牟海迪 刘云龙 袁 媛 鞠 莲 刘 娟 孟 静陈 旭

波浪破碎下湍流混合的实验研究*

牟海迪1刘云龙2袁 媛2鞠 莲2刘 娟3①孟 静4陈 旭1

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室 青岛 266003; 2.国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033; 3.北京应用气象研究所 北京 100029; 4.中国海洋大学海洋与大气学院 青岛 266100)

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置, 波浪的破碎率随有效波高的增加而增大, 波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似。实验中采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)计算波浪破碎过程中湍动能耗散率的空间分布。湍流强度与波浪的相位密切相关, 波峰位置处湍流活动最为剧烈, 而且波峰位置处湍流混合区内湍动能耗散率量值的垂向分布基本保持不变, 即出现“湍流饱和”现象, 湍流影响深度可以达到波高的70%—90%。计算湍流扩散系数的垂向分布发现, 湍流扩散在混合区上部随深度的增大以指数函数的形式增加, 在混合区下部趋于稳定。作为对比, 在相同位置处对声学多普勒流速测量仪(acoustic Doppler velocimeter, ADV)测量的单点流速做频谱分析, 发现与该位置处PIV湍动能耗散率结果量级处于同一水平, 进一步验证了实验结果的准确性。

波浪破碎; 湍动能耗散率; 湍流扩散系数

海洋上混合层作为联系大气与海洋的中间层, 受到不同时空尺度海洋与大气动力过程的双重作用, 物理过程十分复杂, 其动力过程是物理海洋学的主要研究问题之一。……