Stokes漂流对海洋上混合层影响程度的确定方法研究

The interaction between Coriolis force and the Stokes drift (Coriolis-Stokes force) affects the mean profile in upper ocean mixed layer. Distortion of three-dimensional turbulent vorticity by Stokes drift (Stokes-Vortex force) is the key of models for Langmuir circulation. They change the dynamics in ocean mixed layer and play a crucial role in air-sea exchange dynamics as well.We plan to use Large Eddy Simulaiton and ROMS-SWAN coupling model to quantify Stokes drift's effects on upper ocean mixed layer under different wind speed, wave condition, background current, latitute, water depth, temperature and salinity. Based on these works we will establish a method to estimating Stokes drift's effects on upper ocean mixed layer. Using this method we investigate Coriolis-Stokes force and Stokes Vortex force together or seperaterly working on mean current and energy transfer in Ekman layer with a non constant eddy viscosity. We will introduce the quantifing results of Stokes drift into circulation model, together with field observation and real ocean modeling, testing the modeling improvement and modeling application.

波流相互作用产生的Stokes漂流与海洋大尺度行星涡及湍流小尺度涡相互作用分别诱导Coriolis-Stokes力和Stokes-Vortex力。前者影响平均流场空间结构而后者是Langmuir环流生成的核心机制。它们直接影响着海洋上混合层内动力过程，对海气交换等有十分重要的作用。本项目拟利用湍流大涡模拟和ROMS-SWAN耦合两种模式工具，研究不同风速、海浪发展状态、背景流场、纬度、温盐等条件下，Stokes漂流与混合层深度、混合强度、混和率等的关系，量化Stokes漂流对海洋上混合层在这些不同条件下的影响，建立其影响程度的确定方法；研究非常数涡粘系数下Coriolis-Stokes力和Stokes-Vortex力各自和共同作用对Ekman层平均流及能量输入的影响；将Stokes漂流影响程度量化结果引入至海洋环流模式中，结合观测资料进行实际海区模拟，研究其对海洋模式的改进效果和应用能力。

Stokes 漂流与海洋大尺度行星涡及湍流小尺度涡相互作用分别诱导 Coriolis-Stokes 力和 Stokes-Vortex 力。前者影响平均流场空间结构；而后者是 Langmuir 环流生成的核心机制。它们直接影响着海洋上混合层内动力过程，对海气交换等有十分重要的作用。利用湍流大涡模拟和 ROMS-SWAN 耦合两种模式工具，本课题研究了不同风速、海浪发展状态、背景流场、纬度、温盐等条件下，Stokes 漂流与混合层深度、混合强度、混和率等的关系，量化 Stokes 漂流对海洋上混合层在这些不同条件下的影响，建立了通过修改湍动能方程的非参数化方法确定Stokes漂流影响程度的方法；研究了非常数涡粘系数下 Coriolis-Stokes 力和 Stokes-Vortex 力各自和共同作用对 Ekman 层平均流及能量输入的影响；将 Stokes 漂流影响程度量化结果引入至海洋环流模式ROMS中，结合中国南海观测资料进行实际海区模拟，研究揭示Langmuir环流使南海混合层深度加深。如果同时考虑Langmuir环流和波浪破碎，混合层深度进一步加深。湍动能收支结果解释了混合层加深是由于破碎产生的湍流在Langmuir存在的情况下持续下传，使得二者相互作用时放大各自单独存在的影响，从而使得混合层进一步加深。Coriolis-Stokes 力虽未直接作用于湍流尺度，但它通过影响平均流间接影响湍动能的收支。相同条件下考虑与不考虑地转的影响结果表明水平地转与全地转结果接近，即通常略去地转垂直分量的假设成立。水平地转分量的影响结果地转的效应影响了剪切生成项，使中等水深的剪切生成明显变小，而湍动能收支项在考虑地转的条件下都明显变小。将地转的作用考虑进来重新对CBLAST-Low进行大涡模拟的结果发现，底边界湍动能收支的变化同步于强的潮汐周期证明了近岸动力过程中潮汐对海洋混合影响的重要性，更说明地转对这种作用的放大功能。