海浪破碎對北太平洋海表面溫度模擬的影響

劉子龍, 史 劍, 蔣國榮

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海浪破碎對北太平洋海表面溫度模擬的影響

劉子龍, 史 劍, 蔣國榮

(解放軍理工大學氣象海洋學院, 江蘇南京211101)

基于海浪模式WAVEWATCH III模擬北太平洋海浪要素, 結合NDBC浮標資料進行驗證, 發現模擬出的有效波高與浮標測量值具有很好的一致性。基于改進型白冠覆蓋率耗散模型, 利用海浪模式模擬出的有效波高、有效波周期和摩擦速度等海浪要素計算出單位面積水柱內因海浪破碎產生的湍動能通量。通過改變環流模式sbPOM湍動能方程的上邊界條件, 引入海浪破碎產生的湍動能通量, 并探究海浪破碎對北太平洋海表面溫度模擬的影響。研究表明, 由于海浪破碎的引入, 環流模式sbPOM對北太平洋海表面溫度模擬的準確程度得到提升, 這為大氣模式提供一個準確的北太平洋下邊界條件具有重要意義。

海浪破碎; 海表面溫度; WAVEWATCH III; sbPOM

近年來, 隨著對上層海洋和低層大氣物理過程耦合研究的不斷深入, 對海浪運動的研究也得到了前所未有的關注, 所關注的焦點并非海浪現象本身, 而是海浪對其他海洋動力過程的影響[1]。海浪運動導致海洋上層混合的機制主要有: 波致雷諾應力引發的湍流混合、波浪破碎誘導的湍流混合、Stocks漂與風驅動的剪切流相互作用形成的Langmuir環流混合等[2]。本文在前人研究的基礎上, 僅從海浪破碎誘導的湍流混合對海洋表面溫度模擬產生的影響方面展開研究。

海浪是存在于海-氣界面上的一種重要的運動形式, 海浪破碎對海洋上混合層中的湍流生成及其混合有著直接的影響。大量實驗觀測結果表明[3-5], 海浪破碎將促進海洋上混合層中湍流生成, 加強湍流垂向混合, 其影響深度與海浪成長狀態有關。Toba等[6]根據觀測指出海浪破碎的影響深度可達5倍有效波高。Thomson等[27]在數值模式中引入波浪破碎導致的湍動能通量, 發現波浪破碎的影響深度與垂直參考系相關。Alari等[20]基于耦合環流模式NEMO和海浪模式WAM引入海浪破碎作用, 發現海浪破碎對海表面溫度、溫度的垂直分布和上升流都產生較大影響。Breivik等[28]基于NEMO環流模式, 討論了海表應力、波浪破碎導致的湍動能通量和Stokes Coriolis應力對混合層的影響, 發現3個物理過程對減小海表面溫度偏差起到了巨大作用。管長龍等[1]總結前人所得, 認為波浪破碎為海表附近的湍流生成源, 在混合層上部形成一個影響磁層, 該層中的湍流耗散率分布不再遵從固壁定律所規定的結果, 波浪破碎的影響深度可達5~10倍有效波高。孫群等[8-10]為了研究海浪破碎對混合層中湍能量收支的影響, 采用垂向一維湍封閉混合模型, 通過改變湍動能方程的上邊界條件, 引入海浪破碎產生的湍動能通量, 發現海浪破碎在海表產生的湍動能通量影響了海洋上混合層中的各項湍能量收支間的局部平衡關系。Sun等[11]利用M-Y一維湍封閉模型, 通過將波浪破碎作為海表湍流源引入, 發現考慮波浪破碎效應后, 模式模擬的海表面溫度比未考慮波浪破碎效應時降低, 同時, 混合層深度增加, 模擬效果更顯著。

為了探究海浪破碎效應在較大范圍內對海表面溫度的影響, 本文在采用先進的并行版本sbPOM環流模式[12]的基礎上, 區別于孫群等[8]利用海浪模式WAM計算海浪破碎導致能量耗散率的方式, 利用Guan等[7]總結計算出的基于白冠破碎的能量耗散率表達式, 通過改變環流模式sbPOM湍動能方程的上邊界條件, 引入海浪破碎產生的湍動能通量, 探究海浪破碎對北太平洋海域不同季節的海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)的影響。

