王堅紅 史嘉琳 彭模 盛建明 苗春生

摘要采用2009—2013年CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）大氣和海洋再分析資料對黃海海氣間熱量通量和動量通量的特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，并通過FVCOMSWAVE浪流耦合模式對典型寒潮過程中風(fēng)浪的影響效果進(jìn)行模擬研究與對比分析。統(tǒng)計結(jié)果顯示，通量受海表大風(fēng)、海氣溫差及海洋環(huán)流等因子影響，秋冬季節(jié)強(qiáng)烈，春夏季節(jié)相對較弱，在寒潮活躍的冷季該海域的海流處于弱流期，風(fēng)浪對海面通量的作用明顯增強(qiáng)。海溫特征也顯示冷季的不穩(wěn)定性顯著強(qiáng)于暖季，因此該海域冷季具有更強(qiáng)的海氣熱量通量。沿岸站點的比較顯示，南部呂泗站面向更開闊的東海海域，其平均波高高出北部20%左右。這與沿海南部通量強(qiáng)于北部特征對應(yīng)。數(shù)值模擬顯示，在寒潮過程中，海氣界面熱量通量和動量通量輸送比多年月平均狀態(tài)顯著增強(qiáng)，動量通量增大1～5倍，熱量通量增大1～6倍。寒潮過程入海冷鋒走向、強(qiáng)度、移動方向顯著影響海面熱量通量和動量通量大值區(qū)的分布。偏北路寒潮緯向型冷鋒入海，其強(qiáng)度東部大于西部，造成通量大值區(qū)形成在黃海東北部，而偏西路寒潮經(jīng)向型冷鋒入海，其強(qiáng)度南部大于北部，造成通量大值區(qū)形成在黃海南部。 同時偏北路徑寒潮強(qiáng)度大于偏西路徑，海氣動量通量響應(yīng)較偏西路徑強(qiáng)約25%，熱量通量強(qiáng)約50%。耦合風(fēng)浪作用的模擬顯示，海氣間熱量通量和動量通量明顯增大，對不同強(qiáng)度風(fēng)浪，浪高增加15倍，動量通量最大值增大約2倍，熱量通量增大10～160 W/m2；浪高減弱至05倍，動量通量最大值則減弱約40%，熱量通量減小10～55 W/m2。冷鋒及其驅(qū)動的風(fēng)浪強(qiáng)烈影響區(qū)域海氣通量時空特征。

關(guān)鍵詞中國黃海；海氣熱量通量和動量通量；寒潮過程；FVCOMSWAVE浪流耦合模式

海氣界面間熱量通量、動量通量等通量交換是海氣相互作用中的一個重要環(huán)節(jié)，反映了大氣和海洋之間的要素通量的相互傳輸和聯(lián)系（Jones et al.，1995）。一方面海氣通量輸送強(qiáng)烈影響著上層海洋結(jié)構(gòu)及大氣邊界層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響大氣環(huán)流和海洋環(huán)流，造成不同尺度的氣候變化；另一方面也影響著海上中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)展，對于探討天氣系統(tǒng)海上發(fā)展機(jī)制非常重要；同時作為數(shù)值化初、邊界條件，它們影響海氣耦合數(shù)值模式的運行效果。影響海氣通量傳輸?shù)囊蜃佑泻１頊囟龋１砻骘L(fēng)速、近海面氣溫、水汽和云等（Berry and Kent，2009，2011）。尤其是波浪，在海氣界面間熱量通量和動量通量輸送過程中起著至關(guān)重要的作用（趙棟梁等，2008）。當(dāng)強(qiáng)烈天氣過程入侵海域時，其強(qiáng)風(fēng)造成海氣要素劇烈變化，而海浪的增強(qiáng)，直接影響海氣界面熱量通量和動量通量的傳輸過程。

