赤道西太平洋大气边界层的诊断分析

利用１９９３年ＥＮＳＯ事件爆发（４月）前酝酿时期“热带大洋与全球大气－海洋耦合响应试验”强化观测阶段“向阳红五号”科学考察船１５５°Ｅ，２°Ｓ定点海洋气象和高空大气探测资料，分析了赤道西太平洋大气边界层特征。结果表明：赤道西太平洋上空辐合对流区边界层内也有等温或逆温层存在，大气边界层物理参数变化与大尺度海－气变异有密切关系，赤道太平洋沃克环流加强、东移，边界层上部逆温层出现概率明显增大，边界层内高湿层湿度减小。另外，边界层内实测风速、风向廓线随高度的变化基本上不服从Ｅｋｍａｎ规律，但由其平均，分量合成得到的平均风随高度的变化却基本符合Ｅｋｍａｎ规律。     

印度洋大西洋上升流的长期变化及其与爱尔尼诺南方涛动的关系

用Ｘｉｅ和Ｈｓｉｅｈ从三十九年（１９５０－１９８８）Ｃｏａｄｓ月平均风应力资料算出的全球海洋Ｅｋｍａｎ层底垂直速度资料，分别对印度洋和大西洋的垂直速度场作ＥＯＦ分析。在３８４个模中集中讨论了前四个模，印度洋的四个模被发现均与Ｅｌｎｉｎｏ事件有关，模一与模二表现为Ｅｌｎｉｎｏ前后的剧降与剧升，（只是模二的位相较模一滞后半年）而模三与模四的位相与模一、二反相、时间振幅的曲线在Ｅｌｎｉｎｏ前达到正峰值，     

一种计算台风风场的方法

揭示Ｒａｎｋｉｎｅ涡风场模式和Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ风场模式之间的联系，并设计了一种台风风场分布模式，它的风速分布曲线落在Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ和Ｒａｎｋｉｎｅ涡两个风场模式的风速分布曲线之间，具有一个既优于Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ又优于Ｒａｎｋｉｎｅ涡的风速衰减速率，因此它同时克服了Ｒａｎｋｉｎｅ涡模式计算风速偏小和Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ模式计算风速偏大的缺点，以一种比较合理的变化趋势向远方衰减，成为一个比较切合实际的台风风场分布模式。同时，文中提出的移行台风风场计算方法对宫崎正卫、上野武夫和Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ模式都有一定的改进。     

内波频散关系的一种数值解法

基于Ｆｌｉｇｅｌ等（１９７５）采用的Ｔｈｏｍｐｓｏｎ－Ｈａｓｋｅｌｌ算法（Ｈａｓｋｅｌｌ，１９５１），在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似的条件下求解线性内波方程，以研究内波的频散关系及其各种模态的垂直速度振幅随深度分布的特征。本文以南海（１３°３０′Ｎ，１１８°３０′Ｅ）、（９°３０′Ｎ，１１１°３０′Ｅ）两个测站夏季和冬季的内波特征的计算为例，分别用Ｆｌｉｇｅｌ等原先的方法（引入Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似）和本文改进的方法（取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似）进行了计算；结果表明：对于垂直波数较小的内波，在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似情况下，其计算精度可获得明显的提高。     

一种计算台风风场的方法

揭示Ｒａｎｋｉｎｅ涡风场模式和Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ风场模式之间的联系，并设计了一种台风风场分布模式，它的风速分布曲线落在Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ和Ｒａｎｋｉｎｅ涡两个风场模式的风速分布曲线之间，具有一个既优于Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ又优于Ｒａｎｋｉｎｅ涡的风速衰减速率，因此它同时克服了Ｒａｎｋｉｎｅ涡模式计算风速和Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ模式计算风速偏大的缺点，以一种比较合理的变化趋势向远方衰     

南海波高熵和风速熵

根据风速的统计分布，给出了有因次风速熵和无因次风速熵的定义及其计算方法，使用ＧＥＯＳＡＴ高度计１９８６年１１月－１９８９年２月的有效波高和风速的资料，计算，分析了南海海域上的波高熵，风速熵，给出它们的时间变化特征和空间变化特征，并对不同随机量的无因次熵，即随机度进行了比较。     

