上层海洋是海洋运动以及大气和海洋之间进行动量,热量和水气交换的主要场所。湍流引起的垂向动量、热量及物质的混合是上层海洋的重要物理过程。研究上层海洋的垂向湍流混合及其影响要素对海洋运动以及气候变化的研究都有重要的意义。垂向动量、热量及物质的混合系数是海洋动力数值模式中动量、热量及物质垂向混合强度的指标。由于海洋动力数值模式时空分辨率的限制,模式的空间网格和时间步长的精度不能分辨湍流尺度的运动,需要通过参数化方法将数值模式无法分辨的湍流运动用模式可以分辨的时间和空间尺度变量来表征。提出合理的参数化方案需要充分考虑海洋中影响湍流混合的物理过程。由表面重力波引起的斯托克斯漂流与局地涡度相互作用形成的朗缪尔环流引起的垂向垂向动量、热量传输效率远高于粘性剪切引起的动量和热量的传输效率,且影响深度可以达到表面长重力波长的量级。现有的大多数二阶湍封闭模型和垂向混合系数的参数化中对朗缪尔环流引起的垂向动量、热量及物质的混合影响还有待进一步改进。而且在最常用的垂向混合系数参数化MY2.5阶湍封闭模型中湍流雷诺应力方程中的压强应力协方差项只考虑了湍流能量在湍动能和粘性剪切的能量传输分配,却忽略了由外力矩造成的流体旋转和湍流浮力引起的动能和势能之间的转化,使得混合模型模拟的温度垂向分布,混合层深度,平均动量的垂向分布有较大的偏差。为克服这种由混合系数参数化的缺陷引起的数值模式模拟结果的偏差,本文首先从理论上推导出一种改进的垂向涡粘性系数和垂向涡扩散系数的参数化表达式,该表达式是对原有的二阶k-?湍封闭模型的改进。该模型为两方程模型,包括了湍动能方程和湍流频率输运方程。本文在原有k-?湍封闭模型中的湍动能方程和湍流频率输运方程中加入朗缪尔湍流的影响。并且在湍流雷诺应力方程和湍流浮力通量方程中的压强-应力和压强-浮力协方差项参数化表达式中加入朗缪尔湍流影响后重新推导了垂向混合系数的表达式,使得改进的混合系数的推导考虑了更多的湍流物理过程。根据改进的二阶k-?湍封闭模型和垂向混合系数,在水平均匀且各向同性以及水平运动尺度远大于垂向运动尺度的情况下,建立了上层海洋的一维非定常混合运动的数值模型。在给定的不同驱动力和表面边界条件的情况下进行了数值实验,对平均欧拉流场、平均温度场以及湍动能和湍动能分量垂向分布以及各物理量随时间的变化进行了模拟。并将改进模型的模拟结果与大涡模拟结果以及其他二阶湍封闭模型模拟结果进行了对比,分析了改进模型模拟结果与其他二阶湍封闭模型模拟结果之间的差异及改进模型的模拟结果相对于其他模型模拟结果的优势。分析结果表明与其他二阶湍封闭模型相比,改进的模型不仅考虑了朗缪尔湍流的影响,推导垂向混合系数中稳定函数时采用了更合理的压强-应力和压强-浮力协方差项的参数化表达式使得湍流能量的再分配更合理,使得模拟的垂向混合强度、平均动量的垂向分布、湍动能和湍动能耗散的垂向分布等结果与大涡模拟结果更加接近。用该数值模式对Papa水文观测站1961年至1962年的上层温度、混合层深度随时间的变化进行了模拟。选取1961年至1962年Papa水文站观测的海表面风应力和热通量以及温度和盐度的垂向分布观测数据作为表面驱动以及边界条件,模拟了该时间段Papa水文观测站的温度垂向分布和混合层深度随时间的变化,并将模拟的海表温度和混合层深度随时间的变化与该站观测的海表温度和混合层深度随时间的变化进行了对比。对比结果表明:改进的模型能提高海表温度、混合层深度和垂向混合系数的模拟结果准确度,与其他二阶湍封闭模型相比,改进混合模型模拟结果与观测及大涡模拟的结果偏差更小。为研究压强-应力和压强-浮力协方差项中湍流浮力通量对海洋上层混合的影响,用包含了朗缪尔湍流影响的改进k-?二阶湍封闭模型在压强-应力和压强-浮力协方差项中有无湍流浮力通量的情况下进行了该项对混合影响的敏感性试验。在全球范围内选定四个典型区域进行了敏感性试验,这四个典型区域层结稳定度不相同。位于高纬度的研究区域浮力频率平方值大,且影响深度深,低纬度研究区域浮力频率平方最大值较小,且混合层深度浅。但是高纬度区域层结稳定度较小,尤其是冬季,而低纬度地区的层结稳定度较高。模拟结果显示:在有湍流浮力通量影响的情况下,垂向涡粘性系数发生微小改变,但仅在流速剪切较大的两个区域较为明显。垂向混合率的微小改变也能引起海洋总能量的模拟结果较大改变,尤其是在两个流速剪切影响大的区域。当垂向混合率降低,总能量减小,反之亦然。压强-应力和压强-浮力协方差参数化中有无湍流浮力通量项对垂向的平均速度分布和湍动能的垂向分布模拟结果影响很小。湍流浮力通量的考虑与否对于平均温度和盐度的模拟结果有较大的影响,考虑了湍流浮力通量模拟的温度和盐度的垂向分布与再分析资料偏差更小。将改进的k-?二阶湍封闭模型以及改进的垂向涡粘性系数和垂向涡扩散系数的表达式带入ROMS三维海洋模式的非线性垂向混合模块,用耦合的大气-海洋-海浪模式COAWST对西太平洋区域海洋动力过程进行了模拟,研究了改进的k-?二阶湍封闭模型垂向混合强度对台风过程和海温、混合层深度及Sverdrup输送的影响。结果表明改进的k-?二阶湍封闭模型和垂向混合系数能够改进海表面温度和混合层深度的模拟结果,同时发现混合强度的大小能够影响Sverdrup输送,这是混合层以下的海洋地转运动遵循位涡守恒的原理。且改进的垂向混合系数对台风路径的模拟也有一定的改善。