海洋要素计算与预报(海浪5).ppt

简单波动上侧气流特性随时间变化的示意图 第二章 海浪成长与传播 2.1 气-水界面附近的流场 流场的定性描述: 为平均流动、波动诱导产生的流动以及湍流中的随机部分 时间平均： 流场的定性描述位相平均： 位相平均 对 波生运动：湍流运动：流场的定性描述有关位相平均值和时间平均值的关系： u流场中的湍流部分和原来波动诱导产生的有组织流动部分 是不相关的 流场的定性描述两个记录信号的相关系数为： 如果信号由简谐分量组成，同一频率的两个分量间的联系可通过它们间的相干来表示：其中- 交叉谱 第二分量相对于第一的位相超前值为： 约1000m约100m自由大气Ekman 层常通量层粘性次层对数廓线层高度风速波面附近平均风速分布 波面附近平均风速分布 Monin-Obukhov （1971）假设常通量层是均匀稳定的，认为湍动能主要由剪切和浮力生成，提出： 大气层结为中性条件的状况而忽略浮力效应，只考虑剪切对湍能的贡献此时，平均风速分布为：层流次层： 海面风应力： 海面拖曳系数 海面拖曳系数与海面粗糙度是一一对应的关系 通常以线性函数拟合海面拖曳系数与风速的关系： 最为常用的拖曳系数公式 (Wu, 1982): 最常见的观测值范围为： 海面拖曳系数随风速的变化 (Guan & Xie, JPO, 2004)海面拖曳系数随风速的变化 (高风速情况) (Powell et al, Nature, 2003)Wind measurement by GPS sonde海面粗糙度 考虑到风速对海面粗糙度的影响，Charnock （1955）关系: Smith and Banke(1975) Kitaigorodskii（1965） Garratt（1977） Wu（1980） Geernaert et al.（1986） 推广的Charnock关系: 常用的推广的Charnock关系: 海面粗糙度 (Guan & Xie, JPO, 2004)海面粗糙度 (SCOR关系) gz0/u*2 = 0.03exp( 0.14), 0.35 35 = 0.008, 35 (light winds over swell) 波动于水面附近诱生的气流速度和应力 波动于水面附近诱生的气流速度和应力 引入流函数 将流函数取为： - Orr-Sommerfeld方程 波动于水面附近诱生的气流速度和应力 在条件 下, Orr-Sommerfeld方程的解为: u波生运动的速度分量均为周期性的振动，振幅随高度增加而衰 减，周期和气流下界面的波动相同。

u波面与 的位相相差为 ，并几乎不随高度而变化，直到临界 层， 然后变为负值u波生速度于波面附近产生波生Reynolds应力：波面附近气流中的湍流运动 无因次的Navier-Stokes方程和连续性方程为： 将气流的运动分解为: 先进行相位平均，然后进行时间平均,得到平均运动的动量方程： 波面附近气流中的湍流运动 湍流Reynolds应力起伏: 将三个动量方程化成三个能量方程得到: u波生运动通过波生Reynolds应力自平均流动汲取能量u通过湍流Reynolds应力起伏能量自波生运动转移至湍流 还可以证明总Reynolds应力为： 主要观测结果： u湍流强度在波面附近受波面运动的影响u湍流Reynolds应力起伏与波面运动密切相关u总Reynolds应力沿高度几乎没有变化 水平气流速度均匀，其值为 且忽略粘性，则于高度 波动 波面附近气流中的压力分布 于气流内产生的压力起伏为： 海上的风具有湍流性质，平均速度随高度增大，因此实际观测表明波面附近的压力变化与上式有差异此种情形的压力变化表示为： 波面附近气流中的压力分布 当波面很平缓时，单位时间内跨过单位水面空气通过压力传递于水的能量为： 海上和实验室的观测结果表明： （1）波面运动可于其上方的气流中产生压力起伏，其值远大于湍流压力 起伏，并随高度衰减。

2）作用于波面的压力具有一个和波面斜率同位相的分量，波面与压力间 的位相推移值不随高度改变3）当风速为0或很小时，波面上压力落后于波面运动约180，与线性势 流理论一致 波面附近气流的流线 气-水界面下侧水流场结构 Kitaigorodskii等（1983）指出由于波浪破碎的存在，导致在近海表处出现一湍流生成明显增加的水层（Wave-affected layer），其深度约有10倍的波幅，并且发现在近海表1米的深度内，湍流耗散率增加12个量级， Terray等（1996）利用实测数据根据湍耗散率的垂向分布，将受到波浪破碎影响的混合层部分划分为三层结构：在近表面0.6倍有效波高的深度内，湍流耗散率很大，比固壁边界层定律给出的结果大一个量级；其下是中间层，湍流耗散率随 衰减 ；最下层为过渡层，耗散率渐近于固壁定律给出的耗散分布 Efimov等（1971）的观测： 作业 假定大气稳定度为中性，海面风速剖面为： 利用Wu (1982) 的拖曳系数公式： 将 订正到10 m高度的风速。