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海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 摘要 海洋上混合层对大气与海洋之间的动量、热量和质量的交换起着重要的作用， 研究海洋表面存在的海浪及其诱导产生的相关过程对海洋上混合层性质的影响具 有重要的科学意义。 本文首先综述了海洋上混合层的研究现状和存在的问题，然后归纳总结了混 合层深度( 1 i l d ) 的定义方法，简要介绍了湍封闭模式的发展过程和不同海洋混合 层模式的特点。最后，在现有理论研究和大量实验观测结果的基础上，对定常风 及台风浪作用下的海洋上混合层的响应情况做了一系列的数值研究，其中分析比 较了考虑与不考虑波浪破碎和s t o k e s 漂对海洋上混合层的影响情况，最终得到了 很有意义的结论。 在前人的理论工作和实验观测的基础上，文中首先分析了波浪破碎和s t o k e s 漂对海洋上混合层可能造成影响的几个方面。通过比较认为，在数值模式中通过 改变湍动能方程的上边界条件和海表租糙度的方法引入海表的波浪破碎的影响， 并且通过在平均水平动量方程中加入c o r i o l i s - s t o k e s 力的方法引入s t o k e s 漂的 影响，对海洋上混合层进行数值模拟是合理可行的。 在数值试验中，首先通过采用包含m y 2 5 阶湍封闭模式的一维混合层模式， 模拟了3 0 m s 定常西风作用下海洋上混合层的发展变化情况。模拟结果表明，考 虑波浪破碎对m l d 和海表温度( s s t ) 的影响不大，但是它会使表层流速和流速的 垂向梯度大大减小，近表面层内湍流的剪切生成项也大大减小，而湍流耗散率却 增长了两个量级。然而，波浪破碎对混合层的影响深度仅限于一个有效波高的尺 度：而考虑c o r i o l i s - s t o k e s 力对m l d 和s s t 的影响稍大于波浪破碎的影响，但 变化幅度仍然不大，它最主要的影响体现在对混合层中流廓线的改变上，而且影 响深度贯穿了整个混合层。共同考虑波浪破碎和c o r i o l i s s t o k e s 力对海洋上混 合层的影响时，可以很好地模拟出海洋上混合层中的湍流能量分布规律和流廓线 的主要分布特征，因此可以肯定在对海洋上混合层进行数值模拟过程中，考虑波 浪破碎和s t o k e s 漂的影响是非常必要的。 在上述一维模式研究结果的基础上，基于台风浪对我国影响重大这方面的考 虑，文中采用将海浪模式w 删模式与三维海洋模式p o m 模式相结合的方式模拟了 海洋上混合层对台风浪的响应情况。在此数值试验中，首先采用h o l l a n d 台风模 型模拟不同移速的台风风场，并将其引入到海浪模式w a m 模式中来模拟台风浪， 再将台风浪的波浪要素引入到三维海洋模式p o m 模式中来着重研究海洋上混合层 对台风浪的响应情况，其中采用与一维模式中同样的方法来考虑波浪破碎和 c o r i o l i s s t o k e s 力的影响。 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 模拟结果表明移动的台风风场具有明显的右偏性，即台风路径右侧相同距离 处的风速大于其左侧的风速，且台风的移速越大，右偏性就越强，从而产生的台 风浪也具有类似的特点。海洋上混合层的m l d 和s s t 对风应力的响应时间尺度较 长，台风过境一天半后才能达到平稳，它们的分布同样具有明显的右偏性，且对 台风移速十分敏感，但是海流对风应力的响应时间尺度较短，所以台风移速对海 流量值的影响不太明显j 在此三维海洋模式中单独考虑波浪破碎的影响时，m l d 在台风路径附近会有明 显加深；相应地s s t 在台风路径附近降温幅度明显增大；海洋表层流速则会减小， 在台风中心附近尤为明显；而且波浪破碎对m l d 、s s t 和表层流速的影响量值和影响 区域对台风的移速非常敏感。单独考虑c o r i o l i s s t o k e s 力的影响时，混合层内的 m l d 、s s t 和表层流场的变化会随着台风中心的移动而呈现比较复杂的变化。共同考 虑波浪破碎和c o r i o l i s s t o k e s 力这两种效应时，对m l d 和s s t 的影响程度与台风的 移速有关，移速越快，波浪破碎效应的影响越显著，移速较慢时，则是c o r i o l i s - s t o k e s 力的影响占主；而对于表层流速来说，则是不管台风的移速快慢都是 c o r i o li s s t o k e s 力的影响占主。 三维海洋模式中考虑波浪破碎和c o r i o l i s - s t o k e s 力对海洋上混合层的影响 比在一维模式中更显著，但是它们所得结论在定性上基本保持一致。 关键词：海洋上混合层；湍封闭模式；波浪破碎；s t o k e s 漂；台风浪 i i 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 n u m e r i c a ls t u d yo nt h er e s p o n s eo fo c e a ns u r f a c e m i x e dl a y e rt ot h et y p h o o n g e n e r a t e dw a v e s a b s t r a c t t 1 l eo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s s e so ft h e m o m e n t u m h e a ta n dm 豳se x c h a n g eb e t w e e nt h eo c e a na n dt h ea t m o s p h e r e i tl s s i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h