王晨迪， 單宇光　(.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 0；.9350部隊(duì)，遼寧瓦房店 63)

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海浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響研究

王晨迪1， 單宇光2(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101；2.93250部隊(duì)，遼寧瓦房店 116322)

摘要基于日本氣象廳22001號(hào)浮標(biāo)站與美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心提供的41008號(hào)浮標(biāo)站觀測(cè)資料，利用Smith88、YT96、TY01和O02這4種海面粗糙度方案研究中高風(fēng)速條件下真實(shí)海浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響；同時(shí)，利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和COARE3.0算法，比較中高風(fēng)速條件下缺乏真實(shí)海浪信息時(shí)，自主設(shè)計(jì)的有效波高、譜峰周期參數(shù)化方案與COARE3.0自帶的Taylor01波浪特征量參數(shù)化方案計(jì)算海面粗糙度的效果。結(jié)果表明，無(wú)論哪種浮標(biāo)資料，不考慮真實(shí)海浪效應(yīng)的2種方案(Smith88和YT96)均比考慮真實(shí)海浪效應(yīng)的2種方案(O02和TY01)計(jì)算出的粗糙度偏低，說(shuō)明在中高風(fēng)速條件下必須要考慮真實(shí)海浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響。此外，初步證實(shí)了自主設(shè)計(jì)的波浪特征量參數(shù)化方案在缺乏真實(shí)海浪信息時(shí)，計(jì)算效果優(yōu)于COARE 3.0算法自帶的Taylor01波浪特征量參數(shù)化方案。

關(guān)鍵詞浮標(biāo)數(shù)據(jù)；COARE 3.0算法；海面粗糙度

Effects of the Wave on the Roughness of Sea Surface

WANG Chen-di1, SHAN Yu-guang2

(1. College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211101; 2. The 93250 Troop, Wafangdian, Liaoning 116322)

AbstractBased on the observation data of 22001 and 41008 buoy station provided by Japan Meteorological Agency and US National Data Center(NDBC), surface roughness schemes (Smith88, YT96, TY01 and O02) were used to research the effects of wave on sea surface roughness for moderate to high wind speed. At the same time, when lacking real waves information under moderate to high wind speed conditions, the self-designed significant wave height, dominant wave period parameterization scheme and Taylor01 wave characteristics parameterization scheme in COARE 3.0 were used to calculate the effects of sea surface roughness by using buoy data and the COARE 3.0 algorithm. Results showed that the sea surface roughness calculated by two schemes without considering the waves (Smith88, YT96) were lower than that calculated by two schemes considering the waves (O02, TY01), indicating that we must consider the effect of the waves on the sea surface roughness under the moderate to high wind speeds. In addition, we preliminary confirmed that our scheme was better than Taylor01 scheme when lacking the waves.

Key wordsBuoy data; COARE 3.0 algorithm; Sea surface roughness

海面粗糙度對(duì)海氣相互作用有重要影響，它通過(guò)影響海氣界面間動(dòng)量、熱量和水汽通量的交換影響著大氣的演變以及海洋對(duì)大氣的響應(yīng)。海浪作為存在于大氣和海洋交界面上的小尺度海洋運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，直接參與海氣界面上的動(dòng)量、熱量和物質(zhì)交換，海浪的強(qiáng)度和傳播影響了海面粗糙度的分布[1]。大量研究表明，海面粗糙度不僅依賴(lài)于風(fēng)速，還與波浪狀態(tài)有關(guān)。近幾十年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家發(fā)展了一系列考慮真實(shí)波浪狀態(tài)的海面粗糙度方案。Taylor等[2]聯(lián)合HEXMAX、RASEX及Anctil等[3]在Ontario湖測(cè)得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得了海面粗糙度與有效波高和波陡的關(guān)系(簡(jiǎn)稱(chēng)TY01方案)。Oost等[4]根據(jù)北海Dutch觀測(cè)平臺(tái)獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了海面粗糙度與波齡的關(guān)系(簡(jiǎn)稱(chēng)O02方案)，這2種考慮真實(shí)海浪狀態(tài)的海面粗糙度方案已包含在最新的COARE3.0算法中。此后很多研究都延續(xù)將海面粗糙度描述成與波齡相關(guān)的函數(shù)[5-8]。當(dāng)有效波高和譜峰周期缺省時(shí)，COARE 3.0算法根據(jù)Taylor等[2]提出的方案利用海面10 m風(fēng)速U10對(duì)有效波高和譜峰周期進(jìn)行參數(shù)化(簡(jiǎn)稱(chēng)Taylor01)。

