史 劍 蔣國(guó)榮

(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101;2.解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210007)

海面粗糙度是海氣界面過程研究的重要參數(shù),準(zhǔn)確地估計(jì)海面粗糙度對(duì)模擬和預(yù)報(bào)海洋、大氣環(huán)境要素和現(xiàn)象非常重要。波浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度產(chǎn)生影響,由于測(cè)量的局限性,海浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響研究起初在中低風(fēng)速條件下開展(Guan et al,2004;Shi et al,2011)。目前,運(yùn)用在海浪數(shù)值模式和通量算法中的海面粗糙度均為中等風(fēng)速條件下得出(Tolman et al,1996;Fairall et al,2003;Smith et al,2014)。Charnock(1955)在空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的基礎(chǔ)上提出了無量度粗糙度,或稱 Charnock數(shù),科學(xué)家們經(jīng)過研究認(rèn)為 Charnock數(shù)與風(fēng)浪狀態(tài)有密切的關(guān)系,但該類型海面粗糙度考慮風(fēng)浪狀態(tài)的參數(shù)化方案一直存在爭(zhēng)論,Donelan(1990)和 Drennan等(2003)認(rèn)為Charnock數(shù)隨波齡的增加而減小,而 Toba等(1990)認(rèn)為Charnock數(shù)隨波齡的增加而增大。

此外,采用何種風(fēng)浪參數(shù)對(duì)中等風(fēng)速條件下的海面粗糙度進(jìn)行參數(shù)化也存在一定爭(zhēng)議,Masuda等(1987)提出用波齡對(duì)無量綱粗糙度進(jìn)行參數(shù)化,Taylor等(2001)提出了一個(gè)新的利用波陡參數(shù)的無量綱粗糙度參數(shù)化方案。最近,Guan等(2004)認(rèn)為相對(duì)波齡、波陡參數(shù)能更好地描述中低風(fēng)速下拖曳系數(shù)。Shi等(2011)利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室和外海測(cè)量數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了各種風(fēng)浪參數(shù)對(duì)海面拖曳系數(shù)的參數(shù)化能力。可見,風(fēng)浪狀態(tài)與中等風(fēng)速下海面粗糙度之間的確存在關(guān)系,但其關(guān)系的確定性存在爭(zhēng)議,特別是采用何種風(fēng)浪參數(shù)還需進(jìn)一步的研究。

隨著風(fēng)速增加,海面產(chǎn)生飛沫水滴,影響海氣界面處各種物理過程(Zhao et al,2006;趙棟梁,2012;史劍等,2013;Soloviev et al,2014)。Powell等(2003)指出海面粗糙度在風(fēng)速大于 40m/s時(shí)粗糙度的值相對(duì)Charnock(1955)的值小。Moon等(2007)采用海浪邊界層模式來研究臺(tái)風(fēng)條件下海浪對(duì)海氣動(dòng)量通量的影響,結(jié)果表明風(fēng)速大于30m/s時(shí)海面粗糙度的值小于颶風(fēng)模式中的值。高風(fēng)速下海浪狀態(tài)依然影響著海面粗糙度,Shi等(2009)利用新的飛沫生成函數(shù)重新計(jì)算了海氣界面的動(dòng)量通量,指出在風(fēng)速大于30m/s時(shí)海氣之間的動(dòng)量通量依然受海浪狀態(tài)的影響。劉斌(2007)推導(dǎo)出高風(fēng)速下依賴波齡的海面粗糙度參數(shù)化方案,并指出 Powell等(2003)和 Donelan等(2004)測(cè)量的高風(fēng)速下海面拖曳系數(shù)和粗糙度值相對(duì)離散,這主要是風(fēng)浪引起。因此,在高風(fēng)速條件下風(fēng)浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響不可忽視。