es u r f a c ew a v ea n dt h er e l a t e dp h y r s i c a l p r o c e s s e so nt h eo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e r f i r s t l y , t h er a s l i l t sa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h el i t e r a t o r ea r es u m m a r i z e di nt h i s p a p e r , a n da l s os e v e r a lm e t h o d st od e f m et h em i x e dl a y e rd e p t h ( m l d ) a r er e v i e w e d s e c o n d l yt h ed e v e l o p m e n to f t h et u r b u l e n c em o d e la n dt h eo c e a nm i x e dl a y e rm o d e la r e i n t r o d u c e db r i e f l y f i n a l l y , as e r i e so f n u m e r i c a le x p e r i m e n t sa r em a d et oi n v e s t i g a t et h e r e s p o n s e o fo c e a ns u r f a c em i x e d l a y e r t ot h ec o n s t a n tw i n da n dt ot h e t y p h o o n g e n e r a t e dw a v e s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so fw a v eb r e a k i n ga n dt h es t o k e sd r i f t i n d u c e db yt h ew a v e s t h ee f f e c t so ft h ew a v eb r e a k i n ga n dt h es t o k e sd r i ro nt h em i x e di a y e ra r e a n a l y z e di nd e t a i l n 碡m e t h o do fi n c o r p o r a t i n gt h ee 虢c to ft h ew a v eb r e a k i n gi n t ot h e d y n a m i c so fo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e ri sd c t e r m i n e db ym o d i f y i n gt h eu p p e rb o u n d a r y c o n d i t i o n so ft h et u r b u l e n c el d n e t i ce n e r g ye q u a t i o na n dt h er o u g h n e s si e n g t ho fa i r - s e a i n t e f f a c ei nt h es e a - s i d e t h ee f f e c to ft h es t o k e sd r i f tt ot h em i x e dl a y e ri si n t r o d u c e d b ya d d i n gt h ec o r i o l i s s t o k e sf o r c i n gt ot h eh o r i z o n t a lm o m e n t u me q u a t i o 璐 i nt h en u m e r i c a li n v e s t i g a t i o i l s t i l er e s p o n s eo ft h eo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e rt o t h e3 0 m sc o n s t a n tw e s tw i n dw a ss i m u l a t e df i r s t l yb yu s i n gt h eo n e d i m e n s i o n a lo c e a n m o d e l i n c l u d i n gt h em y 2 5l e v e lt u r b l l l e n c ec l o s u r es c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a t w h e nc o n s i d e r i n gt h ee 彘c to ft h ew a v eb r e a k i n g t h e 儿da n dt h es e as u r f a c e t e m p e r a t u r e ( s s nc h a n g ei n s i g u l f i c a n t l y , w h i l et h es u r f a c ec u r r e n tv e l o c i t ya n dt h e v e r t i e a lg r a d i e n to ft h ec u l t e n tv e l o c i t yn e a rt h es u r f a c el a y e r sr e d u c er e m a r k a b l y m o r e o v e r , t h et u r b u l e