然而，現(xiàn)有的大氣模式中大多數(shù)海氣界面層參數(shù)化方案仍然假設(shè)海面粗糙度在數(shù)值上只是關(guān)于風(fēng)速的函數(shù)，而與波浪無(wú)關(guān)。鑒于海面粗糙度與摩擦速度、拖曳系數(shù)以及動(dòng)量通量(也稱(chēng)風(fēng)應(yīng)力)相互之間是等價(jià)關(guān)系，這樣的假設(shè)也就意味著拖曳系數(shù)和動(dòng)量通量隨風(fēng)速的增加而增加。這在強(qiáng)風(fēng)條件下(海面10 m風(fēng)速超過(guò)30 m/s)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)動(dòng)量通量的高估而使模式的預(yù)報(bào)效果變差，甚至導(dǎo)致對(duì)物理機(jī)制的誤判[9]，而在中高風(fēng)速條件下(海面10 m風(fēng)速介于10～30 m/s之間)又可能因?yàn)闆](méi)有考慮真實(shí)海浪效應(yīng)而造成對(duì)海面粗糙度和動(dòng)量通量的低估[10]。因此，在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中充分考慮波浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響是合理描述海氣界面間能量交換亟需解決的問(wèn)題之一。因此，筆者基于日本氣象廳22001號(hào)浮標(biāo)站與美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心41008號(hào)浮標(biāo)站提供的浮標(biāo)資料，研究中高風(fēng)速條件下真實(shí)海浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響；同時(shí)，利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和COARE3.0算法，比較中高風(fēng)速條件下缺乏真實(shí)海浪信息時(shí)自主設(shè)計(jì)的有效波高、譜峰周期參數(shù)化方案與COARE3.0自帶的Taylor01參數(shù)化方案計(jì)算海面粗糙度的效果。

1材料與方法

1.1資料來(lái)源由于浮標(biāo)數(shù)據(jù)可以同時(shí)提供海面風(fēng)速、有效波高和波周期等資料，且直接在海上進(jìn)行測(cè)量，不受陸地和船舶的影響，一般被認(rèn)為是氣象海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)[11]。因此，研究中利用資料分別來(lái)源于：①日本氣象廳(JMA)在東海海域布設(shè)的5個(gè)固定浮標(biāo)站，可以提供7.5 m高處的風(fēng)速、風(fēng)向，氣溫、濕球溫度、海平面氣壓、海表(1、50、100 m)深處的水溫、波高、波周期等11個(gè)變量(時(shí)間間隔3 h)，其中1990年7月31日之前提供的是采用上跨零點(diǎn)方法獲得的平均波高和平均波周期[11]，而1990年8月1日以后提供的是有效波高和譜峰周期[12]。該資料于2009年6月最新公布，由日本氣象廳進(jìn)行質(zhì)量控制。②美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)中心(NDBC)41008站，該站點(diǎn)位于大西洋西北部，水深達(dá)19.5 m。觀測(cè)資料包括據(jù)海平面5 m高處的水平風(fēng)速、風(fēng)向，距海平面4 m高處的空氣溫度、露點(diǎn)溫度，海平面氣壓、海表0.6 m深處水溫，有效波高、譜峰周期等(時(shí)間間隔1 h)。該資料由美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)中心進(jìn)行質(zhì)量控制，既能提供45 d左右的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也能夠提供歷史數(shù)據(jù)。

1.2CORAE算法COARE算法是基于Monin-Obukhov相似理論，根據(jù)TOGA COARE(Tropical ocean global atmosphere program and coupled ocean-atmosphere response experiment)的實(shí)測(cè)資料分析，在Liu等[13]算法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，V3.0較前一版V2.5又進(jìn)行了7項(xiàng)改進(jìn)，其中包括增加了海面粗糙度受海浪特征量影響的選項(xiàng)，引入了TY01和O02 2種考慮真實(shí)海浪信息的海面粗糙度方案。V3.0是當(dāng)前最新版本，具體詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

僅簡(jiǎn)單介紹COARE3.0算法中關(guān)于摩擦速度和風(fēng)速廓線的計(jì)算。海面粗糙度高度z0與給定高度z處的風(fēng)速u(mài)(z)之間滿(mǎn)足：

