鄒靖， 占車生， 胡桐， 孫佳， 王中秋

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

作為重力波的一種，海浪是由海表風(fēng)引起、沿海氣界面?zhèn)鞑サ谋砻娌ìF(xiàn)象。受海浪過(guò)程影響，海表粗糙度由于海浪波齡的實(shí)時(shí)變化而改變[1]。與固定的陸地表面不同，海浪過(guò)程的參數(shù)化過(guò)程需要考慮海氣界面上的風(fēng)浪相互作用、海浪耗散、飛沫、底摩擦等因素，對(duì)復(fù)雜潮流、風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的海表波浪運(yùn)動(dòng)有著較為合理的描述。對(duì)于數(shù)值天氣模式而言，完善海氣界面的波浪參數(shù)化過(guò)程，對(duì)于提高海氣交換與強(qiáng)對(duì)流天氣活動(dòng)的模擬能力十分必要[2-3]。

海浪過(guò)程通過(guò)粗糙度的變化影響海氣通量的水分、能量交換。Makin等[4]的研究指出，海表的動(dòng)量通量很大程度上由波浪傳輸，而感熱、潛熱通量取決于擾動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程，并且受海浪過(guò)程的間接影響。Moon等[5]提出了一種大風(fēng)條件下的海氣動(dòng)量通量參數(shù)化方案，并通過(guò)風(fēng)浪耦合模擬證明了海面粗糙度與海表風(fēng)速存在線性增長(zhǎng)關(guān)系，并直接影響海氣通量的計(jì)算。

在數(shù)值天氣模式中增加海浪過(guò)程，能夠有效提高動(dòng)態(tài)海氣界面通量計(jì)算的精度，進(jìn)而影響上層大氣。大量前人的工作通過(guò)發(fā)展海浪-大氣耦合模式以改善短期天氣模擬的效果[6-8]，例如，Rutgersson等[9]利用區(qū)域海浪-大氣模擬發(fā)現(xiàn)單純考慮風(fēng)浪的情況對(duì)改變大氣模擬效果較為有限，而綜合考慮涌浪和風(fēng)浪將顯著改變海表氣溫和濕度的模擬；關(guān)皓等[10]利用中尺度耦合模式針對(duì)南海區(qū)域進(jìn)行了短期天氣模擬，較好地模擬了兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的移動(dòng)路徑與強(qiáng)度。

近年來(lái)，Warner等[11]開(kāi)發(fā)的中尺度海洋-大氣-海浪耦合模式COAWST(coupled ocean-atmosphere-wave-sediment transport)模式在多個(gè)海域內(nèi)擁有良好的模擬效果，為研究大氣-海浪相互作用過(guò)程提供了模式工具[12-13]。COAWST模式綜合考慮了海洋、海浪、大氣過(guò)程的整體情況，利用該模式在進(jìn)行物理機(jī)制探討方面有一定的優(yōu)勢(shì)。因此，本文擬利用COAWST模式，通過(guò)敏感性模擬分析，探討海浪過(guò)程對(duì)短期天氣模擬的影響。

1 研究方法

1.1 模式介紹

COAWST模式由大氣模式(weather research and forecasting model，WRF)、海洋模式(regional ocean modeling system，ROMS)、海浪模式(simulating waves nearshore model，SWAN)以及一個(gè)沉積物運(yùn)移模式(national community sediment-transport model，NCSTM)等分量模式組成。各分量模式通過(guò)一個(gè)模式耦合器(model coupling toolkit，MCT)進(jìn)行連接。各分量模式分別獨(dú)立運(yùn)行，在每個(gè)交換步長(zhǎng)內(nèi)，各分量模式通過(guò)耦合器進(jìn)行變量交換，完成大氣、海洋、海浪參數(shù)的信息傳遞。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬試驗(yàn)分為兩組：一組試驗(yàn)(T1)采用WRF、ROMS與SWAN三個(gè)模塊進(jìn)行全耦合模擬；而另一組(T2)僅采用WRF與ROMS進(jìn)行模擬，波長(zhǎng)、波高、波周期等海浪參數(shù)以靜態(tài)參數(shù)代替，忽略SWAN模式的動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程。本文通過(guò)比較兩組試驗(yàn)的差異，分析動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程對(duì)上層大氣運(yùn)動(dòng)模擬的影響。

研究區(qū)域以我國(guó)東海為中心，范圍具體為10°N ～ 34°N ，104°E ～ 136°E。模擬時(shí)間由2013年5月13日0點(diǎn)至5月16日0點(diǎn)，共72 h。模式網(wǎng)格分辨率為12 km×12 km，WRF、ROMS與SWAN的時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)為30 s、120 s與120 s。WRF采用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心發(fā)布的T799再分析資料作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)[14]，ROMS的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)為全球海洋模式HYCOM的預(yù)報(bào)資料[15]，而SWAN分量在COAWST模式內(nèi)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)由ROMS與WRF提供，不需要額外的數(shù)據(jù)輸入。新一代的高分辨率再分析數(shù)據(jù)ERA5[16]被用于簡(jiǎn)單驗(yàn)證兩組試驗(yàn)的模擬能力。

