PDF《浅 海热 盐结 构三层模式》

第卷第期一海洋学报!? # , , 浅海热盐结构三层模式 杨殿荣青岛海 洋大学物理海洋研究所 摘要浅海 热盐 结构三 层 模式是在 浅海温 盐跃层二 层模式的基 础上研 制而成 的,它既保持了原 模 式的基本特 点,又扩大 了原 模 式的功 能 它不仅 能预报温 盐跃 层的深度 , 而且还 能预报 温盐跃层 的其他全 部 要素 , 以及上 下 两个 混合层 的温 度 和盆 度 数值试 验结果 与实际一 致 最后 , 详细分析 了制 约温跃 层 强度 变化 的各项 因子 关键 词三层结构 浮力通 量卷侠速度 贯跃层 混合 前言根据渤 、 黄、东海 的海洋学 特点 , 我们 曾研 制 了一个浅海温 跃 层二 层模式'

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本文介 绍 的兰层模式便 是在 此基础建立 上的 , 它保持了原模 式适应浅 海 特点的 优点,同时又扩大和改进了 其预 报功能 不 仅能预 报跃层的 深度 , 而且还 能预报跃层 的厚度 、 强度等全部要 素,以及 上混合层 和 下混合层的 温度和盐 度 迄今的 混合层积 分模式一 般都限于 二层 , 对于 三层模式的研究极少 〔'

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的 混合层 模式虽也 包含三个水 层 上下 棍合层 和跃层 , 但他 只在 当上 下两棍合层 的厚 度之和 小于 深 水时 , 才 将海水分 为三层 , 而且 两个 混合层 分别 用独立的 二层模式 计算 当跃层 厚度 为零 时,便用一个 二层模式 所以,的模式 实 际上 仍 然是二 层的 万 邦君 等〔忿〕也曾提 出了一 个 三层 模式 本文 将详 细介绍模 式的建 立过程 , 并取 '

温度断面 进行 了一次初 步 试验 , 并根 据试验 结果 , 对 制约跃层 强度 的诸 因子进行 了具 体的分析数学模式 在渤 、 黄 海及 东海 的大部 分浅海 区,用如 图 所示 的三层 模型可以近似地 描 述其 热盐结即上均匀层 厚度 、 下均 匀层 厚度 人 和呈 线 性变化 的温 、 盐、密跃 层 厚度 本模式 的推 导 将从如 下的 基础 方程开 始参见文献 〔」 , 轴向上 , 一切通 量均 以向上 , 正构为口切产万了 一下石万 , 本文 于一.

收到,修改稿 于,一收到 杨殿荣 浅海温跃层二 层 模式的改进和 试验 期 杨殿荣 浅海热盐结构三层模式 上均匀层沙'

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方程中的 、 、 分别表 示海水 的温 、 盐 和浮力 , 混合层 , 表下 混合层 , 为太 阳透 射 的辐照 度,六行凡一从击脚标 表上 、 、 分之二一了了一侮 底别为海水 的密度 、 比热 和热膨胀系 数,、犷、序为 流 速的

二、、方向的分量 平均 值,为压强 , 所 有带 撇号的均为 该量的脉 动值,,

为单位质 量海水的湍能 先 求风 混合条 件下的 卷挟速 度图浅海热盐三层结 构 根据 实测资 料,混合层的 湍 能变化率 相对 于其产 生和 耗散通常很 小,和.〔'

, 系充之湍能 来 自风 对海 面之作 劳和 内部的 浮办生 成,成和平 流,并认 为混 合层 湍能 不穿透跃 层,则能量 方怪 的 积分为 可以忽略根据 不 计内 部切变 生一而一砂石 , 一 上即 , . 全.一., 方程 左 第二 项是 来 自海 面的 风生有 效湍 能,采用 了 功的处 理方 法,其中.为空气密 度,,

.为海面 阻力系 效,,

.为离海万 . 二 迁为风 座,,

为常效 左 第一 项 是发 生 在混 合层 和跃层 中的 湍能 浮力生成 或消耗 、 , 它可 分成 相应 的 两部分 石,一而・一几一'

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取为海 面辐照度 , 夕 为衰减 系改,「一丁丁 , , , , 一二下 功了'

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.等一令上式及以后 均 忽略透入跃层 的辐照度 上 面是上 混合层 中的 情形 , 下面 讨论跃层 中的 积分 在跃层 中,由于忽略直接进入的光透射 , 其浮力方程 使简化为 海洋学报 卷田了之考虑到跃层 的热盐 线性结构的 假设条件 , 上式 可得如下形式 熹二上尹 「 鲤一一,「,,

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、式中 , . 和、 分别为上 下两 混合层之 浮力 借 助方 裁 消去 粤后将式 , , 积分 一.石一,,

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9 ) 和式 (

23 ) 代入式 (

6 ) , 并 考虑到式 (

14 ) I 厕 .3h圣 + 3h

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〕,式(15)中B . 为 海面 浮力 湍流通量 , 即B.二石万 歹}tD.:和四 . 至分别为跃 层上界和 下界也风及浮办导 致的 卷挟 速度 , (

1 6 ) 推 导时用 到一 个简单 的恒 等'

期:杨殿荣 : 浅海热盐结构三层模式 加式H三h:+D+h:.将式 ( 巧)代入 式(5),便得能 量方程 积分的 最后形 式为:17 ) (3h , , 十ZD )h , 二,,