(1)

其中，u*為摩擦速度；κ為Von-Karman常數(shù)，一般取0.4；wg為陣風(fēng)速度。普適函數(shù)ψu(yù)(ζ)在穩(wěn)定或中性層結(jié)條件下，使用Beljaars等[16]的方法：

ψu(yù)=-[(1+ζ)+2/3(ζ-14.28)/exp(c)+8.525],c=min(50,0.35ζ)

(2)

在不穩(wěn)定條件下，利用Businger-Dyer[16]關(guān)系式ψu(yù)k以及自由對(duì)流限制方程ψc：

(3)

式中，ζ=z/L，L為Obukhov長(zhǎng)度。

利用COARE3.0總體通量算法，可以在已知風(fēng)速、海溫、氣溫、比濕或相對(duì)濕度、氣壓、觀測(cè)高度、有效波高、譜峰周期(海浪特征量缺省時(shí)默認(rèn)采用Taylor01方案計(jì)算)的前提下，直接迭代確定各種近地層特征尺度值，包括u*、z0、ζ、ψu(yù)等，再根據(jù)以下公式確定風(fēng)速廓線：

u(z)=u*[ln(z/z0)-ψu(yù)(ζ)]/κ

(4)

1.3海面粗糙度方案Smith88方案[14]應(yīng)用的是Charnock關(guān)系式，只考慮了海浪對(duì)海面粗糙度z0氣候平均意義上的影響，未考慮真實(shí)的海浪特征，但該方案在現(xiàn)有的蒸發(fā)波導(dǎo)模型中應(yīng)用最為廣泛。

YT96[15](默認(rèn))、TY01[2]和O02[4]這3種方案中，只有YT96延續(xù)使用了Charnock關(guān)系式，并將Charnock參數(shù)由固定值0.011變?yōu)橐粋€(gè)與風(fēng)速有關(guān)的變量，其余2種方案都與真實(shí)海況有關(guān)。以上4種參數(shù)化方案的具體形式見(jiàn)表1。波浪特征量之間滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)深水重力波關(guān)系：

Cp=gTp/(2π);Lp=Cp×Tp

(5)

注：U10為海面10 m高度處的風(fēng)速，ν為動(dòng)力黏滯系數(shù)，hs為有效波高，Cp為有效波相速，Cp/u*為波齡，Lp為有效波長(zhǎng)，Tp為譜峰周期(譜極大值對(duì)應(yīng)的周期)，hs/Lp為波陡。

Note:U10was the wind speed at 10 m sea surface,νwas coefficient of dynamic viscosity,hswas significant wave height,Cpwas phase velocity of effective wave,Cp/u*was wave age,Lpwas effective wave length,Tpwas dominant wave period(corresponding period to the maximum spectrum)，hs/Lpwas wave steepness.

1.4海浪特征量參數(shù)化方案在COARE3.0算法中，當(dāng)有效波高和譜峰周期缺省時(shí)，默認(rèn)采用Taylor01方案(表2)對(duì)它們進(jìn)行參數(shù)化，其中U10n為中性層結(jié)條件下海面10 m高度處的風(fēng)速(由于U10≈U10n，實(shí)際應(yīng)用中一般近似采用10 m處風(fēng)速U10)。此外，前期利用我國(guó)東部海域的實(shí)測(cè)資料也發(fā)展了一種新的有效波高、譜峰周期參數(shù)化方案。

表2　海浪特征量參數(shù)化方案

2結(jié)果與分析

2.1對(duì)22001站的結(jié)果分析從圖1、圖2可以看出，對(duì)于10～20 m/s的中高風(fēng)速條件，S88方案計(jì)算的粗糙度z0最低，改進(jìn)后的YT96方案將Charnock參數(shù)定義成風(fēng)速的分段函數(shù)，因此在中高風(fēng)速范圍內(nèi)計(jì)算的z0明顯高于Smith88方案的計(jì)算結(jié)果。但是，與考慮真實(shí)海浪效應(yīng)的TY01、O02方案相比，YT96方案對(duì)z0的增長(zhǎng)作用是非常微弱的。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)，TY01和O02方案計(jì)算的z0開(kāi)始顯著高于考慮海浪氣候平均效應(yīng)的YT96和Smith88方案，但同時(shí)數(shù)據(jù)的離散程度也顯著增加。

