風場時空分辨率對海水溫度場模擬的影響——以渤海和北黃海為例

（天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457）

（天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457）

采用FVCOM（finite-volume coastal ocean model）模型對不同分辨率風場驅動下的渤海和北黃海區域海水溫度進行數值模擬，分析了風場時空分辨率的變化對于溫度場的影響.這些敏感性實驗的結果表明：風場時間和空間分辨率的變化對海水溫度的影響均呈現季節性變化特點，溫躍層出現后的溫度變化值大于出現前的溫度變化值；隨著風場分辨率的降低，溫度變化幅度增大，而月均風場由于完全不能描述風速變化過程，從而對溫度的影響最顯著.

FVCOM；風場；時空分辨率；海水溫度場

風場是海洋重要的驅動之一，直接影響海氣動量、熱量等交換，對于水團、環流以及海浪等水文要素有著重要影響.羅義勇等［1］利用數值模式分析夏季風對于東海沿岸上升流的影響，得出風對于中層的上升流貢獻較大；潘玉萍等［2］也使用數值模式得出風和臺灣暖流是影響上升流的重要因子；經志友等［3］得出上升流的季節變化機制與風場有著重要關系；毛園等［4］分析 POM（princeton ocean model）模式結果，得出海表風應力是影響躍層的動力因子，對季節性溫躍層的深度和強度有著重要影響；鄭鵬［5］利用 FVCOM模型研究了渤海冬夏季環流結構與風場變化的關系，此外，還有關于臺風對海洋水溫要素影響的研究［6］.可見，隨著海洋科學的發展，當海洋模型越來越多地應用于海洋水動力等物理環境狀態以及海洋現象分析時，風場強迫數據對于海洋模型的模擬精度有著重要影響.

不同來源風場的時間和空間分辨率各有差異，因而反映大風過程和風場細結構的能力不同.對于不同風場數據的應用，Gao等［7］分析了月均風場和日均風場對南海流場和溫度模擬的差異；Milliff等［8］從流場、凈熱通量、海表面溫度方面分析兩種風場對于OGCM（ocean general circulation model）模擬結果的影響.然而，前人對于風場分辨率變化影響水動力環境的研究主要基于兩種不同來源或不同分辨率風場，沒有能夠系統地比較不同空間分辨率和時間分辨率的影響；同時，已有的研究成果也沒有給出風場分辨率變化的影響效果是否存在季節上的差異.

本文針對渤黃東海高分辨率海面風場，設計不同分辨率風場，并利用 FVCOM模型對渤海和北黃海進行敏感性實驗，分析風場時空分辨率對海水溫度場模擬的影響.

1 模型配置與敏感性實驗

1.1 模型配置

利用FVCOM模型對渤海及北黃海1993年的溫度場進行模擬，計算區域為 37°07'N～41°N和 117° 35'E～125°10'E，水平方向采用三角形網格離散，開邊界附近網格分辨率約為0.1°，其余位置分辨率約為0.05°.共有7，307個結點和14，068個單元；垂向采用σ坐標系，均勻分為 11層，計算時間步長外模為10，s，內外模時間步長比為 5∶1.表面強迫采用ERA-Interim（European centre for medium-range weather forecasts-reanalysis data archive-interim，http：// apps.ecmwf.int/datasets/data/interim_full_daily/）數據，包括長波輻射通量、短波輻射通量和降水量、表面氣壓、2，m氣溫和 2，m露點溫度.風場數據為基于WRF（weather research forecast）模型的渤黃東海高分辨率海面風場［9］，時間分辨率為 3，h，空間分辨率為0.1°.開邊界采用 OTPS（OSU tidal prediction software，http：//volkov.oce.orst.edu/tides/YS.html）潮預報模式預報的實時水位進行驅動.開邊界上的溫度、鹽度數據采用NEMO2.3（nucleus of European modeling of the ocean）數據［10］.溫度和鹽度初始條件采用WOA09（world ocean atlas 2009，http：//www. nodc. noaa.gov/OC5/WOA09/woa09data.html）數據.水位和流速的初始值均設置為 0.模型還考慮了流入渤海的 4條主要河流的影響，分別為黃河、海河、灤河和遼河［11］.