琼州海峡海流的三维数值模拟

使用三维斜压陆架环流模式模拟琼州海峡的海流分布，结果表明，海峡内的海流基本为往复流；流向与海峡等深线走向近似平行；大潮退急的流速比大潮涨急的大。相同的风速，东风驱动的流速比西风驱动的大。风潮耦合驱动，潮位梯度力占主导地位。     

一种带自由面的三维船体贴体网络的数值生成

本文提出了一个生成自由面的三维船体贴体网格的数值方法。文中以静水面以上的船体型线作为描述非定常自由面的计算网格域，进一步完善了我们以往开发的无法考虑兴波与静水面以上的船体型线相互作用对船舶粘性流动影响的网格生成方法。静水面以上的初始自由面网格分别沿船面法线η及切线ζ方向的曲线长的指数进行分布，即可极方便地调节自由面在船面及静水面附近的网格间距，也保证了在数值离散三维Ｐｏｉｓｓｏｎ方程时具有相当好的收敛性。这种方法的特点是计算量相当小，尤其能极方便地控制网格在船面簿粘性层中及静水面附近的分布。以Ｓｅｒｉｅｓ６０船模作为计算算例，带自由面的网格分布是相当满意的     

渤、黄、东海泡沫厚度的分布及对亮温的修正

基于泡沫动力模型和破碎波模型,利用MASNUM海浪模式计算得到2003年渤、黄、东海的泡沫厚度,利用多层微波辐射理论及泡沫模型得到海表泡沫层的发射率及泡沫层对观测亮温的修正率。分析结果显示,泡沫层厚度在不同季节的分布特征及大小各不同,不仅与风速有关,而且与波面状态也密切相关;泡沫层的海表发射率随泡沫厚度的增大而增大,当超过某一阈值,海表泡沫层近似黑体,发射率为1。由于月平均风速及波高忽略了某些极值事件,2003-01和2003-07的月平均风速最大值仅在8m/s左右,但是海表泡沫层对亮温仍存在一定的贡献,修正率最大值约为1.2%,未来工作会进一步关注风速和波高较大的极值事件中泡沫层对观测亮温的影响。     

夏季风场对长江冲淡水扩展影响的数值模拟

建立一个σ坐标系下三维非线性斜压陆架模式，研究长江冲淡扩展的动力机制。数值试验再现了夏季长江冲淡水转向东北的现象，夏季风场对长江冲淡水扩展的影响，取决于风速的大小和动向，风速为３ｍ／ｓ的南风，对冲淡水向北扩展的影响比较明显，而当南风风速达到６ｍ／ｓ时，则起着十分显著的作用，西南风加强了冲淡水向东扩展，但对南北向的扩展影响甚微，东南风抑了冲淡水向东扩散，并使之偏向西北，明确阐明了夏季风场对冲淡水扩展     

海上风的边界层模式

由于航海、海上开发作业等对海洋上风和海浪的预报提出越来越高的要求,而海浪、风暴潮等海洋水文要素的数值计算和预报,迫切需要解决海洋上风场的精确计算。但是,复杂的海面结构,大气稳定度的影响以及风、浪之间动量的交换等,使海上风的理论计算遇到很多困难,至今大部分工作是依靠统计方法。利用天气预报的形势场计算地转风或梯度风,以及它与海面摩擦、大气稳定度的经验订正关系。     

The “slip law” of the free surface

A “slip law” connects the excess velocity or “slip” of a wind-blown water surface, relative to the motion in the middle of the mixed layer, to the wind stress, the wind-wave field, and buoyancy flux. An inner layer-outer layer model of the turbulent shear flow in the mixed layer is appropriate, as for a turbulent boundary layer or Ekman layer over a solid surface, allowing, however, for turbulent kinetic energy transfer from the air-side via breaking waves, and for Stokes drift. Asymptotic matching of the velocity distributions in inner and outer portions of the mixed layer yields a slip law of logarithmic form, akin to the drag law of a turbulent boundary layer. The dominant independent variable is the ratio of water-side roughness length to mixed layer depth or turbulent Ekman depth. Convection due to surface cooling is also an important influence, reducing surface slip. Water-side roughness length is a wind-wave property, varying with wind speed similarly to air-side roughness. Slip velocity is typically 20 times water-side friction velocity or 3% of wind speed, varying within a range of about 2 to 4.5%. A linearized model of turbulent kinetic energy distribution shows much higher values near the surface than in a wall layer. Nondimensional dissipation peaks at a value of about eight, a short distance below the surface.     

