盐指的不稳定性机理及其传热传质效应的理论和数值研究

盐指现象是双扩散对流系统中一种典型的小尺度现象，也是海洋中常见的重要特征。盐指对流引起的局部混合使海水的温度和盐度呈现阶梯状结构，这对声波在海洋中的传播有很大的影响。据观测资料显示，盐指现象不仅有效混合中、深层海水中的盐分及热量，同时也扮演传送海水中各类化学物质、污染物及二氧化碳的角色，对温盐环流及全球气候有不可忽略的影响。本项目计划采用数值模拟和理论分析相结合的手段从机理上对高Rayleigh数条件下的盐指不稳定性进行研究，系统分析不同条件下的盐指行为，探讨盐指在发展过程中相互作用的机理及其产生的传热传质效应，并进一步研究盐指对流与海洋中其他微结构的相互作用和混合过程。这一研究处于本学科的前沿，不仅对于探索海洋中的小尺度物理过程、以及小尺度过程与大中尺度过程之间的能量与物质传输具有科学意义，而且能为更客观、更深入地了解海洋微结构及其内部混合过程提供依据。

本项目采用数值模拟和理论分析相结合的手段，从机理上对高Rayleigh数条件下的盐指不稳定性进行研究，系统分析不同条件下的盐指行为，探讨盐指在发展过程中相互作用的机理及其产生的传热传质效应。具体如下：（1）完成盐指的不稳定现象及其产生的传热传质效应分析。对不同参数（包括Rayleigh数、Lewis数、浮力比）条件下的二维盐指对流进行数值模拟和分析，从定性和定量上分析了不同条件下盐指对流产生的传热传质效应。（2）对高Rayleigh 数条件下盐指对流的不稳定性机理进行理论分析。强分层条件使得方程无法作线性化处理，原设想的稳定性分析方法在此行不通。目前想到的解决方式有两个：一则想办法用其他方法进行理论分析；二则采用欧拉方法和拉格朗日相结合的方法，用数值方法对盐指的运动轨迹进行追踪。（3）完成对盐指对流的三维模拟。自建一套并行系统，采用intel i7 2代 3930k cpu 组成分布式内存并行计算集群系统，总共24个核心，内存64G，系统模拟了三维盐指结构，为后续深入分析打下基础。（4）南海北部海域的盐度变化规律研究。揭示了南海北部盐度场随季节的变化规律，分析了黑潮与冲淡水对平均盐度的影响，并进一步考虑西边界和北边界的影响，得到更符合实际的计算结果。该内容已被第三届IEEE环境与计算机科学国际会议（ICECS 2010）论文集收录。（5）基于非静力方法，建立了斜压模型，研究盐水入侵现象。（6）以非现行线性波为研究对象，建立了交错网格下的高精度Chebyshev有限谱方法。