在海氣熱量通量和動量通量研究方面，國內(nèi)外學(xué)者對于其觀測計算方法、變化特征和影響因子已做了大量工作。目前觀測方法主要依托船舶觀測、浮標(biāo)觀測、衛(wèi)星觀測等，而計算方法主要有渦度相關(guān)法、廓線法、塊體法和慣性耗散法（黃艷松，2011）。在海面通量變化特征研究方面，對南海地區(qū)和臺風(fēng)影響兩方面的研究比較多。陳奕德等（2005）、閆俊岳等（2007）分別對南海季風(fēng)爆發(fā)期間海氣界面的感熱和潛熱量通量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)感熱和潛熱量通量季風(fēng)爆發(fā)前，較為平穩(wěn)，爆發(fā)后振蕩加劇。吳迪生等（2009）、張連新等 （2014）用浮標(biāo)數(shù)據(jù)計算南?；顒拥呐_風(fēng)海氣界面的熱量交換值，指出熱帶氣旋環(huán)流內(nèi)海氣熱量交換強(qiáng)烈，其主要貢獻(xiàn)來自于潛熱通量。王堅紅等（2016）研究了臺風(fēng)海流渦旋與寒潮海流渦旋向海水深處的能量傳輸，發(fā)現(xiàn)寒潮渦旋動能和動量下傳更迅速、更強(qiáng)、更深。在影響因子研究方面，Li et al.（2009）發(fā)現(xiàn)SST季節(jié)內(nèi)變化與海氣界面潛熱通量變化呈正相關(guān)。Zou et al.（2014）用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法對南海海氣界面通量進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)短風(fēng)區(qū)的拖曳系數(shù)大于長風(fēng)區(qū)情形，說明波浪成長狀態(tài)會對海氣界面動量交換產(chǎn)生明顯影響。

本文重點研究中國黃海海域，這個海域與南海有明顯差異，它位于中緯度，形狀較為狹窄，海水深度較淺。同時，關(guān)注冬半年劇烈寒潮天氣過程，冬季寒潮與夏季的熱帶氣旋相比，雖然均為大尺度強(qiáng)烈的海上大風(fēng)天氣，但是寒潮還帶來強(qiáng)烈的降溫。因此，寒潮冷鋒入海將顯著影響海域界面海氣熱量通量和動量通量的時空輸送。本文還專門模擬探討了在此過程中海浪所起的作用。

1資料和方法

11資料方法介紹

資料采用NCEP（National Centers for Environment）的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）全球高分辨率（05°×05°經(jīng)緯度）再分析月平均要素資料，中央氣象臺MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System）的高低空資料，以及美國伍茲霍爾海洋研究所的OAFlux（Objectively Analyzed airsea Fluxes）客觀分析海氣通量資料，江蘇沿海站點資料等，用于分析海氣要素的基本特征、統(tǒng)計入侵黃海的寒潮以及對數(shù)值模擬進(jìn)行驗證等。

研究采用FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）區(qū)域海洋模式和波流耦合模式FVCOMSWAVE研究黃海熱量通量和動量通量在寒潮過程中的響應(yīng)特征，尤其是風(fēng)浪對海氣熱量通量和動量通量的影響。該模式由美國麻省理工海洋技術(shù)學(xué)院陳長勝教授的團(tuán)隊建立，在水平方向上使用無結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格，特別在近海岸的研究中，其局部的加密技術(shù)能夠很好地擬合復(fù)雜的海岸邊界，模式垂直方向上采用σ坐標(biāo)，可以更好地模擬地形變化復(fù)雜的海區(qū)。除此之外，模式用干濕判斷法處理潮灘移動邊界，確保了動量、能量和質(zhì)量具有更好的守恒性（吳倫宇，2010；宋德海等，2012；王堅紅等，2013）。

對于單點臺站，海氣界面的動量通量通常用風(fēng)應(yīng)力表示（Blanc，1983a，1983b；徐天真和陳伯海，1994）：

τ=ρa(bǔ)CdU210。 （1）

其中：ρa(bǔ)為空氣密度；U10為10 m風(fēng)速；Cd為拖曳系數(shù)。

對臺站計算時，不考慮波浪影響，拖曳系數(shù)表示為：

Cd=κ1486-2ln|u10|2。 （2）

當(dāng)考慮波浪成長狀態(tài)及波齡影響時，

Cd=κln10-lnz02。 （3）

其中：κ為Karman常數(shù)（通常取04）；z0為波浪表面粗糙度長度。

z0=αcu102g=0016。 （4）

其中：αc=0016；g為重力加速度。當(dāng)有風(fēng)浪作用時，主要通過改變海表粗糙度來影響海氣界面的熱量通量和動量通量的交換傳輸。

海氣間感熱通量，利用海氣通量計算公式：

Qs=ρa(bǔ)cpch（Ts-Ta）u10。 （5）

其中：ρa(bǔ)為空氣密度；cp為定壓比熱；ch為感熱交換系數(shù)，取平均值1261×10-3 J·kg-1·℃-1；u10為海面10 m風(fēng)速，單位：m·s-1；Ts為海表溫度；Ta為近海表氣溫。