2 結(jié)果

2.1 模式驗(yàn)證

表1列出了T1、T2兩組試驗(yàn)結(jié)果與ERA5再分析資料的平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)差與均方根偏差。各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)表明，兩組試驗(yàn)的偏差并無(wú)顯著差異，試驗(yàn)結(jié)果的均值與再分析資料相比存在一定的系統(tǒng)性偏差，但離散程度基本一致，模擬結(jié)果基本可信，能夠用于進(jìn)一步物理機(jī)制的探討。

表1 T1、T2試驗(yàn)與ERA5再分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 The statistical indices of T1, T2 test and ERA5 reanalysis data

2.2 敏感性分析

圖1 T1與T2試驗(yàn)差異的空間分布情況Fig.1 The spatial distribution of the difference between T1 and T2

圖1是考慮海浪過(guò)程的T1試驗(yàn)與不考慮海浪過(guò)程的T2試驗(yàn)差異的空間分布情況，包括72 h平均的感熱通量(SH)、潛熱通量(LH)、海表溫度(SST)、海平面氣壓(SLP)、2 m溫度(T)、2 m濕度(H)。如圖1a所示，在耦合了海浪模塊SWAN的情況下，T1試驗(yàn)?zāi)M的感熱通量與T2試驗(yàn)相比整體偏高。其中，南海西北部海域以及菲律賓附近海域存在10 ～ 20 W/m2的高值區(qū)，且該高值區(qū)域與前人研究中受風(fēng)浪影響較大、波高較高的區(qū)域基本一致[17-18]。潛熱通量差異的空間分布(圖1b)與感熱通量極為相似，高值區(qū)仍為南海西北部與菲律賓海域。與感熱相比，潛熱差異更為明顯，部分區(qū)域差異已超過(guò)100 W/m2。感熱通量與潛熱通量的差異表明，在考慮了海浪動(dòng)態(tài)過(guò)程的情況下，海表的熱通量模擬呈現(xiàn)明顯的提升，這將會(huì)造成海氣界面水分、能量交換強(qiáng)度的增強(qiáng)，進(jìn)而影響上層大氣。另外，潛熱差異與感熱差異相比數(shù)值更高，這與潛熱、感熱的量級(jí)差異相一致。

海表溫度差異的空間分布見(jiàn)圖1c。如圖所示，T1試驗(yàn)?zāi)M的海表溫度整體較高，高值區(qū)域基本與熱通量差異保持一致，且極值中心出現(xiàn)在東海北部海域，差異可達(dá)4 K左右。較暖的海溫模擬在一定程度上增強(qiáng)了海氣交換強(qiáng)度與熱通量的計(jì)算。海平面氣壓差異的空間分布(圖1d)與溫度差異的分布較為一致，在海表溫度較高的區(qū)域，海平面氣壓呈現(xiàn)偏低的差異。在廣東沿海海域內(nèi)，海平面氣壓差異可達(dá)0.9 hPa左右。這一微弱的低壓差異將進(jìn)一步增強(qiáng)上升氣流和暖偏差，有利于熱通量向上層大氣傳導(dǎo)。

2 m氣溫與濕度差異見(jiàn)圖1e與1f。需要說(shuō)明的是，本文統(tǒng)一采用比濕(水汽質(zhì)量與空氣總質(zhì)量的比值)表示濕度。如圖1e所示，2 m氣溫與海表溫度差異的空間分布相一致，僅在數(shù)值上有所降低，東海北部極值區(qū)約3.2 K左右。2 m濕度差異的空間分布極為相似，極值中心約3 g/kg左右。2 m氣溫與濕度差異表明，在考慮了動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程的情況下，底層大氣接收來(lái)自海洋下墊面的熱量、水分輸送均有一定程度的增強(qiáng)，形成暖濕差異。

圖2 不同高度風(fēng)場(chǎng)差異的空間分布情況Fig. 2 The spatial distribution of wind field difference at different heights

為了進(jìn)一步探討海浪過(guò)程對(duì)大氣流場(chǎng)的影響，圖2給出了兩組試驗(yàn)在10 m、850 hPa、700 hPa與500 hPa的不同高度的風(fēng)場(chǎng)差異。如圖2a所示，在南海西北部及菲律賓海域等地，10 m高度的風(fēng)速差異明顯較大，基本與溫、濕差異的極值區(qū)域相對(duì)應(yīng)。在南海西北部區(qū)域，風(fēng)場(chǎng)差異以南風(fēng)為主，基本與盛行風(fēng)向保持一致。南風(fēng)的增強(qiáng)將在一定程度上提高局地氣溫。在海表10 m高度上，廣東沿海及菲律賓群島均呈現(xiàn)氣旋性差異，為該區(qū)域的低壓差異提供正反饋。

