浪致混合效应的耦合模式模拟.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#浪致混合效应的耦合模式模拟**张文清，管长龙（中国海洋大学海洋与大气学院，青岛266100）5摘要：进入21世纪后，人们对海浪研究关注的焦点从海浪自身的基础性理论研究转向了海浪对其他海洋动力过程的影响和作用，特别是海浪对海洋上混合层的混合作用。本文在海—气—浪—沉积输运耦合模式（TheCoupled-Ocean-Atmosphere-Wave-SedimentTransportModelingSystem,COAWST）中，添加了波生运动混合作用的参数化方案，并针对台风过程10下的海浪破碎和波生运动两种不同机制的浪致混合作用进行了理想数值实验，初步探讨了海洋对台风的响应情况以及两种不同浪致混合机制在COAWST耦合模式中的表现。数值实验表明考虑海浪破碎、波生运动的混合作用均能让全场平均的海表温度模拟结果降低，混合层深度增深，湍动能、湍粘性系数和湍耗散率增加。波生运动能够有效地将湍动能向深处传递，增强上层海洋的混合。海浪破碎和波生运动的浪致混合作用的参数化方案及其在k-ω湍混合15方案中的嵌入形式具有可行性。关键词：浪致混合；海浪破碎；波生运动；COAWST耦合模式中图分类号：P731.22NumericalSimulationoftheWave-InducedMixinginthe20CoupledModelZHANGWenqing,GUANChanglong(CollegeofOceanicandAtmosphericSciences,OceanUniversityofChina,Qingdao266100)Abstract:After21STcentury,marinescientistsbegintopayattentiontotheoceanwave’seffectontheotheroceandynamicprocesses,suchassurfacewave-inducedmixingintheupperoceanmixed25layer.Inthispaper,theparameterizationschemeofthemixingduetoturbulencegeneratedbywave-inducedmotionisaddedtothecoupledocean-atmosphere-wave-sedimenttransportmodelingsystem(COAWST).Theresponseofoceantohurricanewiththemodifiedcoupledmodelingsystemwhichcontainsparameterizationschemesofeffectsofthewavebreakingandwave-inducedmotiononthemixingareinvestigatedbyidealizedhurricanecases.Intheseidealizedcases,theseasurface30temperaturewillbedecreased,andthemixedlayerdepth,turbulencekineticenergy(TKE),verticalviscositycoefficient(AKV)anddissipationofTKEwillbeincreasediftheeffectsofthewavebreakingandwave-inducedmotiononthemixingareconsidered.Wave-inducedmotioncaneffectivelytransfertheturbulentkineticenergytothedeeperoceanandenhancethemixtureoftheupperocean.Furthermore,theparameterizedschemesofmixingduetoturbulencegeneratedbywavebreakingand35wave-inducedmotionwhichareembeddedinthek-ωturbulentmixingschemearefeasible.Keywords:surfacewaveinducedmixing;wavebreaking;wave-inducedmotion;COAWSTcoupledmodel400引言目前的海洋模式（比如POM、FVCOM等）基于现有的湍流混合方案（比如K-Profile参数化方案，Mellor-Yamada湍封闭方案等），在模拟夏季海洋混合层时，其结果普遍存在[1,2]海表面温度过高、混合层深度过浅的问题。人们分析，这是由于混合层中的某些物理过程未被考虑从而使得混合不充分。