海氣間潛熱通量計算，利用海氣通量計算公式：

Qh=ρa(bǔ)lvce（qs-qa）u10。 （6）

其中：ρa(bǔ)為空氣密度；lv水的氣化潛熱，一般取25×10-6 J/kg；ce潛熱交換系數(shù)，ce=ch；qa為近海表氣溫比濕；qs為飽和比濕。

對于數(shù)值模式的界面通量計算模塊，采用COARE30方法，其中包含：1）波浪的直接影響，即在通量計算中的拖曳系數(shù)、感熱交換系數(shù)、潛熱交換系數(shù)均含有波齡系數(shù)計算。啟動時輸入風(fēng)速、氣溫、相對濕度、海面氣壓、長波輻射、短波輻射以及初始熱量通量等。2）波浪的間接影響，即通量計算中的海表溫度SST為有波浪耦合運行下獲得的海溫。但是對無波浪的情況，則采用簡化的COARE30方法。考慮通量計算時，波浪和通量均具時空變化特征，并且水體中接受的短波輻射在各層通量中作為垂直耗散項加入模式溫度方程，并計算海氣間的垂直溫度結(jié)構(gòu)和海氣流場速度差垂直結(jié)構(gòu)。在不計算通量的情況下，水體中接受的短波輻射直接加在溫度方程的平流項中。

12FVCOM模式設(shè)置

模擬的區(qū)域為119～126°E，30～37°N黃海海域，模式網(wǎng)格在近岸及島嶼附近加密擬合岸線，如圖1a所示。圖1b顯示的是FVCOM浪流耦合模型框架，在耦合模式中采用同樣的水平無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過直接耦合的方法，變量在內(nèi)存之間直接賦值，波浪模式提供有效波高Hs、波向Dir、波長L、譜峰周期Tp、底部軌道速度Ub、底部軌道周期Tb等參數(shù)給海洋環(huán)流模式。海流模式將計算的流速V、水位el供給波浪模式（Chen et al.，2006）。

2黃海海域海氣熱量通量和動量通量統(tǒng)計特征

21寒潮活躍期黃海、渤海風(fēng)浪特征

首先根據(jù)寒潮活動時間定義寒潮活躍期為當(dāng)年的11、12月到次年的1、2、3月5個月。利用2009—2013年5 a的CFSR平均再分析資料，黃海、渤海海域風(fēng)與風(fēng)浪在這5個月的變化特征如圖2所示。中國東部海域在寒潮活躍期主要盛行偏北風(fēng)。從11月到次年1月，偏西北風(fēng)逐漸加強(qiáng)，黃海、渤海海域上的風(fēng)浪加大，黃海海域平均浪高自北向南增大，黃海南部可達(dá)2 m。2—3月，偏西北風(fēng)逐漸減弱，黃海、渤海的平均浪高最大值下降到17 m。在整個寒潮活躍期平均浪高經(jīng)歷先增強(qiáng)，再減弱過程，活躍期浪高的平均值為14 m，在黃海、渤海海域，浪高空間分布均為遠(yuǎn)海高于近岸。這種分布特征與黃海海域水深南部大于北部，遠(yuǎn)海深于近岸的特征相對應(yīng)。

此外，在此季節(jié)該海域的海流包括南部的黑潮和中北部的沿岸流均處于弱流時期，因此風(fēng)浪對海域熱量通量和動量通量的作用明顯增強(qiáng)。海域內(nèi)SST的南北水平梯度在2月達(dá)到全年最大值，高于夏季梯度1倍以上，其垂直海溫廓線特征也顯示冷季的不穩(wěn)定性顯著強(qiáng)于暖季（圖略），因此該海域冷季具有更強(qiáng)的海氣熱量通量。

22黃海沿海風(fēng)浪波高與熱量通量、動量通量的月平均特征

對2009—2013年黃海沿海的波高與熱量通量、動量通量的月平均變化關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3所示。選擇江蘇沿海偏北的連云港站（1195°E，35°N）與偏南的呂泗站（1215°E，32°N）的CFSR資料，兩站多年月平均波高與熱量通量、動量通量的變化特征是秋冬季節(jié)高于春夏季節(jié)，最大值均出現(xiàn)在12月，連云港站平均波高最大值為11 m，呂泗站波高最大值接近13 m，由于呂泗站面向更開闊的東海海域，各月波高都偏高于連云港站，連云港站波高最低值為057 m，出現(xiàn)在7月，呂泗站波高最低值為074 m，出現(xiàn)在6月。呂泗較連云港平均波高高出20%左右。

