海洋飞沫方案改进对台风“威马逊”强度预报的影响

本文采用分粒径段组合方式改进海气耦合模式海洋飞沫方案,并利用耦合模式对1409号台风"威马逊"进行数值模拟,分析了海洋飞沫方案改进对台风结构、强度以及海气动量通量、热量通量模拟结果的影响。结果显示,耦合模式中海洋飞沫方案可通过改变海表面粗糙度影响海气动量与热量通量;海洋飞沫还可以通过沫滴向大气输送感热和水汽而直接影响海气热通量,进一步影响台风的强度。模拟结果显示改进后海洋飞沫方案的台风强度更接近观测。改进海洋飞沫方案后粗糙度的计算结果小于原始方案,相应地海气热通量以及下垫面耗散作用也弱于后者,海表面风场是海气热交换与下垫面耗散共同作用的结果。     

大气-海浪耦合模式对台风“碧利斯”的数值模拟

本文将海表粗糙度作为耦合大气、海浪模式的重要因子,实现中尺度大气模式MM5(V3)和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向耦合,建立充分考虑大气、海浪相互作用的大气.海浪耦合模式.将该大气-海浪耦合模式应用于对0604次台风"碧利斯"的数值模拟,在耦合模式中引入Smith92海表粗糙度参数化方案,探讨其对台风和台风浪的影响.研究结果表明,大气-海浪耦合模式能够抓住台风过程的总体特征.Smith92海表粗糙度参数化方案对台风路径影响不大.但在台风系统强度的模拟上影响明显,采用Smith92方案使得台风系统强度显著增强,对台风系统强度的模拟有明显改善.同样,大气-海浪耦合模式能够很好的模拟台风过程中海浪的传播和演变.采用Smith92方案使得海面有效波高明显增高,对海面有效波高的模拟有一定程度改善.因此,在大气-海浪耦合模式中恰当的选择海表粗糙度参数化对改进大气-海浪耦合模式的模拟效果是很有意义的.     

有限区域大气-海浪耦合模式的建立及海表粗糙度参数化试验

利用LINUX操作系统下的进程通讯(IPC)技术将中尺度大气模式MM5(V3)与第三代海浪模式WW3进行双向耦合,建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式,在耦合模式中引入3种海表粗糙度参数化方案,通过对一次热带气旋过程的模拟,研究大气-海浪相互作用对热带气旋系统的影响及耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性。结果表明:LINUX系统下的进程通讯技术可以方便有效地实现大气和海浪模式的双向耦合,模式运行稳定;耦合模式能够较好的模拟热带气旋的发展和演变过程及其影响下海浪场的分布和演变,模拟结果对海表粗糙度参数化方案较敏感;海浪的反馈作用同时影响了海气间的动力和热力作用过程,不同的海表粗糙度参数化方案下,海浪对两种作用过程不同的影响程度决定了其对气旋系统强度的影响。     

波浪破碎诱导的海-气无机盐通量的参数化

波浪破碎诱导生成的海盐粒子是海洋向大气输运无机盐的主要机制,海气界面的无机盐通量对于全球气候变化有重要影响。本文开展了实验室实验模拟海盐粒子生成实验,定量考察了温度和盐度对海盐粒子中离子质量分布的影响,揭示了初生海盐粒子中各离子的富集和亏损现象与温度和盐度的关系。基于实验室观测分析结果和推测假定,提出了1个既包含海面风速、又反映海表温度和海表盐度影响的海-气无机盐通量参数化方案。将此参数化方案应用于估计海盐粒子向大气输运的各种无机盐离子质量通量,并与传统方法估算结果进行了比对分析。     

海洋飞沫参数化方案在台风数值模拟中的应用

海洋飞沫作为海气相互作用的重要因子, 在台风的发生、发展过程中扮演着重要角色.将Fairall和Andreas海洋飞沫参数化方案加入到WRF模式中对两个台风--"珊珊"、"桑美"进行了模拟, 以研究不同海洋飞沫参数化在WRF模式中对台风模拟效果的影响.结果表明, 加入Fairall方案后潜热通量、感热通量得到很大程度的加强, 使得台风的热力结构得以改变, 暖心结构十分明显, 从而影响了动力场结构.相对涡差解释了台风移动路径变化的原因, 热成散度、涡度以及水汽通量的改变影响了台风的强度.Andreas方案由于界面通量算法在考虑海表面动量粗糙度、热力粗糙度及水汽粗糙度随风速、相对湿度变化的情况下, 得到的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱, 因而台风的强度不强.飞沫参数化方案对模拟台风路径的影响较小.     