1 海面粗糙度參數(shù)化方案

1.1 中等風(fēng)速下海面粗糙度參數(shù)化方案

Charnock數(shù)為常數(shù)意味著海面粗糙度只與風(fēng)速有關(guān)(Charnock,1955),即只考慮了風(fēng)向海洋中輸入能量,而忽略了構(gòu)成海表面粗糙元的風(fēng)浪。自由海面風(fēng)浪的起伏,影響貼近海表面的空氣動(dòng)力場(chǎng),改變海氣界面處的動(dòng)量通量。因此,不僅海面風(fēng)速會(huì)影響海面粗糙度,風(fēng)浪狀態(tài)同樣會(huì)影響海面粗糙度的大小。

Masuda等(1987)提出了關(guān)于Charnock數(shù)與波齡關(guān)系的一種簡(jiǎn)單的廣義形式,

研究者們指出式(1)存在自相關(guān)效應(yīng)(Drennan et al,2003,Shi et al,2011),因?yàn)樵诜匠虄蛇吘嬖谀Σ了俣萿*,并且摩擦速度u*的變化要比Cp的變化快,所以該方程表示的波齡隨無量綱粗糙度變化趨勢(shì)很有可能主要是u*的變化造成的。為了克服這種由于摩擦速度u*產(chǎn)生的缺點(diǎn),Donelan(1990)提出了一個(gè)新的參數(shù)-均方根波高σ來無量綱化海面粗糙度,

另有研究者利用有效波高Hs變量來無量綱化海面粗糙度(Drennan et al,2003),

在式(2)和式(3)中,在采用均方根波高和有效波高對(duì)海面粗糙度進(jìn)行無量綱化時(shí),由于波高隨著波齡的增加而增加,則無量綱粗糙度必定會(huì)隨波齡的增加而減小,因此,無量綱海面粗糙度隨波齡的變化中波高起到了一定的作用。

Taylor等(2001)提出了一個(gè)新的無量綱粗糙度參數(shù)化方案,該方案利用波陡進(jìn)行參數(shù)化,

其中,Lp是海浪譜峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),為風(fēng)浪參數(shù)波陡,常以δ表示。

式(4)依然利用有效波高對(duì)海面粗糙度進(jìn)行參數(shù)化,公式兩邊均存在有效波高參數(shù),存在自相關(guān)效應(yīng),也就是說,Taylor等(2001)提出的由波高無量綱化的粗糙度隨波陡參數(shù)的變化中波高也有貢獻(xiàn)。對(duì)(2)、(3)和(4)式的分析表明,由波高對(duì)粗糙度進(jìn)行無量綱化均可能存在虛假的自相關(guān)效應(yīng)。

綜上所述,風(fēng)浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響是客觀存在的,但無量綱海面粗糙度和風(fēng)浪參數(shù)的參數(shù)化關(guān)系存在諸多不完善,為避免自相關(guān)效應(yīng)的影響,本文建議海面粗糙度參數(shù)化方案采用式(5),

由于式(5)左右兩邊沒有完全相同的參數(shù),以該形式進(jìn)行海面粗糙度參數(shù)化,不存在自相關(guān)效應(yīng)。

1.2 高風(fēng)速條件下海面粗糙度參數(shù)化方案

Makin(2005)給出了適用于高風(fēng)速條件下的海面粗糙度,

其中 c=gh/ u*2與飛沫層厚度 h有關(guān)的參數(shù),可看作無量綱的飛沫層厚度,α為Charnock數(shù),ω為飛沫層中對(duì)數(shù)風(fēng)廓線的修正參數(shù),ω =1時(shí)說明飛沫對(duì)海面粗糙度無影響,ω越小則飛沫層對(duì)海面粗糙度的影響越大。將式(5)中 Charnock數(shù)代入式(6)中,可以得到考慮波陡影響的海面粗糙度,

Makin(2005)認(rèn)為飛沫層厚度 h為有效波高的十分之一,于是,

引入Toba(1972)的3/2指數(shù)律關(guān)系,

結(jié)合式(8)、(9)和(10),得到風(fēng)浪條件下c與波陡參數(shù)之間的關(guān)系,

由此,可得到能夠適用于高風(fēng)速條件下的,考慮風(fēng)浪狀態(tài)影響的海面粗糙度參數(shù)化方案,

式(12)充分考慮了飛沫懸浮層影響,是式(6)在高風(fēng)速條件下的應(yīng)用,下一節(jié)中將利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)式(12)中考慮波陡參數(shù)影響的 Charnock數(shù)α(δ)進(jìn)行參數(shù)化,并確定ω的取值,從而得到適于高風(fēng)速條件下的海面粗糙度的具體表達(dá)形式。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)化海面粗糙度

