海浪效應對海面粗糙度的影響研究

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

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海浪效應對海面粗糙度的影響研究

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

摘要基于日本氣象廳22001號浮標站與美國國家浮標數據中心提供的41008號浮標站觀測資料，利用Smith88、YT96、TY01和O02這4種海面粗糙度方案研究中高風速條件下真實海浪效應對海面粗糙度的影響；同時，利用浮標數據和COARE3.0算法，比較中高風速條件下缺乏真實海浪信息時，自主設計的有效波高、譜峰周期參數化方案與COARE3.0自帶的Taylor01波浪特征量參數化方案計算海面粗糙度的效果。結果表明，無論哪種浮標資料，不考慮真實海浪效應的2種方案(Smith88和YT96)均比考慮真實海浪效應的2種方案(O02和TY01)計算出的粗糙度偏低，說明在中高風速條件下必須要考慮真實海浪效應對海面粗糙度的影響。此外，初步證實了自主設計的波浪特征量參數化方案在缺乏真實海浪信息時，計算效果優于COARE 3.0算法自帶的Taylor01波浪特征量參數化方案。

關鍵詞浮標數據；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

海面粗糙度對海氣相互作用有重要影響，它通過影響海氣界面間動量、熱量和水汽通量的交換影響著大氣的演變以及海洋對大氣的響應。海浪作為存在于大氣和海洋交界面上的小尺度海洋運動現象，直接參與海氣界面上的動量、熱量和物質交換，海浪的強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于風速，還與波浪狀態有關。近幾十年來，各國科學家發展了一系列考慮真實波浪狀態的海面粗糙度方案。Taylor等[2]聯合HEXMAX、RASEX及Anctil等[3]在Ontario湖測得的實測數據獲得了海面粗糙度與有效波高和波陡的關系(簡稱TY01方案)。Oost等[4]根據北海Dutch觀測平臺獲得的實測數據得到了海面粗糙度與波齡的關系(簡稱O02方案)，這2種考慮真實海浪狀態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將海面粗糙度描述成與波齡相關的函數[5-8]。當有效波高和譜峰周期缺省時，COARE 3.0算法根據Taylor等[2]提出的方案利用海面10 m風速U10對有效波高和譜峰周期進行參數化(簡稱Taylor01)。

然而，現有的大氣模式中大多數海氣界面層參數化方案仍然假設海面粗糙度在數值上只是關于風速的函數，而與波浪無關。鑒于海面粗糙度與摩擦速度、拖曳系數以及動量通量(也稱風應力)相互之間是等價關系，這樣的假設也就意味著拖曳系數和動量通量隨風速的增加而增加。這在強風條件下(海面10 m風速超過30 m/s)可能會導致對動量通量的高估而使模式的預報效果變差，甚至導致對物理機制的誤判[9]，而在中高風速條件下(海面10 m風速介于10～30 m/s之間)又可能因為沒有考慮真實海浪效應而造成對海面粗糙度和動量通量的低估[10]。因此，在數值預報模式中充分考慮波浪效應對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題之一。因此，筆者基于日本氣象廳22001號浮標站與美國國家浮標數據中心41008號浮標站提供的浮標資料，研究中高風速條件下真實海浪效應對海面粗糙度的影響；同時，利用浮標數據和COARE3.0算法，比較中高風速條件下缺乏真實海浪信息時自主設計的有效波高、譜峰周期參數化方案與COARE3.0自帶的Taylor01參數化方案計算海面粗糙度的效果。

1材料與方法

1.1資料來源由于浮標數據可以同時提供海面風速、有效波高和波周期等資料，且直接在海上進行測量，不受陸地和船舶的影響，一般被認為是氣象海洋觀測數據的標準[11]。因此，研究中利用資料分別來源于：①日本氣象廳(JMA)在東海海域布設的5個固定浮標站，可以提供7.5 m高處的風速、風向，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個變量(時間間隔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，由日本氣象廳進行質量控制。②美國國家浮標中心(NDBC)41008站，該站點位于大西洋西北部，水深達19.5 m。觀測資料包括據海平面5 m高處的水平風速、風向，距海平面4 m高處的空氣溫度、露點溫度，海平面氣壓、海表0.6 m深處水溫，有效波高、譜峰周期等(時間間隔1 h)。該資料由美國國家浮標中心進行質量控制，既能提供45 d左右的實時數據，也能夠提供歷史數據。

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

僅簡單介紹COARE3.0算法中關于摩擦速度和風速廓線的計算。海面粗糙度高度z0與給定高度z處的風速u(z)之間滿足：

(1)

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

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

(2)

在不穩定條件下，利用Businger-Dyer[16]關系式ψuk以及自由對流限制方程ψc：

(3)

式中，ζ=z/L，L為Obukhov長度。

利用COARE3.0總體通量算法，可以在已知風速、海溫、氣溫、比濕或相對濕度、氣壓、觀測高度、有效波高、譜峰周期(海浪特征量缺省時默認采用Taylor01方案計算)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等，再根據以下公式確定風速廓線：

u(z)=u*[ln(z/z0)-ψu(ζ)]/κ

(4)