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例,应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料,并结合卫星遥感等融合资料,分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先,定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换,尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大,随着波龄的增大而减小。随后,通过动量分析表明,在台风YAGI过境期间,海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后,考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当,同时,在此风速条件下,海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层,抑制风到海表面的动量转移,导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。     

海气热通量算法的改进及应用

COARE模型是国际上常用的计算海气热通量的算法,其风速适用范围可达20m/s,但未包含飞沫等高风速下的影响因子,将其直接扩展到20m/s以上风速的海况存在不合理性。本文提出了适合各种风速条件下的包含飞沫影响的海面动力粗糙度长度参数化方案,并利用该方案改进了COARE 3.0模型。利用南海浮标的观测数据,根据改进的COARE 3.0模型计算了海气热通量,分析了飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在0～20m/s风速范围内,感热通量与潜热通量主要由海气温差和海气湿差决定,与波龄的相关性很小,飞沫对热通量无显著影响。当风速大于20m/s,感热通量和潜热通量与海气温差和海气湿差的相关性减小,与波龄的相关性增加,潜热通量与波龄呈现负相关。考虑飞沫的效应后,总热通量明显增加,飞沫所增加的感热通量平均可占界面感热通量的38.89%,飞沫所增加的潜热通量平均占界面潜热通量的39.19%。     

台风"森拉克"的数值模拟研究:海洋飞沫的作用

台风作为一种在海洋上生成和演变的强烈天气现象，除了环境流场、自身结构以及地形等因子对它产生影响外，海气间的热量动量交换也是台风演变过程中不可或缺的因子。台风期间在海气界面生成大量海洋飞沫，这些飞沫在台风边界层的蒸发必然对海气之间的通量传输过程产生影响，进而影响到台风本身的演变。文章将海洋飞沫参数化引入大气中尺度模式中，对2002年16号台风“森拉克”的演变进行了数值模拟研究。结果表明，引入海洋飞沫参数化方案，可使台风期间海气界面的潜热通量增加50％，10m层风速最大值增加30％，从而使模拟台风的强度明显增加，使模拟结果更趋于合理。因此，在台风数值模拟和预报中考虑海洋飞沫的作用是十分必要的。     

塔基海-气界面动量通量观测：向岸风和离岸风情形比较

本文使用塔基直接观测法研究海洋大气边界层中的海-气界面动量通量。首先，我们收集数据并和前人观测结果比对，其比对结果符合一致。其次，在低风速至中等风速条件下，我们发现海-气界面动量通量的交换系数（又称拖曳系数）对于向岸风和离岸风两种情形有所差异。为此，我们使用一个考虑表面波的参数化方案解释海-气界面动量通量对于表面波的依赖关系。这些结果一方面证实表面波对于海-气界面动量通量的影响，另一方面验证一个考虑表面波参数化方案的有效性。     

利用jason-1资料验证区域海气耦合模式模拟台风浪的有效性

本文基于中尺度大气模式MM5、区域海洋模式POM及第三代海浪模式WW3建立了综合考虑海气间动力、热力相互作用的区域海气耦合模式系统.利用耦合模式模拟中国南海的两次典型的台风过程,并利用iasotl-1卫星高度计资料验证耦合模式模拟台风浪的有效性.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海台风的移动和强度,但模拟台风系统略偏弱,耦合模式对正常路径台风的模拟效果优干转向型台风;耦合模式能够模拟出南海台风过程中海浪场的演变特征,模拟结果与iason实测值相关性较好,相对误差在可接受范围;区域海气耦合模式为台风等强天气过程中海洋、气象要素演变特征及海-气界面相互作用过程的研究开辟了一条有效途径.     