為了確定(12)式中的α(δ)的具體形式,本文選取實(shí)驗(yàn)室和外海測(cè)量數(shù)據(jù)9個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行參數(shù)化,來自實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)有Hamada(1963)、Toba(1972)、Kunish(1963)、Kunish等(1966)、Banner等(1998),來自外海觀測(cè)數(shù)據(jù)有 Kastaros等(1992)、Geernaert等(1986)、Janssen(1997)、Johnson等(1998)。利用最小二乘法對(duì)資料進(jìn)行分析處理,如圖1所示。

圖1 無量綱海面粗糙度 gz0 /u*2與波陡參數(shù)δ的關(guān)系Fig.1 Relationship between dimensionless sea surface roughness gz0 / u *2 and wave slope parameter δ

經(jīng)過分析,得到無量綱粗糙度 gz0/u*2與波陡參數(shù)δ的參數(shù)化關(guān)系式為,

式(13)為中等風(fēng)速下的無量綱粗糙度參數(shù)化方案,由公式可知無量綱海面粗糙度隨著波陡的增加而減小,文中將該方案簡(jiǎn)稱為S15M。為了檢驗(yàn)S15M參數(shù)化方案的準(zhǔn)確程度,以下將利用塊體算法 COARE(Fairall et al,2003)和FETCH試驗(yàn)數(shù)據(jù)(Drennan et al,2003)對(duì)式(13)計(jì)算的摩擦速度進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)中利用 COARE算法中集成的 Taylor等(2001)(簡(jiǎn)稱T01)、Oost等(2002)(簡(jiǎn)稱 O02)提出的兩種依賴風(fēng)浪狀態(tài)的海面粗糙度參數(shù)化方案進(jìn)行比對(duì),以評(píng)估S15M計(jì)算海氣通量的效果,其中,T01方案具體形式如下,

O02方案的具體形式如下:

圖2顯示了COARE算法采用三種無量綱粗糙度參數(shù)化方案計(jì)算出的海面摩擦速度與測(cè)量值的散點(diǎn)對(duì)比情況。從圖中可初步判斷,O02方案計(jì)算出的結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相差最大,T01和S15接近。

圖2 計(jì)算出的海面摩擦速度(實(shí)線)與測(cè)量得到的海面摩擦速度(×號(hào))的對(duì)比Fig.2 Calculation (solid line)and observation (symbol ×)of sea surface friction velocity

為了定量分析計(jì)算結(jié)果的誤差,本文選擇三個(gè)統(tǒng)計(jì)誤差進(jìn)行分析,即均方根誤差 Root Mean Square Error(RMSE)、平均絕對(duì)誤差 Mean Absolute Error (MAE)、平均相對(duì)誤差Mean Relative Error(MRE),以及相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient (CC),如表1所示,RMSE表示為ERMSE,MAE表示為EMAE,MRE表示為EMRE,CC表示為R。

其中,iA是Bi的估計(jì)值。

表1 COARE算法采用三種無量綱海面粗糙度方案計(jì)算出的海面摩擦速度的誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of error in sea surface roughness friction velocity calculated by COARE algorithm in three dimensionless sea surface roughness schemes

表 1列出三種海面粗糙度計(jì)算出的海面摩擦速度值誤差,其中下劃線表示為三個(gè)方案中最優(yōu)結(jié)果。由表可知三種誤差S15M方案表現(xiàn)最好,而它的相關(guān)系數(shù)較 O02方案差,但 O02方案的其他三種誤差均最差。因此認(rèn)為,S15M方案總體上要比COARE算法中的O02和T01更加適合計(jì)算海氣之間動(dòng)量通量。

