劉子龍, 史 劍, 蔣國榮, 陳奕德, 張成成

(解放軍理工大學 氣象海洋學院, 江蘇 南京 211101)

海浪攪拌混合對北太平洋海表面溫度模擬的影響

劉子龍, 史 劍, 蔣國榮, 陳奕德, 張成成

(解放軍理工大學 氣象海洋學院, 江蘇 南京 211101)

利用NCEP再分析風場驅(qū)動WAVEWATCH III海浪模式對北太平洋海域的海浪過程進行模擬,利用浮標觀測資料對模擬出的海浪要素有效波高進行驗證, 發(fā)現(xiàn)他們之間具有很好的一致性?；谀Ｊ捷敵龅挠行Рǜ叩炔ɡ艘? 利用特征波參數(shù)化理論, 在海洋環(huán)流模式中引入海浪攪拌混合作用,分析其對北太平洋海表面溫度模擬的影響, 初步數(shù)值模擬結(jié)果表明, sbPOM模式在考慮海浪攪拌混合作用以后, 模擬精度進一步提升, 這對提供一個準確的大氣模式下邊界條件具有重要作用。

攪拌混合; 海表面溫度; WAVEWATCH III; sbPOM

21世紀, 海浪研究得到了世界前所未有的關(guān)注,所關(guān)注的焦點并非海浪現(xiàn)象本身, 而是海浪對其他海洋動力過程的影響和作用[1]。一般情況下, 海浪通過4種方式影響海流: (1)海浪破碎過程; (2)波浪的攪拌混合過程; (3)波致應力; (4)輻射應力和底部應力等。目前, 國內(nèi)外已有大批學者從這四個方面展開了海浪對海洋混合層影響的研究。本文僅對海浪攪拌混合對海洋表層溫度(sea surface temperature, SST)的影響進行分析和總結(jié)。

Yuan等[2]將海水的運動分解成平均運動和擾動運動, 并將擾動運動視為波生運動和湍流運動的疊加。他們借用混合長的概念將波生雷諾應力參數(shù)化,得到波生運動導致的混合系數(shù)。Qiao等[3]將混合系數(shù)加入到一個全球環(huán)流模式中發(fā)現(xiàn)可以有效地改進對海洋混合層的模擬。夏長水[4]將波致混合系數(shù)運用到MASNUM浪流耦合數(shù)值模式中對黃海的溫度環(huán)境場進行了模擬, 也取得了較好的結(jié)果。Yang等[5]將攪拌混合系數(shù)引入環(huán)流模式中對黃海混合層進行模擬, 發(fā)現(xiàn)其在冬季作用最強, 且改變了環(huán)流模式模擬混合層深度偏淺的缺陷。宋振亞[6]等將混合系數(shù)引入到基于MASNUM海浪模式建立的大氣-海浪-海洋環(huán)流耦合數(shù)值模式中, 對近50 a的北太平洋海表溫度進行模擬, 從模擬結(jié)果的平均SST來看, 發(fā)現(xiàn)比大氣-洋流耦合模式模擬的北太平洋海表溫更合理。

此外, 胡好國等[7]提出利用特征波參數(shù)化理論,將海浪引起的垂直渦動動量和熱混合系數(shù)引入POM模式中, 對渤海、黃海、東海海洋上層進行數(shù)值模擬,探究海浪的混合作用, 發(fā)現(xiàn)海浪的作用使得海洋上層混合更加均勻。本文在使用環(huán)流模式異于前人, 采用先進的并行版sbPOM模式的基礎(chǔ)上, 利用胡好國等[7]通過特征波參數(shù)化理論計算所得的垂直渦動動量系數(shù)和熱混合系數(shù), 探究海浪的攪拌混合作用對北太平洋海域不同季節(jié)海表面溫度模擬的影響。

1 研究方法

1.1 WAVEWATCH III海浪模式簡介及設(shè)置

WAVEWATCH III[8-9]海浪模式簡稱 WW3, 基于Tolman[10]的第三代海浪模式WAM發(fā)展起來的, 是當前國際上最為成熟的幾個海浪模式之一, 具有穩(wěn)定性好、計算精度高等特點, 目前已成為美國海洋環(huán)境預報中心的業(yè)務化海浪預報模式。

本文采用NCEP再分析風場數(shù)據(jù)驅(qū)動WW3海浪模式(該數(shù)據(jù)空間分辨率為1.875°×1.9°, 時間間隔為6 h), 模式地形數(shù)據(jù)由全球分辨率5′×5′的ETOPO5地形插值得到。模擬了2014年全年的北太平洋海域海浪過程。設(shè)置WW3模式考慮風攝入波動、非線性的波波相互作用、白帽耗散和底摩擦等物理過程, 相應的檢驗參數(shù)采用默認值。模擬的區(qū)域范圍為: 10°S~66°N, 100°~280°E, 空間分辨率為0.5°×0.5°。海浪譜頻率分布為 0.041 8~0.41 Hz, 共25個頻段, 方向上離散為24個波向, 且方向角分辨率為15°。模式最大全局時間積分步長取為2 400 s, x-y方向和k-theta方向上的時間積分步長都取為1 200 s,源函數(shù)時間積分步長最小取為15 s, 本文中取為300 s。

