海浪对海气界面风应力影响的研究进展

海气动量通量(即风应力)作为海气界面的关键物理过程之一,其计算的准确性很大程度上影响着海洋、大气及海气耦合模式的发展与改进。虽然对海气界面风应力的机理研究已逾半个世纪,但由于海气通量是湍流过程,其本身的复杂性以及高质量观测资料的匮乏,风应力的参数化方案仍存在很大不确定性。海浪在这一不确定性中起到了关键作用,其对风应力的影响受到越来越多的关注。因此,本文从风应力矢量角度出发,回顾了海浪对风应力大小和方向影响的研究现状,重点梳理了海气界面风应力领域的最新研究成果和研究进展。最后,给出了未来这一研究方向亟待解决的关键科学问题。

太平洋风应力平均场的特征

本文利用迄今世界上最完善精细的全球综合海洋大气资料集（ＣＯＡＤＳ）提供的风场资料，计算了１９４９—１９８７年近４０年平均网格为５°×５°的太平洋海域逐月风应力场，并分析了各纬度带平均纬向和经向风应力的逐月变化以及１、４、７和１０月的风应力场的分布特征。风应力的计算采用整体空气动力学公式，其中曳力系数的计算是以Ｂｕｎｋｅｒ给出的曳力系数随风和海气温差变化的数表为基础，用最小二乘法，考虑了大气层结热力影响和风切变的动力影响，拟合了一个二次多项式。计算结果表明其精度和实用性都较好。

经向风应力在热带不稳定海气相互作用中的角色

利用简单海气耦合模式,分析了经向风应力和纬向风应力对热带太平洋不稳定海气耦合模态的相对贡献。结果表明:在局地热力平衡假设下,海气相互作用导致了海洋Kelvin波的不稳定,该不稳定模态发生在一定波长范围内,只有纬向风应力对其作出贡献;在海温仅由平流过程决定的假设下,海气相互作用导致了海洋Rossby波的不稳定,该不稳定模态在整个波长范围内都有发生,波长越大,不稳定越强,经向风应力与纬向风应力都可以对海洋Rossby波的不稳定作出贡献,但是前者贡献较小;不稳定Rossby波比不稳定Kelvin波的增长率要小;由于无论哪一种不稳定模态,都是纬向风应力在海气耦合中起着绝对的主导作用,所以在研究热带太平洋海气耦合动力学对ENSO不稳定发展的贡献时,采用忽略经向风应力作用的近似是合理可行的。

南海几种海面风应力资料的比较分析

利用卫星遥感 (ERS1 ,ERS2 )资料、综合海洋大气资料集 (COADS)资料、Hellerman与Rosenstein客观分析资料 ,提取南海海面风应力因子进行比较分析 ,发现遥感资料与其他两种资料相比 ,具有分辨率高、量值合理的特点 ,建议在研究南海海面风应力气候学特征及季节变化规律 ,尤其是中、小尺度涡旋时采用遥感资料。

风应力和科氏力对长江河口没冒沙淡水带的影响

应用改进的三维数值模式ECOM,考虑径流、潮汐潮流、地形、混合和口外陆架环流等多种动力因子,研究风应力和科氏力对枯季长江河口南槽没冒沙淡水带形成的影响.枯季没冒沙区域存在着淡水带,其形成的动力机制主要是长江径流和振荡的潮流.本文的数值计算结果表明,在分叉的长江河口,枯季北风产生向岸的埃克曼输运,导致北港流进南港和南槽流出的水平风生环流,阻挡了南槽外海盐水的入侵,有利于没冒沙水域淡水带的形成.在北半球科氏力使水流运动向右偏转,上游径流带来的淡水沿南汇边滩下泄,有利于没冒沙水域沿岸淡水带的形成.