1 研究方法

1.1 WAVEWATCH III海浪模式簡介及設置

WAVEWATCH III海浪模式(以下簡稱 WW3)是基于第三代海浪模式WAM發展起來的當前國際上最為成熟的幾個海浪模式之一[13], 具有穩定性好、計算精度高等特點, 目前已成為美國海洋環境預報中心的業務化海浪預報模式。大量海浪數值模擬研究表明[14-16], WW3能夠模擬出精度較高的海浪要素。

本文采用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析風場數據驅動WW3海浪模式(該數據空間分辨率為1.875°×1.9°, 時間間隔為6 h),模式地形數據由全球分辨率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, 相應的檢驗參數采用默認值。WW3模擬的區域范圍為: 10°S~ 66°N, 100°~280°E, 空間分辨率為5°×5°。海浪譜頻率分布范圍為 0.041 8~0.41 Hz, 共分25個頻段, 譜空間上離散為24個波向, 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,方向和-theta方向最大CFL時間積分步長設為1 200 s, 最小源函數項時間積分步長本文中設為300 s。

1.2 sbPOM環流模式簡介及設置

sbPOM(stony brook parallel ocean model)模式[12]是基于POM(princeton ocean model)模式[25]進行改進得到的一種可并行運算的環流模式, 劉欣等[17]曾采用區域海-氣耦合模式WRF-sbPOM, 對理想熱帶氣旋和海洋暖渦間的海氣相互作用進行模擬, 獲得較好的模擬效果。劉子龍等[26]曾在環流模式sbPOM中引入海浪攪拌混合作用, 并探究其對北太平洋海表面溫度模擬的影響, 發現海浪攪拌混合作用的引入能夠較大的改善原模式對北太平洋海表面溫度的模擬。sbPOM除將POM改為并行外, 物理模型較原來無較大變化, 垂向坐標仍然采用坐標。本文關注的湍動能方程,

(2)

其中q為湍流垂向擴散系數;s、b和分別表示湍動能的剪切生成項、浮力生成項和耗散率;為湍流速度尺度;1為常數;為海水中的摩擦速度。

在對北太平洋海表面溫度進行模擬的過程中, sbPOM模式空間分辨率與上文WW3模式設置保持一致, 垂向采用40個層, 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, sbPOM模式外模時間步長為20 s, 內模時間步長600 s, 積分2 a, 取第二年積分結果進行分析。

1.3 海浪破碎的引入

海浪破碎能夠在海表面產生湍動能通量, 進而影響海洋上混合層湍能量收支的平衡關系。近年來, 大量實驗觀測[18-19]也都證明海浪破碎對上混合層中湍能量收支有著重要的影響。因此海洋混合層模式中需要考慮海浪破碎的影響。

根據文獻[21-22], 當考慮波浪破碎對海表面溫度的影響時, 將在海表形成一向下輸入的湍動能通量, 此時, 可將(2)式給定的海表邊界條件改為(3)式:

結合Guan等[7]提出的改進型白冠覆蓋率耗散模型,

2 結果分析

2.1 海浪模式數值試驗結果分析

選取模式模擬有效波高作為探究WW3海浪數值試驗模擬結果準確性的驗證要素。基于美國國家浮標資料中心NDBC(National Data Buoy Center), 選取如圖1所示的8個浮標站數據進行驗證, 驗證的月份分別為2014年2月、5月、8月、11月。

限于篇幅, 圖2僅給出了46075號浮標站點的4個月份的有效波高模擬結果和浮標測量結果的對比圖。從圖中可以看出, WW3海浪模式模擬有效波高值和浮標測量值具有很好的一致性, 但是在一些風速較大、變化較劇烈的時間段, 模擬結果稍不理想, 如, 2月8日到2月15日期間, 模式模擬結果和浮標測量結果存在一定偏差, 出現這種現象的原因可能是NCEP再分析風場資料時空分辨率不夠高。

對圖1所示8個浮標站點的模式模擬有效波高和浮標測量有效波高進行統計分析, 分別計算出均方根相對誤差與相關系數, 其表達式分別如(6)、(7)所示。對于浮標因某些異常原因而未能進行測量或測量數據較少的月份, 在表1中用“NaN”表示。

(6)

式中,o和f分別代表有效波高的浮標測量值和模式模擬值,為樣本點的個數。

表1 模擬有效波高值的誤差分析

Tab.1 Error analysis of the simulation significant wave heights

根據表1中8個浮標4個月份的模式模擬有效波高和浮標測量有效波高的均方根相對誤差和相關系數的統計結果, 4個月份的平均均方根相對誤差和平均相關系數差別不大, 其中2月份平均均方根相對誤差較其他月份稍大, 為22%, 平均相關系數相對稍小, 為0.83。整體上, 模式模擬有效波高和浮標測量有效波高的均方根相對誤差基本控制在20%左右, 最小僅為16%; 關系數基本控制在0.80以上, 最大相關系數為0.92, 且相關系數在0.80以下的僅有兩個。

