海-气界面动量通量的估计方法分析与应用.pdf

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1、第３６卷第９期海洋学报Ｖｏ．ｌ３６，Ｎｏ．９２０１４年９月ＡＣＴＡＯＣＥＡＮＯＬＯＧＩＣＡSＩＮＩＣＡSｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１４邹仲水，赵栋梁，黄健，等．海－气界面动量通量的估计方法分析与应用［Ｊ］．海洋学报，２０１４，３６（９）：７５—８３，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１４．０９．００９ZｏｕZｈｏｎｇｓｈｕｉ，ZｈａｏＤｏｎｇｌｉａｎｇ，HｕａｎｇＪｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒａｉｒ-ｓｅａｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｍｅｎｔｕｍｆｌｕｘ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｃｅａｎｏｌｏｇ

2、ｉｃａSｉｎｉｃａ（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２０１４，３６（９）：７５—８３，ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-４１９３．２０１４．０９．００９海－气界面动量通量的估计方法分析与应用邹仲水１，２，赵栋梁１，２，黄健３，李水清１，２，马昕１，盛立芳２（１．中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东青岛２６６００３；２．中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛２６６１００；３．中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州，５１００８０）摘要：首次将经验模态分解方法引入湍流稳定性分析，与传统的线性和滑动平均去势方法进行了比较，发现经验模态分解方法的去势效果最好。基于“南海平台通量观测计划

3、”（FＯPSＣS）近两年的连续通量观测数据，得到了２２４７６个摩擦速度的估算值，结果表明，当风速小于５ｍ／ｓ时，拖曳系数随风速增大而减小，而风速大于５ｍ／ｓ时，拖曳系数随风速增大而增大，两种情形分别反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形状阻力对海面风应力的贡献。同时发现短风区情形的拖曳系数大于长风区情形，说明波浪成长状态会对海－气界面动量交换产生影响。关键词：拖曳系数；块体公式；去势方法；摩擦速度中图分类号：P７３２．６文献标志码：Ａ文章编号：０２５３-４１９３（２０１４）０９-００７５-０９性稳定情形下，平均风速廓线可以写成：１引言u*zUz＝ｌｎ（），（２）大气和海洋之间的相互作用主要通

4、过海－气界κz０式中，U为海面上高度z处的平均风速，u为空气面的动量、热量和气体交换进行，如何准确估计各种z*不同的通量一直是热点研究问题，在气候变化和气候摩擦速度，κ＝０．４为ｖｏｎKｒｍｎ常数，z０为海面粗糙度。空气摩擦速度与风应力的关系为τ＝２，为预报中占非常重要的地位。ρａu*海气界面的动量通量常用风应力τ来表示，依据计算方便，通常用海面上１０ｍ高度处的平均风速定涡相关法，其定义为：义拖曳系数Cｄ：２２１／２，（１）２τ＝ρａ［（u′w′）＋（v′w′）］Cｄ＝（u*／U１０）．（３）式中，ρａ为空气密度，u′、v′和w′为水平和铅直方向在实际应用中，风应力通常利用下面的块

5、体公式湍流的脉动值，上横线代表一段时间的平均值。利用进行计算，即：上式计算风应力，需要观测不同时间和空间的湍流脉２（４）τ＝ρａCｄU１０．动，给实际应用带来非常大的困难。一般认为，拖曳系数与海上物理环境参数有关，根据大气边界层相似理论，海面附近的动量通量如海上风速、大气稳定度和波浪成长状态等。大量的近似为常量，平均风速随高度以对数形式变化，在中研究发现，拖曳系数主要受控于海上风速，一般表示收稿日期：２０１３-１０-１５；修订日期：２０１４-０１-１５。基金项目：国家重点基础研究发展计划９７３项目（２００９ＣB４２１２０１）；国家自然科学基金项目（４１０７６００７，４１２７６０１５，４

6、１２７６００９）；公益性行业（气象）科研专项（ＧＹHＹ２００９０６００８）；教育部博士点基金专项项目（２０１２０１３２１１０００４）。作者简介：邹仲水（１９８９—），男，山东省莱芜市人，主要从事海气界面通量研究。Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｏｕｚｈｏｎｇｓｈｕｉ＠１２６．ｃｏｍ７６海洋学报３６卷［１］为风速的线性函数，即：达两年的连续通量观测数据，给出了近海拖曳系数Cｄ＝（a＋bU１０）×１０－３，（５）随风速变化的参数化公式，探讨了风区对拖曳系数式中，系数a和b由观测数据拟合得到，不同作者给的影响。出的结果差异较大（表１），而当风速很低时，有观测发［２—４］２观测数据现拖曳系数随风速增大而减小。

7、除风速外，波浪状态如何影响拖曳系数一直存在争议［１，５—８］，至今尚为了探讨大气海洋相互作用，研究大气边界层的无统一的观点。特征，广州热带海洋气象研究所在广东茂名博贺近海建成了我国第一个海上综合观测平台（见图１），海面表１不同文献中系数a、b的值上平台总高度５３ｍ，距海岸线最近距离大约６．５ｋｍ，Tab．１Thecoefficientaandbatdifferentreference平台处平均水深１４ｍ，具体结构和仪器设备参照陈文献ab［１９］