n ts h e a rp r o d u c t i o nr e d u c e sl a r g e l y , b u tt h et u r b u l e n td i s s i p a t i o n i n c r e a s e sb yt w oo r d e r so fm a g n i t u d e n 塘a f f e c t i n gd e p t ho fw a v eb r e a k i n gi so n l y l i m i t e di no n es i g n i f i c a n tw a v eh e i g h t 1 1 1 ee f f e c t so ft h ec o r i o l i s s t o k e sf o r c i n go nt h e m l da n ds s ta r eal i t t l el a r g e rt h a nt h o s eo fw a v eb r e a k i n g b u tt h ev a r i a t i o n sa l en o t s or e m a r k a b l ee i t h e r h o w e v e r , t h ee f f e c to f 也ec o r i o l i s s t o k e sf o r e i n gc h a n g e st h e c n l t e u tp r o f i l e s u b s t a n t i a l l yw i t h i nt h ew h o l ed e d t ho ft h em i x e dl a y e r w h e n c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fw a v eb r e a k i n ga n dc o r i o l i s s t o k e sf o r c i n gt o g e t h e r , t h e p r o p e r t i e so ft h em i x e dl a y e r , s u c ha st h ec r r r e n tp r o f i l ea n dt h et u r b u l e n c es t r u c t u r e ， a r es i m u l a t e dw e l lw i t ht h ee x i s t i n go b s e r v a t i o n s s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a t c o n s i d e r i n gt h ee r i e c t so fw a v eb r e a k i n ga n ds t o k e sd r i f ti sn e c e s s a r yi nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h eo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e r b a s e do nt h er e s u l t so fc o n s t a n tw i n db l o w i n gc a s e t h er e s p o n s eo ft h eo c e a n s u r f a c em i x e dl a y e rt ot h et y p h o o n - g e n e r a t e dw a v e si ss i m u l a t e dw i t hc o m b i i l i n gt h e w a v em o d e lw a ma n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lo c e a nm o d e lp o m f o rt h i sn u m e r i c a l i n v e s t i g a t i o n , t h ew i n df i e l dg e n e r a t e db yt y p h o o n sm o v i n gw i t hd i f f e r e n tv e l o c i t i e si s c o m p u t e dw i t ht h ei d e a lh o l l a n dm o d e l a n dt h e nt h et y p h o o n - g e n e r a t e dw a v e sa r e s i m u l a t e dw i t ht h ew a mm o d e l f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t y p h o o n - g e n e r a t e dw a v e s a r ci n t r o d u c e dt ot h ep o mm o d e lt os i m u l a t et h er e s p o n s eo ft h eo c e a ns u r f a c em i x e d l a y e r , i nw h i c ht h em e t h o d so fc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so ft h ew a v eb r e a k i n ga n dt h e s t o k e sd r i f ta r ea st h es a m ea st h eo n e - d i m e n s i o n a lm o d e l i 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 