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南海陆架坡风致混合及长期混合观测方法研究

作　者: 张艳伟
导　师: 田纪伟
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 南海湍流混合近惯性内波长期观测混合参数化
分类号: P731.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

南海是西北太平洋最大的边缘海,蕴涵着丰富的能量以及各种各样的海洋动力过程,局地风场和潮流产生的内波破碎一般会导致强混合。近岸海洋混合是研究水团物理特征、近岸环流、营养盐通量、近岸环境污染物分布的重要物理过程。南海陆架坡提供了一个很好的实验平台用于研究风致混合及各种决定陆架坡混合变化的动力过程。虽然风致内波、风致混合对海洋内部能量、物质输运等方面的重要作用得到了人们的认可,但是受限于目前的观测手段,很难得到连续的混合观测资料,特别是在极端天气状况下的集成观测数据,使得强风场向海洋内部输运能量、产生强混合的过程仍没有得到很深入的研究。在本论文中,我们主要解决的问题包括如下两个大的方面:(1)根据在南海陆架坡得到的连续小尺度观测资料、流场资料等,分析强风暴天气情况下海洋的响应,包括海洋混合的变化过程、海洋内波的能量传播等,目的在于研究风致混合随着时间、空间的演变过程以及产生机制。(2)为了在各种天气情况下进行长时间、连续混合观测,本论文利用一种新的观测仪器提出在惯性-对流子域内计算混合参数的新方法。2005年8月在南海陆架坡处19o37’ N, 112o04’ E进行了一次集成海洋混合观测,包括锚系ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)流场资料、由小尺度垂向剖面仪TurboMap II观测得到的湍动能耗散率ε剖面以及由温盐链得到的温盐资料。这是第一次在南海通过直接观测获取的高分辨率ε分布结果,并且这次观测是在一次风暴天气过程中进行的。通过观测发现,在混合层内风前、风后的平均湍动能耗散率分别为1. 5×10?6Wkg ?1和2. 0×10?6Wkg ?1,并没有发生明显变化,但是平均混合层由风前的12m增加到了风后的22m,即经过风暴之后强混合层厚度大约增加了10m,而且强混合经过风暴后可以穿透到60m或者更深的水层内。风暴过境期间激发了近惯性内波,能持续1.5个惯性周期或者更长的时间。通过旋转谱分析发现近惯性频率内波能量具有下传的趋势,通过垂向模态分解得出高模态近惯性内波更有效地生成剪切不稳定,是海洋内部强混合的能量来源。为了能更好地研究各种极端天气情况下海洋的响应,特别是小尺度混合过程的长期变化规律,如何能获取连续的长期观测资料是最大的瓶颈,文中介绍了一种新的混合观测仪器χpod,用于实现混合资料的长期连续观测。利用2005年在赤道太平洋锚系系统TAO上得到的高分辨率、长期观测资料,在惯性-对流子域内通过温度梯度谱的尺度分析估算了热耗散率和湍动能耗散率。得到的结果与通过高波数范围内的温度梯度谱尺度分析得到的混合参数结果进行了比较,结果发现在这两种波数范围内计算的数值在90%置信区间内吻合得比较好,相差在5倍以内。我们建议具有2Hz的采样频率的温度观测资料就可以估算出合理的热耗散率及相关的其他混合参数,远远低于120Hz采样频率,因此大大降低了长时间观测对于数据存储的要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章前言  10-21
  1.1 内波混合的研究意义和现状  10-12
  1.2 风致混合的研究意义和现状  12-14
  1.3 上层海洋混合的研究意义和现状  14-17
  1.4 南海的一些基本背景介绍  17-18
  1.5 海洋混合的参数化和观测  18-20
  1.6 本文所要解决的科学问题和主要工作  20-21
第二章南海陆架坡风致混合研究  21-65
  2.1 研究背景介绍  21-22
  2.2 观测实验及数据介绍  22-27
    2.2.1 微尺度观测  23-25
    2.2.2 流场观测  25-26
    2.2.3 温盐链观测  26-27
    2.2.4 风场观测  27
  2.3 水文背景分析  27-30
  2.4 湍流混合  30-34
  2.5 南海陆架坡处的内波  34-49
    2.5.1 流场情况介绍  34-37
    2.5.2 功率谱分析  37-40
    2.5.3 各主要频率段流场提取和计算  40-43
    2.5.4 旋转谱分析  43-45
    2.5.5 垂向模态分解  45-49
  2.6 数值模型结果比较  49-62
    2.6.1 CB94 模型  49-53
    2.6.2 KWB 模型  53-56
    2.6.3 MG 模型  56-58
    2.6.4 计算湍动能耗散率的新模型  58-62
  2.7 小结  62-65
第三章长期混合观测研究  65-98
  3.1 研究背景  65-71
    3.1.1 长期连续混合观测的意义及现状  65-66
    3.1.2 χpod 的基本介绍  66-68
    3.1.3 利用梯度谱计算混合参数的理论基础  68-71
  3.2 实验观测介绍  71-76
    3.2.1 实验装置  71-72
    3.2.2 实验数据  72-76
  3.3 计算方法介绍  76-82
    3.3.1 定义  76-77
    3.3.2 惯性-对流子域  77-79
    3.3.3 剔除表面重力波影响  79-82
  3.4 计算结果  82-86
  3.5 利用低频采样重新计算  86-91
  3.6 误差来源分析  91-96
  3.7 小结与讨论  96-98
第四章结论和展望  98-101
  4.1 研究工作总结  98-99
  4.2 本文主要创新点  99-100
  4.3 对今后工作的展望  100-101
参考文献  101-110
致谢  110-111
个人简历  111

南海陆架坡风致混合及长期混合观测方法研究

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