熱量通量與動量通量的月平均變化特征同樣是秋冬季節(jié)強(qiáng)度強(qiáng)于春夏季節(jié)，呂泗站熱量通量、動量通量的傳輸強(qiáng)度大于連云港站。連云港站熱量通量交換最大值出現(xiàn)在12月為150 W/m2，最低值出現(xiàn)在4月和7月為10 W/m2，動量通量交換最大值出現(xiàn)在1月和12月為004 N/m2，最低值在7月和8月為0015 N/m2。呂泗站熱量通量交換最大值出現(xiàn)在11月與12月為150 W/m2，最低值出現(xiàn)在5、6月為20 W/m2，而動量通量最大值在1月與12月為005 N/m2，最低值出現(xiàn)在6月為002 N/m2。圖3顯示無論南北，熱動量通量演變趨勢與平均波高演變趨勢相似，但南部較北部更強(qiáng)。

3影響黃海海域的典型寒潮過程

寒潮是冬半年影響我國的主要災(zāi)害性天氣，最突出的表現(xiàn)是大范圍劇烈降溫并伴有偏北大風(fēng)。寒潮活躍的冬春季節(jié)，北方寒潮冷空氣南下，寒潮冷鋒入侵黃海海域，并在海上引起大風(fēng)大浪及顯著降溫。

31影響黃海的寒潮過程統(tǒng)計

對入侵黃海海域的寒潮冷空氣根據(jù)中央氣象臺標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 204842006），以日最低氣溫及降溫幅度進(jìn)行統(tǒng)計，并按路徑和強(qiáng)度進(jìn)行分類。結(jié)果顯示，2009—2013年5 a間，達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的共有36次，1月影響黃海的寒潮有5次，2月有7次，3月有7次，11月有9次，12月有8次。依據(jù)影響黃海的寒潮路徑歸類：一種從偏北方入海，自北向南影響黃海，簡稱偏北路徑；另一種自西向東由江蘇入侵黃海，簡稱偏西路徑。偏北路通常為強(qiáng)冷空氣從極地取最短路徑南下影響黃海、渤海，強(qiáng)度較大。偏西路寒潮雖然冷空氣源地緯度相對偏低，但在其東進(jìn)途中有冷空氣加入，亦可在華東地區(qū)造成大風(fēng)和顯著降溫。

32寒潮典型個例特征

由于寒潮冷鋒路徑差異會造成海上大風(fēng)風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)空間分布差異，直接影響海上大浪區(qū)的分布，進(jìn)而對熱量通量、動量通量變化產(chǎn)生顯著影響。分別選取兩類寒潮中的典型寒潮個例：偏北路徑2013年3月9—11日影響中國東部并侵入黃海的寒潮天氣過程；偏西路徑2012年12月28—30日入海寒潮過程。這兩次寒潮過程強(qiáng)度均較大。表1是兩次寒潮過程主要特征對比，

偏北路寒潮冷鋒入海時呈緯向型，冷鋒東部風(fēng)速顯著強(qiáng)于其西部，渤?？陲L(fēng)速達(dá)到16 m/s，而山東半島冷鋒后的風(fēng)速為6 m/s（圖4a），這將造成黃海海上東北部風(fēng)浪高于西部，進(jìn)一步影響到海上強(qiáng)熱量通量和動量通量交換區(qū)的分布，是其偏在海域東部。偏西路徑寒潮冷鋒呈經(jīng)向型，冷鋒后為偏西北風(fēng)，南部強(qiáng)于北部，寒潮過程中，南部呂泗最大風(fēng)速達(dá)到174 m/s，而中部濱海為121 m/s，北部連云港最大風(fēng)速為133 m/s。造成海上南部風(fēng)浪高于北部，影響到海上強(qiáng)熱量通量和動量通量交換區(qū)的分布，使其位于海域南部。偏北路寒潮中海氣熱量通量比多年月平均值增大1～6倍，動量通量增大1～5倍；偏西路寒潮中海氣熱量通量比多年月平均值增大1～4倍，動量通量增大1～5倍。為深入認(rèn)識寒潮過程中風(fēng)浪作用對海氣熱量通量和動量通量的影響，運用FVCOM和FVCOMSWAVE數(shù)值模式分別對兩次典型寒潮過程進(jìn)行數(shù)值模擬控制實驗、波浪耦合實驗以及改變風(fēng)浪狀況的敏感性實驗，定量認(rèn)識風(fēng)浪對黃海海域熱量通量和動量通量的強(qiáng)度分布與演變的影響。

