不同天氣系統(tǒng)影響下塊體動(dòng)力學(xué)法計(jì)算海氣通量的誤差估計(jì)

賀 赟,孫即霖＊＊,黃 健,石 強(qiáng)

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室,山東青島266100; 2.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州510080;3.國(guó)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(dòng)力學(xué)法計(jì)算海氣通量的誤差估計(jì)

賀 赟1,孫即霖1＊＊,黃 健2,石 強(qiáng)3

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室,山東青島266100; 2.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州510080;3.國(guó)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(cè)資料,結(jié)合NCEP再分析資料,分析了塊體動(dòng)力學(xué)在不同天氣系統(tǒng)影響下計(jì)算海氣熱通量的特點(diǎn),以及相對(duì)較準(zhǔn)確的渦旋相關(guān)法的相對(duì)誤差估計(jì)。結(jié)果表明,在海面為相對(duì)低壓控制區(qū)域時(shí),塊體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的通量異常偏低,相對(duì)誤差約為潛熱通量95.8%;感熱通量205.8%;在高壓控制下,計(jì)算有所高估,相對(duì)誤差約為潛熱通量275.6%;感熱通量156%。因此,利用塊體法計(jì)算海氣通量時(shí),應(yīng)注意根據(jù)不同天氣系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)塊體通量系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

海氣熱通量;塊體動(dòng)力學(xué)法;渦旋相關(guān)法;相對(duì)誤差

海氣界面的通量交換是實(shí)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(yùn)動(dòng)以及海水溫鹽分布結(jié)構(gòu)。因此,海氣界面通量的確定對(duì)海氣相互作用研究方面具有非常重要的科學(xué)意義。

目前使用較普遍的海氣通量計(jì)算方法分直接的和間接的2種:直接法由響應(yīng)快速的超聲風(fēng)、溫、濕傳感器測(cè)量三維風(fēng)速、溫度和濕度,使用渦旋相關(guān)法直接計(jì)算通量,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算精度很高,可以反應(yīng)很短時(shí)間內(nèi)湍流變化的物理過(guò)程[1]。雖然被認(rèn)為是最可靠的方法,但其缺點(diǎn)是所用儀器精密、昂貴,感應(yīng)頭過(guò)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(dòng)都會(huì)造成觀測(cè)誤差。間接法是用常規(guī)的海上氣象觀測(cè)儀器獲取的風(fēng)速、溫度、濕度,以及表層海水溫度的平均值,使用塊體動(dòng)力學(xué)方法[2-3],利用COARE(版本3.0)算法間接計(jì)算感熱、潛熱和動(dòng)量通量等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)儀器價(jià)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(biāo)數(shù)據(jù),得到的數(shù)據(jù)結(jié)果也作為數(shù)值模型的邊界條件。但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間尺度較長(zhǎng),不能細(xì)致的反應(yīng)湍流本身的變化。對(duì)于這種計(jì)算方法,其結(jié)果有時(shí)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(dǎo)致了塊體動(dòng)力學(xué)方法在計(jì)算中產(chǎn)生的誤差大?如何減少塊體動(dòng)力學(xué)法計(jì)算的誤差,使其結(jié)果更加真實(shí)可靠都是急需解決的問題。

1 資料的來(lái)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(cè)資料,該資料采用10 m觀測(cè)鐵塔上的快速響應(yīng)CAMPBELL CSAT3超聲風(fēng)溫儀Li-cor 7500水汽/二氧化碳分析儀觀進(jìn)行風(fēng)速、溫度和水汽脈動(dòng)觀測(cè)。對(duì)該資料分別采用渦旋相關(guān)法和塊體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算湍流感熱和潛熱通量。結(jié)合美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心及國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的2.5(°) ×2.5(°)海平面高度場(chǎng)日平均再分析資料以及FNL的6h 925 hPa垂直速度場(chǎng)資料進(jìn)行分析。

其中,使用渦旋相關(guān)法計(jì)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(fēng)速脈動(dòng);T′為溫度脈動(dòng);q′為比濕脈動(dòng);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(dòng)力學(xué)方法基于Monin-Obukhov相似理論[6-7],COARE 3.0是國(guó)際上基于此理論的較為先進(jìn)的塊體動(dòng)力學(xué)計(jì)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(fēng)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(jì)算公式為:

L H=ρa(bǔ)LvCES(q＊-qa), S H=ρa(bǔ)CPCHS(Ts-Ta)

對(duì)于不同的觀測(cè)方式,不同的計(jì)算方法,其結(jié)果差別非常大,但由于渦旋相關(guān)法在描述湍流的空間以及時(shí)間結(jié)構(gòu)上所擁有的巨大優(yōu)勢(shì),能較好的刻畫湍流通量的變化[8]。本文中以渦旋相關(guān)法的計(jì)算結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而衡量傳統(tǒng)的塊體動(dòng)力學(xué)法在計(jì)算近海海-氣湍流熱通量方面的特點(diǎn)以及不足之處。文中的相對(duì)誤差(RE)是指塊體動(dòng)力學(xué)法相對(duì)渦旋相關(guān)法計(jì)算結(jié)果的誤差。公式如下:

其中Afg代表塊體法計(jì)算的通量,Aec代表渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算的通量。

