【摘 要】
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表面重力波位于海气界面处,能够通过调节海气之间的动量通量间接影响上层海洋,一方面,表面重力波能够改变大气下垫面粗糙度长度,影响大气的动量输出tair;另一方面,波浪演化过程中对动量的吸收或释放控制着进入海洋流场的动量通量toc。此外,表面重力波还会通过波流相互作用直接影响海洋上层的动力学和热力学结构,其中斯托克斯漂流理论是波流相互作用的重要组成部分。目前在海洋环流模式中越来越多地考虑了波浪的作用,
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表面重力波位于海气界面处,能够通过调节海气之间的动量通量间接影响上层海洋,一方面,表面重力波能够改变大气下垫面粗糙度长度,影响大气的动量输出tair;另一方面,波浪演化过程中对动量的吸收或释放控制着进入海洋流场的动量通量toc。此外,表面重力波还会通过波流相互作用直接影响海洋上层的动力学和热力学结构,其中斯托克斯漂流理论是波流相互作用的重要组成部分。目前在海洋环流模式中越来越多地考虑了波浪的作用,但是对于波浪演化在海气动量交换中的作用还尚未引起足够重视,在海洋环流模式中常常使用tair代替toc直接驱动海洋流场;同时对斯托克斯漂流大小和剪切的准确模拟还存在不足。在此背景下,本文研究了波浪演化对海气动量通量及上层海洋的影响,探讨了斯托克斯漂流估算偏差对海洋模拟的影响,给出了适用于台风条件下的斯托克斯漂流估算方法。本文根据研究需求,对COAWST(Coupled Ocean Atmosphere Waves Sediment Transport)耦合模式做了扩展和改进,在此基础上深入研究了波浪演化过程及斯托克斯漂流对上层海洋的影响,主要的研究结论如下:(1)波浪演化能够明显减弱台风路径右侧进入海洋的动量通量toc,相比tair最大降幅可达16%,抑制了台风右侧混合层流场对台风的响应,在混合层底部对近惯性能量的减弱超过10%,从而减小了混合层对台风的降温响应。对西北大西洋的模拟显示波浪演化对海气动量通量的影响与风场强度和变化率密切相关((?)U10/(?)t·U10),同时波浪演化对不同频率风应力和表层流场的影响差异明显,在考虑波浪演化后,对表层近惯性和超惯性流的减弱分别达到了15%和20%。(2)若在浪-流耦合模式中仅考虑斯托克斯漂流与平均流的相互作用(包括Coriolis–Stokes力、斯托克斯压力校正和Stokes-Vortex力)而忽略朗缪尔湍流作用,表面重力波会减弱混合层底部的夹卷作用,抑制混合层对台风的降温响应。考虑朗缪尔湍流作用后,波浪表现出对上层海洋混合的增强作用,促进了混合层对台风的降温响应。(3)在台风条件下,指数法是最优的斯托克斯漂流估算方法,其对斯托克斯漂流的估计最接近全波谱积分结果,同时计算效率是全波谱法的2.13倍;Phillips谱估计法适用于对小于25 ms-1的中低风速模拟,能够减小指数法对表层斯托克斯漂流的高估,计算效率是全波谱法的1.44倍。单色谱法计算效率与指数法相近,但估算偏差最大,所导致的对温度的模拟偏差达-0.2~0.1℃。研究发现使用指数法和Phillips谱估计方法代替单色谱法能够改善对海洋上层流场和温度的模拟结果,将温度模拟偏差减小到-0.04~0.08℃,相比斯托克斯漂流对上层海洋温度的贡献-0.2~0.3℃,这种改进是显著的。
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