波致应力对台风天气下南海上层海流的影响分析

利用海洋环流模式POM,分别在考虑波致应力和不考虑波致应力的情况下对1998年台风Faith影响南海期间的海洋环流进行了模拟试验,并将模拟结果与浮标观测资料进行了对比分析。初步的分析结果显示,在考虑波致应力情况下的模式结果无论在海表面温度(SST)的最大降温还是台风引起的海流的近惯性波动等方面均与观测结果更为接近;相对于不考虑波致应力的模式结果,最低SST降低了1℃,达到了24.12℃,而最大表层流速增加了17cm.s-1,达到了1.74m.s-1,计算的1 000m以内的正压流速大约增加了32%,达到了16.2cm.s-1。

波致应力的近似求解及其太平洋特征分析

基于波致应力计算中对海浪谱和波浪增长率公式的敏感性分析,选择适当的波致应力近似求解方法,计算和探讨了太平洋波致应力的时空分布特征。敏感性分析中,选择了4种常用的波浪增长率公式和3种经验解析海浪谱。推导了计算波致应力的单波公式,并将其与JONSWAP谱积分公式和Elfouhaily谱积分公式进行比较,同时使用了由风速和有效波高资料构造的Elfouhaily谱积分公式计算太平洋波致应力。结果表明:Belcher等(1993)的波浪增长率计算公式估算的波致应力与实验数据吻合度较好,同时适用ERA-interim数据;当波龄小于1.2时运用Elfouhaily谱积分公式更合适,当波龄大于1.2时运用单波公式更快速有效;太平洋的波致应力分布与风场之间存在明显的相关性;2009年1月、4月、7月和10月太平洋波致应力的季节性特征分析表明四个季节的西风带波致应力较其他地区都更强盛,而在时间变化上1月和10月为波致应力整体较为强盛的时期。

基于中法海洋卫星的全球海面波致应力的季节变化

由于全球尺度风和海浪谱的同步观测资料匮乏,利用实测海浪谱对全球波致应力和包含海浪作用的风应力特征研究极少,特别是季节变化特征的研究.中法海洋卫星(China France Oceanography Satellite,CFOSAT)首次实现了全球海面风和海浪谱的同步观测,为研究这一难题提供了坚实的资料基础.本文利用CFOSAT为期一年的风、浪同步观测资料,结合海浪边界层模型分析了全球海面波致应力及风应力的季节变化特征.波致应力根据海浪的不同形态分为风浪致应力和涌浪致应力.结果表明,波致应力与涌浪指数呈现出明显的反相关关系;大的涌浪指数,对应的涌浪致应力占比会大,使得风应力减小;反之,风浪致应力起主导作用,使得风应力增大.从北半球春季到冬季,南半球的西风带海域风浪致应力占主导;而在赤道附近海域,涌浪致应力占主导.进一步分析表明,南半球的风浪致应力的季节变化不明显,而北半球夏季的风浪致应力明显要小于其他季节;南半球涌浪致应力的绝对值从北半球春季到冬季呈现出先减小后增大的趋势.考虑波致应力后的风应力增减百分比在春秋季节表现出南北半球大致对称现象,而夏冬季节呈现不对称特征.波致应力会显著调节风应力,使得纬向平均的风应力变化可达±30%,这在全球尺度上进一步揭示了海浪对风应力的重要调制作用.

涌浪对大气边界层风廓线的影响

以往研究表明,涌浪存在时,近海面大气边界层内Monin–Obukhov相似性理论(Monin–Obukhov SimilarTheory,MOST)将会失效,风廓线模型的建立需要考虑波致应力的影响。基于此,本文首先研究了包含涌浪影响的Ekman模型和常通量层模型求解的风廓线。结果表明:两种模型估算的风廓线均对涌浪的波衰减率系数cβ有较高的依赖性,在cβ<–50时,模型求解的风廓线均出现近海面风速极大值,但科氏力对近海面风廓线的影响可以忽略。在不同的大气层结下,分析发现海浪边界层(直接受波浪影响的区域)内风速明显小于海浪边界层之上MOST廓线在相同高度的外推值,体现了涌浪引起明显的剪切增强。通过对比分析广东省茂名市附近海上观测平台的实测数据发现,在涌浪存在时,MOST普遍无法描述风廓线;统计分析表明常通量层模型估算的风廓线在8 m处的风速与实测数据高度一致。考虑以往研究基本局限于中性大气层结条件,而涌浪经常显著影响着浮力作用明显的中低风速条件,我们的研究将有助于理解不同大气层结条件下涌浪对风廓线的影响。

风浪对海气动量通量影响的观测与分析

针对长期以来中高风速下风浪对风应力的作用认识不足的问题,本文基于渤海南部海域的塔基海洋气象观测平台,利用高频湍流观测系统获取了纯风浪条件下的海气动量通量资料,分析并揭示了风速大于10m s^(-1)情况下的风浪对风应力的调制作用.结果表明:冷空气影响下,西北和东北来风导致的风浪状态不同,引起的风应力以及拖曳系数均有所不同.风应力随风速的升高而增大,在西北风近20m s^(-1)时达到最大值,而拖曳系数在西北向风速最大时和东北向风浪有效波高最大时的极值基本一致.拖曳系数在10~15m s^(-1)风速范围内随风速升高而变大,在15m s^(-1)时达到饱和,这一临界风速小于其他观测结果.进一步研究表明风生湍流应力偏离观测值,偏离程度依赖于风速和风浪状态,大风、大浪引起的偏差更大.波致应力可以修正风生湍流应力与观测值之间的负偏差,根据修正后的风应力计算的拖曳系数整体趋势上与观测值接近.