波浪对南中国海Ekman层风能输入的影响

【摘要】： 基于海洋Ekman层流速剖面结构受波浪影响的三点观测事实,研究了波浪对Ekman层的机械能输入,在常涡粘系数的假定下得到了波浪对Ekman层能量输入的解析表达式。研究结果表明,海洋Ekman层的机械能输入包括两部分:一是风应力对Ekman层的直接能量输入,其受波浪的影响,数学上可以表述为E_w = E_(w,1) + E_(w,2) + E_(w,3),其中第一项为不考虑波浪影响时Ekman层的风能输入,第二和第三项为波浪诱导的能量输入项,它们和风应力、波浪特征和风向与波浪方向的夹角有关;二是波浪对Ekman层的能量输入,数学上可以表述为E_s = E_(s,1) + E_(s,2) + E_(s,3),其中, E_(s,2)= -E_(w,2), E_(s,3)= E_(w,3),第一项与风应力和波浪参数有关,可以直接视为Coriolis-Stokes力对波浪诱导的Stokes漂流所做的功,第二和第三项与风应力、波浪参数、波向与风应力的夹角有关。维持海洋上混合层湍流与耗散的能量不仅来源于风应力对Ekman层所做的功,也来源于波浪诱导的Coriolis-Stokes力所做的功。 估计了波浪对Ekman层能量输入的大小,结果显示,在中高风速和中高纬度条件下,波浪对Ekman层的能量输入与不考虑波浪影响的Ekman层风能输入相比较可达10%以上,在绕极流区可达20%以上;在波浪方向与风应力方向不一致时波浪的能量输入更为显著。给出了波浪对非定常Ekman层能量输入的计算公式。本文结果在研究海浪的大尺度效应方面有启示意义。 利用上述理论结果,研究了波浪对南中国海Ekman层风能输入的影响。风场取自分辨率为0. 5×0.5的QSCAT/NCEP卫星遥感资料,时间从2000年至2005年。首先利用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ计算了2000-2005年南中国海的波浪场分布;然后计算了风和波浪对Ekman层的能量输入。结果显示,南中国海的海浪分布除一些边缘海域外都以风浪为主,这样可以基本忽略风向和波向不一致造成的波浪对风能输入的影响。风应力对南中国海的能量输入在台湾岛周边和菲律宾群岛北部海域较大,其他海域较小且风能输入分布较均匀,并且呈现明显的季节性变化特征。波浪对南中国海Ekman层的能量输入较小,约为风能输入的5%-10%左右。纯粹由Coriolis-Stokes力对Stokes漂流做功产生的能量输入E_(s,1)基本可以忽略,波浪的影响主要体现在第二项E_(s,2)。比较无波浪影响的南中国海Ekman层的风能输入,受波浪影响的Ekman层风能输入减少5%-10%左右,减少的部分转变为波浪对Ekman层的能量输入。 2000年至2005年南中国海的风能和波浪诱导的能量输入显示,风能和波浪对Ekman层的能量输入具有明显的季节变化特征,1月-4月呈下降趋势,至夏季逐渐加大,到秋季逐渐加大,再到冬季又呈增长趋势。南中国海Ekman层的风能输入和波浪的能量输入的季节性变化取决于风的季节性变化。 【关键词】：Ekman层 风能输入 波浪能量输入 南中国海
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：P731.22
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-14
• 1.1 研究背景8-11
• 1.1.1 经典的Ekman漂流理论8-9
• 1.1.2 Ekman漂流理论质疑9
• 1.1.3 Coriolis-Stokes力9-11
• 1.1.4 海洋能量平衡研究的发展和现状11
• 1.2 问题的提出11-12
• 1.3 本文工作12-14
• 2 经典Ekman层的风能输入14-18
• 2.1 经典Ekman层动量方程的一般解14-16
• 2.2 Ekman输运16
• 2.3 风对Ekman层的能量输入16-18
• 3 波浪对Ekman层风能输入的影响18-30
• 3.1 定常状态下的解19-22
• 3.1.1 风能输入E_w19-20
• 3.1.2 波浪产生的能量输入E_s20-21
• 3.1.3 总的能量输入E_(tot)21-22
• 3.2 非定常状态下能量输入22-23
• 3.3 波浪产生能量输入的估计23-25
• 3.3.1 E_(s ,1) 与E_(w ,1) 之比R_123-24
• 3.3.2 E_(s, 2) 与E_(w ,1) 之比R_224-25
• 3.4 考虑波向和风向不一致的情况25-27
• 3.5 小结27-30
• 4 南中国海海浪模拟30-40
• 4.1 风场资料来源31
• 4.2 海浪计算31-32
• 4.3 海浪模式设置32
• 4.4 结果分析32-33
• 4.5 风向和波向夹角分布33-37
• 4.6 Stokes漂的计算37-40
• 5 波浪对南中国海Ekman层风能输入的影响40-61
• 5.1 不考虑波浪影响的Ekman层的风能输入E_(w ,1)40-42
• 5.2 波浪对Ekman层的能量输入E_s42-43
• 5.3 考虑波浪影响的Ekman层的风能输入E_w43
• 5.4 风应力和波浪对Ekman层能量输入的季节性变化43-60
• 5.5 小结60-61
• 6 结论与展望61-62
• 参考文献62-64
• 致谢64

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