海气热通量算法的改进及应用.pdf

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1、第41卷第12期2011年12月中国海洋大学学报PERIODICALoFocEANUNIvERSITYOFCHINA41(12)：008～016Dec．，201l海气热通量算法的改进及应用+张连新1，管长龙r，黄健2(1．中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛266100；2．中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州510080)摘要：COARE模型是国际上常用的计算海气热通量的算法，其风速适用范围可达20m／s，但未包含飞沫等高风速下的影响因子。将其直接扩展到20m／s以上风速的海况存在不合理性。本文提出了适合各种风

2、速条件下的包含飞沫影响的海面动力粗糙度长度参数化方案，井利用该方案改进了CA)ARE3．0模型。利用南海浮标的观测数据，根据改进的C()ARE3．0模璎计算r海气热通量，分析了飞沫对海气热通量的影响。结果表明，在o～20m／s风速范围内，感热通量与潜热通量主要由海气温差和海气湿差决定，与波龄的相关性很小，飞沫对热通量无显著影响。当风速大于20m／s，感热通量和潜热通量与海气温差和海气湿差的相关性减小，与波龄的相关性增加，潜热通量与波龄呈现负相关。考虑飞沫的效应后，总热通量明显增加，飞沫所增加的感热通量平均可占界面感热通

3、量的38．89％，飞沫所增加的潜热通量平均占界面潜热通量的39．19％。关键词：COARE模型；飞沫；动力粗糙度长度；热通量；南海中图法分类号：P732．6文献标志码：A文章编号：1672—5174(2011)12-008-09海气热交换是海洋一大气相互作用的1个重要途径，是研究全球气候变化的重要课题之一。海气热通量是海气热交换的量度，迄今国际上较为常用的计算海气热通量算法为COARE模型。随着对海气相互作用认识的不断深化，COARE模型的版本不断得到升级。COARE2．5版是因TOGA-COARE试验发展起来的算法，

4、依据Liueta1．[1]的理论将风速适用范围延拓至10m／s，使用体积变量估算海气热通量。随着观测数据的不断丰富，Fairalleta1．[2]在COARE2．6版的基础上发展出COARE3．0版，其风速直接适用范围可至20m／s。随后，COARE算法得到了广泛应用，Edsoneta1．[33分析了FAIRS实验和GasEx实验的观测数据并指出，由观测的温度和湿度廓线得到的海面标量粗糙度同COARE3．0版得到的粗糙度符合得较好。Kubota&Tomita[4]指出COARE3．0版所计算的感热通量和潜热通量与KFU

5、浮标的原位观测有较好的一致性。Brunkeeta1．Is]利用在热带和中纬度海域12个航次所获的湍流通量观测数据对国际上常用的12种块体算法进行了评估，认为COARE3．0的计算结果最为理想。然而，Jones&Toba[6]指出，COARE算法中采用的Charnock关系并不适合于所有风速范围，仅适合于低风速情形。Andreaseta1．[73指出COARE2．5版本升级至COARE3．0版本后，能够成功地参数化总的潜热与感热，但是在适用风速范围外(U>20m／s)，感热通量和潜热通量与风速的关系将是非线性的，将其延拓

6、到高风速情形是不合适的。Frencheta1．[83在ONR飓风计划中分析了拖曳系数，指出低风速时与COARE3．0算法和Taylor&Yelland[91的结果对比一致，但在20m／s风速以上，COARE3．0的结果稍大。杨清华等[10]将COARE3．0算法与MM5模式进行比较得出，在中低风速条件下二者热通量计算的结果比较一致，但在强风情况下，二者差别显著。由此可见，COARE算法不适用于计算高风速条件下的海气热通量，其主要原因是该算法未考虑高风速情形下由于风浪破碎产生的飞沫对海气热量交换的贡献。早在1960一19

7、70年代，人们就认为飞沫的存在使界面蒸发增强[11-13]。随后的实验[14-16]和理论研究[17]表明，飞沫蒸发随着风速的增加而增强，是重要的湿度源，也是重要的热量汇，对能量转移有显著的影响。Andreas[18-22]对飞沫的海气热交换效应进行了系统的研究其成果得到较广泛的认可，他们采用Pruppacher&Klett[23]的云微物理机制，研究了飞沫从在海面形成到与周围环境达到平衡的热量和湿度的演变，认为一旦风速为11～13m／s以上，飞沫对潜热与感热通量的影响将变得显著(10％或者更多)。近几年来，国内学者[

8、24-273通过数值模式拟表明，海洋飞沫可增加海气间的热通量，使得海洋提供更多的热量给大气，海洋飞沫·基金项目：国家自然科学基金项目(40830959、40921004)；国家科技支撑计划项目(2011BAC03801)资助收稿日期：2011一04—19；修订日期：2011—05-06作者简介：张连新(1985一)，女。硕士生，主