波浪破碎湍流混合研究综述

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．60，No．11(2011)119201波浪破碎湍流混合研究综述术张书文曹瑞雪朱风芹(广东海洋大学海洋与气象学院，陆架及深远海气候、资源与环境广东省高等学校重点实验室，湛江524088)(2010年10月21日收到；2011年1月28日收到修改稿)波浪破碎及其湍流混合研究一直是物理海洋学具有挑战性的问题．文章系统综述了自20世纪90年代以来，波浪破碎混合观测及其模式化研究方面取得的主要进展：1)波浪破碎湍流混合不能用经典的海气边界层Wall-layer相似性理论进行描述．波浪破

2、碎能够在近海面几米的深度范围内形成湍流混合的增强层，所产生的湍流动能耗散率~'dis是Wall—layer相似性理论预测结果的1O一1()00倍．2)波浪破碎湍流动能耗散率在波峰区域zI2，而在波谷以下区域socexp(一OLZ)或soc。～．3)湍流混合长度是刻画波浪破碎混合非常重要的物理量，但迄今为止对波浪破碎湍流混合长度z的量化研究存在较大差异，f从0．1H到H(日为有效波高)．如何确定波浪破碎湍流混合长度的定量表示是今后需要亟待解决的重要问题．关键词：波浪破碎，湍流动能耗散率，湍流}昆合长度PACS：92．10

3、．，92．10．hb，92．10．kp，92．10．Lq主要驱动机理’，对于深入研究海气动量、热1．引言量和气体交换¨卜-”]，上层海洋水体混合，波浪场能量耗散，以及气泡云的产生及其谱表近年来随着上层海洋-低层大气生物地球化学示具有十分重要的意义和作用．与物理过程耦合研究的不断深入，波浪破碎产生的上层海洋湍流混合主要控制机理有(见图1)：湍流动能耗散率的观测研究，已经成为海气相互作波致Reynolds应力引发的湍流混合、波浪破碎诱用研究中的热点问题之一卜-．实验室和外海观测导的湍流混合¨’’”、Stokes漂与风驱动的

4、剪切流已经表明，波浪破碎是近海面湍流混合增强效应的相互作用形成的Langmuir环流混合等．其中波浪应力f图1海洋上混合层湍流混合(引自文献[24])国家自然科学基金(批准号：40876013，40906008，U0933001)、广东省珠江学者计划GDUPS(2010)和广东自然科学重点基金(批准号925240880100001)资助的课题．十E-mail：gdouzhangsw@163．com"~2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．hy．ac．cn119201

5、—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．60，No．11(2011)119201破碎诱导的湍流混合，因在上层海洋一低层大气生物耗散率(z)，公式如下：地球化学与物理过程耦合研究中的重要作用，受到)=[k，(1)海洋学家广泛关注，已取得了一系列重要研究进展．本文就波浪破碎湍流混合观测技术、模式化研其中E()为单一方向的速度谱，Jj}为波数，4为常究方面进行综述与讨论．数．上层海洋湍流混合测量主要始于20世纪90年代，就其测量技术原理而言，主要有：2．观测技术1)光学测量技术：主要包括激光多普勒技术(LDV)和光学粒

6、子成像技术(PIV，见图2)．激波浪破碎湍流速度的特征尺度为0(10～一光多普勒技术属于单点式测量，只能给出某点处的三10m／s)，是波浪运动速度的1／10—1／100．在固维速度．而PIV测量技术具有采样率高、测量精度高定观测点测量的湍流速度中含有波浪轨道运动非和测量范围大等优点，目前已被广泛应用于湍流混线性调制效应的扰动量，不能用来直接计算湍流动合过程的测量，并已取得了许多重要研究成果．能耗散率．需要通过Taylor假设，将时间序列转换需要指出的是，LDV和PIV技术对工作环境稳定性和为谱空间序列，再由Kolmog

7、orov公式计算湍流动能水质条件要求很高，一般只适用于在实验室测量．图2PIV测量系统(引自麦迪技术有限公司PIV简介)2)声学测量技术：主要包括声学多普勒技术磁速度传感器测量上混合层湍流，观测系统如图3(ADV)和声学多普勒剖面技术(Dopbeam)．所示．需要特别得指出的是，Soloviev等的观测方ADV技术与Dopbeam剖面技术的主要区别在于法虽然有效地避免了波浪轨道速度的影响，但由于ADV属于单点式测量，而Dopbeam则能测量剖面速度．Dopbeam剖面测量技术最早由Zedel等通过引入单波束连续脉冲同步

8、技术而创立．随后，Fabrice和Melville¨在实验水槽中，对Dopbeam剖面技术与PIV测量结果进行了比较，发现Dopbeam观测结果与PIV的观测结果具有相当好的一致性．另外，Dopbeam还具有采样率高、工作性能稳定、不受观测平台扰动影响等优点．利用Dopbeam测量传感器的这些优点，可以替代PIV在外海进行现场测量