中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

海表扩散层中气体行为的分子动力学模拟*

尽管影响气体在海气界面间交换的因素很多,但迄今却仅仅用风速来估算气体在海气界面的传输速度。另一方面,直接实验测量气体在海气界面的传输也十分困难。因此,气体穿过海气界面的传输速度仍然存在很大的不确定性。文章采用分子动力学方法模拟了二氧化碳、氧气、氮气以及惰性气体氩、氪在海表扩散层内部的扩散过程,求得不同温度下这些气体的扩散系数,与现有的实验值平均相差约19.4%,并重点讨论了二氧化碳在扩散层内部的行为,为进一步研究气体在海气界面的传输速度提供了新的理论手段。     

名词解释

名词解释海气用互作用（ａｌ。－。。ａ－ｉ。ｔｅｒｘｃｔｉｏｎ）：由于大气和海洋组成了两种混合流体的单一的机械和热力体系。穿越大气海洋界面发生了热量、动量＿因体和气体均交换，从而产生了海气相互作用。由于海气界面是一个非常复杂的移动界面，＿通常难以测量这...     

黄海溶解氧垂直分布最大值的数值研究

建立了一个二维断面溶解氧的数值模式,模拟了黄海溶解氧垂直分布最大值的形成和演化过程,并对影响溶解氧垂直分布状况的3种主要过程,即垂直涡动混合、生物活动和海气界面的气体交换进行了数值试验和讨论。结果表明,在增温期,由于温跃层的形成和存在,限制了垂直方向的交换,使跃层下界附近的溶解氧得以保留,同时上层海气交换和下层有机物分解耗氧,从而在跃层附近形成最大值;由于黄海海区的跃层一般都在真光层以内,因此生物产氧可以增加跃层附近氧的含量,进而影响最大值的大小,但对是否形成最大值影响不大;上混合层中的生物产氧大都通过海气界面的气体交换进入大气。海气界面的气体交换速度可以影响上混合层的溶解氧浓度,但对溶解氧最大值影响很小。     

黑潮延伸体海域漂流式海气界面浮标数据分析与评估

漂流式海气界面浮标是创新研制的“小型化、轻质化、免维护”的漂流观测系统,能够测量海面以上3 m气象、水下20 cm海表面温度和波浪参数等11个不同的物理参数,并且已经经过多次观测应用,结果均较好。为实现漂流式海气界面浮标观测数据全球范围的应用,利用2018年黑潮延伸体海域Argo观测的海表面温度(sea surface temperature, SST)、SVP (surface velocity program)浮标观测的海表温度和OISST (optimum interpolation sea surface temperature)数据,通过将其与漂流式海气界面浮标观测数据进行时空匹配以及对比验证,对漂流式海气界面浮标观测的海表面温度进行了系统评估,检验其在黑潮延伸体复杂水文环境下的观测准确性。结果表明,漂流式海气界面浮标观测SST数据与Argo观测SST数据相关系数达到0.9737,均方根误差和平均误差分别为0.5790°C和0.4539°C;与SVP浮标SST数据的相关系数弱于与Argo的相关系数,为0.9285,均方根误差为1.323 0°C,平均误差约为0.979 4°C...     

船基系统海气通量测量方法研究

海气通量交换是海洋学和气象学许多领域共同研究的内容,是气候形成和变化的重要机制之一。文章通过比较测量海气通量的几种方法,提出了在船基仪器上使用直接协方差法测量海气通量的方法,并给出了船体运动造成测量结果误差的校正算法。     

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。     

西太平洋赤道海域海气界面二氧化碳交换的计算

根据1986年11月32站和12站2个连续站的观测资料,计算溶解氧和二氧化碳在海气界面的交换速率。 调查海域溶解氧海气交换平均活塞速度0.378m/h,平均边界层厚度为30μm。忽略气体-溶剂反应对交换速率的影响,把由氧求得的边界层厚度应用于CO_2海气界面交换计算,求得CO_2的活塞速度为0.22m/h。     

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。     

中太平洋西部赤道附近天气与海气热交换关系的初步分析

中太平洋西部赤道附近地处低纬,属热带海洋区域,温度高,蒸发量大,是地球大气中水分和热量的主要源地之一。由于热带天气的变化,对推动和调整全球大气环流具有很大的作用和影响,而热通量变化是被看作海洋-大气间的反馈过程中重要的一个过程。海气界面热量交换是剖析海气相互作用机制的一个重要环节。就海气界面热量交换而言,许多作者已经作了大量研究。但对中太平洋西部海区来说,研究尚少。本文,拟就中太平洋西部赤道附近产生的天气与海气热交换关系进行初步分析。     

海气相互作用对热带气旋发生发展影响研究综述

本文回顾了近几十年来海气相互作用对热带气旋形成和发展影响的研究情况.海表温度(SST)和海洋飞沫(sea spray)蒸发对热带气旋的强度和路径有一定的影响,但影响机制和程度如何,目前还存在争议.利用中尺度海气耦合模式进行数值模拟是研究海气相互作用对热带气旋影响的一个有效方法.介绍了国内外一些中尺度海气耦合模式,旨在推动建立适合我国海域用于热带气旋模拟和预报的海气耦合模式.     

