基于海浪谱的随机表面波影响下Ekman层风能输入研究

The wind energy input to the Ekman layer is an important source of mechanical energy of the ocean. The random surface waves substantially modify the profile of the currents in the Ekman layer. Thus it is crucial to account for the effects of random surface waves on the wind energy input to the Ekman layer. This study will focus on the theoretical analysis and estimation of surface-wave influenced wind energy input to the Ekman layer. First, the analytic steady solution and numeration will be presented for the wind energy input to the wave-affected Ekman layer resulting from Stokes drift, wind input and wave dissipation through rigorous deduction and validation. Then the total wind energy input to the wave-affected Ekman layer of global oceans from the year of 1979 to 2015 will be estimated from the wave spectrum output from high resolution wave model. Considering that the wave bulk parameters are deduced on the monochromatic wave condition, this estimation based on wave spectrum could not only be used for a sufficiently narrow spectrum, but provides a more realistic description of the coexistence of wind wave and swell. The temporal and spatial variability and characteristics on multi-timescales of the wind energy input to the wave-affected Ekman layer will be further investigated. This study aims to improve the estimation of wind energy input on the basis of wave spectrum output from state-of-the-art wave model and further addresses the interaction between the upper ocean and surface wind stress.

风应力向海洋Ekman层的能量输入是上层海洋机械能的重要来源。考虑到随机表面波显著修改了Ekman层流速剖面，因此在Ekman层风能输入的研究中应加入随机表面波的影响。本项目拟从理论分析和全球数据估算的角度研究随机表面波影响下的Ekman层风能输入，具体内容为：（1）通过严格的推导和论证建立合理可靠的随机表面波引起的Stokes漂流、波致应力和波浪耗散共同影响下的Ekman层风能输入表达式和计算方法；（2）基于高分辨率波浪模型输出的海浪谱计算全球大洋1979年至今随机表面波影响下的Ekman层风能输入数据，进而对其进行时空特性分析。与前人采用单频波假定的块体公式探讨波浪影响下的Ekman层风能输入相比，采用海浪谱的估算突破了块体公式在应用中的窄谱限制，更符合实际海洋风浪与涌浪共存、谱峰较宽的事实。本项目旨从海洋能量学探讨随机表面波对上层海洋的影响，有助于深入理解风应力与上层海洋的相互作用。

Ekman层风能输入是平衡海洋机械能损耗的重要能量来源。考虑到随机表面波显著地修改了Ekman层流速剖面，因此在Ekman层风能输入的研究中应加入随机表面波的影响。本项目从理论分析和实际大洋估算的角度研究了随机表面波影响下的Ekman层风能输入。首先，将波浪引起的Coriolis-Stokes力、波浪成长导致的风应力减弱以及波浪耗散引入经典的Ekman层理论，以分析波浪影响下的Ekman层能量平衡，并给出了针对理想情况的定常解和针对实际大洋的非定常解；其次，采用WAVEWATCH III模型给出了实际大洋的波浪谱，进而估算了南大洋和南海随机表面波影响下的Ekman层风能输入，并对其进行时空特性分析。与前人采用单频波假定的块体公式探讨波浪影响下的Ekman层风能输入相比，采用海浪谱的估算突破了块体公式在应用中的窄谱限制，更符合实际海洋风浪与涌浪共存、谱峰较宽的事实。研究结果表明，波浪影响下的Ekman层总能量输入包括风应力能量输入和波致能量输入。南大洋南极绕极流海域波浪影响下的Ekman层总能量输入为402.5GW，其中风应力能量输入和波致能量输入分别占85%和15%。南极绕极流海域的随机表面波影响下的Ekman层总能量输入比经典Ekman层风能输入减弱了59.8%，由此可知，随机表面波对Ekman层风能输入具有至关重要的作用。此外，南海Ekman层风能输入的时空特征分析结果证明了南海Ekman层风能输入呈现出季节变化及准两年的周期变化。本项目证实了随机表面波对于估算Ekman层风能输入的重要意义，从海洋能量学探讨随机表面波对上层海洋的影响，有助于深入理解风应力与上层海洋的相互作用。