4 流速和剪切结构  50-54
  3.4 模型研究  54-59
    3.4.1 模型设置  54-56
    3.4.2 模型结果  56-59
  3.5 本章小结  59-61
4 强层化背景下底边界层湍流混合  61-86
  4.1 引言  61-62
  4.2 现场观测  62-66
  4.3 热盐分层  66-69
  4.4 湍流和水体稳定性的关系  69-74
  4.5 近底的强层化和湍流混合  74-84
    4.5.1 近底层的Ekman输运  74-78
    4.5.2 底边界层的湍流耗散  78-84
  4.6 本章小结  84-86
5 水体内部的湍流混合及其参数化  86-103
  5.1 引言  86-87
  5.2 湍流混合的观测特征  87-96
  5.3 基于波波相互作用湍流混合的参数化  96-101
  5.4 本章小结  101-103
6 扩散边界层对底边界层动力过程的响应  103-125
  6.1 引言  103-104
  6.2 现场观测  104-107
  6.3 底边界层的动力过程  107-111
  6.4 扩散边界层厚度和扩散通量  111-118
  6.5 扩散边界层厚度的参数化  118-123
  6.6 本章小结  123-125
7 结论和展望  125-130
  7.1 结论  125-128
  7.2 展望  128-130
参考文献  130-145
致谢  145-146
个人简历  146
在学期间发表的学术论文  146-147

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