一种三次多项式湍黏性底边界层的流场分布

本文通过假定底边界层湍黏性的三次多项式参数化形式,基于简化的Navier–Stokes方程,并利用超几何方程的性质,推导出了湍流粗糙底边界层的速度解析解。同时,得到了底边界层内其他的动力参数,如底剪应力、Ekman传输、Ekman抽吸及近底部速度分布场,从理论上讨论了均匀混合底边界层特征量分布特征。通过数值结果分析,进一步得出底边界层的总速度、亏损速度及其剪应力受平均流的角频率和地球自转影响比较大;而底边界层的动力结构对于底边界层顶部粗糙度不敏感。该涡黏性模式从理论上丰富了底边界层涡黏性的形式,为底边界层的动力系统研究提供了借鉴和理论参考。     

风浪和海洋飞沫对海表面拖曳系数和风廓线的影响

基于埃克曼理论,本文将波致应力和飞沫应力引入到海-气边界层的界面应力中,来研究海表面风浪和海洋飞沫对海-气边界层动量交换的影响,并得到修改后的埃克曼模型的理论解。波致应力是由风浪谱和波增长函数估计,并得到在中低风速下,波致应力、飞沫应力与湍流应力相比,对海表面拖曳系数和风廓线的影响非常小。当风速高于25米/秒时,海洋飞沫通过飞沫应力对海-气界面应力的作用远高于波致应力,以至于波致应力可以忽略。海表面拖曳系数在高风速下,随着风速的增大而减小。通过采用风浪谱的不同波龄,得到海洋飞沫的产生会导致海-气边界层风速的增加。最后,理论解与现场的观察数据进行了对比。对比后的数据表明,在中高风速下,飞沫对海-气边界层的影响远大于表面风浪。     

Study of the Neutral Ekman Flow Using an Algebraic Reynolds Stress Model

A recently developed fully explicit algebraic model of Reynolds stress and turbulent heat flux in a thermally stratified planetary atmospheric boundary layer without stratification has been used for a numerical study of the Ekman turbulent boundary layer over a homogeneous rough surface for different dimensionless surface Rossby numbers. A comparative analysis has been conducted for a closure model of the transport term in the prognostic equation of turbulent kinetic energy dissipation including third-order moments. Dependences of the total wind rotation angle on the Rossby number have been obtained. The calculated vertical profiles of mean velocity, turbulent stress, turbulent kinetic energy, surface-friction velocity, and boundary-layer height agree satisfactorily with observational and earlier obtained LES data.     

简单海-气边界层模式中的埃克曼流动Ⅰ——无限深海的情形

近十余年来,海洋和大气相互作用这一课题日益受到人们的关注。从海-气边界层结构以及通过海面的物理量和化学量输送机制的研究到大尺度海洋和大气相互作用的研究都取得了可喜的成果。此外,还从海洋和大气相互作用的观点探索了风暴潮预报的新的可能途径[2]。然而,由于问题的复杂性,通过海面以及海-气边界层的物理量的小尺度输送机制迄未得到澄清,企图从本质上改善大尺度海洋和大气相互作用的理论是不现实的。     