i ti ss h o w nt h a tt h ew i n df i e l do f t y p h o o ni sa s y m m e t r i c a l ；t h a ti st os a y , t h ew i n d s p e e di sl a r g e ra tt h er i g h ts i d eo ft h et r a c kt h a nt h a ta tt h el e f ts i d e a n dt h ef a s t e rt h e t y p h o o nm o v e s t h em o r ea s y m m e t r i c a lt h e w i n df i e l di s t h ed i s t r i b u t i o no f t y p h o o n - g e n e r a t e dw a v e sa t ea st h es a m ea st h a to fw i n df i e l d 1 r t 心m 吐da n ds s ti n t h eo c e a ns u r f a c em i x e dl a y e ra r ea b l et oa p p r o a c hs t e a d ys t a t u sa f t e rt h et y p h o o n p a s s i n ga w a yf o ro n ea n dah a i fd a y s ，b e c a u s et h et i m es c a l eo ft h e i rr e s p o n s et ot h e w i n ds t r e s sa r el o n g e rt h ed i s t r i b u t i o n so ft h e 匝da n ds s ta l s os h o wa s y m m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e ya r es e n s i t i v et ot h em o v i n gv e l o c i t yo ft y p h o o mh o w e v e r , t h e c u r r e n tv e l o c i t yi sn o ts os e n s i t i v et ot h em o v i n gv e l o c i t yo ft y p h o o n 。b e c a u s ei t s r e s p o n s et i m es c a l et ot h ew i n ds t r e s si ss h o r t e r w b e nc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to ft h ew a v eb r e a k i n go n l yi nt h i st h r e e d i m e n s i o n a l o c e a nm o d e l t h em l db e c o m e sd e e p e rn e a rt h et y p h o o nt r a c k , a n dt h es s td e c r e a s e s m o r ec o r r e s p o n d i n g l yn e a rt h et y p h o o nt r a c k t h es u r f a c ec u r r e n tv e l o c i t yr e d u c e s o b v i o u s l y , e s p e c i a l l ys e a l t h et y p h o o nc e n t e lt h ev a r i a t i o n so ft h em l d s s ta n dt h e s u r f a c ec u r r e n tv e l o c i t ya r ea l ls e n s i t i v et ot h em o v i n gv e l o c i t yo f t y p h o o n o nt h eo t h e r h a n d ，w h e nc o n s i d e r i n gt h ee f r e c to fc o r i o l i s s t o k e sf o r c i n go n l y t h ev a r i a t i o n so ft h e m l d s s ta n dt h es u r f a c ec u r r e n tv e l o c i t ya r ec h a n g e dc o m p l i c a t e d l yw i t ht h em o v i n g c e n t e ro ft h p h o o n w h e nc o n s i d e r i n gt h e s et w oe f f e c t st o g e t h e r , t h em l da n ds s ta r e a f f c c t e db yt h em o v i n gv e l o c i t yo ft y p h o o nc o n s i d e r a b l y t 1 1 ef a s t e rt h et y p h o o nm o v e s t h em o r eo b v i o u st h ee f i e c to ft h ew a v eb r e a k i n go ut h em l da n ds s ti s i nc o n t r a r y , w h e nt h et y p h o o nm o v e ss l o w e r , t h ee f f e c to ft h ec o r i o l i s