波浪破碎对表层海洋湍流的能量输入

波浪破碎将波动能量向表层海水转移的三种主要方式为：传递给平均流、克服浮力卷入气体、传递给近表层湍流。经过估计，前两部分所占的比例大约分别为1%和30%，而传递给湍流的能量所占比例尚无直接办法进行估计。本课题拟研究破碎能量总耗散率 和湍动能占破碎耗散总能量的比例 。将 作为湍动能的海面边界条件加入到 湍流闭合模型中。将湍流闭合模型计算得到的湍流耗散率的垂向分布与现有的外海观测结果进行比较，确定 的取值，从而可以直接估计破碎能量中传递给平均流的比例，又可以提出物理意义更明确的湍流闭合模型的海面边界条件以替代目前使用的破碎参数化边界条件。

本项目首先对破碎能量耗散率进行了解析研究，根据波面位移方差、相关函数及联合概率密度分布推导了波浪能量耗散率的解析表达式，在没有可调整的参数的情况下，结果在量级上与前人的研究结果有很好的吻合。收集整理了湍流耗散率的历史观测资料，并将波浪破碎能量和卷入深度作为表面边界条件改造了k-epsilon湍流模型，并应用于一维混合层模式中，并进行了表面加热、表面冷却和风强迫三种理想实验，检验了湍流闭合方案在一维混合层模型中对垂向混合的作用。相比Mellor-Yamada 2.5阶闭合方案，在表面加热+风强迫的理想实验中，混合程度增加，而在单纯风强迫的理想实验中混合层深度差别不大；而在没有波浪破碎作用的表面冷却试验中，结果对浮力项系数的选取很敏感，取负值时的结果与Mellor-Yamada 2.5阶类似；结果表明，用波浪破碎参数作为表面湍流模型的输入条件后，混合效果增强。在破碎波能量向湍流传递方面，我们根据建立的溢波破碎模型和前人的定常破碎波测量结果导出波浪破碎向平均流传递的能量比例约为18%~20%，而根据观测给出的卷入气体做功在破碎耗散能量中占的比例介于6.5-14%的结果可预期，破碎耗散能量的绝大部分转移给表层湍流，但是对该部分比例缺乏直接测量的例证。本项目在完成合同书规定的内容的基础上还进行了进一步的工作：为了将本项目的研究成果应用于自主开发的环流模式中，我们试验了一个两时间层差分格式在原始方程三维海洋环流数值模式中应用的可行性，经过初步检验，新算法下的模拟效果与POM模式接近，而且前者摒弃了三时间层的蛙跳格式，从而从本质上排除了计算模态对数值积分的影响。