由此，人们开始探寻增强海洋上层混合的物理过程和数值基金项目：教育部博士点基金资助项目（20130132130002号）；国家自然科学基金资助项目（41276010号）作者简介：张文清(1988-)，女，博士研究生，主要研究方向：海浪与小尺度海气相互作用通信联系人：管长龙(1963-)，男，教授，博导，主要研究方向：海浪与小尺度海气相互作用.E-mail:clguan@ouc.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[3-7]45方案。其中，海浪在上层海洋中的混合作用已成为一个热点课题，特别是在台风过程中，巨大的台风浪不仅能够增强海气之间的动量、热量和物质的交换，同时，也能够加强上层海[8,9]洋的混合。目前提出的相关浪致混合理论可总结为三个方面；1）海浪破碎生成湍流，增强混合；2）海浪运动诱导的水质点运动（本文称之为波生运动）产生的混合作用；3）波-湍相互作用产[10]50生的混合作用。近些年来，国内外已有研究指出在海洋数值模式中,考虑海浪破碎的混合效应可以使得耗散率分布的观测特点可以被较好地反映出来，但在加深混合层深度和改善海[6,11,12]表温度模拟结果方面，海浪破碎的混合作用并不十分显著；考虑波生运动或者波-湍相互作用的浪致混合效应可以明显改善海表温度SST和大洋混合层深度MLD的数值模拟结果[13,14]。尽管在浪致混合研究方面已经取得上述诸多成果，但要将浪致混合作用作为一种物理55机制嵌入海洋环流数值模式中，还有很多问题需要解决。其中最为突出的一个问题就是：浪致混合作用在数值模式中如何进行参数化以及其嵌入形式。本文利用海—气—浪—沉积输运耦合模式，在海洋模式中添加了波生运动混合作用的参数化方案，并针对台风过程下的海浪破碎和波生运动两种不同机制的浪致混合作用进行了理想数值实验，初步探讨了海洋对台风的响应情况以及两种不同浪致混合机制在COAWST耦60合模式中的表现。以期寻求一个合理的浪致混合方案，提高数值模式对海洋上混合层热力结构的模拟能力，进而为提高台风数值模式的预报和模拟能力提供支持。1数值实验方法1.1数值模式简介本文采用了WoodsHole近岸海洋科学中心（WoodsHoleCoastalandMarineScience65Center）研发的海-气-浪-沉积输运耦合模式（TheCoupled-Ocean-Atmosphere-Wave-SedimentTransportModelingSystem，COAWST），其中包含了区域海洋模式ROMS（RegionalOceanModellingSystem）、大气模式WRF（WeahterResearchandForecastingModel）、海浪模式SWAN（SimulatingWavesNearshoreModel）和沉积输运模式NCSTM（NationalCommunitySediment-TransportModel）。COAWST耦合模式利用MCT耦合器，将上述三个模式耦合起70来，实现了各子模式之间的数据交换,如图1所示。同时也对海气交换参数化方案进行了改进，并嵌入了浪-流相互作用，使得各子模式之间的耦合不仅仅是单纯的数据交换过程，增加了大气、海浪、环流中各物理过程的耦合。首先，在海气交换方面，针对海气界面的粗糙[15-17]度的计算，引入了波浪的影响，提供了三种参数化方案，即TY2001、DGHQ、OO2002。[18][19,20]其次，在浪-流相互作用方面，提供了辐射应力和涡度力两种耦合方案。然而，在浪75致混合作用方面，提供的参数化方案只有一个，即海浪破碎的混合效应（具体实施方案在下一小节中介绍）。本文在COAWST耦合模式中，基于Babanin和其团队提出的浪致混合机[21-25]制，在海洋模式ROMS中嵌入了波生运动的混合作用，具体内容在下一小节介绍。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1COAWST耦合模式的耦合过程示意图80Fig.1SchematicillustrationoftheCOAWST表1图1中各变量的物理意义Tab.1PhysicalsignificanceofvariablesinFig.1变量名物理意义Rh相对湿度（Relativehumidity）Tatm海表大气温度（Atmospheresurfacetemperature）Patm大气压强（Atmospherepressure）SWrad短波净热量通量（shortwavenetheatfluxes）LWrad长波净热量通量（longwavenetheatfluxes）SST海表温度（seasurfacetemperature）SSC海表流速（seasurfacecurrent）bath海底深度（bathymetry）η自由表面高度Hwave有效波高（significantwaveheight）Lwave波长（wavelength）Dwave波向（wavedirection）Tsurf海表波周期（surfaceperiod）Tbott海底波周期（bottomperiod）Qb海浪破碎率（percentwavebreaking）Wdiss波浪能量耗散（waveenergydissipation）Ub海底水质点轨迹速度（bottomorbitalvelocity）-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn851.2浪致混合参数化方案1.2.1海浪破碎[26]COAWST耦合模式中包含多种湍混合方案，其中GLS湍流封闭方案可通过不同的参[27][28][29]数设置变换成一系列著名的湍混合方案，如MY2.5、k-ε、k-ω。