考虑摩擦效应的绕岛环流理论及其应用

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绕岛环流理论来自于Sverdrup理论,被广泛用于估计和分析通过岛屿之间或岛屿与海盆边界之间通道的输运情况。本文首先对所研究的环流理论来源情况进行了简单的回顾,介绍了绕岛环流理论的发展历程和研究现状。然后从动量方程出发,通过对方程进行深度积分,系统的推出了绕岛环流理论,并分析了绕岛环流理论的适用范围及优缺点。对于绕岛环流理论只考虑一个岛屿的情况,本文对此进行了推广。首先考虑了两个岛屿的情形,分别就岛屿为部分重叠、右侧岛屿纬度包含左侧岛屿纬度及左侧岛屿纬度包含右侧岛屿纬度三种情况进行了分析,得到了含有两个岛屿的绕岛环流理论,并将结论推广到多个岛屿。对于绕岛环流理论中岛屿远离西边界流,忽略岛屿左侧摩擦的情况,本文进行了分析。以往的研究得到了带有侧摩擦或底摩擦的单岛理论或多岛理论。本文在线性情况下考虑了风驱动环流下的解析模型。在同时考虑侧摩擦和底摩擦的情况下,推导出了岛屿周围输运流函数的解析解,并给出了通过岛屿之间或岛屿与海盆边界之间通道的流量输运。其结果与Wajsowicz相似,但摩擦常数表示不同的值。从解析解上看,摩擦常数与侧摩擦和底摩擦之间的关系比较复杂,为了推导出它们之间的相互作用原理,本文在正压β平面上随机选取了一些侧摩擦和底摩擦的值。结果表明,在构成摩擦常数方面,侧摩擦和底摩擦近似呈线性关系。我们研究了宽度对通道输运值的影响,结果表明摩擦在一定宽度内提高了流量,这种现象和只考虑侧摩擦时比较相似。本文也比较了在不同深度下的流量,发现当侧摩擦和底部拖曳系数固定时,水深越大,输运减少率越小。为了进一步揭示侧摩擦和底摩擦耗散的联合作用,在两个岛屿的情况下,本文在不同宽度的通道中与Wajsowicz的只考虑底摩擦或侧摩擦的模型进行了比较。结果表明,当通道比较窄,尤其是在小于Munk边界层厚度时,侧摩擦的作用大于底摩擦。当通道宽度远大于Munk边界层厚度时,底摩擦的作用大于侧摩擦。通过考虑摩擦效应,本文得到了带有侧摩擦与底摩擦的多岛理论。在对所研究的海域情况进行了简单的总结和回顾后,本文利用CCMP资料,选用1988-2014年期间共27年的风场数据,将其转化为风应力,通过多年平均的风应力场得到印尼贯穿流的输运,并与在考虑摩擦后的值进行比较,得到大约20%的输运减少量。Seung在研究对马海流的体积输运中,构建了一个两端海盆为斜压,浅的海峡通道为正压但考虑摩擦效应的解析模型,此模型不同于以前的考虑摩擦的正压模型或不考虑摩擦的斜压模型。本文将此模型进行了推广,利用Godfrey绕岛环流理论的思想,得到了带有综合斜压效应和正压效应的两岛理论,并将其应用于对马暖流。
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