1.2 敏感性實驗設計

敏感性實驗分為2部分：分別為風場空間分辨率及時間分辨率的變化對海水溫度場模擬的影響.表 1給出了參考實驗和敏感性實驗使用風場的時間和空間分辨率，其中6個敏感性實驗風場的分辨率改變都是基于參考實驗使用的原始風場，即在渤黃東海高分辨率海面風場基礎上進行的.實驗1—實驗3的風場分別是在原始風場一定范圍內進行風矢量平均，改變風場空間分辨率，而實驗4—實驗6則是對原始風場每個格點在時間上進行單位風矢量平均［12］，生成對應時間分辨率的風場數據.

表1 參考實驗與敏感性實驗風場分辨率Tab. 1 Resolution of wind field in reference and sensitivity experiments

需要說明的是，本文在進行每個敏感性實驗時，同時向FVCOM模型輸入2種風場數據，使用與參考實驗中相同的原始風場參與表面熱通量的計算，而分辨率改變的風場僅參與模型水動力過程計算，考察風場改變的動力驅動效果，不考慮熱力學通量的變化.

2 風場分辨率的變化對風場特征的影響

2.1 空間分辨率的變化對風場特征的影響

表2給出了實驗1—實驗3和參考實驗的1993年風場月均風速值.表 3給出了表 2中相應實驗1—實驗 3與參考實驗風場數據比較的各月均方根誤差.

表2 實驗1—實驗3和參考實驗的1993年風場月均風速Tab. 2 Monthly-averaged wind speed in experiments 1-3 and the reference experiment in 1993

表3 實驗1—實驗3與參考實驗風場比較的均方根誤差Tab. 3 Root mean square error between experiments 1-3 and the reference experiment

由表2和表3可知：實驗1—實驗3各月的平均風速變化趨勢與參考實驗風場變化趨勢一致，而實驗1—實驗 3風場與參考實驗風場的均方根誤差除 11月 12月外的其他月份間差別較小；隨著風場空間分辨率的降低，各月的平均風速逐漸減小，且均方根誤差逐漸增大；在各實驗中，實驗3風場變化最大.

圖1給出了實驗3和參考實驗2月、5月、8月和11月4個代表月份的月均風場矢量圖.從圖1可以看出：2月，兩者的風場差異較小；5月，黃河口附近和渤海灣兩風場風向存在差異，但是基本屬于偏南風；8月，渤海灣、渤海中部和北黃海北部沿岸區域的風向存在較大差異；11月，渤海中部、萊州灣、遼東灣以及北黃海南岸存在風向差異.

圖1 實驗3與參考實驗月均風場矢量圖Fig. 1 Monthly-averaged wind vector of experiment 3 and the reference experiment

2.2 時間分辨率的變化對風場特征的影響

任意選取了實驗 4—實驗 6與參考實驗風場于121°E，38.5°N處的 2月和 8月風速值序列進行比較，結果見圖2.可以看出：實驗4與參考實驗的風速波動基本一致，略超前參考實驗風場的變化；實驗 5對風速的影響增大且極值風速要低于參考實驗的極值風速；實驗 6對風速的影響更大，完全不能夠描述風速變化過程，也不能描述極值風速.

圖2 121°E，38.5°N處實驗4—實驗6與參考實驗在2月和8月的風速比較Fig. 2 Comparison of wind speed in experiments 4-6 and the reference experiment in February and August at 121°E，38.5°N

3 模型驗證

選擇1993年5月和11月的航測數據對參考實驗結果進行驗證.根據航測站點位置選取2個斷面，如圖3所示.

兩斷面的5月和11月溫度垂向分布見圖4和圖5.可以看出：5月，A斷面底層溫度模擬值與實測數據存在較大偏差，渤海北部洼地底層實測溫度約為8，℃，而模擬值約為12，℃；B斷面模擬結果與實測數據存在較一致的層化結構且溫度分布相近.11月，A斷面和 B斷面均垂向混合均勻，溫度模擬值與實測值較接近.綜上，模型結果能夠再現溫度結構的季節變化特征，例如層化等，能夠用于本文研究.

