不同风速条件下海表空气动力学粗糙度参数化方案

实验室和外海观测资料已经证实,高风速下海面拖曳系数的变化和中低风速下并不相同。考虑到海面飞沫以及海浪状态对拖曳系数的影响,本文提出一种新的拖曳系数计算方案,该方案可适用于各种风速条件下。在中低风速下飞沫对拖曳系数的影响可以忽略不计,无量纲的海面粗糙长度先随着波龄的增加而增加,继而随波龄的增加而减小;然而在高风速下,因气泡破裂或者波浪破碎产生的飞沫使得风廓线对数函数改变,造成拖曳系数的减小。对不同波龄而言,拖曳系数和粗糙长度达到最大值的风速并不相同。同时,高风速下,海面拖曳系数的降低减少了摩擦速度随风速增加而增加的速率。     

考虑飞沫影响的拖曳系数方案对台风条件下上层海洋海温数值模拟的影响

为了提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,文章应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数CD计算方案,它体现了台风高海况条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风"海鸥"经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM(Princeton Ocean Model)三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。     

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。     

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。     

海气界面沫滴悬浮层的特征

Makin利用经典的有限饱和沫滴悬浮层理论建立了高风速下的海面动力学粗糙度模型。本文基于Makin模型,研究了海面拖曳系数随风速变化关系对沫滴悬浮层厚度、沫滴极限下落速度和Charnock参数的依赖性,从而考察了沫滴悬浮层的特征,并根据观测数据确定一些参数的取值。结果表明:沫滴悬浮层高度对拖曳系数随风速变化关系影响甚微;沫滴极限下落速度对拖曳系数随风速变化关系影响较大,但由不同观测数据估计得到的沫滴极限下落速度趋于一致;Charnock参数对拖曳系数随风速变化关系影响较大。综上,基于Makin模型的拖曳系数随风速变化关系主要依赖于Charnock参数。最后,利用已有的理论研究结果及通过数据拟合给出了解析的拖曳系数随风速变化关系式,仅依赖于Charnock参数,适用于各种风速情形。     

SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响

本文以荷兰哈灵水道海域为实验区域,通过敏感性实验,研究了在14 m/s、31.5 m/s和50 m/s（分别代表一般大风、强热带风暴和强台风的极端条件）定常风速下SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响程度。结果表明,对于近岸浅水区域（水深小于20 m）,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响较小,而且当风速增加到一定程度后,波浪破碎成为影响波高值的主要因素;对于深水区域（水深大于30 m）,一般大风条件下风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高影响仍然较小,随着风速的继续增大,风拖曳力系数计算方案的选择对有效波高的影响逐渐显著。对于平均周期,风拖曳力系数计算方案的选择和风速的改变对其影响均较小,而由水深变浅导致的波浪破碎对其影响较为显著。根据敏感性实验结果,本文对SWAN模型中风拖曳力系数计算方案的选择做出如下建议:计算近岸浅水区域风浪场或深水区域一般大风条件风浪场时,其风拖曳力系数可以直接采用模型默认选项;而对于深水区域更大风速条件,可首先采用模型默认选项试算,然后结合当地海域实测波浪资料进行修正。     

WAVEWATCH Ⅲ第三代海浪数值模式在中国东海的应用和改进

利用东海的浮标观测数据,比较了WAVEWATCHⅢ第三代海浪数值模式的ST2、ST4和ST6三种源函数方案在东海的适用性。结果表明,三种源函数方案在波高小于3 m中低风速情形下,模拟波高与观测波高符合的很好,而在波高大于3 m的高风速情形下,模拟波高偏大。在此基础上,提出了以波龄和波陡为参数的海面粗糙度参数化公式,以此来计算拖曳系数。该方案可以自动满足拖曳系数在临界风速达到饱和的观测事实,将上述拖曳系数计算方案应用于最新的ST6源函数方案,在保持中低风速时的模拟精度的同时,可有效地改善高风速时模拟波高偏大问题,而且可使模拟周期与浮标观测结果更为一致。     

海洋飞沫对热带气旋影响的数值模拟研究——以“鲇鱼”台风为例

本文在海-气-浪-沉积输运耦合模式COAWST(The Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport Modeling System)中,添加包含海洋飞沫效应的拖曳系数C_D和热焓交换系数C_K参数化方案,探讨海洋飞沫的动力学和热力学效应对热带气旋的影响。数值实验结果表明,海洋飞沫效应可有效改进热带气旋的路径模拟结果;只考虑海洋飞沫动力学效应时,对海表动量通量的影响甚少,可使向上感热通量和潜热通量略有增加;同时考虑海洋飞沫动力学和热力学效应时,可使海表动量通量略有增加,并使向上感热通量和潜热通量显著增加,海洋飞沫主要通过热力学效应有效增加热带气旋强度,对热带气旋强度模拟的改进效果相比于仅考虑海洋飞沫动力学效应更显著。     