+(sh,+D)(h:+D)功二:一 皿Zh:+D) b, 一b:阵二 :c , . 川.+'

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3、 I D + D Z , ( B . + 器I. , s( Zh, + D ) _ g a P C 竺生 飞,(、8,yJ由上式 看到 , 由于跃层 厚度的 存在,能量关 系 被复杂 化了 . 若令D 二.(这时自然 有w.:='

1),则式(28 ) 成为 : 切.12(b,一b:)h,〔合川. ・ G O U 翌.+今( B. + 器'

.)-g劣pC二飞 丫J这便是 二层模式 的 卷挟速度 公式 ( 参见文 献〔5〕) . 公式 (

18 ) 比较复杂 , 为了更 清楚地揭 示跃 层发展 过程中的能 量转换过程

1 , 不妨 讨论一 个 简化的模型 . 设 想通过海面 的浮力通 量正好 等于通过 跃层 底部 向下 的浮力通 量 (丽 下石,l一:),因此 , 上 混合层 的浮方不 变,只是跃 层的深 度和结 构 发生变 化.这样,式(15 ) 便成了如 下形式:J而d・_h,一'

1一D将上式 代入 式(5),器Q.. + 普而卜.:一寻'

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18 a ) 上式 左边为风 榆入 海洋的有 效湍能 , 它 消耗于 三个 方面 : (

1 ) 在 混合层 中,使表面浮 力通量均匀分 布过 程 中抵 抗浮力 作功 ( 右第一 项);

(2)在使混合层 底部冷水 向上 混合时,抵抗浮力作功 ( 右第 二项);

(

3 ) 跃层下沉过 程中,抵杭其 内部 浮力 作功(最后一项).显然,这第一 、 二两项能耗过 程,三层模 式 与二 层模式 并无 区别,只有最后一 项是 三层模式 所特有的.根据上述 模型 , 有:器Q. 一…丙{一:一专(

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所以式 (

18 a ) 又可 写成 : 止.p . e , . 百全 . 一夸(. , 一.:)(? ・ , + ? 二:)+寻( 1一 名,(田一+2切 !,(18b) 因为h , 和D 具有 同量级 , 所以,消耗于跃 层 中的 能量与 消耗在 混合层 中的 能量 ( '

上式右第 一项)是同量级的 ;

包 含跃层内部的 能量消耗过 程,这是三层 模式 与二 层模式 最本质 的 区别 . 上面 讨论了 在 海面 风和 浮力通量 作用下跃 层的 下上 两 个卷挟 速度的 关系 , 下 面以类 似的方法讨 论潮混 合的作用 , 不 同的只是 海底的潮 混 合代替了 海面的 风混 合,浮力方程 也 因为 拱幻海洋学报 15卷 有边界面 的浮力通量而简 化成 式(10)的形式 . 设u 、 为 底层潮 流速率 , c b 为 海底摩擦 系数 , 则潮 流的 有效 湍能 生成率为.bc 着u之,.、为与m 类似 的系数 ( 参 见文献 [

5 〕) . 这样便得到 与上 混 合层类似的下 混合 层 能量方 程的 积分:一几.J一.,d・+川bC 惫U:一.,,

(19)上式的 积分项 同样 可 以分成 两部分 : O 几.!卜JH,占l?由、d・+一i'

、d・一'

i一D(20)同样借助 浮九方程 〔 式(1. ) 〕 , 可以求 得:乏石万下d : 一生(方

一、,一D)奋、 歹}2-一'

!一为i一D(21)D一一且hr.... 沙 在跃层 中,借助 浮力方程 , 利用 线性结 构的假 设条 件,用与上面类 似 的方法 , 可 求得 : 种}=_互 止丛 , . 、 O h , ,

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1一0(22)对上式积分 ( 一h;

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3 h : 面币{_, , 一如i一D(23)bZ浮力b.{一 '

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A 上式中的 '

、 . : 和. 二:分别 为 由潮摩 擦导致的 跃层 下界 和上界 的卷挟速度 . 为求跃层 下界的浮力通 量厉下 卜.

2 一.,可借 助图解法.在图2 中,由于潮 混合 , 单位时间后 , 原来 的廓 线b:A B b: 变成了b1A '

B '

b '

: , 跃层 的浮力 减少 而 底层的 浮力 增加 . 与 四边 形A,AC'

B了的面 积相应的浮力 总量 ( 用S人,A.・、,表示)就是通过跃 层 下界 向下的浮力通 量.今以S A , A B C 、 S ^ '

B , C 和S.,C'

B.分别表示与其 下标的面 积所对应的 浮力 量值 , 则SA,AC,B,=SA・AB.一SA,B,C一SB,c,BC,'

(24)由图可立 即写 出: s A , 、 B C = 粤(、 . : + 山 :)( . : 一.:),名(25)同样也不难 求得 , 略去小 量以 后,S人,.,.为;

图么 潮混合前后 的变化 浮力结 构s * , . , . 一刀一-甲资产, 一一, , 洲~ 一一 -

4 ( * : + 粤刀 ) 若(?;

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1 一.・)(Ze)期:杨殿荣 . 浅海热盐结构三层模式

2 1 因为 S B , . , . C 为 与卷挟 速度的平 方有关 的 小........