圖3 斷面位置圖Fig. 3 Locations of selected transects

圖4 A斷面5月和11月溫度的垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of temperature at transect A in May and November

圖5 B斷面5月和11月溫度的垂向分布Fig. 5 Vertical distribution of temperature at transect B in May and November

4 風場分辨率的變化對溫度場的影響

4.1 空間分辨率的變化對溫度場的影響

圖6顯示了2月、5月、8月和11月實驗1—實驗3風場變化對A斷面溫度垂向結構的影響.

在同一敏感性實驗條件下，風場空間分辨率的改變對溫度的影響呈現季節性變化特點：2月和11月，強垂向混合使得斷面同一位置處由表層至底層的溫度變化大體相同；隨著溫躍層的出現，5月，表層至底層溫度變化出現差異；至8月這種差異更加明顯.同時，溫躍層出現后的溫度變化值要大于出現前的溫度變化值，特別是8月在4個代表月份中的溫度變化幅度最大.例如：實驗3中2月和11月的溫度變化最大值分別約為0.6，℃和0.4，℃，5月增大至約0.8，℃，8月更是達到了約2，℃.

在同一代表月份，從實驗 1到實驗 3，隨著空間分辨率的降低，溫度變化幅度逐漸增大.同時，溫躍層出現后空間分辨率降低對溫度的影響要高于出現前的影響.例如，2月實驗 1—實驗 3溫度變化最大值分別約為 0.1、0.4、0.6，℃，而 8月相應數值則增大至約0.2、0.6、2，℃.

圖6 A斷面實驗1—實驗3與參考實驗的溫度差值Fig. 6 Differences of sea temperature in experiments 1-3 and the reference experiment at transect A

圖7顯示了2月、5月、8月和11月實驗1—實驗3風場變化對B斷面溫度垂向結構的影響.

B斷面在同一敏感性實驗中溫度的變化也呈現季節性變化特點，而溫躍層出現后的溫度變化值也大于出現前的溫度變化值.此時，實驗 3中 2月和 11月的溫度變化最大值分別約為 1.2，℃和 0.6，℃，5月增大至約2，℃，8月進一步增大至約2.8，℃.

在同一代表月份，實驗1—實驗3的溫度變化幅度以及溫躍層出現前后空間分辨率降低對溫度的影響與A斷面也相似.例如，2月實驗1—實驗3溫度變化最大值分別約為 0.4、0.6、1.2，℃，而 8月相應數值則增大至約0.6、1.6、2.8，℃.

圖7 B斷面實驗1—實驗3與參考實驗的溫度差值Fig. 7 Differences of sea temperature in experiments 1-3 and the reference experiment at transect B

4.2 時間分辨率的變化對溫度場的影響

圖8和圖9分別顯示了2月、5月、8月和11月實驗4—實驗6風場變化對A斷面和B斷面溫度垂向結構的影響.可以看出：風場時間分辨率改變對溫度的影響總體上與空間分辨率改變的影響一致，即在同一敏感性實驗中溫度的變化同樣呈現季節性變化特點，溫躍層出現后的溫度變化值大于出現前的溫度變化值；在同一月份，時間分辨率的降低使得溫度變化幅度增大并且溫躍層出現后的影響要高于出現前的影響.需要指出的是，在實驗6中，采用月均風場使得溫度變化的最大值在8月達到4，℃左右，而且在B斷面上不同位置還出現與溫度變化趨勢截然相反的結果，北部主要表現為溫度減小，最大值約為4，℃，而南部主要表現為溫度增大，最大值約為3，℃.

