海山诱导的局地物理过程的数值模式研究

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海山是海底地形中一种常见形态,广泛存在于各个大洋中。已有的研究表明海山地形会诱导多种物理过程,影响范围包括海山局地区域和远离海山的区域。本研究在前人研究的基础上,聚焦于海山诱导的局地物理过程,一方面使用三维理想海山模式和真实海山模式系统分析了海山引起的局地物理过程,另一方面将海山地形对海洋混合的影响进行参数化,加入通用地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中,分析了其对模式模拟结果的影响。本文首先使用区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)构建理想海山实验,通过不同高度海山的实验对比,发现随着理想海山高度的升高,海山对周边海水的影响逐渐增大,但负涡度泰勒帽现象受到削弱,在海山高度超过一定高度后会出现明显且稳定的底边界层锋面。随后分析了底边界层锋面周边的物理场结构,发现底边界层锋面两侧结构不对称,在来流方向的右侧形成了垂向的次级环流,而另一侧没有,并且左侧锋面所引起的混合明显大于右侧。通过分析海山周边的垂向混合,发现在次网格参数化内的混合中,混合主要是由于底边界中的摩擦效应所产生,而内部剪切不稳定的贡献比摩擦效应的贡献小1-2个量级。在网格分辨率内,海山诱导的局地物理过程,引起了海山周围两侧以及上方的混合,但是这部分混合并没有包含在次网格参数化当中,并且随着模式分辨率的降低,这部分混合被进一步低估甚至忽略。随后使用ROMS模拟了西北太平洋的真实海山对海洋环境的影响,通过分析发现,在真实海山的情况下,在海山两侧也会形成底边界层锋面以及负涡度泰勒帽的现象。并且和理想海山模式的结果一样,次网格参数化并没有包含海山周围模式分辨率内的物理过程所引起的混合。最后使用Argo浮标数据,利用细尺度参数化对全球混合系数进行了计算,并与地形粗糙度进行拟合,得到了地形粗糙度与混合系数的拟合公式,并将其加入CESM中。发现在修改了背景混合之后,模式模拟的浮频率、混合层深度和海水温度均有不同程度的改进,其中海水温度的改进在不同深度上表现出不同的特点。
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