1.2 sbPOM模式簡介及設(shè)置

本文在對北太平洋海溫進行模擬的過程中, 環(huán)流模式空間分辨率以及計算的區(qū)域的設(shè)置和上文WW3模式設(shè)置保持一致, 同時, 模式垂向采用40個s層, 在海洋上層采用較高的分辨率, 而在中、深層分辨率較低。模式初始溫、鹽場取自SODA資料月平均溫度和鹽度, 全場運動速度取零, 地形同樣由全球分辨率為5'5'′的ETOPO5地形插值得到。風場和熱通量取自空間分辨率為1.875°×1.9°的NCEP再分析資料中心, 控制模式外模時間步長為20 s, 內(nèi)模時間步長600 s, 積分2 a, 取第二年積分結(jié)果進行分析。

1.3 海浪攪拌混合作用的引入

基于胡好國提出的特征波參數(shù)化理論[7], 引入波浪攪拌混合作用探究其對海表面溫度場模擬的影響。為了區(qū)別, 把海浪引起的垂直渦動動量和熱混合系數(shù)分別記為wmK和whK, 其表達式分別為:

為了初步探究波浪攪拌混合作用在不同月份于北太平洋的作用情況, 圖1給出了海浪攪拌混合作用強度在北太平洋不同月份的月平均空間分布圖,主要以2月、5月、8月、11月為例進行分析。從圖1中可以看出, 海浪攪拌混合作用在中高緯度作用較明顯, 在低緯度地區(qū)作用較弱; 從時間上來看, 2月和11月份作用較強, 5月和8月作用較弱。

2 結(jié)果及分析

2.1 海浪模式數(shù)值試驗結(jié)果及分析

WW3數(shù)值試驗, 采用NCEP風場作為模式的輸入場, 得到了計算時間范圍內(nèi)每個小時的波浪場要素, 選取有效波高作為檢驗模式模擬結(jié)果可靠性的要素。

本文在美國國家浮標資料中心(National Data Buoy Center, NDBC)選取了6個如圖2所示的浮標站點作為驗證點, 并以2月、5月、8月、11月為代表月進行分析檢驗。限于篇幅, 圖3僅分別給出了46001, 46002, 51003, 51004四個浮標11月份有效波高模擬值和浮標觀測值的對比圖。從圖3中可以看出, 模式模擬結(jié)果較好地吻合了浮標觀測有效波高的變化趨勢, 即便是在有效波高極大極小值點, 其模擬效果令人也是較為滿意的, 偶有出現(xiàn)極大值點模擬值偏低的情況, 如51003號浮標11月17日和25日出現(xiàn)的模擬值偏低情況。造成這種誤差的主要原因在于NCEP風場的時空分辨率較低。

將WW3海浪模式模擬結(jié)果與NDBC浮標觀測值進行比較, 并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析, 對于浮標因為某些異常而未進行觀測或觀測數(shù)據(jù)較少的月份,予以舍棄, 并于表1中以“NaN”表示(表中計算結(jié)果通過四舍五入方法精確到小數(shù)點后二位)。表中給出的均方根相對誤差和相關(guān)系數(shù)[8], 其定義分別為:

圖1 海浪攪拌混合作用強度在北太平洋的空間分布Fig. 1 Spatial distribution of wave-induced mixing intensity in the northern Pacific

圖2 北太平洋所選NDBC浮標站點的位置Fig. 2 Position of selected NDBC buoys in the northern Pacific

圖3 實驗模擬有效波高和浮標實測有效波高的對比圖Fig. 3 Comparison of simulated significant wave heights with those from buoy data

式中,rmsE和ofR分別代表均方根相對誤差和相關(guān)系數(shù),oH和fH分別代表波高的觀測值和模擬值, N為樣本點的個數(shù)。

根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果可以得出, 利用NCEP再分析風場驅(qū)動WW3海浪模式所得的模擬結(jié)果和實測資料結(jié)果全年均方根相對誤差在20%左右, 相關(guān)系數(shù)在0.83左右, 且大多數(shù)位于0.85以上, 0.80以下的僅有3個, 其最大相關(guān)系數(shù)可達0.93, 最小也有0.66,總體來說, 基本屬于強相關(guān)。從時間變化來看, 4個月份均方根相對誤差變化不大, 2月較其他月份來說稍微偏大點, 為22%, 其相關(guān)系數(shù)也為4個月份中最小的, 僅0.80, 而5月相關(guān)系數(shù)達0.86, 為4個月份中相關(guān)性最強。根據(jù)對圖3和表1的分析, 可以得出, NCEP再分析風場可以作為WW3海浪模式的驅(qū)動風場, 其模擬出的有效波高和浮標觀測數(shù)據(jù)基本保持一致。