风浪状态对海面粗糙度影响

风浪状态参数常用于对海面粗糙度的参数化。中等风速条件下考虑风浪状态参数影响的海面粗糙度参数化方案常存在自相关效应,本文通过分析实测数据得到了无量纲粗糙度随波陡变化的参数化方案,该方案能够有效去除自相关效应;高风速下风浪状态对海面粗糙度仍存在影响,文中基于新得出的中等风速下的海面粗糙度参数化方案,考虑海面飞沫悬浮层的影响,建立了适用于高风速条件下的海面粗糙度参数化方案,该海面粗糙度方案同样考虑了波陡的作用,将该方案计算出的理论值与实测数据进行比对,发现随着波陡的变化,理论值基本涉及测量值的覆盖范围,说明新建立的高风速条件下海面粗糙度方案对海面风浪状态具有较好的敏感性,且该方案能够较合理地描述海气界面之间动量传输。将新提出的适用于高风速下的海面粗糙度方案加入到海浪数值模式中,模拟飓风Ivan产生的台风浪,利用浮标数据进行验证,结果显示模拟的有效波高相对模式默认方案具有较高的精度,说明采用本文新建立的适合高风速的海面粗糙度方案能够改进海浪模式的台风浪有效波高模拟结果。     

海面风应力偏离风向的观测与分析

针对海气界面风应力方向与风向不一致的现象,2015年2月4日至3月12日在南海博贺观测平台开展了综合观测,利用涡动相关法计算了海气界面风应力,并在3类大气稳定度条件下分析了风应力矢量偏离风矢量的角度变化,进一步讨论了大气层结稳定时两者角度之差与风速的参数化关系。结果表明:在大气层结稳定条件下,风应力矢量偏向风矢量左侧,且偏离角度随逆波龄和风速增大而减小;当大气层结不稳定时,风应力矢量一般偏向风矢量右侧。海气界面风应力矢量受海表面风、波浪以及大气层结的共同调制。     

海面粗糙度方案的适用性研究

由量纲分析导出海面粗糙度与波龄及海面涌浪的状况有关,并对与波龄和波陡有关的两种海面粗糙度模型方案进行了敏感性测试,得出利用波龄模型方案计算粗糙度的误差比利用波陡模型方案小。基于国际上6个不同水深、风区和海况条件的海气交换试验资料,将其分为两组,一组是纯风海或以风海为主海况条件,另一组是以涌浪为主海况条件,测试波龄、波陡模型海面粗糙度方案在不同试验条件下的适用性。结果得出:在各种海况条件下,波龄模型粗糙度方案比波陡模型具有更好的普适性。在纯风海或以风海为主海况条件下,PS07,DGHQ03方案计算的粗糙度长度与实测资料计算结果最接近,GW06方案次之,O02方案计算结果明显偏高;涌浪为主海况条件下两种模型方案计算的粗糙度长度均偏低,O02方案计算的粗糙度长度误差相对较小,TY01方案误差最大。     

海气动量通量研究综述

海气界面动量通量也称为风应力,是海流和表面海浪的主要驱动力,是海洋从大气获得动量的重要途径。因此,合理可靠的海洋表面风应力的参数化对于海洋、大气和波浪以及气候模式的准确预报都具有非常重要的科学意义和实用价值。对风应力拖曳系数的参数化是风应力参数化的主要内容。近来的观测发现,风应力拖曳系数随着风速的增加出现了先增后减的趋势,同时还与海面的波浪状态以及海流有关。基于观测或理论分析,目前已经得到了一系列的风应力拖曳系数计算方法或公式,有的考虑了海浪的作用,有的没有,但这些方案大都是适合中低风速,在高风速下的适用性还有待检验。本文回顾了目前在海气动量通量观测和参数化方面的研究进展,并建议应增加高风速下风速、海流以及海浪等的同步观测,以进一步完善风应力参数化方案。     

海气耦合模式中挟卷参数化的比较

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合层SST预报模式,估计了各种模式扶卷作用对SST的影响。通过比较各个模式的计算结果,提出: 1.挟卷作用是影响SST变化分布的一个重要因子。挟卷速度的分市取决于所采用参数化形式中主要影响因素的分布情况。不考虑平流作用时,模式SST的分布也取决于挟卷参数化形式中主要影响因素的分布。2.由海气耦合不稳定模态的分析得出三个模式对不稳定海气耦合波影响的特征。     