4兩類寒潮過程對黃海海域海氣熱量通量和動量通量影響的模擬分析

41數(shù)值模擬方案設(shè)計

表2是數(shù)值模擬的實驗方案，模式南北采用固邊界，東西為開邊界以潮位形式給出，初始風(fēng)場、溫鹽場及熱量通量均由CFSR插值得到，模式積分97 h，積分時步為10 s，前24 h作為模式調(diào)整穩(wěn)定時間。通過控制（FVCOM實驗）和敏感性實驗（FVCOMSWAVE實驗），對輸出的波高、水位、熱量通量、動量通量等進(jìn)行診斷分析，得到海氣要素對寒潮

的響應(yīng)特征，探討風(fēng)浪作用對黃海海氣熱量通量和動量通量的影響。由于偏北路徑寒潮強(qiáng)度強(qiáng)于偏西路徑，因此在改變風(fēng)浪等級的敏感性方案設(shè)置時，選擇讓偏北路徑寒潮風(fēng)浪強(qiáng)度減弱，偏西路寒潮風(fēng)浪等級增強(qiáng)，以獲得在實際風(fēng)浪變化幅度內(nèi)，風(fēng)浪強(qiáng)度演變對海氣熱量通量、動量通量的影響效果。

42模擬效果檢驗

由于海上實況資料較難獲取，因此選用可靠性較強(qiáng)的OAFlux客觀分析通量資料對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，目前OAFlux數(shù)據(jù)集通量數(shù)據(jù)已被廣泛地用于模式模擬結(jié)果檢驗（徐小慧和高志球，2012）。熱量通量和動量通量的模擬驗證結(jié)果如圖5所示。圖5是2013年3月8日OAFlux資料得到的熱量通量和動量通量與FVCOM模擬的熱量通量和動量通量，可以發(fā)現(xiàn)在無波浪耦合的控制試驗中，F(xiàn)VCOM控制實驗通量數(shù)值結(jié)果略低于OAFlux資料，但FVCOM模擬的熱量通量和動量通量的分布狀況與驗證資料分布基本相符。黃海北部是動量通量大值區(qū)，東南部為低值區(qū)；這兩個區(qū)域模擬在量值上均偏低一些，應(yīng)與未耦合波浪的動力貢獻(xiàn)有關(guān)。黃海東北部為大片熱量通量分布高值區(qū)，32°N附近一線為相對低值區(qū)，南部高值低值區(qū)相間。表明FVCOM模式對海氣熱量通量和動量通量的模擬較好。

43控制實驗中兩次寒潮過程海氣要素特征的模擬

431典型寒潮影響下黃海海面風(fēng)場變化特征

對偏北路與偏西路過程進(jìn)行寒潮大風(fēng)降溫及天文潮的FVCOM控制性實驗，暫不考慮風(fēng)浪的作用，圖6為兩次寒潮過程中風(fēng)場模擬特征。圖6a、b顯示，偏北路寒潮在2013年3月9日12時（北京時間，下同），緯向性的地面冷鋒到達(dá)黃海中部，冷鋒后的偏北氣流東部強(qiáng)度高于西部；18時，冷鋒南壓過長江口，黃海海域已完全被冷空氣控制，黃海上空均為偏東北氣流，最大風(fēng)速達(dá)到14 m/s。2012年12月29日12時偏西路寒潮（圖6c、d），

黃海海域為偏西北氣流控制，強(qiáng)風(fēng)速中心位于西部，冷鋒呈經(jīng)向型分布，南部強(qiáng)度大于北部。到18時冷鋒東移，鋒后海域南部最大風(fēng)速達(dá)到14 m/s。由于兩次寒潮的路徑不同，強(qiáng)風(fēng)區(qū)分布特征分別位于黃海東部和南部。

432典型寒潮影響下海面動量通量變化特征

控制實驗中兩次寒潮動量通量的變化特征如圖7所示。圖7a、b為偏北路寒潮過程，動量通量響應(yīng)冷鋒風(fēng)速分布，大值區(qū)偏東，并自北向南擴(kuò)展，動量通量在黃海北部最大達(dá)到06 N/m2。在偏西路寒潮過程中（圖7c、d），動量通量自西向東增大，大值區(qū)位于偏南海域。隨著冷鋒的東移，18時中南部最大值達(dá)045 N/m2。偏西路寒潮動量通量響應(yīng)強(qiáng)度較偏北路弱1/4。對比偏北路和偏西路寒潮過程中動量通量的時空響應(yīng)特征，它們顯著地受到寒潮冷鋒的走向、強(qiáng)度及移動方向綜合影響，寒潮冷鋒空間特征具有指示意義。

