賀 赟,孫即霖＊＊,黃 健,石 強

(1.中國海洋大學物理海洋實驗室海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100; 2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州510080;3.國家海洋局北海分局,山東青島266033)

不同天氣系統(tǒng)影響下塊體動力學法計算海氣通量的誤差估計

賀 赟1,孫即霖1＊＊,黃 健2,石 強3

(1.中國海洋大學物理海洋實驗室海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100; 2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州510080;3.國家海洋局北海分局,山東青島266033)

本文利用2006年3～5月珠江口的海氣熱通量觀測資料,結合NCEP再分析資料,分析了塊體動力學在不同天氣系統(tǒng)影響下計算海氣熱通量的特點,以及相對較準確的渦旋相關法的相對誤差估計。結果表明,在海面為相對低壓控制區(qū)域時,塊體動力學計算的通量異常偏低,相對誤差約為潛熱通量95.8%;感熱通量205.8%;在高壓控制下,計算有所高估,相對誤差約為潛熱通量275.6%;感熱通量156%。因此,利用塊體法計算海氣通量時,應注意根據(jù)不同天氣系統(tǒng)特點對塊體通量系數(shù)進行調整。

海氣熱通量;塊體動力學法;渦旋相關法;相對誤差

海氣界面的通量交換是實現(xiàn)海洋和大氣相互作用中最重要的環(huán)節(jié)。海氣界面處的感熱通量、潛熱通量以及輻射通量影響海洋上混合層乃至季節(jié)溫躍層變化,并影響海洋上層海水的運動以及海水溫鹽分布結構。因此,海氣界面通量的確定對海氣相互作用研究方面具有非常重要的科學意義。

目前使用較普遍的海氣通量計算方法分直接的和間接的2種:直接法由響應快速的超聲風、溫、濕傳感器測量三維風速、溫度和濕度,使用渦旋相關法直接計算通量,這種方法的優(yōu)點是計算精度很高,可以反應很短時間內湍流變化的物理過程[1]。雖然被認為是最可靠的方法,但其缺點是所用儀器精密、昂貴,感應頭過于靈敏,比較容易受外界不確定性因素影響,比如降水、沾染異物、自身晃動都會造成觀測誤差。間接法是用常規(guī)的海上氣象觀測儀器獲取的風速、溫度、濕度,以及表層海水溫度的平均值,使用塊體動力學方法[2-3],利用COARE(版本3.0)算法間接計算感熱、潛熱和動量通量等。這種方法的優(yōu)點是觀測儀器價格低,使用方便,受環(huán)境因素影響較少,至今仍用于處理船和浮標數(shù)據(jù),得到的數(shù)據(jù)結果也作為數(shù)值模型的邊界條件。但缺點是數(shù)據(jù)測量時間尺度較長,不能細致的反應湍流本身的變化。對于這種計算方法,其結果有時與直接法差別非常大[4-5],那么具體的是海面上哪種情況導致了塊體動力學方法在計算中產生的誤差大?如何減少塊體動力學法計算的誤差,使其結果更加真實可靠都是急需解決的問題。

1 資料的來源與方法

本文使用的資料是從位于珠江口獲取的2006年3～5月的觀測資料,該資料采用10 m觀測鐵塔上的快速響應CAMPBELL CSAT3超聲風溫儀Li-cor 7500水汽/二氧化碳分析儀觀進行風速、溫度和水汽脈動觀測。對該資料分別采用渦旋相關法和塊體動力學方法計算湍流感熱和潛熱通量。結合美國國家環(huán)境預測中心及國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的2.5(°) ×2.5(°)海平面高度場日平均再分析資料以及FNL的6h 925 hPa垂直速度場資料進行分析。

其中,使用渦旋相關法計算感熱通量(H)和潛熱通量(λE)的公式如下:

式中ρ為空氣密度;w′為垂直風速脈動;T′為溫度脈動;q′為比濕脈動;Cp為定壓比熱,一般取值為1 004.67 J·kg-1·℃-1;λ為水的汽化潛熱,一般取值2.5×106J·kg-1。