基于對圖2和表1的分析結果, 可以得出, NCEP再分析風場資料可以作為WW3海浪模式的驅動風場, 其模擬出來的北太平洋有效波高等海浪要素準確度較高。

2.2 環流模式數值試驗結果分析

圖3分別給出了4個月份的未考慮海浪破碎模擬月平均SST和ECMWF(european center for medium range weather forecasts)再分析月平均SST之差在北太平洋的空間分布圖。從圖中可以得出, 在未引入海浪破碎的情況下, 環流模式sbPOM已經能夠較為準確的模擬出北太平洋的海表面溫度。在空間尺度上, 環流模式sbPOM對北太平洋中心海區模擬效果較好, 誤差范圍基本控制在±1℃左右, 而對近大陸海區模擬效果較差, 誤差范圍在±3℃左右。赤道地區多呈現模擬SST較ECMWF再分析SST偏低的趨勢。在時間尺度上, 2月份和11月份北太平洋西部海區, 亞洲東岸鄰近海區呈現模擬SST較ECMWF再分析SST偏高的趨勢, 5月份和8月份北太平洋東部海區, 美洲西岸鄰近海區呈現模擬SST較ECMWF再分析SST偏低的趨勢, 且赤道地區西部海區常年呈現出模擬SST較ECMWF再分析SST偏高的趨勢, 赤道地區東部海區常年呈現出模擬SST較ECMWF再分析SST偏低的趨勢。

為初步了解海浪破碎不同月份對北太平洋海表面的作用情況, 圖4給出了海浪破碎導致的湍動能通量在北太平洋不同月份的月平均空間分布圖。從圖中可以看出, 在時間尺度上, 2月份和11月份海浪破碎導致的湍動能通量較大, 而5月份和8月份海浪破碎導致的湍動能通量較小; 在空間尺度上, 中高緯度地區海浪破碎導致的湍動能通量較大, 而在低緯度地區導致的湍動能通量較小。

選取美國全球海洋數據同化實驗室(USA Global Ocean Data Assimilation Experiment, USGODAE) 2014年2月27日如圖5所示的9個浮標站點作為驗證點, 將Argo浮標資料測量SST、未考慮海浪破碎模擬SST與考慮海浪破碎模擬SST的對比結果進行統計分析, 主要比較表中給出的絕對誤差和相對誤差, 其定義分別為:

(8)

自沉浮式剖面探測浮標又稱Argo浮標, 因首先應用于國際Argo計劃而被稱為Argo浮標, 專門應用于海洋次表層溫、鹽、深剖面測量。Argo浮標每7 d或10 d浮出一次海面, 向衛星傳輸經度、緯度、深度、溫度和鹽度等資料, 然后再次潛入預定深度, 一般為2 000 m左右, 其經度、緯度、鹽度和溫度資料的精確度都為0.001。本文浮標測量SST數據取為Argo浮標測量首層海溫數據, 其測量首層水深基本在5 m左右, 具體數據見表2。

根據表2的統計結果, 在sbPOM模式未引入海浪破碎時, 模式本身能夠較為準確的模擬出北太平洋SST, 平均絕對誤差僅為0.855。在模式引入海浪破碎后, 其模擬SST的平均值相比未引入海浪破碎時得到一定提升, 同時, 平均絕對誤差由原來的0.855降為0.753, 平均相對誤差由4.26%降到3.52%。綜上所述, sbPOM模式在引入海浪破碎后, 北太平洋海域模擬SST的準確性將進一步提升。

3 討論

為了能從整體上更加直觀地了解波浪破碎對北太平洋海域不同季節海表面溫度模擬的影響, 圖6給出了4個月份北太平洋未考慮海浪破碎模擬SST和考慮海浪破碎后模擬SST之差分布圖。

表2 SST北太平洋模擬與浮標實測的比較

Tab.2 Comparisons of the simulation SST with the results obtained from buoy data in the northern Pacific