海洋对静止热带气旋响应的某些特征

建立二层非线性原始方程海洋模式，采用湍流动能收支参数化风应力产生的垂直混合（夹卷），研究海洋对不同强度和最大风速半径的静止热带气旋（ＴＣ）的响应。数值试验结果表明，由于科氏参数随纬度变化，海洋对热带气旋的响应具有不对称性。热带气旋强度对海流，上混合层（ＵＭＬ）深度和海表温（ＳＳＴ）变化量值产生重大影响，并对它们变化范围影响较大。热带气旋最大风速半径对海流、混合层深度和海表温变化量值的影响不明显，但对它们的变化范围有明显影响。     

海-气界面动量通量的估计方法分析与应用

首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析,与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较,发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于"南海平台通量观测计划"(FOPSCS)近两年的连续通量观测数据,得到了22 476个摩擦速度的估算值,结果表明,当风速小于5m/s时,拖曳系数随风速增大而减小,而风速大于5m/s时,拖曳系数随风速增大而增大,两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形,说明波浪成长状态会对海-气界面动量交换产生影响。     

冰脊间遮掩作用对冰?水拖曳力影响的实验研究

为定量研究多冰脊之间的尾流遮掩作用对海冰漂移运动的影响,物理模型试验（试验有限水深为0.45 m）测量了多冰脊拖曳力的衰减变化。冰脊模型选用底角为45°的等腰直角三角形,选取了4种入水深度、9种冰脊间距进行测量。试验得到了前后冰脊拖曳力及其比值在尾流遮掩情况下的变化规律。前冰脊拖曳力与单冰脊情况一致,与冰脊速度的平方保持线性关系;而后冰脊在间距较小时出现了反向拖曳力,随冰脊间距的增大,后冰脊拖曳系数先减小再增大至不变。前后冰脊拖曳力比值的变化规律可以用指数遮掩函数来描述,该遮掩函数与冰脊间距和入水深度有关而与流速无关。通过与现有海冰模式中的遮掩函数对比,研究结论增强了该指数公式的适用性,加强了对海冰动力学模式中遮掩函数的理解。     

风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响

在风暴潮的形成中风应力起决定性作用 ,风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明 ,风应力拖曳系数随风速而变化 ,与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟 ,与将其视为常数情况相比较 ,计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果 ,采用 Smith(1980 )风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好     

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。     

Ekman模型时间变化风应力系数的伴随参数估计

本文基于时间分布参数设置,利用伴随同化方法,反演了Ekman模型中随时间变化的风应力拖曳系数,并在孪生实验和实际实验中对该方法进行了验证。在孪生实验中,研究了参数反演结果对不同影响因素的响应,包括:风速分布、风应力系数分布、风应力系数初始猜测值、风应力系数独立变量个数、观测数据误差和观测的深度。孪生实验结果验证了伴随同化方法反演Ekman模型中时变风应力系数的有效性,具体包括如下五个方面结论:1)不同风速分布下均能成功反演出不同风应力拖曳系数分布; 2)反演结果对初始猜测值较为敏感,风应力系数初始猜测值越接近给定值,反演结果越好;3)风应力系数独立点个数的选取会显著影响反演结果,合理的选择有利于提高反演效率及减小观测数据误差;4)观测误差能够影响反演结果,观测数据误差在20%以下时能取得合理的反演结果; 5)反演结果对观测数据的表层和次表层流速更为敏感,这是由Ekman流的物理性质决定的。实际实验,利用百慕大锚系试验平台的风速和流速数据,去除周期性潮流和地转流成分后得到Ekman流成分,并作为观测输入到该同化模型,反演出了适用于该区域和该时段的随时间变化的风应力系数。通过比较模拟流速和观测流速,证明利用伴随同化方法能从实测数据中反演出合理的时变风应力系数,对于海洋模型风应力系数的确定是一项有益的尝试。     

区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性研究

本文回顾了近年来海表粗糙度参数化研究成果,借助COARE算法对四种粗糙度参数化方案下海浪对海气界面通量及大气底层运动的影响进行分析,并对高海况条件下,区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性进行了初步的探讨。研究表明：海表粗糙度受海面波浪状态的影响,在其参数化方案中考虑波龄的作用后,在高风速、低波龄区,波浪作用使海气界面上的动量和热量通量显著增加;波浪通过参与海气界面上的动力和热力作用影响低层大气运动,低波龄条件下,波浪作用使大气运动减弱,高波龄条件下,波浪作用较小;区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案较敏感,不同的参数化方案对台风路径影响不大,对台风强度影响显著,从本文的个例来看,采用Smith92和Liu07方案的模拟结果更接近实测值。本文的研究结果为更合理的参数化海气界面的物理过程,提高耦合模式的模拟准确率提供了一定的参考。     