基于大涡模拟耦合模式的小尺度海气相互作用研究

大气和海洋是影响地球气候系统的两个重要因素，它们之间的相互作用是海洋和大气研究的重要课题，海气耦合模式则是研究海气相互作用的重要工具，而海气耦合模式重点考虑的参数是海气通量。针对传统的大尺度海气耦合模式缺少湍流尺度分析的问题，本文使用并行大涡模拟海气耦合模式（The Parallelized Large-Eddy Simulation Model，PALM），在小尺度上探究风速对海气通量及湍流动能收支（Turbulence Kinetic Energy Budget，TKE Budget）的影响，设置了5、10和15m/s三种地转风速度对大气边界层（Atmospheric Boundary Layer，ABL）和海洋混合层（Oceanic Mixed Layer，OML）进行海气耦合模拟。研究表明：海气通量的分布与风速大小密切相关，风速越大，净热通量和浮力通量相对越大，由于温度上升导致海水蒸发加剧，使得大气的淡水通量增大；海洋湍流动能收支各项在近海面处受风速影响较大，且随着深度加深而逐渐减弱。本研究初步展示了小尺度海气耦合模式在海气通量研究中的应用，对进行小尺度海气相互作用研究具有一定的意义。     

基于MCT耦合器的WRF-POM区域海气耦合模式构建及应用

为研究区域海气耦合模式在中尺度海气相互过程中的应用,利用MPI(ModelCouplingToolkit)并行通信技术,构建了基于MCT耦合器的WRF-POM并行区域海气耦合模式,并利用该模式对台风"凤凰"进行了一系列的数值模拟试验。试验结果表明:该耦合模式可以实现稳定高效的并行计算,并较好地再现了台风"凤凰"的活动过程;相对单一的大气模式,耦合模式可以更加准确地模拟出台风"凤凰"的路径和强度,其中不使用"Bogus方案"的耦合试验模拟效果最好,其路径平均绝对误差相对控制试验和使用"Bogus方案"耦合试验分别减小了20.1%和72.5%,强度的平均均方根误差则分别减小了41.4%和17.9%;耦合模式还能较好地再现表层海洋对大气的响应特征:台风大风使得表层流速显著增大,强烈的"抽吸夹卷"效应使得低层较冷海水上翻,海表温度降低,混合层深度增加。     

一个区域耦合模式在不同分辨率下对台风“山神”的数值模拟

数值模式是台风研究的主要技术手段之一,但是目前数值模拟的台风强度普遍难以达到实际的强度。本文利用1个高分辨率区域海气耦合模式,以HYCOM同化数据以及NCEP FNL1(°)×1(°)再分析资料为模式,提供初始边界条件,对台风"山神"进行了多组不同水平分辨率下的耦合、非耦合模拟实验。初步证明:适当提高水平分辨率能够改善台风中心热通量等的模拟,进而改善台风路径的模拟效果,并显著提升模拟台风的最大强度;通过耦合、非耦合实验组证明,提升水平分辨率可改善海气耦合对台风强度模拟的负面效应,并分析了在特殊海洋涡旋结构下海洋对台风"山神"的响应过程,包括台风引起的路径右侧海表温度冷异常、相应的不对称环流场以及中尺度冷涡的增强与合并等过程。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

HYCOM模式对赤道及北太平洋海表温度的模拟

根据2种海气通量数据集(COADS、ECMWF)和2种海气通量块体参数化方案(常数块体参数化方案和非常数块体参数化方案)的不同结合,构成4组数值实验,使用HYCOM数值模式分别模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度。实验结果表明:(1)非常数块体参数化方案优于常数块体参数化方案;在太平洋40°N～20°S区域内,采用前者得到的年平均海表温度比Pathfinder卫星资料高约0.21℃,而采用后者得到的年平均海表温度比Path-finder卫星资料高约0.63℃。(2)HYCOM数值模式很好地模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变化及西太平洋暖池空间分布的月变化。特别是实验2(采用COADS数据集和非常数块体参数化方案),在太平洋40°N～20°S区域内,冬、春两季平均SST仅比Pathfinder卫星数据集高0.02℃。(3)不同海气通量数据会对模拟结果产生明显影响。对比采用COADS数据集的实验2结果与采用ECMWF数据集的实验4结果可以发现,在模拟区域的西北部,实验2比实验4的年平均SST高约1℃;在模拟区域的东南部,实验4比实验2的年平均SST高约1℃。两者差的最大值出现在58°N、140°E附近及中国渤海,实验2比实验4的年平均SST高约4℃。