熱鹽環(huán)流的非線性穩(wěn)定性與年代際變化的研究.pdf

1、大洋熱鹽環(huán)流(Thermohalinecirculation，簡(jiǎn)稱THC)是主要存在于北大西洋的深海環(huán)流，熱鹽環(huán)流對(duì)全球經(jīng)向水和熱平衡具有重要的作用，是影響長(zhǎng)期氣候變化的一個(gè)重要因素。研究認(rèn)為熱鹽環(huán)流的穩(wěn)定性和多平衡態(tài)問(wèn)題和全球氣候的突變有著密切的聯(lián)系，也對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期氣候變化有著顯著影響，所以深刻認(rèn)識(shí)影響熱鹽環(huán)流的穩(wěn)定性因素和年代際變化是當(dāng)前的一個(gè)研究重點(diǎn)。 本文首先從理想的盒子模型出發(fā)，對(duì)影響環(huán)流的淡水通量因素做了深入探討。為此

2、，我們先系統(tǒng)地給出了當(dāng)前存在的多種不同形式的盒子模型，并探討了模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。用非線性最優(yōu)擾動(dòng)方法研究了熱鹽環(huán)流的非線性穩(wěn)定性和年代際變率問(wèn)題。我們的主要工作和結(jié)論有；1、區(qū)分了淡水通量和鹽分通量?jī)深?lèi)不同類(lèi)型的擾動(dòng)，并且指出它們?cè)诜蔷€性反饋機(jī)制中所扮演的不同角色。2、我們利用非線性最優(yōu)擾動(dòng)給出了非線性的穩(wěn)定性分區(qū)圖。當(dāng)擾動(dòng)大于臨界擾動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生非線性失穩(wěn)現(xiàn)象。3、我們給出了非線性反饋機(jī)制的框圖，它形象地說(shuō)明了淡水通量擾動(dòng)在通過(guò)抑制

3、水平環(huán)流，從而進(jìn)一步放大擾動(dòng)的非線性過(guò)程。4、在對(duì)非線性擾動(dòng)恢復(fù)的研究中，我們發(fā)現(xiàn)鹽分類(lèi)型的擾動(dòng)時(shí)間存在非線性飽和現(xiàn)象。這是一個(gè)新的現(xiàn)象，它的產(chǎn)生機(jī)制是由于擾動(dòng)的線性增長(zhǎng)和非線性衰減兩種因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。上述關(guān)于盒子模型的研究結(jié)果表明：淡水通量擾動(dòng)是可能導(dǎo)致長(zhǎng)期氣候變化的一個(gè)關(guān)鍵因素。 本文的第二部分則考慮更為復(fù)雜的二維模型。我們首先考慮風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)是否能形成和當(dāng)今大尺度熱鹽環(huán)流相類(lèi)似的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容為低高寬比(d=0.1

4、)的矩形腔內(nèi)，由頂部水平動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，并同時(shí)考察了由此流動(dòng)所導(dǎo)致的溫度分布。我們發(fā)現(xiàn)：受表面動(dòng)量驅(qū)動(dòng)的影響，流場(chǎng)形成了上層水體自左而右的順時(shí)針流動(dòng)。在一定的Re數(shù)范圍內(nèi)，動(dòng)量驅(qū)動(dòng)流動(dòng)可以形成如熱鹽環(huán)流的流動(dòng)圖像和渦胞結(jié)構(gòu)。當(dāng)Re數(shù)增加時(shí)候，流場(chǎng)形成多胞結(jié)構(gòu)和熱鹽環(huán)流的大尺度結(jié)構(gòu)不同。雖然動(dòng)量驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和熱鹽環(huán)流相似，但相應(yīng)的溫度分布和實(shí)際海洋環(huán)流溫度的分布相差甚遠(yuǎn)。由此可見(jiàn)，如果僅僅是考慮風(fēng)應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)，是不會(huì)形成當(dāng)今大洋深海環(huán)

5、流的大尺度結(jié)構(gòu)的。 其次，我們討論了在這種狹長(zhǎng)的矩形腔內(nèi)的熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)。我們選取Pr=1和Pr=10兩個(gè)典型的Pr數(shù)作為基本參數(shù)，探討了流函數(shù)ψ、溫度T、熱通量密度f(wàn)T等各物理量的分布以及隨Ra數(shù)增加時(shí)候的變化規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)：低Ra數(shù)的流動(dòng)對(duì)應(yīng)于線性近似情形，這和理論分析一致。高Ra數(shù)對(duì)應(yīng)于邊界層流動(dòng)，它也和Quon的理論分析一致。我們系統(tǒng)地給出了它們隨Ra數(shù)變化的曲線，總結(jié)了其中的冪率關(guān)系。此外，我們也討論了速度無(wú)滑移邊界條件對(duì)

6、流動(dòng)的影響。我們的結(jié)論是：速度無(wú)滑移邊界條件對(duì)速度和流量影響很顯著，對(duì)流場(chǎng)形態(tài)和上表面的熱通量密度影響不明顯。這說(shuō)明采用熱通量密度來(lái)度量比流函數(shù)來(lái)度量熱鹽環(huán)流強(qiáng)度也許更妥當(dāng)。 最后，我們對(duì)二維模型做了相應(yīng)的理論分析。指出在不同的參數(shù)范圍下，流動(dòng)呈不同的冪次規(guī)律。雖然對(duì)流動(dòng)冪律的研究結(jié)果尚有矛盾之處，我們的結(jié)果表明，這也許是由于參數(shù)所在區(qū)間不同所導(dǎo)致的。 總之，本文的研究揭示了非線性因素對(duì)熱鹽環(huán)流變化的作用，對(duì)理解古氣候變