波浪对Ekman层的能量输入

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1、中国科学D辑:地球科学2008年第38卷第1期:134~140《中国科学》杂志社www.scichina.comearth.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS波浪对Ekman层的能量输入*吴克俭,杨忠良,刘斌,管长龙中国海洋大学物理海洋实验室,青岛266100*E-mail:kejianwu@ouc.edu.cn收稿日期:2007-04-09;接受日期:2007-07-27国家重点基础研究计划项目(编号:2005CB422302,2005CB422307,2007CB41

2、1806)和国家自然科学基金重大项目(批准号:40490263)资助摘要基于海洋Ekman层流速剖面结构受波浪影响的3点观测事实,研究了波浪对关键词Ekman层的机械能输入,在常涡粘系数的假定下得到了波浪对Ekman层能量输入的解析表Ekman层达式.研究结果表明,海洋Ekman层的机械能输入包括两部分:一是风应力对Ekman层的能量输入直接能量输入,其受波浪的影响;二是波浪对Ekman层的能量输入,其与风应力、波浪参数风能输入波浪能量输入和波向与风应力的相对方向有关.估计了波浪对Ekman层能量输

3、入的大小,结果显示,在中高风速和中高纬度条件下,波浪对Ekman层的能量输入与不考虑波浪影响的Ekman层风能输入相比较可达10%以上,在绕极流区可达20%以上;在波浪方向与风应力方向不一致时波浪的能量输入更为显著.给出了波浪对非定常Ekman层能量输入的计算公式.研究结果在研究海浪的大尺度效应方面有启示意义.大气对海洋环流的能量输入是海洋能量平衡的Ekman理论预测的流速剖面有3点与观测资料不符:[1]核心问题.自Faller首先讨论了大洋环流的能量源(1)海表面流速矢量与海面风应力的夹角位于[2

4、][3][8]之后,Watanabe和Hibiya和Alford估计了风能对全10°~45°范围内,而不是理论预测的45°(Huang).[9]球大洋近惯性运动的能量输入(0.47~0.7TW);Cushman-Roisin指出了一个更小的角度范围是[4][5]Wunsch和Huang等估计了风应力对全球地转流的5°~10°;(2)在海面下5~20m深度范围内,流速矢量[6]能量输入(1TW);Wang和Huang利用经典的Ekman迅速向右偏转(北半球),其偏离风应力方向接近75°,模型估计了风能

5、对海洋次惯性运动的能量输入(2.4即Ekman螺旋呈现所谓的“flatten”现象(Price和[7][10]TW);另外,Wang和Huang还估计了风能对全球波Sundermeyer);(3)流速随着深度增加迅速衰减[10]浪的能量输入(60TW).应当指出,上述大气对海洋(Price和Sundermeyer).环流和波浪的能量输入是相互独立地研究的,对于最新的研究发现波浪对Ekman层流速剖面有关[11][12]同时发生在海表面上的两种自然现象,目前人们并键的影响(Lewis和Belcher,

6、Polton等).考虑地球不清楚波浪是否对Ekman层的风能输入有影响,即使旋转,波浪将会产生一个作用于其下方水体的横向[13][14][15]有影响也不了解其影响机制.剪切应力(Hasselmann,Xu和Bowen,Sun等),湍流摩擦力与Coriolis力相平衡的Ekman理论称之为Coriolis-Stokes力,其为地转参数与Stokes漂流是风生大洋环流理论的基石之一,其对于海洋上混的矢量积.理论结果显示,将波浪诱导的Coriolis-合层的研究具有重要的意义,也是研究大气对海洋Stok

7、es力加入到Ekman动量平衡方程后,所得流速剖[11]能量输入的主要工具.然而,现场观测表明,经典面理论解与观测结果符合很好(Lewis和Belcher,134中国科学D辑:地球科学2008年第38卷第1期[12]Polton等).这就为我们提供了一个重要启示:既dE=EEDws+−,(4)然大气对Ekman层的能量输入取决于风应力和Ekmandt层流场结构,而波浪对Ekman层流场结构又有显著的其中影响,一个自然的想法是,波浪对Ekman层的能量输012EU==ρτw∫d,(0),zEw⋅U入亦

8、应有重要的影响.本文主要研究波浪对Ekman层2−∞的能量输入,旨在从能量角度探讨波浪对大洋环流002∂U的驱动作用.Efsw=−ρρ∫∫()d,z×Us⋅Uz和D=wAzd,z∂z−∞−∞1Ekman层的能量平衡(5)分别代表Ekman-Stokes层的总能量、风能的输入率、1.1能量平衡波浪的能量输入率和能量耗散率.Ew是由于风应力的为了研究波浪对Ekman层的能量输入,在Ekman直接作功产生的能量输入.和经典的Ekman模型的能层动量方程中加入表面波浪的影响是