區(qū)域海-氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性研究

關(guān)皓，高峰，李荔姍，余丹丹

（1.解放軍61741部隊(duì)，北京 100094；2.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062）

區(qū)域海-氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性研究

關(guān)皓1，高峰2，李荔姍1，余丹丹1

（1.解放軍61741部隊(duì)，北京 100094；2.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062）

回顧了近年來(lái)海表粗糙度參數(shù)化研究成果，借助COARE算法對(duì)四種粗糙度參數(shù)化方案下海浪對(duì)海氣界面通量及大氣底層運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析，并對(duì)高海況條件下，區(qū)域海－氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性進(jìn)行了初步的探討。研究表明：海表粗糙度受海面波浪狀態(tài)的影響，在其參數(shù)化方案中考慮波齡的作用后，在高風(fēng)速、低波齡區(qū)，波浪作用使海氣界面上的動(dòng)量和熱量通量顯著增加；波浪通過(guò)參與海氣界面上的動(dòng)力和熱力作用影響低層大氣運(yùn)動(dòng)，低波齡條件下，波浪作用使大氣運(yùn)動(dòng)減弱，高波齡條件下，波浪作用較??；區(qū)域海－氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案較敏感，不同的參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑影響不大，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響顯著，從個(gè)例來(lái)看，采用Smith92和Liu07方案的模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。研究結(jié)果為更合理的參數(shù)化海氣界面的物理過(guò)程，提高耦合模式的模擬準(zhǔn)確率提供了一定的參考。

海表粗糙度；海－氣耦合模式；海氣界面通量；波齡；臺(tái)風(fēng)

Abstract：The interaction between two important kinds of geophysical fluids，air and sea，is a hot topic in geophysical study.Ocean waves are small-scale oceanic movements at air-sea interface，which take part in the exchange of heat，moisture，and momentum between air and sea and play an important role in the air-sea interaction.In this paper，the ocean wave effect was studied in COARE（V3.0） and the sensitivity of a regional air-sea coupled model to sea surface roughness parameterizations was discussed by numerical simulation tests.The results showed that ocean waves influenced the sea surface roughness.By considering the dependent relationship between sea surface roughness and wave age，the momentum and heat fluxes at air-sea interface significantly increased under the condition of high wind and small wave age.Ocean waves took part in both dynamical and thermal interaction between air and sea，which influenced the movement of lower atmosphere.The movement was weaken under small wave age condition，but had little sensitivity to ocean waves under big wave age condition.The regional air-sea coupled model was sensitive to sea surface roughness parameterizations.In the numerical simulation tests of typhoon processes，sea surface roughness parameterizations had little influence on typhoon tracks，but had remarkable influence on the typhoon intensities.The parameterizations of Smith（1992） and Liu（2007） had better results in these tests.The results in this paper could helpful to make more reasonable parameterizations of the physical process of air-sea interaction and improve the regional air-sea coupled models.

Keywords：sea surface roughness； air-sea coupled model； air-sea interface flux； wave age； typhoon

海－氣相互作用是地球物理科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，而在海－氣相互作用研究中，海氣界面的動(dòng)量、熱量和物質(zhì)交換過(guò)程及其影響機(jī)制是研究的核心和重點(diǎn)：大氣通過(guò)風(fēng)應(yīng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)海洋，是海洋環(huán)流的重要能量來(lái)源；而海洋又通過(guò)感熱、潛熱及水汽交換等影響著不同尺度的海上天氣系統(tǒng)的發(fā)展和演變。海－氣耦合模式是研究海－氣相互作用的有效工具，合理的考慮并參數(shù)化海氣界面各種相互作用的物理過(guò)程是建立耦合模式的關(guān)鍵。

海浪是存在于大氣和海洋界面的一種小尺度海洋現(xiàn)象，在高風(fēng)速條件下，波浪狀態(tài)改變了海表動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)粗糙度，影響了海氣界面上的湍流通量和物質(zhì)交換，直接參與了海氣相互作用過(guò)程。因此，在區(qū)域海－氣耦合模式中需要考慮海浪的影響并進(jìn)行合理的參數(shù)化。

基于以上考慮，本文在回顧近年來(lái)海表粗糙度參數(shù)化研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析考慮波浪影響的四種海表粗糙度參數(shù)化方案，借助COARE算法對(duì)不同參數(shù)化方案下海浪對(duì)海氣界面通量及低層大氣運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析；最后將4種參數(shù)化方案引入?yún)^(qū)域海－氣耦合模式，初步研究模式的敏感性，為耦合模式的發(fā)展和改進(jìn)提供參考。