圖1　Smith88和YT96方案計(jì)算的z0隨風(fēng)速的變化特征Fig.1　The variation characteristics of z0 calculated by Smith88 and YT96 with wind speed

圖2　不同海面粗糙度方案計(jì)算的z0隨風(fēng)速的變化特征Fig. 2　 The variation characteristics of z0calculated by different sea surface roughness schemes with wind speed

圖3　各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)4種方案計(jì)算的z0分析Fig. 3　The predicted values of z0 calculated by four schemes in different wind speeds

將風(fēng)速劃分為10～12、12～14、14～16、16～18、18～20 m/s 5個(gè)風(fēng)速區(qū)間，計(jì)算各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)不同粗糙度方案計(jì)算的z0均值及偏離均值的標(biāo)準(zhǔn)差。從圖3可以看出，隨著風(fēng)速的增加，O02方案計(jì)算的z0均值增長(zhǎng)速度最快，其次為T(mén)Y01方案，再次為YT96方案，增長(zhǎng)最慢的是Smith88方案。此外，隨著風(fēng)速的增加，TY01和O02方案計(jì)算的z0的離散程度也急劇增加。這一方面可能是由于高風(fēng)速條件下產(chǎn)生的浪流、海洋飛沫對(duì)觀測(cè)儀器的侵蝕和破壞作用使得資料本身的精度受到影響，另一方面可能是由于海面粗糙度方案在高風(fēng)速條件下對(duì)觀測(cè)誤差更加敏感。2.2對(duì)41008站的結(jié)果分析為了進(jìn)一步證明以上結(jié)果，又選取了處于美國(guó)東海岸的41008站進(jìn)行分析處理。從圖4可以看出，在中高風(fēng)速條件下，對(duì)于只考慮海浪氣候平均效應(yīng)的Smith88和YT96方案，Smith88方案算出的海面粗糙度小于將Charnock參數(shù)定義成風(fēng)速的分段函數(shù)的YT96方案；當(dāng)考慮真實(shí)海浪效應(yīng)時(shí)，O02和TY01顯著高于前二者，O02方案計(jì)算的z0均值增長(zhǎng)速度最快，其次是TY01方案，再次是YT96方案，增長(zhǎng)最慢的是Smith88方案。

2.3對(duì)COARE算法的改進(jìn)結(jié)果

將自主設(shè)計(jì)的海浪特征量參數(shù)化方法引入COARE3.0算法中，采用O02海面粗糙度方案計(jì)算海面粗糙度，比較中等風(fēng)速條件下自主設(shè)計(jì)的參數(shù)化方案與COARE 3.0算法自帶的Taylor01海浪特征量參數(shù)化方案的適用性。由表3可知，風(fēng)速在12～18 m/s范圍內(nèi)時(shí)，自主設(shè)計(jì)的海浪特征量參數(shù)化方案的計(jì)算效果較好。

表32種海浪特征量參數(shù)化方案計(jì)算海面粗糙度的均方根誤差

Table 3The RMSE of sea surface roughness calculated by two sea wave properties parameterization schemes

風(fēng)速范圍Rangeofwindspeed∥m/s樣本數(shù)nSamplenumberTaylor01自主設(shè)計(jì)方案Self-designedscheme10～124990.00050.000512～141800.00100.001014～16410.00250.002316～1850.00530.0048

圖4　不同海面粗糙度方案計(jì)算的z0隨10 m風(fēng)速的變化特征Fig.4　The variation characteristics of z0 calculated by different sea surface roughness schemes with 10 m wind speed

3小結(jié)

筆者基于日本氣象廳22001號(hào)浮標(biāo)站與美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心提供的41008號(hào)浮標(biāo)站觀測(cè)資料，利用Smith 88、YT96、TY01和O02這4種海面粗糙度方案研究中高風(fēng)速下真實(shí)海浪效應(yīng)對(duì)海面粗糙度的影響，同時(shí)利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和COARE3.0算法，比較中高風(fēng)速下缺乏真實(shí)海浪信息時(shí)自主設(shè)計(jì)的有效波高、譜峰周期參數(shù)化方案與COARE3.0自帶的Taylor01參數(shù)化方案計(jì)算海面粗糙度的效果，得出以下結(jié)論：

