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《中国科学:地球科学》2015,(7)
对垂直剪切应力(雷诺应力)、湍动能剪切生成率与湍动能耗散率以及垂直涡黏性系数等湍流参数的现场观测与数值模拟,是理解强潮海湾中垂直混合过程及其动力与生物地球化学效应的基础.利用坐底ADCP流速观测资料、湍流剖面观测资料以及二阶湍流封闭模型,本文对一典型强潮海湾(厦门湾)中的湍流混合过程进行了观测与数值模拟研究.观测结果表明:在M2分潮占优的厦门湾中,湍动能剪切生成率与湍动能耗散率等湍流参数呈现明显的M4分潮周期,并具有显著的涨-落潮不对称性,涨潮时强,落潮时弱.在涨潮期间,整个水体在垂向上近似混合均匀,湍动能剪切生成率和垂直涡黏性系数的垂向平均值分别达到5×10-6 m2 s-3和2×10-2 m2 s-1;在落潮期间,强湍流则主要局限于厚度为5~8 m的底边界层内,且湍流强度随离底距离的增大而逐渐减小.基于重力位能异常控制方程的分析表明,潮流拉伸是造成湍流强度涨-落潮不对称性的主要原因,潮混合的贡献较小.基于二阶湍流封闭模型的模拟结果与实测结果的对比分析表明,在弱层化强潮海湾中,二阶湍流封闭模型能够较好地模拟湍动能耗散率与垂直涡黏性系等湍流参数的垂向结构与潮内变化;模拟结果与实测值之间的差异主要源于一些理想化的模型假设和数学近似. 相似文献
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利用ERA Interim再分析风和海浪资料、SODA三维温盐流资料、WOA09海洋温盐客观分析资料计算了风和潮汐引起的大洋垂直湍流混合系数,并从外部风能量输入、混合引起的重力位能改变、人为限定混合系数上限、不考虑外部能量输入的K理论参数化方案角度分别讨论了大洋垂直混合的能量守恒问题.研究表明:平均化资料和混合系数限定都会造成显著的能量不守恒,二者可造成高达90%的能量损失及能量输入周期律的显著改变.风在南大洋有巨大的能量输入至海洋上层湍流中,潮汐在深海山脉附近也有巨大的能量输入.本文认为严格考虑外部风和潮汐能量输入对于海洋长期气候模拟是必要的,在目前模式技术水平下恰当的使用本文计算出的混合系数集是一个快速经济的选择. 相似文献
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采用高精度的拟谱方法,数值模拟了层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程.在演变过程中,导致内波破碎的PSI不稳定机制在共振相互作用中逐渐占据主导地位,能量从初级波向低频、高波数运动缓慢传递并形成一次级波包,随即破碎发生.破碎后产生的层化湍流引起的强烈混合以及湍流间歇性可从总能量和涡度峰度随时间的变化趋势看出.我们分析了层化湍流的一些统计特性,包括动能和有效位能沿垂向波数ky的功率谱.结果表明,动能和有效位能谱都存在一个谱段满足k-3y律,且分别可表示为01N4k-3y和02N4k-3y(N为Brunt Visl频率),通常称其为浮力子区.另外,我们分析了Cox数(湍流扩散系数与分子扩散系数之比),在层化湍流维持在一定强度时,计算结果和由海洋内区观测(远离内波强生成源和复杂地形)所推测的结论较为吻合. 相似文献
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成像雷达海浪成像机制 总被引：11，自引：2，他引：9
从海浪平衡方程出发推导出一般情况下海浪高频谱的解析表达式和变化流场引起海浪谱变化的表达式.利用海面微波散射理论导出了真实孔径雷达(RAR)海面成像公式,并描述了海面风场、流场及其变化对RAR的调制.另外,从合成孔径雷达(SAR)工作原理出发,推导出了由于海浪运动引起的相位调制的一般表达式,并讨论了成像雷达测量海流和海底地形的可能性,为成像雷达探测海浪、海面风场、海面流场、海底地形以及内波等海洋现象提供了理论基础. 相似文献
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以5阶Stokes波作为破碎统计模型的原始波场, 重新导出了破碎水体体积和白冠覆盖率等统计量. 基于海浪破碎是海-气强交换过程中的重要控制机制这一观测事实, 主要开展了破碎过程对海-气热通量和水汽通量交换的影响研究, 导出了气泡在海面平均体积通量和浪花水滴海面谱分布的理论表达式, 建立了破碎气泡和浪花水滴热通量和水汽通量交换的物理模型, 为进一步深入研究海-气通量交换模式奠定了基础. 相似文献
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基于地震海洋学数据,通过叠合波形结构与混合参数空间分布,可以较好地分析内孤立波浅化过程与能量耗散、混合增强的关系.在东沙海域的一条地震剖面上,我们观测到了上陆坡深水区(500～1000 m)、浅水区(300～400 m)两个内孤立波波包,有着明显不同的波形特征.浅水区的内孤立波包的3个内孤立波波形复杂,在波核内部呈现杂乱反射特征,可能是含圈闭涡核的内孤立波,估算的耗散率、扩散率分别达O(10-5)W·kg-1、O(10-2.5)m2·s-1.该内孤立波包前方,则存在一个第二模态内孤立波.深水区内孤立波包虽然波形相对简单,但诱导的湍流混合强度也较强,形成了内孤立波发育区、陆坡上方厚度达200 m的高耗散率、扩散率区带.在东沙海域上陆坡的深水区、浅水区,内孤立波持续耗散能量,增强了湍流混合. 相似文献