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。     

Impacts of sea spray on the boundary layer structure of Typhoon Imbudo

High winds in a typhoon over the ocean can produce substantial amounts of spray in the lower part of the atmospheric boundary layer, which can modify the transfer of momentum, heat, and moisture across the air-sea interface. However, the consequent effects on the boundary layer structure and the evolution of the typhoon are largely unknown. The focus of this paper is on the role of sea spray on the storm intensity and the structure of the atmospheric boundary layer. The case study is Typhoon Imbudo in July 2003. The results show that sea spray tends to intensify storms by increasing the sea surface heat fluxes. Moreover, the effects of sea spray are mainly felt in boundary layer. Spray evaporation causes the atmospheric boundary layer to experience cooling and moistening. Sea spray can cause significant effects on the structure of boundary layer. The boundary-layer height over the eyewall area east to the center of Typhoon Imbudo was increased with a maximum up to about 550 m due to sea spray, which is closely related with the enhancements of the heat fluxes, upward motions, and horizontal winds in this region due to sea spray.     

海面动量、热量及水汽通量的浪沫效应──Ⅱ．数值计算及结果比较

本文是“海面动量、热量及水汽通量的浪沫效应”的第２部分。文中根据本课题第１部分方程组及初值化等改写所得方程组,对不同初始滴径和垂直速度的飞沫,在不同背景风场和温度场的情况下,计算飞沫入海距离、速度、滴径和滴温,以及估算飞沫出入海面所携带的动量、热量及水汽量等的变化量。计算结果所作比较说明了飞沫在海气相互作用中的重要作用。     

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%。     

基于白冠覆盖率的飞沫生成函数参数化

海浪破碎使得海面产生飞沫水滴，由于飞沫水滴的存在改变着大气和海洋之间的能量传输。飞沫生产函数一般认为是水滴初始半径和风速的函数，但海浪时刻存在于海-气界面，仅仅考虑海面风的作用，而忽略海浪的影响是不够完善的。白冠覆盖率是海浪破碎的重要特征参数，有研究者发现白冠覆盖率与海面风速和海浪均存在相关性。本文尝试从白冠覆盖率出发，构建飞沫水滴的生成函数参数化方案，将描述不同飞沫水滴半径的飞沫生成函数基于白冠覆盖率参数有机整合，然后结合白冠覆盖率和海浪状态的关系，利用实验室观测数据，分析不同海浪状态条件下海浪对飞沫生成函数的影响。研究结果表明，新的考虑波浪效应的飞沫生成函数可以合理地描述不同海浪状态条件下飞沫水滴的生成过程。     

西太平洋暖池区域热通量变化及其与南海夏季风爆发的关系

利用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用目前世界较为先进的通量算法(CORAER 3.0),计算了西太平洋区域海-气热通量(感热通量和潜热通量)。首先分析了海-气热通量的多年平均场和气候场变化的基本特征,以及年际和年代际变化特征;进而对其与南海夏季风爆发之间的关系进行了初步探讨。结果表明,西太平洋海-气热通量具有明显的时空分布特征,感热通量的最大值出现在黑潮区域,潜热通量的最大值出现在北赤道流区和黑潮区域。在气候平均场中,黑潮区域的感热通量和潜热通量最大值均出现在冬季,最小值出现在夏季;暖池区域感热通量除了春季较小外,冬、夏和秋季基本相同,而潜热通量最大值出现在秋、冬季,最小值出现在春、夏季。另外,海-气热通量还具有显著的年际变化和年代际变化,感热通量和潜热通量均存在16 a周期,与南海夏季风爆发存在相同的周期。由相关分析可知,4月份暖池区域的海-气热通量与滞后3 a的南海夏季风爆发之间存在密切相关关系,这种时滞相关性,可以用于进行南海夏季风爆发的预测,为我国汛期降水预报提供科学依据。基于以上结论,建立多元回归方程对2012年的南海夏季风爆发进行了预测,预测2012年南海夏季风爆发将偏晚1～2候左右。     

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。     

Estimating the extent of the spraying zone on a sea-going ship

The maximum extent of ship spraying for a medium-sized fishing trawler (MFV) of Soviet type has been considered. A simple geometrical model for generating the spray due to ship-wave collisions has been applied to determine the maximum height of the spray source above the ship deck. The maximum height of the spray source has been assumed to depend on the ship speed relative to the moving waves and an empirical constant specific to a given type of ship. A unique field data set (Kuzniecov et al., 1971) of the height of the upper limit of ice accretion on the foremast of an MFV has been used to determine the value of the empirical constant for this vessel. For documented air-sea and ship motion parameters, the trajectories of droplets hitting the upper parts of the accretion on the foremast have been calculated using the equation of droplet motion for each reported icing event.The heights of the spray source computed by the trajectory method for each case of icing were compared with the heights of the spray source determined by a correlation involving the ship speed relative to the waves and the vertical extent of spray. The best fit was obtained for an empirical constant value of 0.535.The model performance was tested using an independent data set (Sharapov, 1971) on the spraying zone of an MFV. The tests showed that this model predicts the extent of the spraying zone over the ship with satisfactory accuracy and suggest that it should be incorporated into an integrated ship icing model.Finally, the model was run for several ship speeds, headings and wind speeds to examine the effect of these parameters on the maximum height of the spray hitting the ship's foremast. It was found that this height increases with wind speed and ship speed and is maximum for ship headings of 120–130°.