海面风场-海冰-海浪非线性相互作用的机理与模式研究

With the global warming and rapid melting of sea ice, the sea state will increase significantly. The increasing of the sea state will enhance the energy transfer among air, sea ice, and sea water, and it will induce the acceleration of the ice melting and the change of the ocean ecological environment. Therefore, there are urgent needs to develop the ocean wave model in polar oceans and the coupled model of the interactions between ocean waves and earth systems. Current ocean wave models do not include the nonlinear interactions among wind, ice, and wave. To include this effect, we will develop the layer models to simulate the wind-ice-wave system. With the statistical closure method and the continuum model, we will derive the nonlinear differential-integral equations for wave action density spectra. With these governing equations, we will further investigate the mechanism of nonlinear interactions in the wind-ice-wave system and the characteristics of the wave energy transfer in spectral space. The results of the present project will improve the current ocean wave models in ice-covered oceans and provide scientific foundations for predicting the changes of the ocean ecological environment due to the global warming and sea ice melting.

由于全球气候变暖，北极海冰加速融化，全球海浪等级将不断增加。海浪等级的增加直接增强了空气-海冰-海水之间的能量传递，从而进一步导致海冰融化的加速以及海洋生态环境的变化。为了能够准确评估全球变暖与海冰消融对环境的影响，急需发展冰区海浪模式以及海浪与地球系统相互作用的耦合模式。目前的海浪模式尚未考虑海面风场-海冰-海浪之间的非线性相互作用。为此，本项目将对海风-海冰-海浪系统建立分层模型，并且使用统计封闭方法与连续介质力学模型推导海浪能谱的非线性微分-积分控制方程。使用该控制方程，申请人将进一步研究海面风场-海冰-海浪的非线性相互作用机理以及波浪能量在谱空间中传递的特点。本项目的研究成果将改进现有的冰区海浪模式，为准确预测全球气候变暖与海冰消融对海洋生态环境的影响提供科学依据。

由于全球气候变暖，北极海冰加速融化，全球海浪等级将不断增加。海浪等级的增加直接增强了空气-海冰-海水之间的能量传递，从而进一步导致海冰融化的加速以及海洋生态环境的变化。为了能够准确评估全球变暖与海冰消融对环境的影响，急需发展冰区海浪模式以及海浪与地球系统相互作用的耦合模式。目前的海浪模式尚未考虑海面风场-海冰-海浪之间的非线性相互作用。为此，本项目将对海风-海冰-海浪系统建立分层模型，并且使用连续介质尺度模型推导海浪能谱控制方程。使用该连续介质尺度模型，申请人深入研究了海面风场-海冰-海浪之间的复杂相互作用机理。本项目的研究成果将改进现有的冰区海浪模式，为准确预测全球变暖与海冰消融对海洋生态环境的影响提供科学依据。. 围绕着冰区海浪模式的研发目标，项目组开展了粘弹性海冰模型的参数化研究工作，基于海浪遇冰散射的解析模型严格推导了冰层等效弹性模量的估算模型，为进一步应用粘弹性海冰模型提供了理论基础。在冰区海洋当海冰厚度较薄时，海风也可能生成波浪，围绕着这一现象项目组提出了冰区风生波理论计算模型，并且与实验数据进行了比较与验证工作。对于不同形态的海冰，其模型参数也不同。其中最重要的海冰形态学参数函数是尺度分布函数，为了预测冰块的尺度分布函数，项目组提出了海浪导致海冰断裂的理论与数值模型，可以较准确的预测海冰尺度分布函数，为进一步估算海冰参数与应用海冰模型提供了理论基础。基于以上成果，项目组开发了基于无结构三角网格的冰区海浪模式，并且将开展海浪模式的验证工作，为我国全自主的冰区海浪模式研发提供技术支撑。