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海浪波生切应力及其对流驱动作用的估计 总被引：3，自引：0，他引：3
依据 f 平面近似下线化无粘流体运动方程的一般形式, 并考虑地转角速度水平分量的作用, 首次给出真正地转意义下均匀水底上的小振幅波动解. 由此解导出的波生切应力包括波向与横向两个分量, 但其一阶近似即为Hasselmann和ZhiGang Xu等给出的结果. 文中还依地转波生应力和Longuet-Higgins等人提出的虚拟波生应力(virtual wave stress)计算了海面上波生总应力与风应力的比值, 估计了该应力在我国海域环流研究中的重要性, 强调在我国渤、黄海环流研究中考虑海浪的驱动作用的必要性. 相似文献
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在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度． 相似文献
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青藏高原地-气过程动力、热力结构综合物理图象 总被引：40，自引：2，他引：40
根据第二次青藏高原大气科学试验（ＴＩＰＥＸ）３个边界层观测基地（改则、当雄。昌都）及相关的卫星、探空、地面等加密观测（ＩＯＰ）资料，综合分析了青藏高原地－气物理过程及其动力学模型，揭示了高原边界层动力学特征和高原湍流运动规律；发现高原边界层低层风向、风速具有多层次变化特征，高原边界层对流混合层较为深厚，高原边界层大气密度远小于平原特征相联系的高原湍流运动“强浮力”效应。高原深厚边界层Ｅｋｍａｎ螺线及高原边界层动力“抽吸泵”效应。研究了高原近地层局地水汽静态分布状况和水汽的侧边界平流输送特征。分析了高原近地层与边界层异常热力结构，其中包括高原强辐射现象、高原中部地面强热源特征等。综合上述青藏高原近地层与行星边界层动力、热力结构特征，提出了描述高原边界层湍流与对流混合机制的综合物理图象。揭示了显著影响中国长江流域洪涝的青藏高原对流云团的生成、发展和移动的特征，给出与高原“爆米花”云系频发相关的湍流运动和对流泡动力、热力结构概念模型。 相似文献
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提出了一种从高频地波雷达海面回波谱中提取海浪方向谱的新方法:基于高频电波海洋探测基本原理将线性化后的非线性积分方程离散为矩阵方程组,通过引入正则化数学模型将不适定方程转化为正规方程,然后采用奇异值分解法求解.对于正则化方法中正则化参数,采用L曲线法来确定.为了验证本文算法的有效性,分别在单部雷达和双部雷达探测下进行了不同噪声水平下的数值模拟,结果表明了该正则化反演方法的有效性.文中还给出了实测数据分析初步结果.该算法的工程性应用还需进一步研究.对于实际的地波雷达海浪反演具有良好的应用前景. 相似文献
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混合是海洋中普遍存在的一种海水运动形式,对多个海洋学分支的研究具有重要的影响.随着物理海洋学的研究重心从大尺度向中小尺度现象过渡,近年来混合问题的研究重心也逐渐转向了中小尺度现象.内波与中尺度涡都是非常重要的中小尺度物理海洋学现象,对海洋能量在不同尺度中的级联发挥着重要的作用.本文基于地震海洋学研究了海洋混合参数的提取方法,并以南海内波和地中海涡旋为例进行了计算和分析.结果显示,南海内波在200~600m深度范围内所引起的混合可达10-2.79 m2·s-1左右,比大洋的统计结果10-5 m2·s-1高出两个数量级以上.而地中海涡旋所引起的湍流混合率可达10-3.44 m2·s-1左右,与大洋统计结果相比高出1.5个数量级左右,并且地中海涡旋下边界的混合要强于上边界,这一特征与前人的研究一致,另外涡旋上边界之上以及侧边界的外侧也具有非常高的混合率. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(6)
通过对青藏高原东南缘大理2008年3~8月大样本边界层铁塔观测系统超声和梯度资料、风廓线雷达和GPS探空资料的综合分析,研究发现高原东南缘湍能分量(湍流动能、切变项和浮力项)强弱依赖于下垫面植被的变化状况,且与局地稳定度特征及其动力、热力条件存在显著关系.近地层处于中性层结时,机械湍流较强,湍流动能主要贡献来源于切变项;当不稳定层结时大气湍流运动则以热力湍流为主,即浮力项较强,切变项较弱;在稳定层结时湍流发展呈间歇性特征,其中浮力项与切变项亦较弱,且湍流动能显著小于中性和不稳定状态.研究亦发现春季位于青藏高原大地形南坡的林芝站浮力项贡献显著大于高原大地形东南缘大理站,这反映了青藏高原南坡强对流活动过程中热力湍流的重要贡献,但位于高原东南缘山谷起伏、复杂地形区域的大理站近地层的机械湍流却显著大于高原南坡林芝站;从湍流-对流运动不同尺度相互作用视角,研究发现高原东南缘午时对流边界层CBL(Convective Boundary Layer)顶高可达1500~2500 m,边界层湍流动能、切变项、浮力项与对流边界层顶高、局地垂直运动均呈显著相关,且白天地面感热通量或浮力项的热力湍流作用对CBL发展高度亦有明显影响,而机械湍流的剪切作用影响却相对小;另外,近地层切变项机械湍流输送对垂直运动影响显著,尤其午前其对垂直运动影响高度可达2500~3000 m;春、夏季浮力项、切变项与垂直运动相关的日变化峰值均为大气层结显著不稳定阶段,尤其夏季层结不稳定背景下浮力项午后对垂直运动贡献显著.本文研究结论揭示出高原东南缘对流活动的湍能源驱动特征及其两者的相互作用. 相似文献