基于再分析数据的南大洋区域Ekman流时空分布规律研究

南大洋Ekman输运是全球大气-海洋耦合气候系统的重要组成部分,对该区域Ekman动力过程的研究极为重要。首先基于实测数据和文献资料,对GEKCO2(Geostrophicand EkmanCurrent Observatory2)产品提供的Ekman流数据进行了评估,验证了数据的有效性;并结合CCMP(cross-calibratedmulti-platform)、ERA5(thefifthgenerationEuropeancentreformedium-range weatherforecastsatmosphericreanalysis)风场数据,采用经验正交函数分析法(empiricalorthogonal function,EOF)等方法分析了2010—2018年南大洋Ekman流的时空变化规律。结果表明:(1)南大洋Ekman流速集中在9—11 cm/s,且具有很强的月际变化特征(7月最强, 12月最弱);(2)南大洋40°S以北海域是Ekman流速随时间变化较大的区域;(3)南大洋Ekman流速的EOF分析显示:第一模态和风场存在较强的相关性,表现为流速在整体上同时增强或减弱;第二模态和南半球中高纬大气环流存在较强的相关性,表现为以50°S为界南北流速反向变化;(4)Ekman流左偏角度集中在60°—75°,其中概率密度最大值处所对应的角度为67.5°。通过矢量相关分析,得到30°—35°S海域的平均偏角存在月际变化。南大洋的Ekman动力过程对海洋环流和全球气候系统具有重大影响,本文对于进一步理解南大洋的Ekman过程具有一定的参考价值。     

数据同化反演风应力拖曳系数以及垂向涡动黏性系数的分布

所作的孪生实验表明:通过利用变分优化控制技术将气象学和海洋学(表层和次表层)的观测资料同化到海洋的埃克曼层模型中,可将未知的边界条件(风应力拖曳系数)和垂向涡动黏性系数的分布同时反演出来.     

河口潮平均准稳态盐度解析模型

为了建立涵盖更多物理机制的河口潮平均盐度解析模型，更好地探究风对盐度纵向分布的影响，本文在MacCready河口潮平均准稳态盐度模型基础上进行了以下改进：在风作用的基础上，通过加入经过盐度分层作用修正的垂向紊动黏性系数垂向结构进行盐度分布的解析。以现有的改进模型计算不同风速风向下Delaware河口的盐水上溯距离、Ri值、紊流边界层厚度和断面盐通量分布的结果可以发现：对于离岸风，当风速增强，上溯距离、Ri值和断面盐通量都是先增大后减小，边界层厚度不断增加；对于向岸风，当风速增强，上溯距离、Ri值和断面盐通量都是不断减小，边界层厚度不断增加。风对河口垂向平均盐度纵向分布的影响主要体现在张力效应和垂向紊动混合两个方面改变离散盐通量大小，从而直接影响盐度纵向分布。     

The effects of random surface waves on the steady Ekman current solutions

The response of near-surface current profiles to wind and random surface waves are studied based on the approach of Jenkins [1989. The use of a wave prediction model for driving a near surface current model. Dtsch. Hydrogr. Z. 42, 134–149] and Tang et al. [2007. Observation and modeling of surface currents on the Grand Banks: a study of the wave effects on surface currents. J. Geophys. Res. 112, C10025, doi:10.1029/2006JC004028]. Analytic steady solutions are presented for wave-modified Ekman equations resulting from Stokes drift, wind input and wave dissipation for a depth-independent constant eddy viscosity coefficient and one that varies linearly with depth. The parameters involved in the solutions can be determined by the two-dimensional wavenumber spectrum of ocean waves, wind speed, the Coriolis parameter and the densities of air and water, and the solutions reduce to those of Lewis and Belcher [2004. Time-dependent, coupled, Ekman boundary layer solutions incorporating Stokes drift. Dyn. Atmos. Oceans. 37, 313–351] when only the effects of Stokes drift are included. As illustrative examples, for a fully developed wind-generated sea with different wind speeds, wave-modified current profiles are calculated and compared with the classical Ekman theory and Lewis and Belcher's [2004. Time-dependent, coupled, Ekman boundary layer solutions incorporating Stokes drift. Dyn. Atmos. Oceans 37, 313–351] modification by using the Donelan and Pierson [1987. Radar scattering and equilibrium ranges in wind-generated waves with application to scatterometry. J. Geophys. Res. 92, 4971–5029] wavenumber spectrum, the WAM wave model formulation for wind input energy to waves, and wave energy dissipation converted to currents. Illustrative examples for a fully developed sea and the comparisons between observations and the theoretical predictions demonstrate that the effects of the random surface waves on the classical Ekman current are important, as they change qualitatively the nature of the Ekman layer. But the effects of the wind input and wave dissipation on surface current are small, relative to the impact of the Stokes drift.