摘要:回顾了近10年来台风条件下朗缪尔环流影响上层海洋混合的研究进展,朗缪尔致湍流对海洋 上混合层的形成和加深的重要作用已形成了基本共识,但对于朗缪尔致湍流对海洋上混合层的混合 作用机制和程度仍然存在诸多不确定性。观测表明台风条件下台风眼附近的混合层平均湍流动能受 到了较强的抑制,可能与台风不同位置朗缪尔致湍流的特征变异有关;台风条件下,现有的朗缪尔致 湍流参数化方案在上层混合过程模拟中还有显著误差。在今后研究中,通过改进斯托克斯漂流剖面 的计算方法,优化表征台风条件下海面状况的朗缪尔致湍流参数化计算方案,是进一步揭示台风条件 下朗缪尔环流对海洋上层混合的影响机理的必要途径。
关键词:朗缪尔环流;上层海洋混合;台风;斯托克斯漂流
1 引言
台风强度的预报一直是国际气象界公认的难题。 近年来,台风强度的预报水平与路径预报相比,取得 的进步偏慢[1-2]。究其原因,除了对大气环境和台风 本身结构的认识不够准确外,对台风条件下,上层海 洋的动力、热力过程响应与反馈作用认识不足是重要 原因之一。台风影响下,海洋上层由风生流产生的剪 切力明显增强海洋混合,同时,台风浪也通过至少3 种方式影响着海洋上层:一是对平均运动产生雷诺应 力;二是波浪破碎对海洋表面输入湍动能;三是斯托 克斯漂流形成大尺度波浪力“Coriolis-Stokes力”和小 尺度作用力“Stokes-Vortex力”影响着海洋上层的能量输入、上层的流速剖面、海洋混合以及物质对流和 输运。Craik [3]和Leibovich [4]的CL理论指出,海表受 风应力非定常性影响形成了垂直于海表的涡旋,斯托 克斯漂流与之相互作用,即“Stokes-Vortex力”使涡旋 逐渐向水平方向偏移,形成一对反对称旋转的涡旋即 朗缪 尔 环 流 (LangmuirCirculation,LC)[5]。McWilliams等[6]在 CL理论基础上,提出了朗缪尔致湍流 (LangmuirTurbulence)概念,LC是引起湍流混合的 一个主要机制。随后的研究中一直存在着争论:朗缪 尔致湍流对海洋混合层的加深是否存在直接的作用, 在海洋上层的模拟中是否应该考虑朗缪尔致湍流参 数化过程。随着大量的观测事实和数值模拟研究表 明,朗缪尔致湍流是上层海洋湍流的主要特征之一,对混合层的形成和加深有重要的作用[6-10]。此外,台 风条件下,LC和波浪破碎作用还存在复杂的相互作 用,在一定程度上对近表层的湍流动能进行重新分 配。因此,研究台风条件下朗缪尔环流对上层海洋混 合的影响,对厘清上层海洋对台风的响应过程有重要 理论意义,也对提高台风强度预报水平甚至全球气候 预测能力,都有非常重要的应用价值。本文对台风条 件下,朗缪尔环流影响上层海洋混合过程机理的研究 成果和面临问题进行综述,并展望研究发展方向。
2 LC影响海洋上层混合的机理研究
朗缪尔致湍流对海洋上混合层的形成和加深的 重要作用已形成了基本共识。但是,Thorpe [11]系统 回顾了LC对海洋上层混合影响的研究成果后,指出 对于LC致湍流对海洋上混合层的混合作用机制和 程度仍然存在诸多不确定性。Li等[8]针对海洋混合 层,利用 Hoenikker数表征海水稳定性,利用 Langmuir数[6]表征朗缪尔致湍流效应的程度,建立了划分 浮力热量对流、剪切致湍流和朗缪尔致湍流的模式 图,分别给出了前两个区域的特征速度。大涡模拟 (largeeddysimulation,LES)结果发现,在充分发展 的海况下,LC引起的湍流强度约是剪切致湍流的两 倍,在某些特定的海况下,上层海洋的混合是朗缪尔致湍流为主。
小结
朗缪尔致湍流是上层海洋湍流的主要特征之一, 对混合层的形成和加深有重要的作用。一般海况下, LC可使垂向剪切不稳定性加强,导致上层混合层混 合加剧、深度加深,或者与剪切湍流效应相互转化,诱 导垂向对流起到“卷挟”作用,影响到整个混合层。台 风条件下,由于波浪场和风场具有复杂特点,在涌浪 存在时,浪向和风向常常不一致,台风移动也导致风 向快速变化,与局地的波浪方向会存在相当大的夹 角,这都会导致斯托克斯漂流剖面特征、朗缪尔致湍 流对混合的作用机制与一般海况和风场下不同。
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