COAWST耦合模式在GLS湍流封闭方案中，嵌入了海浪破碎效应。90在GLS湍流封闭方案的双方程中：(1)(2)[6,30]在表面边界处，湍动能的表层通量输入由海表面状况决定，即，z=ζ(3)95为由海浪破碎引起的向下输运的湍动能通量。通用量方程中的表层边界条件为：，z=ζ(4)其中，为一数值常数，m、n和p为计算的参数。在深水区域中，为摩[31]擦速度，为与海况有关的参数，其经典取值为100。在表层区域，，在海浪100破碎的条件下，表层粗糙度为,。海浪破碎引起的湍动能通量是波浪耗散率、卷夹耗散率和白冠耗散率的函数，即(5)其中，为可调参数。由此，通过上式(5)，将海浪破碎引起的湍动能通量引入到GLS方案105的边界条件（式3，4）中。1.2.2波生运动[22]在Babanin&Haus进行的实验室实验中，通过测量波谷深度处的速度谱，给出了湍动能耗散率ε关于波浪振幅的关系式：(6)-1-3110其中（95%置信区间内），b=300ms，b为有量纲数值，此数值仅适用于其实验中的频率为1.5Hz的波浪情况。[21]根据Babanin在2006年提出的波致雷诺数：(7)-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn其中，V为流体质点轨道速度，a为流体质点运动振幅，为分子粘性系数。若湍流应力导115致的力的量级与振幅的平方成比例，那么能量耗散率就应正比于振幅的三次方，即。[23]Babanin将b进行无量纲转化，给出(8)b1为无量纲参数，k为波数，ω为频率。假设湍耗散和湍生成相同，结合（6）、（8）两式，则波生运动导致的湍生成项为：120(9)Hs为有效波高，z为深度（水面向上为正）。b1为待定系数，本文取0.004。本文将波生运动导致的湍生成项（式（9））叠加到GLS湍封闭方案原有的湍流生成项中，由此将波生运动产生的混合作用引入到海洋模式中。1.3实验设置125本文选取了GLS湍封闭方案中的k-ω湍混合方案进行了3组实验，3组实验的方案设置分别是：（1）不考虑海浪破碎和波生运动的浪致混合作用；（2）仅考虑波生运动的浪致混合作用；（3）仅考虑海浪破碎的浪致混合作用；130理想实验的数值模拟范围为12ºN~28ºN，50ºW~25ºW。COAWST耦合模式的各个子模式在水平方向采用相同的正交网格。在垂直方向上，海洋模式ROMS的水深设置如图2所示，模拟近岸海底地形变化，从东向西，海底深度从10m开始，经过大陆坡，增加到1000m；南北方向地形一致，无坡度。理想实验模拟一个台风过程。初始风场（10米高度）和海表面气压场如图3所示。初135始最大风速为24m/s，最低气压为995hPa。初始海洋温度场的设置为：海表面温度28.5ºC，海底（-1000m）温度18ºC。温度剖面如图4所示，混合层深度为16m。图2理想数值实验中ROMS模式中的海底地形设置Fig.2BathymetrysettingsinROMSfortheidealizednumericaltest-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn140图3理想数值实验的初始风场（10米高度）和海表面气压场Fig.3Initialwindfield(at10mheight)andseasurfacepressurefortheidealizednumericaltest图4理想数值实验的海洋初始温度垂向剖面图145Fig.4Initialverticaltemperatureprofilefortheidealizednumericaltest2数值实验结果2.1海表面温度、混合层深度台风过程中，海表面温度最显著的特征是降温。图5为COAWST耦合模式运行36小时后3组实验的海表面温度示意图，与初始海表面温度28.5ºC相比，3组实验的海表温度均150有不同程度的降低，海表面温度最低温度分别为26.3ºC、25.9ºC、26.4ºC，海表面平均温度分别为28.0ºC、27.3ºC、27.7ºC。考虑波生运动或海浪破碎的浪致混合作用后，第2、3组实验的海表面温度比第1组实验的有所降低，分别约降低了2.6%、1.1%。在数值模拟全场区域，3组实验的混合层深度分别为22.4m、33.2m、28.1m。