(1)無(wú)論用哪種浮標(biāo)資料都發(fā)現(xiàn)不考慮真實(shí)海浪效應(yīng)的2種方案(Smith88和YT96)都比考慮真實(shí)海浪效應(yīng)的2種方案(O02和TY01)計(jì)算出的海面粗糙度偏低，說(shuō)明在中高風(fēng)速條件下必須要考慮真實(shí)海浪效應(yīng)對(duì)海面速粗糙度的影響。

(2)隨著風(fēng)速的增大，4種方案的混亂程度變大。究其原因，一方面可能是由于高風(fēng)速條件下產(chǎn)生的浪流、海洋飛沫對(duì)觀測(cè)儀器的侵蝕和破壞作用使得資料本身的精度受到影響，另一方面可能是由于海面粗糙度方案在高風(fēng)速條件下對(duì)觀測(cè)誤差更加敏感。

(3)對(duì)影響結(jié)果的分析表明，中高風(fēng)速條件下必須考慮真實(shí)海浪效應(yīng)，不然會(huì)造成海面粗糙度的低估，在缺乏真實(shí)海浪信息時(shí)候，自主發(fā)展的方案優(yōu)于COARE 3.0算法自帶的Taylor01方案。當(dāng)然，進(jìn)一步的驗(yàn)證工作仍需繼續(xù)開(kāi)展，尋找誤差規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)方案的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)皓，周林，王漢杰，等.有限區(qū)域大氣-海浪耦合模式的建立及海表粗糙度參數(shù)化試驗(yàn)[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2008，30(4)：30-38.

[2] TAYLOR P K, YELLAND M J. The dependence of sea surface roughness on the height and steepness of the waves[J]. J Phys Oceanogr, 2001, 31(2): 572-590.

[3] ANCTIL F，DONELAN M A. Air-water momentum flux observations over shoaling waves[J]. J Phys Oceanogr, 1996, 26: 1344-1353.

[4] OOST W A, KOMEN G J, JACOBS C M J, et al. New evidence for a relation between wind stress and wave age from measurements during ASGAMAGE [J]. Bound-layer meteor, 2002, 103(3): 409-438.

[5] JONES I S E,TOBA Y. Wind stress over the ocean[M]. NY:Cambridge University Press, 2001: 52-53.

[6] DRENNAN W M,TAYLOR R K,YELLAND M J. Parameterization the sea surface roughness[J].Phys Oceanogr,2005,35: 835-848.

[7] GAO Z Q, WANG Q, WANG S P. An alternative approach to sea surface aerodynamic roughness[J]. J Geophys Res, 2006,111:221080.

[8] 潘玉萍, 沙文鈺, 王巨華，等. 發(fā)展新型的海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展, 2007, 17(8):1069-1077.

[9] DONELAN M A，HANS B K，REUL N，et al. On the limiting aerodynamic roughness of the ocean in very strong wind[J]. Geophys Res Lett, 2004, 31, L18306, doi: 10.1029 / 2004GL019460.

[10] FAIRALL C W，BRADLEY E F，HARE J E. Bulk parameterization of air-sea fluxes: updates and verification for the COARE Algorithm[J].J Climate, 2003, 2: 571-592.

[11] EBUCHI N,KAWMURA H. Validation of wind speeds and significant wave heights observed by the TOPEX altimeter around Japan[J]. Journal of oceanography, 1994, 50:479-487.

[12] Format_moored_buoy[EB/OL].[2015-12-20].http://www.data.kishou.go.jp/kaiyou/db/vessel_obs/data-report/data/S2/buoy/format.

[13] LIU W T, KATSAROS K B，BUSINGER J A.Bulk parameterization of air-sea exchanges of heat and water vapor including the molecular constraints at the interface[J].J Atmos Sci,1979，36：1722-1735.

[14] SMITH S D. Coefficients for sea surface wind stress, heat flux, and wind profiles as a function of wind speed and temperature[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 1988, 93(C12):15467-15472.

[15]YELLAND M,TAYLOR P K. Wind stress measurements from the open ocean[J]. Journal of physical oceanography, 1996, 26(4):541-558.

[16] BELJAARS A C M，HOLTSLAG A A M.Flux parameterization over land surfaces for atmospheric models[J].Journal of applied meteorology,1991,30:327-341.

中圖分類(lèi)號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)06-022-04

收稿日期2016-01-29

作者簡(jiǎn)介王晨迪(1992- )，女，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：中尺度氣象學(xué)。

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41205004, 41230421, 41105065, 41105075)。