垂直湍流输送对大洋的重力位能和混合过程的影响

利用WOA09(World Ocean Atlas 2009)全球大洋温盐客观分析数据,计算了不同湍流垂直混合系数下全球大洋重力位能的变化,并分析了混合系数、浮力频率和重力位能变化之间的关系。在此基础上,进一步探讨了湍流混合造成的能量转换对湍流参数化的影响。结果表明,大洋中的垂直湍流运动不仅仅是动能能汇,而且是一个重要的外部能量转化为重力位能的途径。垂直湍流增加的重力位能在混合系数取0.1 cm2 s-1时为0.08 TW,参考前人研究结果,外部能量输入甚至可引起等效于全球平均12 cm2 s-1的垂直混合系数。一般而言,层结越稳定、混合系数越大,垂直湍流对重力位能的影响也越大。考虑湍流动能可转化为重力位能后,参数化方案可以得到和实际观测更接近的湍流动能耗散率和混合系数。

考虑真实能量来源的大洋垂直湍流混合系数气候数据集

利用ERA Interim再分析风和海浪资料、SODA三维温盐流资料、WOA09海洋温盐客观分析资料计算了风和潮汐引起的大洋垂直湍流混合系数,并从外部风能量输入、混合引起的重力位能改变、人为限定混合系数上限、不考虑外部能量输入的K理论参数化方案角度分别讨论了大洋垂直混合的能量守恒问题.研究表明:平均化资料和混合系数限定都会造成显著的能量不守恒,二者可造成高达90%的能量损失及能量输入周期律的显著改变.风在南大洋有巨大的能量输入至海洋上层湍流中,潮汐在深海山脉附近也有巨大的能量输入.本文认为严格考虑外部风和潮汐能量输入对于海洋长期气候模拟是必要的,在目前模式技术水平下恰当的使用本文计算出的混合系数集是一个快速经济的选择.