2.2 高風(fēng)速下海浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響

將參數(shù)化得到的式(13)代入式(12),可以得到適用于高風(fēng)速下的海面粗糙度具體表達(dá)形式,

現(xiàn)將式(20)簡(jiǎn)稱為S15H方案,S15H方案充分考慮了波陡對(duì)海面粗糙度的影響,其中ω函數(shù)來源于Barenblatt(1979)的理論,當(dāng)風(fēng)速較高時(shí),海面上方由于飛沫水滴的存在會(huì)形成一個(gè)飛沫懸浮層,該飛沫懸浮層中的風(fēng)速分布可表達(dá)為,

Makin(2005)認(rèn)為ω= min（1,acr/κu*）,acr是 指在飛沫水滴開始對(duì)海面粗糙度產(chǎn)生影響時(shí)的飛沫水滴下落末速度,其根據(jù)Powell等(2003)的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定其估計(jì)值為 0.64m/s,Makin(2005)認(rèn)為這是一個(gè)貌似合理的值,因?yàn)樵撝祵?duì)應(yīng)的僅僅是初始半徑為80μm的飛沫水滴。為增強(qiáng)acr取值的理論支撐,本文采用 Andreas(1990)給出的飛沫水滴在接近海面時(shí)的下落末速度與飛沫水滴初始半徑的關(guān)系式(23)計(jì)算acr,

其中,r0是飛沫初始半徑,ρs是海水密度,ρa(bǔ)是大氣密度,νa=1.5× 10-5m2/s是空氣運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)。采用牛頓迭代法對(duì)水滴接近海面時(shí)的下落末速度與水滴初始半徑的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)飛沫水滴初始半徑為 80μm時(shí),可以得到acr的值為 0.72m/s。由此可以得到S15H方案的完整表達(dá)形式。

圖3顯示了不同波陡條件下海面粗糙度z0隨摩擦速度u*的變化情況,圖中帶有誤差條的圓圈數(shù)值由Powell等(2003)中的圖3a和圖3b得來,考慮圖3a中風(fēng)速對(duì)應(yīng)的摩擦速度值誤差相對(duì)較小,在處理過程中暫不考慮這種誤差帶來的影響。由圖3可知,Makin(2005)提出的粗糙度參數(shù)化方案沒有考慮風(fēng)浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響,式(20)在此基礎(chǔ)上有了改進(jìn),在不同波陡條件下基本能夠涉及Powell等(2003)的實(shí)測(cè)海面粗糙度值的覆蓋范圍,說明式(20)充分考慮了波浪狀態(tài)的影響。海面粗糙度在摩擦速度為1.8m/s,對(duì)應(yīng) Powell等(2003)測(cè)量的風(fēng)速約為 33m/s左右時(shí),之后由于飛沫作用隨著風(fēng)速的增加,導(dǎo)致海面粗糙度開始減小。

值得注意的是,在出現(xiàn)粗糙度最大值之前,若風(fēng)速確定,海面粗糙度隨著波陡的增加而減小;在粗糙度最大值之后,若風(fēng)速一定,經(jīng)過一個(gè)狹窄的過渡區(qū),海面粗糙度隨著波陡增加而增大。由于波陡和波齡存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,這一現(xiàn)象也可以用對(duì)應(yīng)的波齡解釋。

圖3 海表面粗糙度與海面摩擦速度的關(guān)系。各彩色實(shí)線為不同波陡時(shí) S15H方案的值,黑色實(shí)線為 Makin(2005)的值,帶有誤差條的圓圈為 Powell等(2003)測(cè)量值Fig.3 Relationship between sea surface roughness and sea surface friction velocity.Color lines represent the S15H results of different wave slopes;black line indicates the roughness in Makin(2005).The cycles with error bar represent the observational data in Powell et al (2003)

2.3 海面粗糙度對(duì)臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬影響

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)S15H參數(shù)化方案的適用性,將該方案加入到海浪數(shù)值模式 WAVEWATCH III(Tolman et al,1996)中進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪模擬。選取的個(gè)例為2004年的颶風(fēng)Ivan。Ivan生存時(shí)間較長(zhǎng)、路徑復(fù)雜,選取其由南向北經(jīng)過墨西哥灣的時(shí)段進(jìn)行研究。如圖4所示,Ivan在2004年9月14日0時(shí)左右進(jìn)入墨西哥灣,16日8時(shí)左右登陸美國(guó)。