433典型寒潮影響下海面熱量通量變化特征

熱量通量的控制實驗結(jié)果如圖8所示，熱量通量傳輸強(qiáng)度比多年月平均狀態(tài)增大1～4倍。對于偏北路寒潮，3月9日12—18時的6 h內(nèi)（圖8a，b），熱量通量的變化隨冷鋒南壓，自北向南由正轉(zhuǎn)負(fù)，12時鋒前海域大部分為得熱狀態(tài)，18時寒潮冷鋒南壓過黃海海域后，海域轉(zhuǎn)為失熱狀態(tài)，黃海北部最大失熱中心為-400 W/m2。偏西路寒潮影響的6時的熱量通量變化（圖8c、d）顯示，熱量通量的響應(yīng)是自西向東逐漸增大的，12時黃海西部為失熱狀態(tài)，東部為得熱狀態(tài)。隨著寒潮的發(fā)展，失熱情況向東部推進(jìn)，失熱中心一直位于黃海中西部，最大值為-200 W/m2。其響應(yīng)強(qiáng)度弱于偏北路寒潮約1/2。兩次寒潮熱量通量大值區(qū)也響應(yīng)寒潮冷鋒的走向、移向以及冷鋒強(qiáng)度差。

5風(fēng)浪對黃海海氣熱量通量和動量通量的影響

51風(fēng)浪對寒潮過程的響應(yīng)

當(dāng)有寒潮冷鋒過境時，伴隨的大風(fēng)在海面上激發(fā)起大風(fēng)浪，通過FVCOMSWAVE浪流耦合模式模擬，可以獲得風(fēng)浪在寒潮過程中逐小時的變化特征。偏北路寒潮與偏西路寒潮爆發(fā)12 h期間風(fēng)浪對寒潮的響應(yīng)特征如圖9所示。

圖9顯示，由于寒潮的路徑及強(qiáng)度的差異，形成風(fēng)浪響應(yīng)區(qū)域及響應(yīng)強(qiáng)度的差異。偏北路寒潮影響時，風(fēng)浪強(qiáng)烈響應(yīng)，波高相應(yīng)的從北向南逐漸增大，在黃海中部大部分海域引起的最大浪高達(dá)到3 m以上。偏西路寒潮影響時，波高響應(yīng)自偏西向偏東方向增大，波高的響應(yīng)略弱于偏北路寒潮，最大波高出現(xiàn)在黃海東南部為32 m。

由此可見，寒潮冷鋒經(jīng)過黃海海域時，會引起風(fēng)浪的強(qiáng)烈響應(yīng)，進(jìn)而風(fēng)浪又對海氣間熱量通量和動量通量的傳輸產(chǎn)生作用，這將在下一節(jié)敏感性實驗中進(jìn)一步介紹。

52風(fēng)浪對海氣動量通量的影響

對比不同風(fēng)浪狀況的波浪耦合敏感性實驗與無風(fēng)浪耦合的寒潮（大風(fēng)、降溫、天文潮）控制實驗結(jié)果，仍然選取近海岸北部連云港與南部呂泗進(jìn)行比較，這兩個站均處于寒潮入海強(qiáng)風(fēng)右側(cè)，為強(qiáng)動量通量區(qū)。圖10顯示，無論是偏北路寒潮（圖10a、b）還是偏西路寒潮（圖10c、d），在耦合風(fēng)浪的影響作用后，動量通量都進(jìn)一步地增大（實線高于虛線），結(jié)果更接近于實況，并且南部呂泗動量通量更強(qiáng)一些。

偏北路寒潮在2013年3月9日12時開始影響黃海，當(dāng)風(fēng)浪等級減小為正常風(fēng)浪的05倍時，由于風(fēng)力與風(fēng)浪強(qiáng)度都減弱，使得動量通量低于控制實驗（圖10a、b中點虛線），這一變化在峰值處尤為明顯，動量通量最大值減小了約40%。偏西路寒潮在2012年12月29日06時左右影響黃海，加入正常波浪耦合后，動量通量和比控制實驗中的相比有所增大，當(dāng)風(fēng)浪等級增大到15倍時，動量通量最大值比控制實驗中最大值增大了約2倍（圖10c、d中點虛線）。因此綜合偏北路與偏西路寒潮的結(jié)果，顯然風(fēng)浪的強(qiáng)弱與動量通量大小有正相關(guān)關(guān)系。