2 南海通量觀測(cè)結(jié)果的分析

選取3月14～5月15日的觀測(cè)結(jié)果,將2種觀測(cè)資料按逐小時(shí)平均來(lái)計(jì)算通量。剔除記錄中明顯錯(cuò)誤的異常偏大或偏小值、斷點(diǎn),以及降水等影響渦動(dòng)相關(guān)法觀測(cè)的數(shù)據(jù)。塊體法使用資料為常規(guī)觀測(cè)儀器中近海面的2 min平均風(fēng)速,1 min平均氣溫,1 min平均相對(duì)濕度和1 min平均氣壓。

由于儀器對(duì)環(huán)境敏感,對(duì)10Hz數(shù)據(jù)進(jìn)行方差檢驗(yàn),通過(guò)WPL坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)訂正觀測(cè)平臺(tái)儀器傾斜造成的影響[9]。為檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,利用該湍流觀測(cè)資料進(jìn)行譜分析,對(duì)資料進(jìn)行抽樣檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)速擾動(dòng)譜分布都滿足f-2/3次律[10](見圖1)。說(shuō)明用渦旋相關(guān)法來(lái)計(jì)算湍流通量真實(shí)可信,可以用來(lái)檢驗(yàn)塊體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

圖1 抽樣檢驗(yàn)站位觀測(cè)資料的垂直風(fēng)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(jì)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(dòng)力學(xué)法計(jì)算結(jié)果如圖所示(見圖2)。與渦旋相關(guān)法的差別主要存在2種情況: (1)塊體動(dòng)力學(xué)法計(jì)算結(jié)果比直接渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算結(jié)果小:對(duì)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(dòng)力學(xué)法計(jì)算的潛熱通量相比渦旋相關(guān)法偏小,而且在感熱通量的計(jì)算上, 2種結(jié)果出現(xiàn)正負(fù)相反的情況較為明顯。從其對(duì)應(yīng)的中小尺度天氣過(guò)程和可以影響海面熱狀況的小尺度渦旋和對(duì)應(yīng)的動(dòng)力條件-垂直運(yùn)動(dòng)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(chǎng)(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(cè)站附近的海平面氣壓場(chǎng)(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(cè)站上空925hPa的垂直速度場(chǎng)(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(cè)時(shí)間里,觀測(cè)點(diǎn)位置處海平面高度場(chǎng)的特點(diǎn)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(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。有助于小尺度湍流的發(fā)展,并且風(fēng)向多為從海上吹來(lái),水汽變化明顯。由于低渦運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的水汽方面的變化正是渦旋相關(guān)法計(jì)算的敏感因素。所以在這期間,使用渦旋相關(guān)法計(jì)算的潛熱通量和感熱通量都非常顯著。同時(shí),這種天氣情況下,使用塊體動(dòng)力學(xué)方法從計(jì)算原理上較難對(duì)這種情況做出較快的響應(yīng),計(jì)算結(jié)果偏低。在這種情況下,塊體動(dòng)力學(xué)法與渦旋相關(guān)法的相對(duì)誤差約為潛熱通量95.8%;感熱通量205.8%。

(2)塊體動(dòng)力學(xué)法的結(jié)果比渦旋相關(guān)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(jì)算的通量較大,尤其是潛熱通量。在此期間,對(duì)應(yīng)的天氣情況也有一些特征,首先海平面氣壓場(chǎng)(見圖5):

圖5 3月15～16日、4月13～16日觀測(cè)站附近的海平面氣壓場(chǎng)(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(cè)站上空925hPa的垂直速度場(chǎng)(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(cè)期間,觀測(cè)站點(diǎn)往往都是處在高壓內(nèi)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(yùn)動(dòng)上看,存在著較弱的下沉運(yùn)動(dòng)。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(fēng)向并不是從海上吹來(lái),攜帶水汽較少,這種情況下塊體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算的潛熱通量會(huì)明顯高估。在這種情況下,塊體動(dòng)力學(xué)法與渦旋相關(guān)法的潛熱通量相對(duì)誤差約為275.6%;感熱通量相對(duì)誤差約為156%。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)海氣通量觀測(cè)的站點(diǎn)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(yùn)動(dòng)較強(qiáng),風(fēng)向主要從海面吹向陸地時(shí),使用塊體動(dòng)力學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果異常偏低。在本文的個(gè)例中,與渦旋相關(guān)法的潛熱通量相對(duì)誤差約為95.8%;感熱通量相對(duì)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(cè)中,應(yīng)該調(diào)整水汽和熱量交換系數(shù),相應(yīng)的增大塊體法的計(jì)算結(jié)果,使其更接受真實(shí)值。

在觀測(cè)站點(diǎn)處在高壓內(nèi)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(yùn)動(dòng),使用塊體動(dòng)力學(xué)法計(jì)算的結(jié)果可能明顯高估。本文個(gè)例中,與渦旋相關(guān)法的相對(duì)誤差約為潛熱通量275.6%;感熱通量156%。應(yīng)該通過(guò)調(diào)整水汽和熱量交換系數(shù),減小塊體法獲得的熱通量結(jié)果,使之更為接近實(shí)際。

根據(jù)本文的發(fā)現(xiàn),利用塊體法計(jì)算海氣通量時(shí),應(yīng)注意根據(jù)不同天氣系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)塊體通量系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,以得到更為接近真實(shí)的結(jié)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(zé)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(xiàng)(GYHY200906008);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2005CB422301);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40676012);908項(xiàng)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