表1 實驗模擬有效波高和浮標實測有效波高的對比Tab. 1 Comparison of simulated significant wave heights with those from buoy data

圖4 未考慮攪拌混合模擬月平均SST和再分析月平均SST資料之差在北太平洋的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of monthly mean SST deviations from simulation without wave-induced mixing and reanalysis data in the northern Pacific

2.2 環(huán)流模式數(shù)值試驗結(jié)果及分析

對于海流模式sbPOM模式的模擬結(jié)果, 同樣以2月、5月、8月、11月為例分析海浪攪拌混合作用對北太平洋海表溫度模擬的影響。

圖4分別給出了4個月份的未考慮海浪攪拌混合作用模擬SST和ECMWF(European Center for Medium Range Weather Forecasts)再分析資料SST之差在北太平洋的分布圖, 可以從整體上把握sbPOM模式對北太平洋海溫的模擬情況。由圖4可以得出,在未考慮海浪攪拌混合的情況下, sbPOM模式已經(jīng)能夠較為正確的模擬出北太平洋海表層的溫度。從全年來看, 其模擬的大部分地區(qū), 尤其是北太平洋中部, 誤差范圍主要控制在±1℃以內(nèi); 局部地區(qū), 如大洋沿岸和赤道地區(qū), 模擬溫度誤差較大, 誤差范圍在±3℃左右, 其中, 北太平洋東北部和赤道地區(qū)年平均模擬溫度較低, 而亞洲東岸年平均模擬溫度較高。從時間變化來看, 5月和8月這兩個月份主要呈現(xiàn)美洲西岸、北太平洋北部和赤道地區(qū)模擬溫度較實際值低的趨勢, 僅有亞洲東岸小部分地區(qū)模擬溫度較實際值高; 而2月和11月卻主要呈現(xiàn)出亞洲東岸模擬溫度較實際值高的趨勢, 唯有美洲西岸小部地區(qū)模擬溫度較實際值低, 其中赤道地區(qū)11月份仍主要表現(xiàn)為模擬溫度較實際值低。

為了定性的分析海浪攪拌混合作用對北太平洋海表溫度的影響情況, 圖5分別給出了4個月份未加入海浪攪拌混合作用項和加入海浪攪拌混合作用項后模擬北太平洋海表溫度差分布圖。從全年來看, 波浪攪拌混合作用的引入, 對中高緯度地區(qū)影響比較明顯, 而對低緯度地區(qū)影響較弱, 這和夏長水[4]等提出的Bv在中高緯度海區(qū)比hK要大, 在低緯度海區(qū)比hK要小相對應, 也正好迎合了由圖1得到的結(jié)論。局部地區(qū)如對大洋沿岸地區(qū)作用較為明顯, 而對北太平洋中部地區(qū)和赤道地區(qū)作用較弱。從時間變化上來看, 5月和8月海浪攪拌混合的作用使得北太平洋北部地區(qū)模擬溫度值變大, 而2月和11月海浪攪拌混合作用使得亞洲東岸模擬值變小, 這些現(xiàn)象的出現(xiàn), 正好與上文得出的模式模擬誤差相對應: 模擬溫度較高地區(qū), 如亞洲東岸,攪拌混和的加入使得模擬溫度降低; 模擬溫度較低的地區(qū), 如北太平洋北部, 攪拌混合作用的引入使得模擬溫度增大。一般情況下, 海洋環(huán)流模式在考慮波致混合作用后, 會增強海洋上層的混合, 改變海洋中溫度的垂直結(jié)構(gòu), 通常會使得SST降低。但是海表面溫度的升高或者降低同時還受到了海洋環(huán)流和海氣熱通量的影響[6,15]。這兩個過程都可能使得環(huán)流模式在加入攪拌混合項后模擬的溫度較原來偏大。在sbPOM模式對北太平洋海表溫度進行模擬的過程中, 海浪攪拌混合作用的引入使得海表面混合更加均勻, 模擬出來的海表溫度更加準確。

圖5 未考慮攪拌混合和考慮攪拌混合模擬月平均SST之差在北太平洋的空間分布Fig. 5 Spatial distribution of monthly mean SST deviations from simulation with and without wave-induced mixing in the northern Pacific

為了能夠較為直觀地看出攪拌混合作用對北太平洋表層溫度的影響, 在美國全球海洋數(shù)據(jù)同化實驗室(USA Global Ocean Data Assimilation Experiment, USGODAE)選取2014年2月27日如圖6所示9個浮標站點作為驗證點, 對Argo浮標資料探測海表溫、未加海浪攪拌混合作用的模擬海表溫與加入了攪拌混合作用的模擬海表溫進行比較分析, 主要比較表中給出的絕對誤差和相對誤差, 其定義分別為:

