海洋上层湍动能耗散率观测及参数化研究

The small scale turbulence plays an important role in the global ocean and climate system throughout regulating the local mixing and distributions of the temperature and salinity. Research and development of the turbulence parameterization can improve the parameterization of the vertical mixing, thereby improving the simulation and forecast of numerical models to the global ocean and climate. The parameterization schemes of the turbulence dissipation rate are usually based on the similarity theory or wave-turbulence interaction at present. These schemes can only make a good prediction to a part of the observation, while deviate greatly from the others. .The field observations, both in the lake and in the open ocean, will be conducted in this project, in which some factors, including the turbulence dissipation rate, surface waves, currents, temperature, salinity, as well as the related meteorogical factors, are accurately measured. Based on these observations, we will analyze the influences of some processes, such as the current shear, wind waves, swells, and cooling convection, to the turbulence of the upper ocean, and study the evolution and distribution of the turbulence dissipation rate during the stages of the developing wave and decaying wave. The processes influenced the distribution of the dissipation rate will also be analyzed in order to understand the main physical mechanisms involved. Combining these mechanisms, we attempt to develop a comprehensive parameterization scheme of the turbulence dissipation rate for the upper ocean. It is hoped that this scheme can improve the simulation and forecast of numerical models to the global ocean and climate.

在海洋中，小尺度的湍流影响局地的混合和温盐分布，进而影响全球海洋和整个气候系统。研究和发展湍流参数化，对完善目前的混合参数化方案，提高数值模式对全球海洋和气候系统的模拟和预报能力有重要意义。目前的海洋上层湍动能耗散率方案或基于相似性理论，或基于波-湍相互作用，仅对单一的过程进行参数化，它们只能对部分观测进行模拟，与其它观测存在较大的偏差。.本项目以现场观测为主，包括湖泊实验和大洋实验，对水体中的湍动能耗散率、波浪、流场和温盐分布以及相关气象要素进行系统的测量。通过这些观测，本项目主要研究剪切流、风浪、涌浪和对流等过程对海洋上层湍流的影响，了解波浪成长和消衰阶段湍动能耗散率的分布和演化规律；分析造成耗散率不同分布的原因，确定所涉及的主要物理机制；综合各种机制的影响，发展更完善的海洋上层湍动能耗散率参数化方案，提高数值模式对全球海洋和气候系统的模拟能力。

湍动过程影响着海洋中的环流和温盐分布，观测海洋中的湍动过程，并研究其具体的产生和耗散机理，对完善海洋混合过程参数化，提高模式对全球海洋的模拟和预报能力有重要意义。本项目在南海北部依托石油平台和气象观测平台进行了3次现场观测实验，收集了大量湍流和波浪观测数据。对收集的湍流数据进行了深入的分析，发现经验模态分解（EMD）结合Butterworth滤波可以有效地消除声学多普勒流速计（ADV）观测数据中的多普勒噪音及其它高频信号，处理后的湍流谱可以分辨到耗散区，从而解决了长期以来ADV数据只能通过惯性副区计算湍流耗散率的问题。分析了一个台风过境时的ADV观测数据，发现台风影响观测区域之前，底边界湍流主要受潮流影响；而在台风影响观测区域时，主要受波浪影响。另一次观测实验也显示近海底边界层处的湍动耗散率与波浪明显相关。. 详细研究了目前常用的海洋混合参数化方案，对参入第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的45个气候模式所采用的海洋混合参数化方案进行全面的评述，指出这些模式都没有正确地参数化波浪的影响，因此绝大部分模式模拟的夏季海洋混合层都存在偏浅的问题。研究了Langmuir环流对上层海洋的影响，发现当模式考虑Langmuir环流作用后，模拟的海洋次表层温度仍明显偏低，这意味着Langmuir环流对海洋上层的影响有限，不足以解决目前模式中存在的海洋上层混合不足的问题。. 还研究了气候模式对我国南海海平面变化的模拟及预估能力，指出未来百年南海海平面在不同情境假设下均呈明显的升高趋势，但升高程度仅略大于全球平均，这为我国南海岛礁开发及建设提供一定的指导意义。另外，利用气象平台进行海气界面通量观测，初步研究了海-气界面通量及海面反照率等与波浪之间的关系。