s t o k e sf o r c i n go nt h em l d a n ds s ti s s i g n i f i c a n t b u tf o r t h es u r f a c ec u r r e n tv e l o c i t y , t h ee f f e c to ft h e c o r i o l i s s t o k e sf o r c i n ga l w a y sd o m i n a t e sr e g a r d l e s so ft h em o v i n gv e l o c i t yo ft h e t y p h o o n t h ee f f e c t so ft h ew a v eb r e a k i n ga n dt h ec o r i o l i s s t o k e sf o r c i n go nt h eo c e a n s u r f a c em i x e dl a y e ra r em o r eo b v i o u si nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lo c e a nm o d e lt h a nt h e o n e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，b u tt h er e s u l t sf o rt h et w oc a s e sa r ec o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r q u a l i t a t i v e l y k e yw o r d s ：o c e a ns u r f a c em i x e dl a y e r ；t u r b u l e n c ec l o s u r em o d e l ；w a v eb r e a k i n g ； s t o k e sd r i f t ；t y p h o o n - g e n e r a t e dw a v e s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得( 注；地遗直基丝益噩缱型主盟 的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：獗谛岛签字日期：姊6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期；珈6 年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：周哿逾i 年芥- 协蜊中。 通讯地址：六姊决阋程j 钞毒 导师签字 签字日期：刎# 年6 月9 日 电话：卿卜占铴弘穆 邮编w d 玛 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 1 1 引言 1绪论 在人类赖以生存的地球上，海洋面积占了地表总面积的7 1 。现今人类的7 0 以上和过半数的超百万人口的大城市，都离海岸线不足1 0 0 o n ，这足以反映了 人类与海洋关系的密切。对于困扰全世界的人口、资源和环境等难题的解决，人 们都寄希望于海洋的开发和利用，而只有对海洋特征和规律的不断研究探索才能 实现这一点，为人类造福。 海洋上混合层( o c e a ns u r f a c em i x e dl a y e r ) 是人类活动极为频繁的上层海 洋部分，它直接受到海表各种强迫，如太阳辐射、风应力、海表的蒸发降水和表 面波浪等物理过程的影响，其上边界为海表面，下边界通常取为季节性温跃层的 上界面。无论从海气相互作用来讲，还是就海洋动力过程而言，海洋上混合层都 是十分重要的。因为海气相互作用正是通过大气和海洋混合层间热量、动量和质 量的直接交换而得以实现的；海洋混合层的辐合，辐散过程通过e k m a n 抽吸效应会 影响深层海洋环流，而深层海洋对大气运动( 气候) 的影响又要通过改变混合层 的状况来实现；另外，太阳辐射能也是通过影响混合层而成为驱动整个海洋运动 的重要原动力之一。于是海洋上混合层作为联系大气底边界层和上层海洋的一个 中间层，将海洋和大气耦合起来构成一个闭合的相互反馈系统。在日益广泛开展 的海气相互作用研究中，对海洋上混合层的研究越来越受到重视。 深入研究海洋上混合层的动力和热力结构，必须对混合层中涉及到的各种湍 流生成、混合和输运机制有个正确了解。虽然在过去几十年中完成了一些基本的 理论工作，并通过建立各种数值模式对海洋上混合层的结构和动力学问题进行了 研究并取得了一定的成果，但是现有的理论和模式并不能完全合理地解释目前海 洋实验中观测到的一些现象和其它相关领域中提出的一系列问题，因此仍有必要 对海洋上混合层的理论和数值模式迸行更深入的研究和探讨 近年来大量海洋实验观测表明，海洋上混合层理论和模式研究的最大缺陷在 于忽略了海洋上混合层中一些真实物理过程的存在，如海面的波浪破碎、气泡生 成、拉密尔环流( l a n g m u i r c i r c u l a t i o n ) 以及海洋内部的双扩散、温跃层的生衰、 内波破碎等。目前，这些物理过程对海洋上混合层的影响方面的研究受到了越来 越广泛的关注。 台风是地球上破坏性最大的几种气象灾害之一，它是发生在热带海洋上的一 种很强的暖心型气旋性涡旋，是达到一定程度的热带气旋。台风过境经常伴随着 狂风暴雨，是一种灾害性天气系统。西北太平洋地区是全球台风发生次数最多， 势力最强的一个海区，在这个地区发生的台风约占全世界台风的1 3 。由于台风的 结构及其所处的环境流场决定了西北太平洋台风具有向西北方向移动的特性，因 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 此位于太平洋西岸的我国极易遭受台风的袭击据1 9 4 9 1 9 9 2 年4 4 年的资料统计， 西北太平洋平均每年有2 8 个台风生成，其中有7 个可以正面登陆我国，约占西北太 平洋台风总数的1 4 。