圖8 A斷面實驗4—實驗6與參考實驗的溫度差值Fig. 8 Differences of sea temperature in experiments 4-6 and the reference experiment at transect A

圖9 B斷面實驗4—實驗6與參考實驗的溫度差值Fig. 9 Differences of sea temperature in experiments 4-6 and the reference experiment at transect B

如前文所述，月均風場相對于原始風場改變最大，已不能反映當月風速變化過程，從而對于溫度場模擬的影響也最大，特別是溫躍層存在的季節和區域.為了進一步反映月均風場對溫度場模擬的影響，圖10和圖11分別給出了參考實驗和實驗6在5月和 8月的表、底層溫度水平分布比較.可以看出：5月實驗6的表層溫度在渤海中部升高約1，℃，北黃海臨近計算區域右下角開邊界水域的溫度升高約2，℃，遼東半島東南端近岸水域的溫度降低約2，℃；底層北黃海冷水團6，℃等溫線范圍增大，渤海中部最大降溫約為 2，℃，且降溫區域已延伸至渤海灣.8月，北黃海北部水域增溫 1，℃左右，南部最大增溫約為 2，℃，渤海中部溫度變化不大，遼東灣頂溫度增加 1，℃左右；底層北黃海冷水團 8，℃等溫線范圍擴大，并且在渤海北部洼地形成 20，℃相對低溫中心.由以上結果可知，采用月均風場對溫度的水平和垂向分布均會產生顯著影響.

圖10 參考實驗和實驗6的表層溫度分布Fig. 10 Sea surface temperature distribution of the reference experiment and experiment 6

圖11 參考實驗和實驗6的底層溫度分布Fig. 11 Sea bottom temperature distribution of the reference experiment and experiment 6

5 結 語

本文通過改變參與動力過程計算的風場空間和時間分辨率，采用敏感性實驗分析其對溫度場模擬的影響.模擬結果表明：風場空間分辨率的降低會導致平均風速的降低和風向的改變，風場時間分辨率的改變體現在風速過程的變化，其中月均風場已完全不能描述風速變化過程，也不能描述極值風速；對于風場分辨率變化對溫度的影響，在同一敏感性實驗中溫度變化呈現季節性變化特點，溫躍層出現后的溫度變化值大于出現前的溫度變化值；在同一代表月份中，風場分辨率的降低使得溫度變化幅度增大，溫躍層出現后的影響要高于出現前的影響，而且變化范圍主要位于溫躍層以下.在采用數值模擬方法研究溫度的具體變化過程時，應盡量采用高分辨率風場驅動海洋模型，避免使用月均風場數據.風場分辨率的變化對溫度模擬產生影響的原因還有待研究.

［1］ 羅義勇，俞光耀. 風和臺灣暖流引起東海沿岸上升流數值計算［J］. 青島海洋大學學報：自然科學版，1998，28（4）：536-542.

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［5］ 鄭鵬. 渤海三維溫鹽流的數值模擬研究［D］. 青島：中國海洋大學，2013.

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風場時空分辨率對海水溫度場模擬的影響
——以渤海和北黃海為例

徐霈霈，丁 磊

Effects of Temporal-spatial Resolution of Wind Field on Sea Temperature Simulation—A Case Study in Bohai Sea and the North Yellow Sea

XU Peipei，DING Lei
（College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

Sea temperature variation of Bohai Sea and North Yellow Sea was simulated numerically with FVCOM（finitevolume coastal ocean model）. The model was driven by wind with different resolution. Effects of temporal-spatial resolution of wind field on sea temperature simulation were analyzed. The results indicated that the effect of temporal-spatial resolution of wind field on sea temperature variation showed seasonal characteristics. The variation of temperature is bigger after thermocline appears. The variation of temperature increases as the resolution of wind field decreases. Effect of monthly-averaged wind on temperature variation is the most significant due to the poor description of the temporal variation of wind speed.

finite-volume coastal ocean model；wind field；temporal-spatial resolution；sea temperature

P76 文獻標志碼：A 文章編號：1672-6510（2015）02-0043-08

10.13364/j.issn.1672-6510.20140113

2014-08-24；

2014-11-04

國家重點基礎研究發展計劃“973計劃”資助項目（2011CB403606）；國家自然科學基金資助項目（41128006）

徐霈霈（1990—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：丁 磊，副研究員，leiding2012@tust.edu.cn.

常濤