IAP/LASG海洋环流模式对风应力的响应

为了检验第三代 ＩＡＰ／ＬＡＳＧ全球海洋环流模式在模拟 ２０世纪 ８０年代热带太平洋年际变化方面特别是圆 Ｎｉｎｏ和 Ｌａ Ｎｉｎａ事件的能力，作者使用了三种风应力资料强迫该模式。然后，将模拟的海温同ＮＣＥＰ海洋同化资料相比较。分析表明，在赤道附近，模式对风应力的响应在 ＳＳＴ分布。温跃层的描绘以及突出Ｅｌ Ｎｉｎｏ和 Ｌａ Ｎｉｎａ事件方面同 ＮＣＥＰ海洋同化资料有许多共同点。然而，在描绘１０°Ｎ以北和１０°Ｓ以南的ＳＳＴ异常以及描写季节循环方面，响应是不够精确的。另外。

El Nio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 Ⅱ.模式结果分析

为了分析 ＥＩ Ｎｉｏ事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用，建立一个类似于Ｚｅｂｉａｋ的简单热带海洋数值模式，在观测到的风应力异常的强迫下，模拟赤道太平洋地区 １９７１年１月至 １９９８年８月海表温度异常的变化。结果表明，模式对观测的Ｎｉｏ３区海表温度异常（ＳＳＴＡ）有很好的模拟能力。模拟和观测Ｎｉ区ＳＳＴＡ之间的相关系数可达 ０．９０。模式对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件期间赤道太平洋海表温度异常随时间变化也有较好的模拟能力。为了分析Ｅｌ Ｎｉｏ期间ＳＳＴＡ的空间分布及其随时间变化的动力学机制，还对１９８６～１９８９年 ＥＮＳＯ循环期间赤道太平洋地区观测的 ＳＳＴＡ的传播特征及其形成机制进行了分析。模式较好地模拟出了观测到的赤道太平洋地区ＳＳＴＡ的传播特征，即从１９８６年底至１９８７年 ４月， ＳＳＴＡ具有向东传播的特征，从 １９８７年 ６月至 １９８８年 ２月具有向西传播的特征。动力学分析的结果表明，赤道中西太平洋地区的缔向风应力异常对 Ｅｌ Ｎｉｏ事件的发生和消亡具有重要作用。赤道中西太平洋地区的西风异常可强迫出东传的Ｋｅｌｖｉｎ波，这个东传的 Ｋｅｌｖｉｎ波对正 ＳＳＴＡ的东传起主要作用，当这个东传的

风应力拖曳系数选取对风生流数值模拟的影响

在风生流的形成中风应力起决定性作用,风应力拖曳系数决定了大气与湖泊间的动量传输率。风应力拖曳系数随风速而变化,与水面粗糙度有关。本文采用五种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行水槽风生流和太湖风生流的数值模拟,与将其视为常数情况相比较,发现风应力拖曳系数取为和风速有关的表达式时,计算结果的精度有较明显提高。对比各表达式模拟结果,采用Large and Pond给出的风应力拖曳系数公式的模拟效果为最好。

El Nio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 I.资料诊断和理论分析

通过资料分析，研究了发生在热带西太平洋海表面西风或东风应力异常与ＥｌＮｉｎｏ事件的关系。分析结果表明，对应着ＥｌＮｉｎｏ事件从发生到消亡的过程，热带西太平洋纬向风应力存在着从西风应力异常到东风应力异常的变化，并且在这个过程中，西风应力异常向东传，东风应力异常紧接其后也向东传。本文还根据观测资料的分析结果建立了理想风应力，并利用简单热带海洋模式，对热带西太平洋纬向风应力异常及其东传在ＥＮＳＯ循环中的作用进行了动力学分析，指出了它们在ＥｌＮｉｎｏ事件发生和消亡中起着重要的作用。西风应力异常通过激发出海洋中东传的暖Ｋｅｌｖｉｎ波及其在大洋东边界反射产生的暖Ｒｏｓｓｂｙ波、以及西风应力异常本身东传到赤道东太平洋，引起正的海洋混合层扰动厚度异常，导致了ＥｌＮｉｎｏ事件的发生；而异常东风应力则通过激发出东传的冷Ｋｅｌｖｉｎ波及其在大洋东边界反射产生的冷Ｒｏｓｂｙ波、以及东风应力异常本身东传到赤道东太平洋，引起负的海洋混合层扰动厚度异常，导致了ＥｌＮｉｎｏ事件的消亡。对于热带西太平洋上风应力异常的形式是东部为异常西风应力而其西部为异常东风应力，并且它们同时向东传时，则大洋东部混合层厚度对异常风应力的响应随异常东风和西风?