台风移近或登陆我国时，常给国民经济和人民生命财产造成 重大损害，甚至酿成巨大灾害。台风浪是指台风的强风引起的巨大海浪，它对航 海、海岸建筑和海上工程均有巨大的破坏作用我国的东海沿岸每年仅台风引起 的灾害性大浪就造成了江浙沿岸的巨大损失。据1 9 6 6 - 1 9 9 3 年台湾海峡及其邻近海 域灾害性海浪观测资料的统计分析得出，东海灾害性海浪平均每年出现1 1 4 6 次， 台湾海峡为7 2 9 次。因此，研究台风浪的结构及其对海洋上混合层的影响对我国 来说具有重大深远的意义。 1 2 海洋上混合层的研究现状 对海洋上混合层的早期研究是一种积分意义下的理论，它假设混合层中速度、 温度等物理量都是均匀的。k r a u s t u r n e r ( 1 9 6 7 ) 最先提出了一种用于海洋上 混合层研究的块体模式，后来发展的各种块体模式均是以该模式中对湍动能收支 各项的参数化方法为基础，结合实验观测对各项的参数化不断改进得到的( d e n m a n m i y a k e1 9 7 3 ：p o l l a r de ta 1 1 9 7 3 1n i i l e r1 9 7 5 ；n i i l e r k r a u s e1 9 7 7 1 g a r w o o d1 9 7 7 ；p r i c e1 9 7 9 1d e a r d o r f f1 9 8 3 1 g a s p a r1 9 8 8 ；l a r g ee ta 1 1 9 9 4 ) 。 由于块体模式可以反映混合层中一些物理量整体积分的特性，且比较简单明了， 在过去计算机条件不很发达的情况下曾得到广泛的应用 g a r g e t te ta 1 ( 1 9 7 9 ) 利用n i i l e r ( 1 9 7 5 ) 改进的块体模式对混合层中的 湍能量收支进行了估算，且与s a r g a s s os e a 中的实测数据进行了比较，指出波浪 运动可能会显著地影响表层中湍流耗散和浮力通量间存在的一种局部平衡； g a s p a r ( 1 9 8 8 ) 采用不同的块体模式模拟了o w sp a p a ( 1 4 5 唧，5 0 。n ) 处海洋上混 合层的季节变化特征，并将模拟得到的s s t 与实测资料进行了比较，指出模拟得到 的s s t 在夏季偏高，秋季偏低，最大误差达l k 。虽然g a s p a r 通过改进湍流耗散的 参数化方法改善了s s t 的模拟结果，但仍有0 5 k 的偏差，于是他还指出应该深入研 究波浪破碎对混合层中湍流生成和耗散的影响，这种影响对于夏季较浅的混合层 模拟尤为重要；b l a n k e d e l e c l u s e ( 1 9 9 3 ) 采用g a s p a r ( 1 9 8 8 ) 提出的确定混 合长的参数化方法较好地模拟了热带大西洋环流；a l e x a n d e r s c o t t1 2 0 0 0 ) 则 将其改进的块体模式与大气环流模式相耦合，对s s t 和m l d 的变化进行了研究。 随着对上层海洋实验观测的增加，块体模式的应用受到越来越多的限制。它 不能给出混合层中相关物理量的垂向分布，因此不能详细地探讨混合层的内部结 构特征，并且其前提假设混合层中没有速度剪切也与大部分的观测事实不符。正 如p h i l l i p s ( 1 9 7 7 b ) 指出的那样，应该设计新的数值模式来确定混合层中速度、 2 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 温度和湍流生成及耗散等物理量的真实分布。于是高阶湍封闭模式应运而生，它 首先在大气边界层中得到了成功应用，然后才被引入到海洋上混合层的研究中。 m e l l o r d u r b i n ( 1 9 7 5 ) 最先将湍封闭模式引入到对海洋上混合层动力结构 的研究中。目前大部分的高阶湍封闭模式均是以m e l l o r y a m a d a ( 1 9 7 4 ) 导出的 模式方程和参数化方法为基础，且在实际应用中不断改进和完善( m e t l o r y a m a d a ，1 9 8 2 ；g a l p e r i ne ta 1 1 9 8 8 ；g a s p a re ta 1 1 9 9 0 ；c r a w f o r d1 9 9 3 ； l a r g ee ta 1 1 9 9 4 ；k a n t h a c l a y s o n 1 9 9 4 ；d e l e e r s n i j d e r l u y t e n 1 9 9 4 ； d a l e s s i oe ta 1 1 9 9 8 ：l a r g e g e n t 1 9 9 9 ；c a n u t oe ta 1 2 0 0 1 ：b u r c h a r d 2 0 0 1 a ，b ) 。随着计算机技术的飞速发展，高阶湍封闭模式在海洋边界层和大洋环 流研究中的应用越来越广 m a r t i n ( 1 9 8 5 ) 用m e l l o r y a m a d a2 5 阶( 以下简称妒y 2 5 阶) 和2 阶湍封 闭模式对o w sn o v e m b e r ( 1 4 0 w ，3 0 0 n ) 和o w sp a p a 处的混合层进行了模拟，并 将模式结果与这两处海域的实验观测结果进行了比较，指出由m - y2 5 阶和2 阶 湍封闭模式得到的混合层深度偏浅；k a n t h a c l a y s o n ( 1 9 9 4 ) 对舻y 2 5 阶湍封 闭模式进行了改进，通过大量实验观测数据验证了他改进的模式对海洋上混合层 模拟的有效性，并在相同强迫条件下，将改进的模式与g a r w o o d ( 1 9 7 7 ) 和p w p ( 1 9 8 6 ) 模式的模拟结果与t o g a c o a r e 实验观测结果相比较，发现所模拟的混合层深度比 观测得到的混合层深度要浅，他们分析认为这可能是由于忽略了波浪破碎或者内 波导致的湍流混合效应；b u r c h a r d b o l d i n g ( 2 0 0 1 ) 采用四个不同的二阶湍封 闭模式对海洋上混合层进行了模拟，并将模拟结果与o w sp a p a 处观测的温度资料 相比，认为c a n u t o ( 1 9 9 4 ) 提出的湍封闭模式对混合层的模拟结果比较好。