用以驗(yàn)證模擬的臺(tái)風(fēng)浪要素的數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心 National Data Buoy Center(NDBC)提供的浮標(biāo)資料,由于部分公開的浮標(biāo)站在2004年9月14日至2004年9月16日期間較多數(shù)據(jù)缺測(cè),因此僅選取42019、42036、42038、42039四個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖4所示,五角星所示為這 4個(gè)浮標(biāo)的具體位置,它們分布在颶風(fēng)移動(dòng)路徑的兩側(cè)。

圖4 颶風(fēng)Ivan的移動(dòng)路徑和浮標(biāo)位置Fig.4 The trajectory of Hurricane Ivan and the buoy (stars)locations

本文采用美國(guó)颶風(fēng)研究部 Hurricane Research Division (HRD)熱帶氣旋觀測(cè)系統(tǒng)的高分辨率風(fēng)場(chǎng),該風(fēng)場(chǎng)時(shí)間分辨率為3—6h,空間分辨率為6km×6km,該數(shù)據(jù)已被Moon等(2007)、Fan等(2009)證明該臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)不存在被低估的現(xiàn)象,但該風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)覆蓋的范圍僅為圍繞臺(tái)風(fēng)中心8°×8°。為了充分考慮外圍風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的海浪的影響,外圍風(fēng)場(chǎng)采用 QSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng),該混合風(fēng)場(chǎng)空間分辨率為0.5°×0.5°,時(shí)間間隔為 6h,覆蓋了 0o—360°E、88°S—88°N 的范圍。將這兩個(gè)組合的風(fēng)場(chǎng)在時(shí)、空上進(jìn)行插值(Fan et al,2009),構(gòu)建時(shí)間分辨率為 15min的混合風(fēng)場(chǎng),以驅(qū)動(dòng)海浪模式模擬臺(tái)風(fēng)浪。文中具體的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示,其中T96方案為WAVEWATCH III模式中默認(rèn)方案,M05方案為 Makin(2005)提出的粗糙度參數(shù)化方案。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Experimental designs

HRD熱帶氣旋觀測(cè)系統(tǒng)提供的Ivan颶風(fēng)高分辨率風(fēng)場(chǎng)資料的時(shí)間范圍是2004年9月14日21時(shí)至16日15時(shí)。由于時(shí)間較短,文中利用2004年9月13日0時(shí)至14日21時(shí)的QSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)啟動(dòng)模式。

表3中,有下劃線的數(shù)據(jù)表示為三個(gè)試驗(yàn)中最優(yōu)結(jié)果。由表可知,試驗(yàn)EXP2中的各種誤差值與試驗(yàn)EXP3的較接近,但各種誤差的最優(yōu)值在試驗(yàn) EXP2中最多,表明相對(duì)其他 2個(gè)海面粗糙度方案,試驗(yàn)EXP2中的S15H海面粗糙度參數(shù)化方案能夠較好地模擬颶風(fēng) Ivan的臺(tái)風(fēng)浪有效波高,同時(shí)說明在模擬臺(tái)風(fēng)浪時(shí)應(yīng)盡量采用考慮風(fēng)浪狀態(tài)影響的海面粗糙度方案。

表3 EXP1至EXP3試驗(yàn)?zāi)M出的有效波高值誤差統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of error in significant wave height simulated in experiments EXP1 to EXP3

3 討論

考慮海面粗糙度與海面拖曳系數(shù)Cd存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系(Makin,2005),

因此,基于式(24)可將海面粗糙度轉(zhuǎn)化為海面拖曳系數(shù),通過分析海面拖曳系數(shù)隨風(fēng)速的變化,進(jìn)一步確認(rèn)本文提出的海面粗糙度參數(shù)化方案的合理性。圖5所示為由式(24)計(jì)算出的不同波陡條件下海面拖曳系數(shù)隨風(fēng)速的變化關(guān)系。