风应力拖曳系数选取对风暴潮数值模拟的影响

在风暴潮的形成中风应力起决定性作用 ,风应力拖曳系数决定了大气与海洋间的动量传输率。观测结果表明 ,风应力拖曳系数随风速而变化 ,与海面粗糙度有关。文中采用几种与风速有关的风应力拖曳系数表达式进行数值模拟 ,与将其视为常数情况相比较 ,计算结果的精度均有较明显提高。对比各表达式模拟结果 ,采用 Smith(1980 )

热带西太平洋对风应力的斜压响应

发展了一个线性热带西太平洋两层模式 ,分别为混合层和温跃层 ,其密度、温度各不相同 .利用这一模式分析了热带西太平洋对纬圈风应力的响应 ,求出西边界的解 ,以及解析地求得热带西太平洋温跃层厚度、洋流及海温分布 .结果表明 ,热带西太平洋物理量的变异在ElNino LaNina事件中起着重要作用 ,在温跃层中海温变化的振幅明显大于混合层 ,这从理论上支持了近年来的观测事实 .

ENSO对黑潮海区风应力异常影响的初步探讨

利用近50a黑潮海区风应力场与Nino3区海温指数序列进行相关分析后发现,ENSO对黑潮海区经向风应力影响的"关键时段"为秋、冬季至次年初夏时期,对纬向风应力影响的"关键时段"为冬季至次年春季。黑潮海区风应力距平场与赤道中东太平洋SSTA场的扩展SVD分析及相应的合成分析揭示了ENSO期间黑潮海区风应力异常结构的演变:秋季,中国的东海、琉球群岛附近海域首先出现南风应力异常;冬季,吕宋岛以北、台湾以东的海域出现西南风应力异常,其影响范围和强度在次年2月前后达到最强,其后迅速减弱,至5月,风应力异常基本消失。赤道中东太平洋SSTA对黑潮海区经向风应力异常的影响范围较大,强度更显著。

热带西太平洋风应力异常在ENSO循环中作用的数值试验

利用一个中等复杂程度的海气耦合模式来研究热带西太平洋地区风应力异常对ENSO循环的影响，并以1997／1998年的El Nino事件为例，分析了模式结果中热带的太平洋地区风应力异常对El Nino 事件形成影响的动力学及热力学作用。结果表明,热带西太平洋地区的风应力异常对ENSO循环有很重要的作用。在耦合模式中，当热带西太平洋地区的风应力异常由观测给定时,耦合模式基本上可以模拟出自1971年以来的 El Nino事件，观测与模拟的Nino 3区海面温度异常（SSTA）的相关系数可达0.63。赤道西太平洋地区的风应力异常可加强该地区大气的辐合，从而加强了大气的加热场，进而加强了海气相互作用的不稳定。赤道西太平洋地区的风异常激发出来的Kelvin波及水不闻不问El Nino事件初始阶段的发展起重要作用；海气相互作用及东边界的反射对El Nino事件的发展及维持起重要作用。

风应力对热带斜压海洋的强迫

利用一个线性的具有不同密度、温度的热带海洋两层模式,分析了热带西太平洋对纬圈风应力的响应。解析地求得热带西太平洋温跃层厚度、洋流及海温分布。结果表明次表层温度变化明显要比表层海温变化大,同时在大洋西部次表层发展起来的扰动向东传播能引起海温分布形态的异常。理论结果支持观测己表明的热带西太平洋物理量的变异在ElNino/La Nina事件中起着重要作用的事实。

