波浪破碎对海上溢油垂向扩散的影响研究

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由大气进入海洋的总动量通量和能量通量,可以分为两部分,一部分进入海浪,一部分直接进入海洋环流中。海浪场中的动量通量和能量通量最终通过波浪破碎进入海洋中,对海洋混合层的热力学和动力学结构产生重要影响,进一步影响悬浮物在海洋中的输运和扩散。关于波浪破碎对海洋混合的影响,已有众多的参数化方案,采用不同的参数化方案,模式模拟的结果有所不同。本文在分析总结目前参数化方案的基础上,考虑海浪的成长状况,提出了一种基于风速和波龄(cp u*a)的参数化方案。在新的参数化方案里:破碎动量通量垂向分布的拟合函数不仅考虑风速,还考虑波龄的变化;破碎能量通量的参数化方案也采用基于波龄的函数。设计敏感实验,利用一维海洋模式GOTM,探究波浪破碎对海洋混合的影响,并对比常用的参数化方案和本文提出的新的参数化方案对模式性能的影响。最后,利用模式模拟的结果,基于前人研究,分析波浪破碎对溢油浓度垂向分布的影响。通过实验分析,主要结论如下:(1)考虑波浪破碎的影响后,混合层加深,到达同一混合层深度的时间更短;风应力越大,混合层深度越大,波浪破碎的影响也进一步增大;海浪信息发生变化时,波浪破碎造成的影响随之改变。(2)仅考虑破碎能量通量的影响时,改善效果非常有限。考虑破碎动量通量的影响后,模式性能得到较为明显的改善,海表温度和温度的垂向分布的误差均有所降低。并且本文提出的方案,对模式性能的改善起到了积极的作用。此外,与未考虑波浪的影响时相比,考虑波浪破碎的影响后,同一深度的湍动能各项和扩散系数均有所增加。综合实验结果分析可知,破碎能量通量对海洋混合的影响小于破碎动量通量对海洋混合的影响。(3)溢油浓度的垂向分布主要取决于油滴颗粒直径和溢油扩散系数。随着油滴颗粒直径的减小(扩散系数的增大),溢油向下扩散的深度加深,其浓度随水深减小的速度变慢。此外,考虑波浪破碎的影响后,扩散系数增大,溢油向下扩散的深度随之加大,其浓度随深度减小的速度变慢。
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