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。     

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。     

台湾海域海面粗糙度及曳力系数的研究

利用福建沿海海域南日岛、金门岛与广东南澳岛的近海面气象、水文观测资料及台湾海峡西南部与南部的浮标观测资料,通过COARE(Coupled-Ocean Atmosphere Response Experiment)算法(V3.0),计算了台湾海域近海面空气动力粗糙度、曳力系数及海气表面动量通量,并研究它们关于水平风速的分布规律。结果得出:摩擦速度与10m风速基本上呈线性分布,线性拟合系数在0.042～0.045之间。曳力系数对10m风速的线性分布与过去研究结果相近,线性拟合系数在0.064～0.067之间。海面空气动力粗糙度对10m风速的线性拟合系数在0.053～0.058之间。海面动量通量与10m风速呈明显的二次关系,其线性与非线性拟合系数对于进一步了解台海地区大气湍流结构,建立和完善台海地区数值预报模式可提供重要的参数依据。     

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。     

海面状态参数化对海上大气边界层数值模拟的影响研究

由于海上大气边界层的下垫面是复杂多变的海面,因此海面状态的参数化对海上大气边界层数值模拟起到十分关键的作用.采用高分辨率的大气边界层模式进行敏感性试验研究,讨论了不同海面参数化方案对海上大气边界层数值模拟产生的影响.结果表明:几种海面粗糙度参数化方案在中低风速下模拟垂直结构主要的差异出现在边界层和自由大气分界面上;考虑...     

南沙群岛海域近海面粗糙度、中性曳力系数及总体交换系数研究

根据 1 994年 9月 1 8— 30日南沙群岛海域渚碧礁的近海面大气湍流观测实验资料 ,分别计算了该海域光滑海面和粗糙海面上的空气动力粗糙度 (z0 )、中性曳力系数 (CDN)。利用Brutsaert的假定 ,推导了一组求取标量粗糙度 (zT,zQ)、整体输送系数 (感热交换系数CHN、水汽交换系数CEN)的公式。在此基础上分别计算和分析了该海域近海面光滑海面和粗糙海面上z0 ,zT,zQ,CDN,CHN,CEN 及它们关于水平风速u分量的分布 ,并得到了一些有意义的结论。     

利用卫星高度计风速资料研究海面粗糙度

海面粗糙度对于海洋工程和海洋军事都非常重要，但对海面粗糙度的现场观测资料非常少，这大大制约了我们对海面粗糙度的认识。本文利用TOPEX高度计风速资料，实现了对海面粗糙度的反演。利用1993年和1998年两年的资料，文中对西北太平洋海域的海面粗糙度进行了研究。     

太平洋海面粗糙度的计算及波长的提取

海面粗糙度对于海洋工程和海洋军事非常重要,但是海面粗糙度的现场观测资料非常少,波长更难观测。本文利用TOPEX高度计风速资料,实现了对海面粗糙度的反演。给出了一种提取波长的方法,通过验证表明利用该方法得到的波长精度较高。     

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。     

利用卫星高度计风速资料研究海面粗糙度

海面粗糙度对于海洋工程和海洋军事都非常重要,但对海面粗糙度的现场观测资料非常少, 这大大制约了对海面粗糙度的认识。利用 TOPEX 高度计风速资料实现了对海面粗糙度的反演,并利用 1993 年和1998 年两年的资料对西北太平洋海域的海面粗糙度进行了研究。     

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。     

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。     

Influence of wavelength on the parameterization of drag coefficient and surface roughness

Surface waves are the roughness element of the ocean surface, the air-sea interaction processes are influenced by the wave conditions. The dynamic influence of surface waves decays exponentially with distance from the air-water interface. The relevant length scale characterizing the decay rate is the wavelength. The parameterization of drag coefficient and surface roughness can be significantly improved by using wavelength as the reference length scale of atmospheric measurements. The wavelength scaling of drag coefficient and dynamic roughness also receives support from theoretical studies of wind and wave coupling.     