53風(fēng)浪對海氣熱量通量的影響

考慮正常風(fēng)浪的波浪耦合敏感性實驗結(jié)果，在偏北路寒潮與偏西路寒潮過程中，風(fēng)浪對熱量通量傳輸產(chǎn)生的影響，如圖11所示。偏北路寒潮為2013年3月9日18時兩組熱量通量結(jié)果（圖8b，圖11a），偏西路寒潮為2012年12月29日18時的兩組熱量通量結(jié)果（圖8d，圖11b）。在耦合風(fēng)浪作用后，由于波浪破碎、飛沫作用等，使海氣間熱量通量的傳輸效應(yīng)有一定增強(qiáng)。在偏北路寒潮中耦合波浪的影響以后（圖11a），黃海北部的失熱區(qū)-350 W/m2的范圍增大，失熱等值線向南推進(jìn)，如-200 W/m2等值線位置南移。偏西路寒潮冷空氣強(qiáng)度較北路寒潮偏弱，造成熱量通量傳輸值弱于偏北路寒潮，耦合波浪影響后，黃海北部及江蘇沿海的失熱熱量通量梯度增強(qiáng)，東南部海域得熱區(qū)范圍有所減小。圖11顯示寒潮過程中，強(qiáng)風(fēng)及其大浪促進(jìn)了海面熱量通量的損失。下面通過改變風(fēng)浪等級進(jìn)一步研究風(fēng)浪對熱量通量的影響。

進(jìn)一步考慮不同風(fēng)浪等級對海面熱量通量的影響，結(jié)果如圖12所示。在偏北路寒潮中，當(dāng)風(fēng)浪等級減弱到05倍時，與正常風(fēng)浪等級相比，熱量通量的響應(yīng)減弱（圖12a），在黃海海域熱量通量減小10～55 W/m2左右。在偏西路寒潮中，當(dāng)風(fēng)浪等級增大到15倍，引起海氣界面熱量通量的傳輸增大（圖12b），熱量通量比正常風(fēng)浪等級時增大10～160 W/m2。由此可見，當(dāng)風(fēng)浪增大時會引起海氣間熱量通量傳輸?shù)脑龃?，?dāng)風(fēng)浪減弱時海氣間熱量通量的傳輸會減弱。

6結(jié)論和討論

依據(jù)上述對黃海海域熱量通量和動量通量的特征分析，以及在典型寒潮過程中熱量通量和動量通量的響應(yīng)特征，特別是風(fēng)浪對熱量通量和動量通量的影響，可以得到以下結(jié)論：

1）黃海海域風(fēng)浪、動量通量及熱量通量總體的特征是秋冬季節(jié)風(fēng)大浪高，SST南北梯度大，高于夏季梯度1倍以上，通量交換強(qiáng)烈；春夏季節(jié)則通量較弱。在寒潮活躍的冷季，該海域的海流包括南部的黑潮和中北部的沿岸流均處于弱流時期，因此風(fēng)浪對海域熱量通量和動量通量的作用明顯增強(qiáng)。海溫垂直廓線特征也顯示冷季的不穩(wěn)定性顯著強(qiáng)于暖季，因此該海域冷季具有更強(qiáng)的海氣熱量通量。沿岸站點比較顯示，由于呂泗站面向更開闊的東海海域，呂泗站較北部連云港平均波高高出20%左右。與沿海南部通量強(qiáng)于北部的特征相對應(yīng)。

2）在寒潮劇烈天氣的影響下，海氣界面熱量通量和動量通量輸送與多年月平均狀態(tài)相比較顯著增強(qiáng)。典型偏北路徑與偏西路徑寒潮的FVCOM控制實驗數(shù)值模擬顯示，伴隨不同路徑寒潮，冷空氣強(qiáng)度與影響路徑及冷鋒空間分布存在差異，海上風(fēng)浪及熱量通量和動量通量的響應(yīng)特征為：偏北路寒潮冷空氣強(qiáng)度大，海面熱量通量和動量通量的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，熱量通量和動量通量隨寒潮冷鋒路徑自北向南逐漸增大，沿冷鋒鋒線，東部強(qiáng)于西部。偏西路寒潮冷空氣緯度偏低，強(qiáng)度略弱，相應(yīng)的海面熱量通量和動量通量的量值弱于北路寒潮，動量通量強(qiáng)度減弱約1/4，而熱量通量則減弱約1/2。通量隨寒潮冷鋒自西向東逐漸增大，沿冷鋒鋒線，南部強(qiáng)于北部。冷鋒特征對海面熱量通量和動量通量強(qiáng)度分布有指示意義。