隨著高度的增加，風(fēng)場(chǎng)差異逐漸減弱。如圖2b所示，氣壓為850 hPa的高度上廣東沿海由臺(tái)灣海峽向南的南風(fēng)差異基本減弱明顯，而菲律賓海域以呂宋島南部為中心仍呈現(xiàn)明顯的氣旋差異。在700 hPa的高度(圖2c)，差異風(fēng)速進(jìn)一步減弱，呂宋島海域附近的氣旋差異逐漸消散。至500 hPa的高度(圖2d)，差異風(fēng)場(chǎng)反轉(zhuǎn)，呂宋島東北部呈現(xiàn)微弱的反氣旋差異。

除空間分布差異以外，本文也給出了由動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程引起的大氣溫、濕廓線差異。為了突出該差異，廓線差異選擇廣東沿海區(qū)域(20°N～22°N，102°E～108°E)作為典型區(qū)域以代替全區(qū)域進(jìn)行區(qū)域平均分析，該區(qū)域基本與圖1中的低壓高溫差異中心保持一致。圖3給出了該典型區(qū)域平均的大氣溫、濕垂直廓線的差異。如圖3a所示，在海表1 000 hPa的高度上，考慮海浪過(guò)程的T1試驗(yàn)在區(qū)域內(nèi)約有1.14 K的溫度差異，隨著高度增加，這一暖差異迅速減弱，在900 hPa的高度該差異已減弱至0.6 K左右，至500 hPa的對(duì)流層頂高度時(shí)該暖差異基本消失。圖3b顯示的是大氣濕度差異的垂直廓線。與大氣溫度相似，濕度差異廓線同樣隨高度迅速減弱，由于大氣含水量源自下墊面輸入，在400 hPa以上的高度時(shí)，濕度差異基本消失。值得注意的是，在500～700 hPa的高度上，偏濕差異相比下層大氣有所增強(qiáng)。這一現(xiàn)象與圖2中該高度上的南風(fēng)差異有關(guān)。廣東沿海在500～700 hPa的高度上盛行來(lái)自海洋的南風(fēng)差異，較濕的空氣輸入在一定程度上增強(qiáng)了該區(qū)域局地的偏濕差異。

圖3 典型區(qū)域平均的大氣溫度、濕度差異廓線Fig. 3 The difference profile of air temperature and humidity averaged over the typical domain

3 結(jié)論

本文利用海洋-大氣-海浪耦合模式COAWST，以東海區(qū)域?yàn)橹行倪M(jìn)行了72 h的短期天氣模擬。模擬設(shè)置了耦合海浪模式SWAN的試驗(yàn)T1與未耦合海浪模式的試驗(yàn)T2，通過(guò)比較兩組試驗(yàn)的差異，分析動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程對(duì)短期天氣模擬的影響。比較結(jié)果表明，在考慮了海浪動(dòng)態(tài)過(guò)程的情況下，模式在海表感熱、潛熱通量的模擬明顯增強(qiáng)。在南海西北部與菲律賓群島海域等區(qū)域，熱通量增強(qiáng)程度明顯，其中感熱通量可增強(qiáng)10～20 W/m2，而潛熱通量在該區(qū)域增強(qiáng)更加明顯，可增強(qiáng)60～100 W/m2。較強(qiáng)的感熱、潛熱通量導(dǎo)致海氣間能量、水分傳輸增強(qiáng)。在熱通量較高的區(qū)域，2 m氣溫與2 m濕度(比濕)同樣偏高，呈現(xiàn)偏暖偏濕的差異。這一冷干差異有利于促進(jìn)大氣垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，在我國(guó)廣東沿海區(qū)域附近，海平面氣壓呈現(xiàn)偏低差異，并引起了大氣流場(chǎng)的變化。在海表10 m高度上，南海西北部呈現(xiàn)明顯的由越南南部沿海吹向臺(tái)灣海峽的南風(fēng)差異，而菲律賓群島附近呈現(xiàn)氣旋性差異。風(fēng)速差異隨著高度的上升逐漸減弱，至500 hPa的高度時(shí)，這一差異基本消失，并在呂宋島東北部翻轉(zhuǎn)為微弱的反氣旋性差異。低層大氣中氣旋性上升氣流的差異與南風(fēng)差異將進(jìn)一步增強(qiáng)局地的暖濕差異，引起海表溫度的升高，形成正反饋。另外，由于耦合動(dòng)態(tài)海浪過(guò)程所引起的暖濕差異隨高度逐漸減弱，至500 hPa的高度上該差異基本消失。