短波辐射传输模式对上层海温及混合的影响研究

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太阳辐射是海洋热量的重要来源。其中可穿透到海水一定深度的可见光(400nm~760nm)部分的能量占总量的44%。穿透海表的太阳辐射将直接影响混合层的水体温度、浮游植物的光合作用等,对混合层海洋热动力过程、生态系统都有重要的影响。因此如何对短波辐射在水体中的传输进行准确模拟一直是海洋光学中重要的研究课题。短波辐射在水下的辐射传输受到多个因素的影响,包括叶绿素浓度、黄色物质(CDOM)等,因此,研究者们提出了通过水体类型、叶绿素浓度、固有光学特性等多个方法来计算水下短波辐射的传输系数Tr(z)。在目前的海洋模型中,短波辐射的传输模拟部分大多采用的是Paulson(1977)提出的依据水体类型选取参数的双指数模型。相对于新出现的多个短波辐射传输模型中的研究,由于参数固定、模型水体类型不随时间变化,Paulson模型较为不灵活,且模拟精度较低。Ohlman(2003)提出的以海表面叶绿素浓度作为参数的模拟方程和Lee(2005)提出的以固有光学性质作为参数的模拟方程在短波辐射水下传输的模拟结果中均有更好的表现。但是目前,新的短波辐射传输方程并没有被广泛应用到海洋模型中。本研究以ROMS模型作为背景,建立了水深200m 一维海洋模型,通过修改模型中的短波辐射传输模拟方式,验证了短波辐射传输模式的不同是否会对模型结果——海水温度造成影响。首先,在四个不同水体类型站位数据的模型中,对比了采用三个不同短波辐射传输方程的模型的表现,主要获得以下认识:(1)短波辐射传输模式的不同的确会对海洋模型最终运行结果得到的垂直温度分布造成影响,在混合层底部的温度差值最大可达到1.5~2℃。且影响情况主要决定于传输系数Tr在三个方程中的计算结果。(2)三个短波辐射传输模式对运行结果海水温度的影响更多发生在较深层海水,对表层海水温度的影响不明显。其次,本研究对短波辐射传输模式对海水温度影响程度相对于水体类型、辐射通量的敏感度以及水体类型随时间变化的影响进行了分析,结果表明:(1)在较为清澈的海水中,短波辐射传输模式的不同对海水垂直温度的影响可到达的深度更深,但是不同传输模式对海水温度的影响程度与水体类型不存在相对应的规律,在不同的季节,三种短波辐射传输方程所导致的温度差异的最大值并不出现在同一水体类型中,具体的温度偏差和偏差程度与该处的光学参数选取和不同方程传输系数计算结果的关系更大。(2)短波辐射传输方程的不同对海水温度的影响程度与纬度有关,在较低纬度、辐射通量更高的站位,不同辐射传输方程造成的海水温度不同的幅度更大,即对海水温度的影响程度更大。(3)在采用固定参数与随时间变化的参数的003模型、L05模型结果对比分析中,003模型改用随时间变化的参数后,运行结果受到的影响更明显,而L05模型在此试验中结果差异非常小。这或许与该站位海表面叶绿素浓度的变化相对于固有光学性质幅度更大有关。
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