第2、3组实验中的混合层深度比第1组的约增深了48.2%、25.5%。155以上理想实验的海表面温度和混合层深度结果表明，在台风过程中，考虑波生运动或海浪破碎的浪致混合作用后，海表面温度的降温幅度会略有增大，混合层深度会增深。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图5COAWST运行36小时后3组数值实验的海表面温度示意图Fig.5SSTresultsofthe3testsafterCOAWSTran36hours1602.2湍动能图6为COAWST耦合模式运行36小时后，3组实验的湍动能纬向20.6ºN垂直剖面图。-322-322-3223组实验中，湍动能的最大值分别为5.6×10m/s、17.8×10m/s、35.7×10m/s。第2、3组实验中的最大湍动能比第1组的增大了217.9%、537.5%。在海洋上混合层（30m以浅），-322-3对模拟区域的深水区求湍动能的平均值，湍动能的平均值分别为0.35×10m/s、3.02×1022-322165m/s、2.07×10m/s。第2、3组实验中的平均湍动能比第1组的约增大了762.9%、491.4%。上述理想数值实验的结果表明，考虑波生运动或海浪破碎的浪致混合作用后，湍动能明显增加。在仅考虑波生运动的浪致混合作用的第2组实验中，湍动能的最大值出现在海洋表层之下，而在考虑海浪破碎的浪致混合作用的第3组实验中，湍动能的最大值出现在海洋表层。第2组实验与第3组实验相比，尽管第2组实验的湍动能的最大值的量值小于第3组的170结果，但是混合层内湍动能平均值要大于第3组的结果，且湍动能的影响深度要比第3组的深约1倍。图6COAWST运行36小时后，3组实验的纬向20.6ºN湍动能垂向剖面图Fig.6Turbulenetkineticenergyprofilesalong20.6ºNinthe3testsafterCOAWSTran36hours1752.3垂向湍粘性系数图7为耦合模式运行36小时后，3组实验的湍粘性系数纬向20.6ºN垂直剖面图。3组-32-32-32实验中，湍粘性系数的最大值分别为64.1×10m/s、301.8×10m/s、184.2×10m/s。第2、3组实验的最大湍粘性系数比第1组的约增大了370.8%、187.4%。在海洋上混合层（30m以浅），对模拟区域的深水区求湍粘性系数的平均值，3组实验的湍粘性系数的平均值分别-32-32-32180为2.80×10m/s、37.20×10m/s、16.57×10m/s。第2、3组实验中的平均湍粘性系数比第1组的约增大了1228.6%、491.8%。-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn上述理想数值实验的结果表明，考虑波生运动或海浪破碎的浪致混合作用后，湍粘性系数明显增加。第2组实验与第3组实验相比，第2组实验的湍粘性系数的量值约是第3组的-422倍，而且影响深度(1×10m/s等值线深度)加深约一倍。185图7COAWST运行36小时后，3组实验的纬向20.6ºN湍粘性系数垂向剖面图Fig.7Viscositycoefficientprofilesalong20.6ºNinthe3testsafterCOAWSTran36hours2.4湍耗散率图8为COAWST耦合模式运行36小时后，3组实验的湍耗散率沿纬向20.6ºN的垂直-523-523-5190剖面图。3组实验中，湍耗散率的最大值分别为2.47×10m/s、7.36×10m/s、6.14×1023m/s。第2、3组实验中的最大湍耗散率比第1组的约增大了198.0%、148.6%。在海洋上混合层（30m以浅），对模拟区域的深水区求湍耗散率的平均值，3组实验中的湍耗散率的平-623-623-623均值分别为0.7×10m/s、6.6×10m/s、2.8×10m/s。第2、3组实验中的平均湍耗散率比第1组的约增大了842.8%、300.0%。195上述理想数值实验的结果表明，考虑波生运动或海浪破碎的浪致混合作用后，湍耗散率明显增加。第2组实验与第3组实验相比，第2组实验的湍耗散率的量值大于第3组的结果，-723而且影响深度(1×10m/s等值线深度)加深约一倍。图8COAWST运行36小时后，3组实验的纬向20.6ºN湍耗散率垂向剖面图200Fig.8DissipationofTKEprofilesalong20.6ºNinthe3testsafterCOAWSTran36hours3讨论在未考虑海浪破碎和波生运动的浪致混合作用的实验1中，湍流的生成源是流动的剪切和浮力生成；在考虑波生运动、海浪破碎的实验2、3中，湍流生成源增加了海浪的影响，故而后两组实验中的湍动能、湍粘性系数、湍耗散率在整体上，包括数值大小和影响范围，-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[9]205都要比第1组实验的强。