塊體動力學方法基于Monin-Obukhov相似理論[6-7],COARE 3.0是國際上基于此理論的較為先進的塊體動力學計算通量的方法。

其中定義的湍流參數(shù)u＊,q＊,θ＊分別是摩擦速度、特征比濕和特征溫度,潛熱通量和感熱通量為:

湍流交換系數(shù)定義:

其中CE,CH分別是水汽和熱量交換系數(shù)。S是近海面風速(在此不考慮海表流速),qs和qa分別是海表和近海面空氣比濕,Ts和Ta分別是海表和近海面空氣溫度,因此,潛熱和感熱通量的計算公式為:

L H=ρaLvCES(q＊-qa), S H=ρaCPCHS(Ts-Ta)

對于不同的觀測方式,不同的計算方法,其結果差別非常大,但由于渦旋相關法在描述湍流的空間以及時間結構上所擁有的巨大優(yōu)勢,能較好的刻畫湍流通量的變化[8]。本文中以渦旋相關法的計算結果為參考標準,進而衡量傳統(tǒng)的塊體動力學法在計算近海海-氣湍流熱通量方面的特點以及不足之處。文中的相對誤差(RE)是指塊體動力學法相對渦旋相關法計算結果的誤差。公式如下:

其中Afg代表塊體法計算的通量,Aec代表渦動相關法計算的通量。

2 南海通量觀測結果的分析

選取3月14～5月15日的觀測結果,將2種觀測資料按逐小時平均來計算通量。剔除記錄中明顯錯誤的異常偏大或偏小值、斷點,以及降水等影響渦動相關法觀測的數(shù)據(jù)。塊體法使用資料為常規(guī)觀測儀器中近海面的2 min平均風速,1 min平均氣溫,1 min平均相對濕度和1 min平均氣壓。

由于儀器對環(huán)境敏感,對10Hz數(shù)據(jù)進行方差檢驗,通過WPL坐標旋轉的方法來訂正觀測平臺儀器傾斜造成的影響[9]。為檢驗結果的準確性,利用該湍流觀測資料進行譜分析,對資料進行抽樣檢驗,發(fā)現(xiàn)垂直風速擾動譜分布都滿足f-2/3次律[10](見圖1)。說明用渦旋相關法來計算湍流通量真實可信,可以用來檢驗塊體動力學方法計算結果的準確程度。

圖1 抽樣檢驗站位觀測資料的垂直風速功率譜斜直線代表f-2/3Fig.1 Turbulence w power spectrums at the survey station, with straight lines forf-2/3

圖2 2種方法計算的潛熱通量和感熱通量Fig.2 The latent heat flux and sensible heat flux calculated by two method

采用塊體動力學法計算結果如圖所示(見圖2)。與渦旋相關法的差別主要存在2種情況: (1)塊體動力學法計算結果比直接渦動相關法計算結果小:對比中發(fā)現(xiàn),在3月22～25日,4月1～8日,24～29日,5月8～13日,采用塊體動力學法計算的潛熱通量相比渦旋相關法偏小,而且在感熱通量的計算上, 2種結果出現(xiàn)正負相反的情況較為明顯。從其對應的中小尺度天氣過程和可以影響海面熱狀況的小尺度渦旋和對應的動力條件-垂直運動等原理中,發(fā)現(xiàn)存在著一些明顯的特征,首先是海平面氣壓場(見圖3):

圖3 3月22～23日,4月4～5日,24～27日,5月8～9日觀測站附近的海平面氣壓場(hPa)Fig.3 Surface pressure(hPa)at the survey station on March 22～23,Apr 4～5,24～27 and May 8～9

圖4 3月22～23日,4月4～5日、24～27日,5月8～9日觀測站上空925hPa的垂直速度場(Pa/s)Fig.4 Vertical velocity(Pa/s)on 925 hPa over the survey station on March 22～23,Apr 4～5,24～27 and May 8～9

