海洋要素计算与预报 气-水界面附近的流场.pptVIP

* 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： 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 = 0.03βexp(– 0.14β), ~0.35 β 35 = 0.008, β ≥ 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: 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。 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。 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： *