1 海表粗糙度參數(shù)化研究進(jìn)展

海氣界面的動(dòng)量通量即海面風(fēng)應(yīng)力，是驅(qū)動(dòng)上層海洋環(huán)流和海浪的主要?jiǎng)恿?。?zhǔn)確地理解和估計(jì)海面風(fēng)應(yīng)力對(duì)于模擬和預(yù)報(bào)海洋、大氣之間的動(dòng)力作用過(guò)程至關(guān)重要。通常，對(duì)于海面風(fēng)應(yīng)力可以通過(guò)拖曳系數(shù)Cd或空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0來(lái)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化，兩種方法是等價(jià)的（Roland B，1991）。海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的概念是從陸面上對(duì)數(shù)風(fēng)廓線理論中的粗糙度延伸而得來(lái)的。在海面上，下墊面的粗糙元受到海面風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)烈影響，隨風(fēng)速的改變而改變；海浪的存在會(huì)改變海面附近的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而影響海面粗糙度；此外，海面粗糙度還受大氣層結(jié)穩(wěn)定度、陣風(fēng)、表面張力、海洋飛沫等諸多因素的影響。

一種經(jīng)典的計(jì)算海表粗糙度的方案是考慮海面風(fēng)速對(duì)海表粗糙度的影響，根據(jù)量綱分析得到了Charnock（1955） 關(guān)系式（1式）。其中，z0為海表粗糙度，u*為摩擦速度，β為Charnock常數(shù)，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)和外海觀測(cè)數(shù)據(jù)，許多作者給出了不同的Charnock參數(shù)值。在中尺度大氣模式中多采用該參數(shù)化方案來(lái)計(jì)算海表粗糙度。但是，許多實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明海面動(dòng)力學(xué)粗糙度不僅與海面風(fēng)速有關(guān)，還依賴于海浪狀態(tài)。Stewart（1974） 基于風(fēng)浪譜的相似性，提出了推廣的Charnock關(guān)系，將Charnock參數(shù)寫(xiě)成波齡的函數(shù)（2式，f表示函數(shù)關(guān)系），cp為相速，cp/u*為波齡參數(shù)。對(duì)于此函數(shù)關(guān)系式，不同學(xué)者根據(jù)外海觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)室數(shù)據(jù)擬合得到了不同的表達(dá)式。

Toba等（1990） 利用外海和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)結(jié)合在一起進(jìn)行分析，去除涌浪的影響，得出Charnock參數(shù)隨波齡增大而增大的結(jié)論；Smith等（1992） 通過(guò)對(duì) HEXOS數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為Charnock參數(shù)隨波齡增大而減小。此外，還有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，他們給出的Charnock參數(shù)隨波齡變化關(guān)系也存在較大的差異。SCOR101工作組（Zhao et al，2001） 綜合分析了大量的實(shí)驗(yàn)室及外海觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到Charnock參數(shù)與波齡并非簡(jiǎn)單的單調(diào)增減關(guān)系，并給出Charnock參數(shù)隨波齡變化的SCOR關(guān)系。Hsu等（1974） 提出用波高來(lái)計(jì)算海面動(dòng)力學(xué)粗糙度，并認(rèn)為其是波高、波齡的函數(shù)；Taylor等（2001）通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到了海表粗糙度與波陡的關(guān)系。

在高風(fēng)速條件下，受海洋飛沫、海浪破碎等影響，海表粗糙度與波齡的關(guān)系更為復(fù)雜。Makin等（2005）分析了外海觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)阻抗定律給出了高風(fēng)速條件下考慮海洋飛沫效應(yīng)對(duì)粗糙度影響的海表粗糙度參數(shù)化方案。此后，Liu等（2007，2010）又做了進(jìn)一步改進(jìn)。表1列出了不同學(xué)者給出的海表粗糙度參數(shù)化方案。

海氣之間的感熱和水汽交換過(guò)程不同于動(dòng)量交換過(guò)程，它們主要取決于海氣兩側(cè)的分子傳導(dǎo)和擴(kuò)散作用。在COARE算法3.0版中Fairall等（2003） 提出了標(biāo)量的粗糙度的參數(shù)化方案（3式）。其中，Re=z0u*/ν為海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙雷諾數(shù)。在考慮波浪狀態(tài)對(duì)海表動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響后，海表標(biāo)量粗糙度也發(fā)生變化，海氣界面的熱量和水汽交換過(guò)程也受到波浪狀態(tài)影響。

表1 不同學(xué)者給出的考慮波浪影響的海表粗糙度參數(shù)化方案

2 通量計(jì)算及粗糙度的影響

2.1 海氣界面湍流通量計(jì)算

海氣界面湍流通量的計(jì)算方法通常有：渦度相關(guān)法、慣性耗散法、廓線法和總體動(dòng)力學(xué)方法。其中總體動(dòng)力學(xué)方法基于Monin-Obukhov相似理論，僅需常規(guī)氣象和海洋資料就可以計(jì)算近地層湍流通量，因此廣泛的應(yīng)用于數(shù)值模式中。定義動(dòng)量、感熱、潛熱交換系數(shù)Cd、Ch、Ce，則海氣通量可由4式計(jì)算，其中U為近海面風(fēng)速、Ts-Ta、qs-qa分別為海表面與大氣底層的溫度差和濕度差。