同时 他们还认为现有湍封闭模式不能很好地模拟混合层的结构特征的原因之一就是没 有考虑海表波浪破碎 由此可知，海洋上混合层的理论与模式研究中存在的最大问题在于缺乏对混 合层中各种物理过程的清楚认识。但是由于外海观测环境的恶劣，现有观测仪器 的精度有限，并且对观测数据进行分析处理又非常复杂，所以目前能够用来验证 海洋上混合层中的湍流机制的可靠观测数据还很少。迄今为止，所有相关的实验 观测主要有： 1 ) o w sp a p a ( o c e a nw e a t h e rs t a t i o np a p a ) 处的观测：该站点位于北太平 洋( 1 4 5 唧，5 f i n ) 处，该处被认为温盐的水平平流很小，有1 9 6 0 0 1 0 1 1 9 6 8 1 2 3 1 年间长期的温度和气象参数( 如太阳辐射、风速等) 观测资料，但 是没有海表动量通量和热量通量的直接观测数据，需要用经验性很强的块体公 式计算得出。很多研究工作都用此资料对其所用湍封闭模式的有效性进行了验 证( d e n m a n1 9 7 3 ；m a r t i n1 9 8 5 ；g a s p a re ta 1 1 9 9 0 ；l a r g ee ta 1 1 9 9 4 ； k a n t h a c l a y s o n1 9 9 4 ；d a l e s s i oe ta 1 1 9 9 8 , b u r c h a r de ta 1 1 9 9 9 ； a 】【e 1 1 l i u n g m a n2 0 0 1 ；b u r c h a r d b o l d i n 9 2 0 0 1 等) ； 海洋上混合层对台风浪响应的数值研究 2 ) w i n de n t r a i n m e n t 实验：该实验是由k a t o & p h i l l i p s ( 1 9 6 9 ) 在实验室 进行的，p r i c e ( 1 9 7 9 ) 通过分析实验数据，提出了一个描述混合层深度发展 的经验解，一些混合层模式研究中通常将模式得到的混合层深度与此解结果相 比较( b u r c h a r de ta 1 1 9 9 8 1d e l e e r s n i j d e r l u y t e n1 9 9 4 1b u r c h a r d b o l d i n g2 0 0 1 等) ； 3 ) f l e x 7 6 ( f l a d e n g r o u n de x p e r i m e n t1 9 7 6 ) 计划：该计划是1 9 7 6 年春季 在北海北部( 0 。3 2 e ，5 8 。5 5 n ) 处进行的对气象强迫和温度廓线的观测这些 观测数据也被一些研究工作者用来检验不同的湍封闭模式( f r e y1 9 9 1 ： b u r c h a r d b a u m e r t1 9 9 5 ：b u r c h a r d & p e t e r s e n1 9 9 9 ；m e l l o r2 0 0 1 等) ； 4 )m i l e ( m i x e dl a y e re x p e r i m e n t ) 实验观测：该实验是1 9 7 7 年夏季在北太 平洋近o w sp a p a 处进行的，目的是为了研究海洋上混合层的动力学问题。基 于此项实验的研究工作主要包括d a v i se ta 1 ( 1 9 8 1 ) ；k a n t h a c l a y s o n ( 1 9 9 4 ) 等： 5 ) l o t u s ( l o n gt e r mu p p e ro c e a ns t u d y ) 资料：这是1 9 8 0 年在北大西洋的 s a r g a s s os e a ( 7 0 ”w ，34 i l n ) 进行的为期2 年的上层海洋实验观测，目的是为了 研究上层海洋的动力学和热力学问题，该资料常用于验证强稳定通量情况下的 混合层模拟结果( g a s p a r1 9 8 8 ，1 9 9 0 ；l a r g ee ta 1 1 9 9 4 ；k a n t h a c l a y s o n 1 9 9 4 ) ： 6 ) p r o v e s s n n s ( p r o c e s s e so fv e r t i c a lm i x i n gi ns h e a t fs e a s - - n o r t h e r n n o r t hs e a ) 实验：该实验是1 9 9 8 9 - 1 1 在北海( i 。e ，5 9 。2 0 n ) 附近进行的， 有温度场、流场、湍流微结构观测数据以及相关的气象资料。c a n u t oe ta l ( 2 0 0 1 ) 采用七一占双方程2 阶湍封闭模式对其进行了模拟，通过与p o h l m a n n ( 1 9 9 6 a ) 的三维模式结果进行比较，指出模式中平流扩散项的存在与否造成 了模拟结果的很大差异。 综上所述，到目前为止，对于海洋上混合层的理论研究与数值模拟还远远没 有成熟。我国在海洋上混合层方面的研究也还处于起步阶段( 刘秦玉等2 0 0 1 ， 2 0 0 2 ；杜岩2 0 0 2 ) ，尤其对我国近海上混合层的动力和热力结构问题还有待于深 入研究。近年来越来越多的数值模拟和实验观测都表明，研究混合层的结构和动 力学问题不能忽视那些只有在海洋上混合层中才存在的真实物理过程，尤其是表 面波浪运动及其破碎、l a n g m u i r 环流和内波等极