不同條件下測(cè)量的海面拖曳系數(shù)存在一定程度的離散,由圖5可知,式(24)在不同波陡條件下均能夠涉及這些離散點(diǎn),說明波浪狀態(tài)對(duì)海面拖曳系數(shù)存在影響,且在風(fēng)速達(dá)到30—40m/s時(shí)海面拖曳系數(shù)發(fā)生衰減,該結(jié)論與Powell等(2003)相似。波浪狀態(tài)與海面拖曳系數(shù)的關(guān)系在圖5中與圖3類似,即當(dāng)風(fēng)速小于40m/s時(shí),海面拖曳系數(shù)隨波陡參數(shù)增大而減少,當(dāng)風(fēng)速大于40m/s時(shí)海面拖曳系數(shù)隨波陡參數(shù)增大而增大,說明波浪狀態(tài)與海面粗糙度或拖曳系數(shù)的關(guān)系隨著風(fēng)速增加會(huì)發(fā)生變化,產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要原因是由于當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí),波浪破碎產(chǎn)生飛沫水滴的作用明顯增強(qiáng),并且飛沫水滴隨波齡增加,抑制了波浪對(duì)海面粗糙度或海面拖曳系數(shù)的影響,最終使得海面粗糙度或海面拖曳系數(shù)隨波齡的增加而減小(史劍等,2013),對(duì)應(yīng)為海面粗糙度或海面拖曳系數(shù)隨波陡的增加而增大。

圖5 海表面拖曳系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系彩色實(shí)線為不同波陡時(shí)S15H方案的值,黑色色實(shí)線為Makin(2005)的值,帶有誤差條的藍(lán)色圓圈為 Powell等(2003)測(cè)量值,紅色圓圈為Donelan等(2004)測(cè)量值,黑色圓圈為Black等(2007)測(cè)量值Fig.5 Relationship between sea surface drag coefficient and wind speedColor lines represent the S15H results of different wave slopes.The black line is the roughness in Makin (2005).Blue cycles with error bar indicate the observation of Powell et al (2003),red ones for Donelan et al (2004),and black ones for Black et al (2007)

4 結(jié)論

本文通過理論分析,發(fā)現(xiàn)采用波陡參數(shù)對(duì)海面粗糙度參數(shù)化能夠有效避免自相關(guān)現(xiàn)象,并基于外海和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù),得到了中等風(fēng)速條件下的無量綱海面粗糙度與波陡的關(guān)系式S15M。利用塊體算法COARE和FETCH試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)S15M方案進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示該方案計(jì)算海面摩擦速度較塊體算法COARE默認(rèn)的兩個(gè)依賴波浪狀態(tài)的海面粗糙度參數(shù)化方案更好,說明S15M方案能夠很好地計(jì)算出中等風(fēng)速條件下海氣界面的動(dòng)量通量。

在中等風(fēng)速下海面粗糙度關(guān)系式 S15M 的基礎(chǔ)上,考慮飛沫懸浮層的影響,建立了適用于高風(fēng)速條件下的海面粗糙度參數(shù)化方案 S15H,該粗糙度方案同樣采用波陡參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化,基于此考慮了風(fēng)浪狀態(tài)的影響。文中分析了S15H在不同波陡條件下海面粗糙度隨摩擦速度變化的規(guī)律,以及由S15H得到的海面拖曳系數(shù)隨風(fēng)速的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在未出現(xiàn)飛沫時(shí),海面粗糙度隨著波陡的增大而減小,但當(dāng)出現(xiàn)飛沫后,海面粗糙度逐漸隨著波陡增大而增大。將理論值與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)S15H方案相對(duì)于經(jīng)典的海面粗糙度 M05方案有了明顯改進(jìn),計(jì)算值隨著波陡的變化基本涉及測(cè)量值覆蓋范圍,說明高風(fēng)速條件下海面粗糙度需要考慮風(fēng)浪狀態(tài)的影響。將S15H方案加入WAVEWATCH模式中,模擬Ivan颶風(fēng)產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)浪有效波高,結(jié)果較采用海浪模式默認(rèn)方案和M05方案更接近測(cè)量值,說明將S15H方案運(yùn)用到海浪模式中進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪模擬具有一定的可靠性。

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