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借助相似性定理推导出波浪破碎形成的气泡总数与气体体积卷入率、湍流能谱密度以及表面张力之间的关系, 得出泡径谱的指数为-2.5+nd, 其中nd取决于湍流能谱在黏性耗散区的分布. 利用引入的两个破碎统计量, 进一步导出了破碎过程中的气体体积卷入率Q的表达式, 建立了泡径谱与波浪要素的联系. 在此基础上, 利用观测结果提出两点假设, 并据此将泡径谱N(a)推广为随泡径和深度的分布函数N(a, z). 相似文献
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森林冠层上下湍流谱结构和耗散率 总被引：3，自引：1，他引：2
利用新型三维超声风速 /温度仪 ,根据在长白山原始森林冠层上下两个高度上测量的湍流资料 ,采用涡动相关法计算和分析了森林冠层上下湍流谱的结构、局地各向同性和耗散率 .结果表明 ,在惯性副区 ,归一化湍流谱遵从 - 23的指数规律 ;在森林冠层上 ,尽管谱的形状与均匀表面的一致 ,但是 ,大气湍流是非各向同性的 ;而在森林冠层内则是近似各向同性的 ;森林冠层上下湍流能量和热量耗散率比典型草原和牧场的结果大 ,揭示了森林粗糙表面在湍流输送过程中的动力扰动和对大涡的破碎作用 相似文献
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近岸海浪是影响近岸水域环境状态的重要环节.海洋近岸波的波动性质和变化规律的研究对于海岸防护、近岸航运、军事活动等具有重要意义.感应磁场波动可为探测海洋近岸波的非线性过程提供一种有效手段.本文首次对海洋近岸波引起的感应磁场进行了频谱指数分析,获得了能量注入和耗散过程对应的谱段.2016年5月15日—6月30日在昌黎海岸(东经119.3,北纬39.7°)利用KDM-2型磁通门磁力仪对海洋近岸波引起的磁场变化进行了测量,数据分辨率为0.01 nT/(HZ)~(1/2),时间采样率为1 Hz和128 Hz.观测数据显示,在距海岸线2 m远处,清晰地观测到了海洋近岸波引起的磁场波动,在0.001~10.0 Hz频段的波动最大振幅约为1 nT.波动的小波频谱呈现出多次谐波结构,符合海洋近岸波的谐波特征.傅里叶频谱显示不同频段谱的斜率不同,反映了海洋近岸波发展与耗散的非线性物理过程,进一步开展长期观测和统计分析有助于深入了解海洋中的电动力学过程. 相似文献
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利用中尺度气象数值模式（Weather Research and Forecasting Model,WRF）模拟风场,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）湍流观测资料,分析了黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流对近地层湍流活动的影响.黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流的形成与地形作用引发的局地环流有关.低空急流对近地层湍流活动有强烈影响,剪切作用使小尺度湍涡活动加剧,湍动能增大,同时非平稳运动被压制.低空急流发生时,观测数据有87.3%是弱稳定情形（梯度理查森数小于0.25）;而无低空急流时,对应时段的观测表明65.4%属于强稳定层结（梯度理查森数大于0.3）,非平稳运动造成湍流功率谱在低频端迅速增大.与无低空急流和弱低空急流情形相比,强低空急流发生时,近地层湍动能增大1倍,湍动能在垂直方向上的传递增大1个量级,且方向向下,约为-3 × 10-3 m3·s-3,湍流在上层产生并向下传递. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(12)
2010年Crafoord奖授予了著名物理海洋学家美国Scripps海洋研究所的Walter Heinrich Munk教授,以表彰他在海洋环流、海浪和潮汐及其在地球动力学中的作用等领域所做出的卓越贡献.本文通过介绍Munk教授七十多年的科研工作经历,解读他在物理海洋研究中所取得的部分卓越成就(如揭示了西边界流强化的物理机制,奠定了海浪和潮汐的预测技术,阐明了深海大洋混合的能量来源,提出了描述海洋内波特征的普适谱等),希望能够为中国科学家在科研求索之路上提供一些借鉴和启示. 相似文献