PDF《近海区域海气温差对海 气动量交换的影响》

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8 卷第6期1996一11海洋学报ACTAOCEANOLO G IC A S IN IC A V o l .

18 , N o .

6 N o v e m b e r ,

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6 近海 区域海气温差对海气动量 交换的影响 ' 程展吴少华(国家海洋局海 洋环境预报 中心 , 北京 ) 摘要本文将海 面上的大 气边 界层简 化为水平平板上湍 流边界层的混 合对流问题,并考虑 大 气与 海 浪之 间 的动量交 换,计算出海 面 上风 速、海气温 差和 风 区等 诸 因素对 海 气动量 输运 的影响 . 边 界层 计算 需用 的湍流 模 式采用 包含浮力效 应 的混合 长模 式,在考虑 海 浪作用 的计算 中采用 理论与半经验 公 式相 结合 的方 法.我们 发现 在有 限风 区 情况 下 (刮 离岸 风 的近 海区域) , 风 区会显 著 影响 不 同海 气温差 下 海气 动量交换过 程,这一点在 以往 的研 究 中从 未涉及 到.关键词阻力 系数 大 气稳定 性风区目U舀无论在陆地上 还是 在海 洋上 , 大气 边界 层 的稳 定性在大 气 与其 下 界面物 质之间的动 量及 能量交 换 中的作 用 得到 了较 为深 入 的研 究.自从1

9 7 1年Businger等人阁 在 陆地 上实 地测 量了非中性状况 下 大气地 表层 内风应 力 剖面 和温 度梯 度 剖面 以后 , 人们逐 步弄清了地表面 风应 力与大气 地表 层 稳定 性的关系 . 由于 海上 测量 的难度较 大,其测量 结果 不 如陆地上 的 细致 , 数据也较 为分 散,得到的结果 定性 地讲与陆地 上 的结果 是一致 的.从传热学 的角 度讲 , 大 气边 界 层的 贴地 层 可视为水 平平 板 上湍 流边 界层 流 的混合对 流问题,即强迫对 流和 自然 对流 共同作 用.边界 层 内温 差 引起 的空 气密 度差 别造 成 的浮 力效 应对 边 界层 内的动 量及 热交 换起 着明显 的作用 . 从相 应 的边 界 层方 程分析 中可 以清楚 地 看到 , 边 界层 内温度 场对 动 量交 换 的作用 不仅 受 风速大 小和 空气 与壁 面之间温差 大 小的 影响,而且 与边界层 主流 方向的 距离 密切 相关 . 该 距离 在 物理 海 洋学 中 我们通常 称为 风区.因此 , 海上大 气 与海 面 的温差 对海气动量 交换 的作用不 仅与风 速及 海气温 差相 关,还受风 区 的影 响.这一 点在以前的大多 数研究 中都被忽 视了.作者认 为未考 虑风 区的影 响是 海 上测 量数据较 为 分散 的重 要原因之一 另外,海面 与固壁 的差 别之 一在 于海 面上 存在海 浪,因而大 气 中的 动量 不仅通过 海气 界面传递到海 中形 成漂 流,也传递 给海 浪.海浪的发展 状况 也 同海 面 风应 力和 风 区相 关,这也 本文于1

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5 一05一30收到 , 修改稿于1

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6 一01一19收到 . * 国家 自然科学基金资助项 目.6期程展等 : 近海 区域海气温差对海气 动量交换 的影响 导致 海 气动 量交换 与风区相联 系.此外 , 因为 海上 漂 流的 存在 , 使得大气 边 界层 下边 界 的速 度 不为零 , 需要 对 风速做 适当的修正 ;

但 由于该 修 正对海气 动 量交换 的影 响不 超过

5 % , 因此 本文中未加 考虑 . 本 文正 是基 于上 述考 虑,从传热学 的 角度 出发 , 将海 面 上的大 气边界层 简化 为水 平 平板 上 湍流 边界 层 的混 合对流 问题 , 并考虑 大 气与 海 浪之 间 的动量 交换 , 计算 出海面 上风 速、海气温差 和风 区等诸 因素对 海气动 量输运 的影 响.边界 层计 算 需用 的湍 流 模式 采用 包含 浮 力效 应 的混 合长模 式,在考 虑 海浪作 用的 计算中采 用理 论 与半经验公 式相结合的方法 , 得到了一 些 有趣 的新结 果.1湍流边界层混合对 流 问题 在Boussin e s q 近似条 件下 , 水平 放置 的半 无 限长 的平 板 上壁 面 与来流存 在 温差 的 定常二 维 湍流 边界 层可 用 下面 方程 组进行描 述:、