风应力对海洋上层垂向混合影响的湍流大涡模拟

摘要

湍流垂向涡粘系数是衡量海洋内部垂向混合强度的一个重要参量。风应力是控制海气界面交换的重要因素。而海表10米风速可以通过风应力的形式向海洋上混合层传递动量通量，从而影响整个海洋上混合层内部的湍流混合过程。由于不同的海表10米风速可以导致不同的湍流垂向涡粘系数，因此，建立海表10米风速和湍流垂向涡粘系数的直接关系意义重大。
　　传统的湍流垂向涡粘系数可以通过参数化雷诺应力项的方法进行求解。传统的参数化方法可分为零方程、单方程和双方程等约有200多种。由于参数化方案适应性不高，而且不同海况条件下的不同参数化方案结果相差甚远，即使同一种参数化方案，在不同的初边条件下，也需调试不同的参数，才能使传统模式更接近观测值。尽管目前传统的参数化方案覆盖面广泛，但是由于其数量、种类繁多，且不同海域有着不同的最佳参数化方案，导致难以在工程上直接应用。因此，需要寻求一种新的垂向涡粘系数的计算方法。
　　湍流大涡模拟(LES)为海洋湍流模型提供了一个数值解。利用LES的结果对可解尺度速度场直接计算雷诺应力。并求解平均速度沿垂向的梯度与速度二阶矩的比值的绝对值反演垂向涡粘系数。最后，利用MY2.5(Mellor-Yamada Level2.5Turbulence Closure)验证LES结果的准确性。结果显示利用LES反演的垂向涡粘系数与MY2.5湍流闭合模型的结果一致。并且与参数化方法相比，LES可以在水平方向上表达更多的湍流信息。在高风速下，LES结果相较于MY2.5湍流闭合模型，能更加准确的显示出海洋上混合层内的混合。
　　文章首先利用LES模拟了波状底边界层的湍流场，用以验证大涡模拟模式的准确性。在该前提下，其次利用湍流大涡模拟得到的数据，反演出了湍流垂向涡粘系数。最后反演出的垂向涡粘系数，曲线回归出湍流垂向涡粘系数与海表面10米风速和水深之间的关系式。结果显示，在海表面10米风速为15m/s到20m/s之间时，拟合的效果十分好。但是，拟合公式不适用于海表面10米风速为低风速时的浅层模拟。

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摘要

1 引言

1．1 湍流垂向涡粘系数

1．2 风应力

1．3 数值模拟

2 大涡数值模拟

2．1 模式建立

2．2 次网格封闭

3 大涡模拟模式的检验

3．1 模型的初始条件和边界条件

3．1．1 初始条件

3．1．2 边界条件

3．2 速度分量的结果

3．2．1 速度分量u

3．2．2 速度分量v

3．2．3 速度分量w

3．3 TKE收支的结果

3．3．1 整个区域的水平平均

3．3．2 剪切生成项

3．3．3 耗散项

3．4 小结

4 不同风速下的海洋上混合层的大涡模拟

4．1 模型的初始条件和边界条件

4．1．1 初始条件

4．1．2 边界条件

4．2 模式合理性检验

4．2．1 MY2．5 模型介绍

4．2．2 对比结果

4．3 不同风应力输入对垂向涡粘系数的影响

4．3．1 垂向涡粘系数的计算方法

4．3．2 曲线拟合

4．4 小结

5 讨论及展望

参考文献

作者简介