注: “未考慮”表示未考慮海浪破碎; “考慮”表示考慮海浪破碎

對圖6進行分析可以得出, 空間尺度上, 海浪破碎的引入, 對中高緯度SST模擬改善效果較為顯著, 對低緯度海區SST模擬改善效果不明顯; 對沿海地區改善效果比大洋內部及赤道地區效果明顯。時間尺度上, 2月份和11月份海浪破碎的引入使得北太平洋大部分海區模擬SST比未引入波浪破碎時模擬SST減小, 以北太平洋西北海域最為明顯; 而5月份和8月份北太平洋北部地區模擬SST主要呈現比未引入波浪破碎時模擬SST增大的趨勢, 這也正好與圖3得出的結論相對應: 未考慮海浪破碎時模擬SST比ECMWF再分析SST偏高地區, 如2月和11月份亞洲東部海區, 海浪破碎的引入, 使得模擬SST比未考慮海浪破碎時降低; 反之, 未考慮海浪破碎時模擬SST比ECMWF再分析SST偏低地區, 如5月和8月份北太平洋北部海區, 海浪破碎的引入, 使得模擬SST比未考慮海浪破碎時升高。結合圖4可以發現, 海浪破碎導致的湍動能通量愈強的地區, 海浪破碎對北太平洋SST模擬的改善效果愈明顯, 主要表現為使得海區模擬SST較未引入波浪破碎時減小, 而對于某些模擬SST較未引入波浪破碎時增大的海區, 如5月和8月份北太平洋北部海區, 從圖4可以看出其海浪破碎導致的湍動能通量并不強, 其模擬SST的增大可能與海洋環流和海氣熱通量有關。一般情況下, 海洋環流模式在考慮海浪破碎后, 會增強海洋表層的混合, 通常使得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流和海氣熱通量的影響[23 24], 這兩個過程的作用都可能使得環流模式在加入海浪破碎后模擬的SST較原來偏大。通過對比可以發現, 在sbPOM模式對北太平洋SST進行模擬的過程中, 海浪破碎的引入使得海洋表面混合更加均勻, 模式模擬出來的SST更加準確。

4 結論

本文在WW3-sbPOM聯合模型的基礎上, 利用NCEP再分析風場驅動WW3海浪模式模擬出的有效波高、有效波周期和摩擦速度等海浪要素, 結合Guan等[7]提出的改進型白冠覆蓋率耗散模型, 計算出海浪破碎導致湍動能通量。通過改變環流模式sbPOM湍動能方程的上邊界條件, 引入海浪破碎產生的湍動能通量, 探究海浪破碎對北太平洋SST模擬的影響。研究表明: (1)在未考慮海浪破碎的情況下, sbPOM模式已經能夠較為準確的模擬出北太平洋SST, 且對大洋中部模擬效果較好, 誤差在±1℃左右, 對沿岸地區以及赤道地區模擬效果較差, 最大絕對誤差可達±3℃左右。(2)從空間尺度上來說, 海浪破碎的引入, 對中高緯度SST模擬效果改善較大, 對低緯度SST模擬效果改善較小。從時間尺度上來說, 海浪破碎的引入, 使得2月份和11月份北太平洋大部分海區SST比未引入海浪破碎時模擬的SST減小, 而5月份和8月份北太平洋北部地區主要呈現出比未引入海浪破碎時模擬SST升高的趨勢。(3)sbPOM環流模式中海浪破碎的引入, 使得海表面混合更加均勻, 對北太平洋SST的模擬相對于未引入海浪破碎之前有較大幅度提高, 模擬效果更好。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Effect of wave breaking on the sea surface temperature simulation in the North Pacific

LIU Zi-long, SHI Jian, JIANG Guo-rong

(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

In this paper, wave parameters in the North Pacific were simulated by the WAVEWATCH III and were combined with NDBC buoy data verification. We found that the simulated significant wave height is highly precise. Based on the modified model of whitecap coverage dissipation, turbulence kinetic energy (TKE) fluxes due to wave breaking were calculated using the simulated significant wave height, wave period, and friction velocity. The influence of surface wave breaking could be introduced into ocean model sbPOM by modifying the existing surface boundary condition of the TKE equation and specifying its input. The effects of wave breaking on the SST simulation in the North Pacific were also investigated. The results indicated that wave breaking can improve the accuracy of the ocean model sbPOM on the North Pacific sea surface temperature simulation and it plays an important role in providing accurate lower boundary conditions in atmospheric models.

wave breaking; sea surface temperature; WAVEWATCH III; sbPOM

Sep.4, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.41676014]

P732.7

A

1000-3096(2017)03-0122-08

10.11759/hykx20160904001

2016-09-04;

2017-01-18

國家自然科學基金項目(41676014)

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