海气通量的涡相关计算和参数化方法研究

IOCAS-IR > 海洋环流与波动重点实验室

	海气通量的涡相关计算和参数化方法研究
	王娟娟
学位类型	博士
导师	宋金宝
	2013-04
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位专业	物理海洋学
关键词	海气通量 Hht 非湍流运动海浪拖曳系数参数化
摘要	海气界面通量是描述海气相互作用、全球气候变化、大气和海洋环流、飓风的发展、海浪的产生、混合层和季节温跃层等大量动力学过程的重要参量。因此，简单、快速而且准确的计算海气界面通量就变得十分重要。本文的研究内容是基于一个海气界面通量浮标和声学波浪流速剖面仪对海气界面的大气湍流和海浪信息的观测数据，围绕着海气界面通量的涡相关计算和参数化方法这一核心问题，进行了大气边界层湍流分析、非湍流运动对涡相关通量的影响、海浪对动量通量（风应力）的影响及拖曳系数的参数化等方面的研究。本文首先根据适用于分析非线性和非平稳信号的HHT（Hilbert–Huang Transform）方法，分析海气界面通量浮标观测的大气湍流数据，将其划分为具有不同特征频率的运动模态，它们对应不同时间尺度的湍流运动涡旋。并对各个运动模态进行能谱分析，将各个模态的能量贡献峰值区与湍流能谱中的惯性子区和含能大涡区相对应。本文然后基于HHT，提出了一种移除非湍流运动对涡相关通量影响的新方法。该方法通过计算各个运动模态对通量的贡献，建立通量对时间尺度的依赖，进而找出区分湍流和非湍流模态的间隙模态，通过从原始信号中移除非湍流模态，实现对非湍流影响的去除。通过通量浮标的观测数据，将新方法计算的涡相关通量与另外三种方法（直接平均、滑动平均和多尺度分解法）进行比较，验证了新方法在去除非湍流影响方面的有效性和优越性。本文还围绕着海浪对动量通量的影响及其块体参数化展开了相关的研究。通过处理浮标和潜标观测的海浪数据，获得了一个与涡相关通量时空同步的海浪数据集。基于海浪和通量同步观测的六个数据集，对六种考虑了海浪影响的参数化方案（粗糙长度或拖曳系数）进行评估，结果显示在摩擦风速小于0.5 m/s（大约对应10米风速小于12m/s）时，六种方案的计算值与观测十分接近，而在摩擦风速大于0.5 m/s（10米风速大于12 m/s）时，各个方案与观测值之间存在显著偏差。为了改善这个偏差，本文通过构造简单的二维简谐波模型及粗略的推导，研究表面波引起的海面起伏对动量通量的影响，认为波陡是与此影响相关的主要参数。然后，基于相似理论、考虑海浪的Charnock关系和Toba的3/2幂律关系，得到了一个新的拖曳系数参数化形式，其中包含的参数为波陡和风海雷诺数。用观测数据对新参数化的有效性进行检验，结果显示新方案显著改善了风速大于12 m/s时的偏差，并且与另外六种方案相比，新参数化与观测值之间的相对误差是最小的。但是，由于本文数据的风速限制，新参数化尚未考虑拖曳系数在高风速下的降低现象。
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/17925
专题	海洋环流与波动重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	王娟娟. 海气通量的涡相关计算和参数化方法研究[D]. 中国科学院研究生院,2013.

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海气通量的涡相关计算和参数化方法研究-王（3448KB）			限制开放	CC BY-NC-SA	浏览