圖6 Argo浮標北太平洋分布圖Fig. 6 Position of selected Argo buoys in the northern Pacific

式中,RE代表絕對誤差,AE代表相對誤差,oH和fH分別代表實測海溫和模擬海溫。

通過對表2進行分析得出, 在未引進海浪攪拌混合作用項的情況下, sbPOM模式可以較為精確的模擬出海表溫差, 其溫度偏差基本在±1℃左右, 最大溫度偏差也僅為2.21℃, 平均絕對誤差為0.806℃。在引入攪拌混合作用項以后, 模擬海溫值和觀測值偏差進一步縮小, 平均絕對誤差達到0.644℃, 平均絕對誤差提高20.1%。同時, 平均相對誤差也由原來的4.07%提高到3.03%。可以得出, sbPOM模式能夠較好的模擬北太平洋海表面的溫度, 在考慮海浪攪拌混合作用項以后, 其模擬效果能夠進一步提升。

表2 北太平洋模擬SST和浮標實測SST的比較Tab. 2 Comparison of simulated and buoy SST data from the northern Pacific

3 結(jié)論

本文首先利用NCEP再分析風場驅(qū)動WAVEWATCH III海浪模式對北太平洋海域的海浪過程進行模擬,接著針對模擬出的有效波高, 利用NDBC浮標資料對模擬結(jié)果進行驗證。通過結(jié)合海浪模式模擬出的有效波高等海浪基本要素和胡好國提出的特征波參數(shù)化理論, 計算出海浪引起的垂直渦動動量系數(shù)和熱混合系數(shù)Kwh, 將海浪攪拌混合作用引入環(huán)流模式中, 探究其對北太平洋海表溫度模擬的影響。結(jié)果表明: (1)從全年時間變化的角度來看sbPOM模式的模擬結(jié)果, 主要表現(xiàn)為, 5月和8月兩個月份主要呈現(xiàn)出美洲西岸、北太平洋北部模擬溫度較ECMWF海表溫度值低的趨勢; 而2月、11月兩個月份主要呈現(xiàn)出亞洲東岸模擬溫度較ECMWF海表溫度值高的趨勢; (2)從全年整體上來看, 波浪攪拌混合作用的引入, 對中高緯度地區(qū)影響比較明顯, 而對低緯度地區(qū)影響較弱, 局部地區(qū)如對大洋沿岸地區(qū)作用較為明顯, 而對北太平洋中部地區(qū)和赤道地區(qū)作用較弱; (3)sbPOM模式能夠較好的模擬出北太平洋海表面的溫度, 考慮海浪攪拌混合作用以后, 其模擬精度能夠進一步提升, 海浪攪拌混合作用對北太平洋海表面溫度的模擬產(chǎn)生了不可忽略的影響。

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Received:Jan. 27, 2016

Influence of wave-induced mixing on a sea surface temperature simulation of the North Pacific

LIU Zi-long, SHI Jian, JIANG Guo-rong, CHEN Yi-de, ZHANG Cheng-cheng
(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

wave-induced mixing; sea surface temperature; WAVEWATCH III; sbPOM

In this paper, the National Centers for Environmental Prediction reanalysis wind data was used to drive WAVEWATCH III (WW3) to simulate the process of ocean waves in the North Pacific. The simulation results, which were compared with buoy data, show that the significant wave heights from simulation and observation are remarkably consistent. Based on the simulated wave parameters, the significant wave height obtained using WW3, and the theory of the parameterization of feature waves, wave-induced mixing was introduced into the ocean circulation model and its influence on the sea surface temperature in the North Pacific was analyzed. The primary simulation results showed that by considering the wave-induced mixing in the sbPOM model, the accuracy of simulated sea surface temperature has been further improved. This plays an important role in providing accurate lower boundary conditions for atmospheric models.

P732.7

A

1000-3096(2016)12-0131-07

10.11759/hykx20160127001

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

2016-01-27;

2016-05-06

江蘇省自然科學基金項目(BK20131066); 基于多源資料的海洋三維流場估算技術(shù)研究(41306010)

[Foundation: Program of Natural Science Foundation of Jiangsu Province(No.BK20131066); Estimation Technique of Ocean 3D Flow Field Based on Multi Source Data(No.41306010)]

劉子龍(1991-), 男, 湖南常德人, 碩士研究生, 研究方向:海洋動力學與數(shù)值模擬, 電話: 18761683583, E-mail: 941117242@ qq.com; 史劍(1981-), 通信作者, 男, 江蘇揚州人, 講師, 研究方向:海洋動力學與數(shù)值模擬, 電話: 13813388338