【摘 要】
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风能是维持海洋环流最重要的机械能来源,最近研究发现遍布海洋的中尺度涡会影响风能的输入效率,因此厘清风应力与中尺度涡之间的能量传输关系意义重大。以往研究大多认为相对风应力对涡旋做负功,本文将对该结论做进一步研究,得到如下结论:相对风应力对涡旋做功具有时空依赖性,相对风应力对涡旋不总是做负功。本文首先通过构建简化的理想模型,推导了风能输入功率公式并计算了功率变化。其次,选择以往文献中未被关注的风应力对
【基金项目】
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科技部重点研发计划(2017YFA0604100); 国家自然科学基金(42192562);
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风能是维持海洋环流最重要的机械能来源,最近研究发现遍布海洋的中尺度涡会影响风能的输入效率,因此厘清风应力与中尺度涡之间的能量传输关系意义重大。以往研究大多认为相对风应力对涡旋做负功,本文将对该结论做进一步研究,得到如下结论:相对风应力对涡旋做功具有时空依赖性,相对风应力对涡旋不总是做负功。本文首先通过构建简化的理想模型,推导了风能输入功率公式并计算了功率变化。其次,选择以往文献中未被关注的风应力对涡旋做显著正功的热带东北太平洋(Northeastern Tropical Pacific,简称NETP)作为本文的研究海区,利用遥感和涡旋资料对该地涡旋进行统计分析,并探究风应力对涡旋的作用。最后,通过建立NETP海区高分辨率数值模式,对涡旋个例进行动能收支分析。理想模型结果表明,在稳定均匀的风场作用下,理想对称的涡旋经过数小时的适应和调整后,能够从风场中快速获得动能,指出相对风应力对涡旋的作用从做负功转变为做正功这一现象。在遥感数据分析方面,NETP涡旋的多项特征均表明风应力与该地涡旋的生消密切相关,表现为涡旋多生成于风急流(Wind Jets)多发期具有强风应力(旋度)的近岸海域。同时,正(负)的风应力旋度与正(负)的海流涡度匹配,即(反)气旋涡。此外,NETP更利于反气旋涡的形成发展。在数值模式方面,NETP海域风应力在涡旋发展过程的多数时间做正功,此外,涡旋发展受到多因素的影响,特别是平流和压强梯度力。本文从理想模型、遥感数据分析和实际海区数值模拟三个方面,阐述了相对风应力对涡旋做功的正负依赖于风应力的作用时长和海区的动力特征,这项工作有力地表明,相对风应力对海洋中尺度涡旋并不总是做负功,对相关研究进行了补充。
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