特别是在“热泵”效应区域（31ºW~25ºW），尤其明显，在此区域，浪致混合作用要强于流动剪切产生的湍混合作用。在湍混合方案中，海浪破碎的混合作用是作为海表湍流源加入到湍混合方案的边界条件中去的，所以海浪破碎的混合作用主要集中在海洋表层和近表层。而波生运动的混合作用是作为湍流源加入到湍混合方案原有的湍生成项中去的，波生运动在数值模式中的这种嵌入形210式能够有效地将湍动能向深处传递，增强上层海洋的混合，所以第2组实验中的湍混合的深度要远比第3组的深。4结论本文在COAWST耦合模式中加入了波生运动的浪致混合作用的参数化方案，针对海浪破碎和波生运动两种不同机制的浪致混合作用进行了理想台风数值实验。数值结果表明海浪215破碎和波生运动的浪致混合作用的参数化方案及其在k-ω湍混合方案中的嵌入形式具有可行性。考虑海浪破碎、波生运动的混合作用均能让全场平均的海表温度模拟结果降低，混合层深度增深，湍动能、湍粘性系数和湍耗散率增加，特别在“热泵”效应区域，结果尤其显著。在湍混合方案中，海浪破碎的混合作用主要体现在海洋表层；而波生运动的混合作用是作为220湍流源加入到湍混合方案原有的湍生成项中，所以波生运动能够有效地将湍动能向深处传递，增强上层海洋的混合。致谢本文是在教育部博士点基金资助项目（20130132130002号）和国家自然科学基金资助项目（41276010号）的资助下完成的，在此对这两个项目表示感谢。225[参考文献](References)[1]MartinPJ.SimulationofthemixedlayeratOWSNovemberandPapawithseveralmodels[J].JournalofGeophysicalResearchAtmospheres,1985,90(1):903-916.[2]KanthaLH,ClaysonCA.Animprovedmixedlayermodelforgeophysicalapplications[J].Journalof230GeophysicalResearch,1994,99(12):25235-25266.[3]EzerT.Ontheseasonalmixedlayersimulatedbyabasin‐‐scaleoceanmodelandtheMellorYamadaturbulencescheme[J].JournalofGeophysicalResearch,2000,105(7):16843-16856.[4]LiM,ZaharievK,GarrettC.RoleofLangmuirCirculationintheDeepeningoftheOceanSurfaceMixedLayer[J].Science,1995,270(5244):1955-1957.235[5]LiM,GarrettC.MixedLayerDeepeningDuetoLangmuirCirculation[J].JournalofPhysicalOceanography,1997,27(1):121-132.[6]CraigPD,BannerML.ModelingWave-EnhancedTurbulenceintheOceanSurfaceLayer[J].JournalofPhysicalOceanography,1994,24(12):2546-2559.[7]MellorGL.Thethree-dimensionalcurrentandsurfacewaveequations[J].JournalofPhysicalOceanography,2402003,33(9):1978-1989.[8]ToffoliA,McconochieJ,GhantousM,etal.Theeffectofwave-inducedturbulenceontheoceanmixedlayerduringtropicalcyclones:FieldobservationsontheAustralianNorth-WestShelf[J].JournalofGeophysicalResearchOceans,2012,117(11):21-31.[9]陈大可,雷小途,王伟,等.上层海洋对台风的响应和调制机理[J].地球科学进展,2013,24528(10):1077-1086.[10]管长龙,张文清,朱冬琳,等.上层海洋中浪致混合研究评述--研究进展及存在问题[J].中国海洋大学学报自然科学版,2014,44(10):20-24.[11]SunQ,SongJ.Simulationoftheoceansurfacemixedlayerunderthewavebreaking[J].ActaOceanologica-9- 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