粗糙度与风浪特征量关系的研究

在实验室风浪槽中观测风浪和风速,研究粗糙度与波面特征量的关系,发现风浪谱宽度增加,粗糙度增大。在窄谱时,粗糙度随谱宽的增加变化不明显,当波陡降低,粗糙度降低;在宽谱时,当谱宽度增加,即使波陡降低,粗糙度仍可增大。这一结果表明,波陡不足以完全决定粗糙度。当风浪波龄增加,粗糙度呈下降趋势,但由于谱宽度对粗糙度的影响,当波龄增加,部分波浪可有较大的粗糙度。由于这一因素,在粗糙度与波龄关系的观测结果中,数据点的散落不完全由观测误差造成。     

Drag Coefficient,Dynamic Roughness and Reference Wind Speed

Surface waves are the roughness element of the ocean surface. The parameterization of the drag coefficient of the ocean surface is simplified by referencing to wind speed at an elevation proportional to the characteristic wavelength. The dynamic roughness is analytically related to the drag coefficient. Under the assumption of fetch limited wave growth condition, various empirical functions of the dynamic roughness can be converted to equivalent expressions for comparison. For datasets covering a wide range of the dimensionless frequency (inverse wave age), it is important to account for the variable rate of wave development at different wave ages. As a result, the dependence of the Charnock parameter on wave age is nonmonotonic. Finally, the analysis presented here suggests that the significant wave steepness is a sensitive property of the ocean surface and a single variable normalization of the dynamic roughness using a wavelength or wave height parameter actually produces more robust functions than bi-variable normalizations using wave height and wave slope.     

Parameterization of rain induced surface roughness and its validation study using a third generation wave model

The effect of raindrops striking water surface and their role in modifying the prevailing sea-surface roughness is investigated. The work presents a new theoretical formulation developed to study rain-induced stress on sea-surface based on dimensional analysis. Rain parameters include drop size, rain intensity and rain duration. The influences of these rain parameters on young and mature waves were studied separately under varying wind speeds, rain intensity and rain duration. Contrary to popular belief that rain only attenuates surface waves, this study also points out rain duration under certain condition can contribute to wave growth at high wind speeds. Strong winds in conjunction with high rain intensity enhance the horizontal stress component on the sea-surface, leading to wave growth. Previous studies based on laboratory experiments and dimensional analysis do not account for rain duration when attempting to parameterize sea-surface roughness. This study signifies the importance of rain duration as an important parameter modifying sea-surface roughness. Qualitative as well quantitative support for the developed formulation is established through critical validation with reports of several researchers and satellite measurements for an extreme cyclonic event in the Indian Ocean. Based on skill assessment, it is suggested that the present formulation is superior to prior studies. Numerical experiments and validation performed by incorporating in state-of-art WAM wave model show the importance of treating rain-induced surface roughness as an essential pre-requisite for ocean wave modeling studies.     

Modulation of short wind waves by a long surface wave: a mechanism for feedback with an air flow

The paper concentrates on the evolution of a spectrum of short wind waves (SW) along the profile of a long surface wave (LW). Short wave spectral variations are considered in the relaxation approximation. The SW spectrum is modulated by the orbital velocities of long waves and by the variations of wind stress along the LW profile. The latter effect occurs due to wind flux perturbations induced by both the long wave proper and variations of the sea surface roughness induced by the SW modulations. To describe this effect, a feedback mechanism is introduces—the growth of energy of short waves results in the larger roughness of the sea surface, thereby contributing to the local wind stress, which facilitates, in turn, the growth of short waves. With moderate and strong winds being involved, this effect (aerodynamic feedback) is shown to be dominant in the short wave spectrum modulation. The mechanism becomes more efficient with intensification of the wind and decreasing of the long waves' frequency. Results of model calculations are in agreement with the known experimental data. Translated by Vladimir A. Puchkin.     

两种湍流参数化方案针对水体温度演变过程的模拟与比较

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg的波浪破碎表面边界条件时,采用MY2.5参数化方案的模拟结果没有明显的改善,但采用κ-ε参数化方案的模拟结果有明显的改善,得到与观测相符的模拟结果。