大尺度海气相互作用中SST演变的数值模拟

本文研制了一个全球浅水耦合海气模式。模式海洋部分包含了关于海表温度的热力学方程;大气部分是球坐标下有地形的正压模式。大气受到来自海洋加热的强迫,驱动海洋的风应力与大气模式的风速成正比。以气候实时资料作初始场所做数值积分,结果显示西太平洋暖水地及赤道东太平洋冷舌的范围与形状能较正确模拟。海洋模式部分线性化与非线性化的对比试验,表明随时间增加,两者海温差异逐渐加大,且中、高纬的差异大于低纬。非线性项在中、高纬的作用不可忽视。混合参数试验指出预报的结果对参数的选择很敏感。     

Stokes漂流近似公式对海洋表层流场估算的影响

本文采用波浪订正的Ekman模型,研究分析了三种Stokes漂流近似公式(单波公式、e指数公式、Phillips谱近似公式)对海洋表层流场估算的影响。海表总流场由海表面高度(SSH)数据计算的地转流和海浪模式WAVEWATCH Ⅲ输出结果计算的非地转流组成,并采用拉格朗日浮标观测数据对计算结果进行了验证。研究表明,随着Stokes漂流近似公式精度的提高,其计算的拉格朗日流速更接近于谱积分公式的计算结果,更贴近拉格朗日浮标观测数据。与谱积分公式计算的海表拉格朗日流速相比,单波公式的平均相对偏差为0.0834,e指数公式的平均相对偏差为0.0392,Phillips谱近似公式的平均相对偏差为0.0101,说明Phillips谱近似公式在不同风速下均能对谱积分公式有良好的近似效果。在低风速条件下,由Stokes漂流近似公式精度引起的海洋表层流场估算误差可以忽略不计,但随着风速增加,由近似公式精度引起的偏差逐渐变大,此时应该选择Phillips谱近似公式计算Stokes漂流,来减小误差。     

基于再分析数据的南海三维温盐结构特征分析

掌握南海三维温盐场特征对于研究南海海洋动力环境及其对海洋气候变化的影响具有重要意义。基于海洋再分析数据GLORYS12V1和AVHRR OISST数据,开展了南海温盐空间分布及季节变化分析,以及海表温度对台风过程的响应特征分析。分析结果表明：南海海表温度一般为25～32℃,最高温度出现在8月的黄岩岛附近海域,海表盐度一般为32～35 psu,最高盐度出现在7月的东海附近海域;温盐垂向结构表现为表层高温低盐,随着深度增加温盐季节性变化越小。南海地区温跃层深度存在明显季节变化特征,秋冬季节温跃层深度大于春夏两季。根据“威马逊”台风期间海表温度变化特征分析海表温度对台风过程的响应,台风期间南海水体垂向混合作用增强,海表温度降温明显。     

西北太平洋NOAA AVHRR海表温度日变化校正研究

白天,太阳辐射将海面上层加热,会出现海表温度日变化的情况,该变化对海气热交换以及海洋生态等的研究具有重要意义,且在不同海域有着不尽相同的变化规律。文章首先介绍了海表温度日变化经验和数值模型,然后在西北太平洋海域范围内,利用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的改进型甚高分辨率辐射计(Advanced Very High Resolution Radiometer,AVHRR)海表温度数据、美国宇航局"水"卫星Aqua上先进微波扫描辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS,AMSR-E)的海面风速和经计算得到的太阳辐射强度数据,通过对已有经验模型系数进行重新回归拟合,得到在该海域NOAAAVHRR海表温度数据日变化的经验模型。验证结果显示,重新回归系数后的模型在西北太平洋海域内计算所得的海表温度日变化大小与AVHRR数据本身计算所得结果相比,其平均偏差为0.01℃,标准偏差为0.22℃,可以在该海域内较好地对NOAAAVHRR海表温度数据进行日变化校正。     

基于SWAN模式的台风浪数值模拟初步研究

利用CCMP风场和Holland经验风场模型,构建不同合成半径的合成风场。基于SWAN模式对2010年第13号强台风鲇鱼进行数值模拟,然后使用卫星数据验证模式风速和波高,结果表明模式结果与实测值吻合良好,并且100km合成半径的风场模拟结果最佳。最后使用基于不同拖曳系数参数化方案的SWAN模型进行波高模拟,结果表明不同拖曳系数参数化方案造成的差异主要反映在大风区,新版本的SWAN41.01修正风能输入项后,波高模拟结果更加合理。