3）風(fēng)浪作用與海氣熱量通量和動量通量有正相關(guān)關(guān)系。寒潮冷鋒經(jīng)過黃海海面時，引起海上大風(fēng)大浪以及明顯降溫，F(xiàn)VCOMSWAVE浪流耦合數(shù)值模擬結(jié)果與無海浪耦合的FVCOM控制實驗結(jié)果對比顯示，由于風(fēng)浪使海表粗糙度加大，海水混合增強(qiáng)等作用，不論是偏北路寒潮還是偏西路寒潮，風(fēng)浪作用均增大海氣間熱量通量和動量通量的交換傳輸。當(dāng)風(fēng)浪進(jìn)一步增大到15倍，動量通量最大值增大約2倍，熱量通量增大10～160 W/m2；而風(fēng)浪減弱則削弱海氣間熱量通量和動量通量的交換傳輸，當(dāng)風(fēng)浪減弱到05倍，動量通量最大值則減弱了約40%，熱量通量減小10～55 W/m2左右。

致謝：NCEP、ECMWF、中國中央氣象臺、美國woodshole海洋研究所提供了CFSR、OAFlux、micaps 等資料的在線下載服務(wù)。

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Numerical study of the wind waves effect on airsea fluxes in the Yellow Sea during the cold wave events

WANG Jianhong1，2，SHI Jialin1，3，PENG Mo4，SHENG Jianmin4，MIAO Chunsheng1

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044 China；

2School of Marine Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；

3The Disaster Prevention and Mitigation Office，Yantai 265100，China；

4Marine Environmental Monitoring Forecasting Center of Jiangsu Province，Nanjing 210036 China

Using the FVCOMSWAVE coupled regional ocean model，a numerical simulation and comparative analysis were performed for the wind wave effect on the airsea heat and momentum fluxes in the Yellow Sea during the typical cold wave processes.In order to learn the basic features of the airsea heat and momentum fluxes in the Yellow Sea，a statistical analysis by air and sea reanalysis data of CFSR（Climate Forecast System Reanalysis，US） were performed for a 5year duration from 2009 to 2013.The statistical results showed that the airsea heat and momentum flux exchanges were impacted by the sea surface wind，difference between airsea temperature，ocean currents，and so on.The fluxes were stronger during the cold season from November to March，while the wave impact was more significant in autumnwinter than in springsummer，due to the weak ocean currents during the cold season.In the cold season the heat fluxes from between the sea and air were also remarkable，as the airsea temperature difference and SST grads between latitudes were larger and resulted in an unstable surface environment.The variables of the coastal station comparison showed that the south station faced a wider open sea with a wave height of about 20% higher than the north coastal station，while the south fluxes were also stronger than in the north part.The two typical cold wave events in the cold season were numerically simulated，in which the cold mass paths of invading the Yellow Sea moved from the north and west.The results showed that the airsea heat and momentum flux exchange became significantly stronger during the cold wave processes，with the momentum flux increasing by about 1—4 times and the heat flux increase 1—6 times over the maximum average values in the cold season.The simulation results also showed that the airsea heat and momentum flux exchange exhibited obvious differences，due to the different paths and intensity between the two typical cold waves.The heat and momentum flux responses were more intense in the north path cold wave process，with the momentum flux being about 1/4 times stronger than that in the west path cold wave，and the heat flux being 1/2 times stronger.The cold wave path affected the large value distribution of the fluxes.When the wind waves were coupled into the model，the airsea heat and momentum flux exchanges were enhanced：the height of wind waves increased by 15 times，the maximum value of the momentum flux increased by about 2 times，and the heat flux increased by 10—160 W/m2.When the height of the wind waves was reduced by 05 times，the maximum value of the momentum flux was reduced by about 40%，and the heat flux decreased by about 10—55 W/m2.The wind wave provided an important contribution to the airsea heat and momentum flux features and distribution.

Yellow Sea；airsea heat and momentum fluxes；cold wave event；FVCOMSWAVE current；wave coupled model

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20160302001

（責(zé)任編輯：劉菲）