在這些觀測時間里,觀測點位置處海平面高度場的特點是多處于高壓后部、低壓前部,或是低壓控制區(qū)域,925 hPa層上升運動較強。有助于小尺度湍流的發(fā)展,并且風向多為從海上吹來,水汽變化明顯。由于低渦運動帶來的水汽方面的變化正是渦旋相關法計算的敏感因素。所以在這期間,使用渦旋相關法計算的潛熱通量和感熱通量都非常顯著。同時,這種天氣情況下,使用塊體動力學方法從計算原理上較難對這種情況做出較快的響應,計算結果偏低。在這種情況下,塊體動力學法與渦旋相關法的相對誤差約為潛熱通量95.8%;感熱通量205.8%。

(2)塊體動力學法的結果比渦旋相關法大:與前1種情況相反,在3月15～16日、4月13～18日期間,采用塊體法計算的通量較大,尤其是潛熱通量。在此期間,對應的天氣情況也有一些特征,首先海平面氣壓場(見圖5):

圖5 3月15～16日、4月13～16日觀測站附近的海平面氣壓場(hPa)Fig.5 Surface pressure(hPa)at the survey station on March 15～16,Apr 13～16

圖6 3月15～16日、4月13～16日觀測站上空925hPa的垂直速度場(Pa/s)Fig.6 Vertical velocity(Pa/s)on 925 hPa over the survey station on March 15～16,Apr 13～16

與第1種情況相反,在觀測期間,觀測站點往往都是處在高壓內部,甚至高壓脊等較明顯的高壓控制區(qū)域里,但其平均氣溫偏低,從925hPa層垂直運動上看,存在著較弱的下沉運動。這種冷高壓的天氣條件,不利于海面上較小尺度的渦旋的發(fā)生、發(fā)展,由于風向并不是從海上吹來,攜帶水汽較少,這種情況下塊體動力學方法計算的潛熱通量會明顯高估。在這種情況下,塊體動力學法與渦旋相關法的潛熱通量相對誤差約為275.6%;感熱通量相對誤差約為156%。

3 結語

當海氣通量觀測的站點位置處于高壓后部、低壓前部,或是低壓控制區(qū)域,925 hPa層的上升運動較強,風向主要從海面吹向陸地時,使用塊體動力學方法的計算結果異常偏低。在本文的個例中,與渦旋相關法的潛熱通量相對誤差約為95.8%;感熱通量相對誤差約為205.8%。所以在該天氣系統(tǒng)特征的海面熱通量觀測中,應該調整水汽和熱量交換系數(shù),相應的增大塊體法的計算結果,使其更接受真實值。

在觀測站點處在高壓內部、高壓脊等較明顯的高壓天氣系統(tǒng)控制區(qū)域,925 hPa存在下沉運動,使用塊體動力學法計算的結果可能明顯高估。本文個例中,與渦旋相關法的相對誤差約為潛熱通量275.6%;感熱通量156%。應該通過調整水汽和熱量交換系數(shù),減小塊體法獲得的熱通量結果,使之更為接近實際。

根據(jù)本文的發(fā)現(xiàn),利用塊體法計算海氣通量時,應注意根據(jù)不同天氣系統(tǒng)特點對塊體通量系數(shù)進行調整,以得到更為接近真實的結果。

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Abstract: This paper analyzed the air-sea heat flux on Maoming observation platform in the South China Sea,and NCEP re-analyzed data,studied the features of flux gradient method in different weather system and found out the relative error compared with eddy correlation method.The results showed that the airsea heat flux was small in low pressure region,and it was larger than that in high pressure region by flux gradient method.The relative error was concerned with wind speed and temperature difference between air and sea by flux gradient method in long time scale research.

Key words: air-sea heat flux;flux gradient method;eddy correlation method;relative error

責任編輯 龐 旻

Estimation Error of Air-Sea Flux by Bulk Method in Different Weather Systems

HE Yun1,SUN Ji-Lin1,HUANGJian2,SHI Qiang3
(1.Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Ocean University of China, Qingdao 266100,China;2.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology,CMA,Guangzhou 510080,China;3. North China Sea Branch of the State Oceanic Administration,Qingdao 266033,China)

P47

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-016-07

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY200906008);國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2005CB422301);國家自然科學基金項目(40676012);908項目(908-ZC-Ⅰ-01)資助

2010-04-27;

2010-06-13

賀 赟(1984-),男,碩士生。

E-mail:sunjilin@ouc.edu.cn