海气界面沫滴悬浮层的特征.pdf

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1、第47卷第4期2017年4月中国海洋大学学报PERIODICAL0FOCEANUNIVERSITY0FCHINA47(4)：001～006Apr．，2017海气界面沫滴悬浮层的特征+晁国芳，管长龙“(中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东青岛266100)摘要：M_akin利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型。本文基于Makin模型，研究了海面拖曳系数随风速变化关系对沫滴悬浮层厚度、沫滴极限下落速度和Charnock参数的依赖性，从而考察了沫滴悬浮层的特征，并根据观测

2、数据确定一些参数的取值。结果表明：沫滴悬浮层高度对拖曳系数随风速变化关系影响甚微；沫滴极限下落速度对拖曳系数随风速变化关系影响较大，但由不同观测数据估计得到的沫滴极限下落速度趋于一致；Charnock参数对拖曳系数随风速变化关系影响较大。综上，基于Makin模型的拖曳系数随风速变化关系主要依赖于Chamock参数。最后，利用已有的理论研究结果及通过数据拟合给出了解析的拖曳系数随风速变化关系式，仅依赖于Charnock参数，适用于各种风速情形。关键词：高风速；拖曳系数；沫滴悬浮层；沫滴极限下落速度中图法分

3、类号：P731．2文献标志码：A文章编号：1672—5174(2017)04—001—06DOI：10．16441／j．enki．hdxb。20160158引用格式：晁国芳，管长龙．海气界面沫滴悬浮层的特征[J]．中国海洋大学学报(自然科学版)，2017，47(4)：1-6．CHA0Guo-Fang，GUANChang-Long．Thecharacteristicsofthedropletssuspensionlayeratair-seainter{ace[J]．Periodi—calofOceanUn

4、iversityofChina，2017，47(4)：1-6．海面风应力是海洋环流和海浪的主要驱动力，通常是以海面拖曳系数(或海面动力学粗糙度)对其参数化。长期以来人们认为海面的拖曳系数(或动力学粗糙度)随着风速增加而增大[1‘5]，甚至认为在飓风风速下拖曳系数随风速的变化仍遵从这一关系。然而，最近的现场观测和室内实验均表明[6。11

5、，在高风速下海面粗糙度随风速增大而不再增加，甚至反而减小。此现象被认为是由于在海气界面存在波浪破碎所形成的沫滴悬浮层[7]，作为湍流边界层下方的次层，其效应是减弱了海面对

6、风作用的阻力。Makin[12]利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论口3

7、，建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型，对于Powell等[7]利用GPS下投式声纳所获得的观测结果给予了物理上的解释。Liu等[141利用SCOR101工作组报告[1阳给出的Charnock关系改进了Makin[15]的模型，从而体现了风浪成长状态的影响。改进的模型解释了不同观测结果的分散性是由于不同的风浪成长状态，特别是对于Powell[16]报道的飓风3个不同扇区海面粗糙度随风速变化规律不同的现象从风浪成长状态的角度给予了物理解

8、释。然而，无论Makin['2]的模型，还是Liu等[14]的改进模型，其中的一些参数是经验地选取的，例如沫滴悬浮层的厚度、沫滴极限下落速度等，这些参数的可靠性以及模型对其敏感性有可能影响模型的可靠性。本文通过分析Makin[15]的模型对一些参数的依赖性及敏感性，研究沫滴悬浮层的特征，并根据观测数据确定一些参数的取值，旨在为进一步改进模型提供依据。1高风速下海面粗糙度模型[15]Makin认为，在高风速下由于波浪破碎在海气界面上形成了一个沫滴悬浮层，其上为通常的湍流边界层[12](见图1)。根据经典的

9、有限饱和悬浮沫滴层理论[13

10、，此沫滴悬浮层内的风速仍遵从对数分布规律，即：距(z)一f坠)ln鲁。(1)＼删，Z0其中：“(z)为高度处的风速；z为摩擦风速；税。为局域粗糙度；z6为Karman常数；Ⅳ为与Makin[12]一致，本文取0．413，取值为正，表征了飞沫效应对气流的影响，满足如下条件：叫一jL<1。(2)删。*基金项目：国家自然科学基金项目(41276010)；教育部博士点专项基金项目(20130132130002)资助SupportedbytheNationalNaturalScien

11、ceFoundationofChina(41276010)；SpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramofMinistryofEducation(20130132130002)收稿日期：2016—05-05；修订日期：2016—0602作者简介：晁国芳(1991一)，女，硕士。E-mail：chaogfoUC@163．eom**通讯作者：E-mail：chaogfouc@163．tom中国海洋大