1.3海面粗糙度方案Smith88方案[14]應用的是Charnock關系式，只考慮了海浪對海面粗糙度z0氣候平均意義上的影響，未考慮真實的海浪特征，但該方案在現有的蒸發波導模型中應用最為廣泛。

YT96[15](默認)、TY01[2]和O02[4]這3種方案中，只有YT96延續使用了Charnock關系式，并將Charnock參數由固定值0.011變為一個與風速有關的變量，其余2種方案都與真實海況有關。以上4種參數化方案的具體形式見表1。波浪特征量之間滿足標準深水重力波關系：

Cp=gTp/(2π);Lp=Cp×Tp

(5)

注：U10為海面10 m高度處的風速，ν為動力黏滯系數，hs為有效波高，Cp為有效波相速，Cp/u*為波齡，Lp為有效波長，Tp為譜峰周期(譜極大值對應的周期)，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海浪特征量參數化方案在COARE3.0算法中，當有效波高和譜峰周期缺省時，默認采用Taylor01方案(表2)對它們進行參數化，其中U10n為中性層結條件下海面10 m高度處的風速(由于U10≈U10n，實際應用中一般近似采用10 m處風速U10)。此外，前期利用我國東部海域的實測資料也發展了一種新的有效波高、譜峰周期參數化方案。

表2　海浪特征量參數化方案

2結果與分析

2.1對22001站的結果分析從圖1、圖2可以看出，對于10～20 m/s的中高風速條件，S88方案計算的粗糙度z0最低，改進后的YT96方案將Charnock參數定義成風速的分段函數，因此在中高風速范圍內計算的z0明顯高于Smith88方案的計算結果。但是，與考慮真實海浪效應的TY01、O02方案相比，YT96方案對z0的增長作用是非常微弱的。當風速超過12 m/s時，TY01和O02方案計算的z0開始顯著高于考慮海浪氣候平均效應的YT96和Smith88方案，但同時數據的離散程度也顯著增加。

圖1　Smith88和YT96方案計算的z0隨風速的變化特征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算的z0隨風速的變化特征Fig. 2　 The variation characteristics of z0calculated by different sea surface roughness schemes with wind speed

圖3　各風速區間內4種方案計算的z0分析Fig. 3　The predicted values of z0 calculated by four schemes in different wind speeds

將風速劃分為10～12、12～14、14～16、16～18、18～20 m/s 5個風速區間，計算各風速區間內不同粗糙度方案計算的z0均值及偏離均值的標準差。從圖3可以看出，隨著風速的增加，O02方案計算的z0均值增長速度最快，其次為TY01方案，再次為YT96方案，增長最慢的是Smith88方案。此外，隨著風速的增加，TY01和O02方案計算的z0的離散程度也急劇增加。這一方面可能是由于高風速條件下產生的浪流、海洋飛沫對觀測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速條件下對觀測誤差更加敏感。2.2對41008站的結果分析為了進一步證明以上結果，又選取了處于美國東海岸的41008站進行分析處理。從圖4可以看出，在中高風速條件下，對于只考慮海浪氣候平均效應的Smith88和YT96方案，Smith88方案算出的海面粗糙度小于將Charnock參數定義成風速的分段函數的YT96方案；當考慮真實海浪效應時，O02和TY01顯著高于前二者，O02方案計算的z0均值增長速度最快，其次是TY01方案，再次是YT96方案，增長最慢的是Smith88方案。

2.3對COARE算法的改進結果

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

表32種海浪特征量參數化方案計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

風速范圍Rangeofwindspeed∥m/s樣本數nSamplenumberTaylor01自主設計方案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算的z0隨10 m風速的變化特征Fig.4　The variation characteristics of z0 calculated by different sea surface roughness schemes with 10 m wind speed

3小結

筆者基于日本氣象廳22001號浮標站與美國國家浮標數據中心提供的41008號浮標站觀測資料，利用Smith 88、YT96、TY01和O02這4種海面粗糙度方案研究中高風速下真實海浪效應對海面粗糙度的影響，同時利用浮標數據和COARE3.0算法，比較中高風速下缺乏真實海浪信息時自主設計的有效波高、譜峰周期參數化方案與COARE3.0自帶的Taylor01參數化方案計算海面粗糙度的效果，得出以下結論：

(1)無論用哪種浮標資料都發現不考慮真實海浪效應的2種方案(Smith88和YT96)都比考慮真實海浪效應的2種方案(O02和TY01)計算出的海面粗糙度偏低，說明在中高風速條件下必須要考慮真實海浪效應對海面速粗糙度的影響。

(2)隨著風速的增大，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速條件下產生的浪流、海洋飛沫對觀測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速條件下對觀測誤差更加敏感。

(3)對影響結果的分析表明，中高風速條件下必須考慮真實海浪效應，不然會造成海面粗糙度的低估，在缺乏真實海浪信息時候，自主發展的方案優于COARE 3.0算法自帶的Taylor01方案。當然，進一步的驗證工作仍需繼續開展，尋找誤差規律來實現進一步改進方案的目的。

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中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-022-04

收稿日期2016-01-29

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

基金項目國家自然科學基金項目(41205004, 41230421, 41105065, 41105075)。