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。

热带西太平洋对风应力响应的动力学

应用一个线性等值浅水模式，在低频近似下研究了热带大洋西部对风应力响应的动力过程。指出，由于西边界将激发出振幅大的Ｋｅｌｖｉｎ波，以及激发出能形成动力边界层结构的Ｒｏｓｓｂｙ短波，这种结构使来自风应力的能量可在边界附近聚集和维持，并向东传播，表明了热带西太平洋对Ｅｌ Ｎｉｏ（Ｌａ Ｎｉａ）事件的形成和发展较热带东太平洋更为重要，因为后者只激发非色散的 Ｒｏｓｓｂｙ长波。一个重要的观点是：热带西太平洋发展成Ｅｌ Ｎｉｏ的初始暖海温距平是在强烈东风应力作用下形成的，当大气改吹西风时，暖的温度距平只是向东传播及进一步发展而已，而西风恰恰是形成 Ｌａ Ｎｉａ事件的前期动力。另一个结果是当风应力停止作用于海洋后，海洋边界上的经圈流仍随时间呈正比的发展，这一类不稳定性的发现加强了对热带酉太平洋在Ｅｌ Ｎｉｏ（Ｌａ Ｎｉａ）发展中作用的认识。

赤道太平洋区域风应力与海表温度年际异常的奇异值分解

用向量场奇异值分解方法分析了赤道太平洋区域风应力场与海表温度场年际异常的相关联系．结果表明，最主要的一对奇异向量与ＥＮＳＯ循环关系密切，其主要特征为赤道中、东太平洋风应力向赤道的异常辐合（辐散）与该区的ＳＳＴ异常升高（降低）准同步变化．对７０和８０年代的４次ＥｌＮｉｎｏ事件中标准化风应力异常场的分析表明，它们均表现出赤道中、东太平洋的辐合．这一结果可能比用信风张弛描述ＥＮＳＯ循环中的环流异常更合理和更具代表性．

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(?

海面风应力拖曳系数参数化方案对风暴潮数值模拟的影响

为了比较不同的海面风应力拖曳系数参数化方案在风暴潮数值模拟中的效果,采用9种不同的风应力拖曳系数参数化方案对湛江附近海域15个热带气旋风暴潮进行数值模拟。模拟结果表明,不同风应力拖曳系数参数化方案对热带气旋风暴潮增水最大值的数值模拟效果不完全相同,在风暴潮数值模拟中要选择合适的风应力拖曳系数参数化方案;文中Smith(1980)、Yelland和Taylor(1998)风应力拖曳系数参数化方案增水最大值模拟的误差较小,这也说明两种参数化方案在风暴潮数值模拟中外推到热带气旋高风速范围内是可行的。另外,数值模拟结果也表明,在选择合适海面风应力参数化方案情况下,文中采用的风暴潮模式对强热带气旋增水的数值模拟效果较好。

基于微波散射计观测的气候态海面风场和风应力场

收集了星载微波散射计NSCAT,QuikSCAT和SeaWinds on ADOES-II的全球海面风速和方向L2B数据,数据涉及的时间序列长度为11.5 a。通过对所收集数据的质量控制、Loess低通空间滤波和统计处理,构建了气候态的逐月全球海面风场、风应力场和风应力旋度场(简称为SCAT),其空间网格间距为0.25°×0.25°。SCAT资料与其他有关资料相比,包含了更丰富的海面风场中小尺度空间变化的信息,可广泛应用于海洋、气候、海气相互作用等方面的研究,特别适合应用于海洋中小尺度过程的研究。作为我国"海洋二号"("HY-2")卫星预研项目的成果之一,SCAT资料将由国家海洋局国家卫星海洋应用中心提供给有关用户。