若不考慮對(duì)流陣風(fēng)，交換系數(shù)可以表示為5式，u*、T*、q*分別為速度、溫度和濕度的特征尺度，u*也稱為摩擦速度，表征了脈動(dòng)速度的大小。

根據(jù)M-O相似理論，定義無(wú)量綱層結(jié)穩(wěn)定性參數(shù)ζ=z/L，L為長(zhǎng)度特征尺度；對(duì)風(fēng)速、溫、濕廓線從z0到z積分；引入普適函數(shù)ψm（ζ）、ψh（ζ）、ψe（ζ）后可以得到6式。

因此，只要根據(jù)實(shí)際海氣邊界層狀況求得L、z0、z0t及z0q就可以確定各通量交換系數(shù)，再根據(jù)4式計(jì)算海氣間動(dòng)量、熱量通量。通常情況下，L、z0及u*的計(jì)算通過(guò)迭代求解實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中可以對(duì)z0、z0t和z0q進(jìn)行參數(shù)化。

2.2 4種海表粗糙度參數(shù)化方案對(duì)比

本文選取4種有代表性的海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案，包括Toba等（1990）、Smith等（1992）、Jones等（2001）、Liu等（2007） 提出的方案（分別簡(jiǎn)稱為T(mén)oba90、Smith92、SCOR01、Liu07） 進(jìn)行研究；標(biāo)量粗糙度的計(jì)算采用Fairall等（2003）提出的方案（3式）。

圖1給出了4種參數(shù)化方案及經(jīng)典的Charnock方案中，不同波齡條件下海面動(dòng)力學(xué)粗糙度隨風(fēng)速的演變情況。除了Liu07，其它方案中海表粗糙度隨風(fēng)速增大而單調(diào)增加。Toba90中，不同波齡、風(fēng)速條件下海表粗糙度均大于Charnock方案結(jié)果；Smith92和SCOR01中，高波齡處的海表粗糙度小于Charnock方案計(jì)算結(jié)果；Liu07中，考慮了高風(fēng)速條件下飛沫效應(yīng)的影響，演變曲線出現(xiàn)了極值點(diǎn)，極值點(diǎn)風(fēng)速隨波齡的增大而增大，在風(fēng)速超過(guò)極值點(diǎn)風(fēng)速后，海表粗糙度隨風(fēng)速的增大而減小，海表粗糙度不再是風(fēng)速的單調(diào)函數(shù)。

2.3 海表粗糙度參數(shù)化方案對(duì)通量計(jì)算的影響

在具體層結(jié)條件下，不同的海表粗糙度參數(shù)化方案影響對(duì)海氣界面動(dòng)量、熱量通量的計(jì)算。這里將4種海表粗糙度參數(shù)化方案分別引入COARE算法（3.0版）中，計(jì)算不同海表粗糙度參數(shù)化方案下海氣界面通量的變化情況。

圖2給出了在低波齡（wa=5） 和高波齡（wa=45） 條件下采用4種海表粗糙度參數(shù)化方案及Charnock方案計(jì)算的海氣界面動(dòng)量通量隨風(fēng)速的演變關(guān)系：動(dòng)量通量隨風(fēng)速增大單調(diào)遞增；在低波齡條件下，4種參數(shù)化方案計(jì)算的動(dòng)量通量均大于Charnock方案結(jié)果，Smith92方案中動(dòng)量通量增長(zhǎng)得最快，Liu07方案中，在風(fēng)速大于25 m/s后通量增長(zhǎng)減慢；在高波齡條件下，Toba90計(jì)算的動(dòng)量通量仍然大于Charnock方案結(jié)果，而其它3種方案計(jì)算的動(dòng)量通量顯著減小，且隨風(fēng)速變化緩慢。因此，考慮了波浪狀態(tài)對(duì)海表粗糙度的影響后，在低波齡的高風(fēng)速區(qū)，海氣間的動(dòng)量交換更劇烈。

圖3為在海表相對(duì)濕度90%，氣壓1 000 hPa，氣溫27℃，海面溫度29℃，鹽度34 psu條件下，采用4種海表粗糙度參數(shù)化方案及Charnock方案計(jì)算的海氣界面熱量通量隨風(fēng)速的演變關(guān)系。不同粗糙度參數(shù)化方案下熱通量隨風(fēng)速的變化關(guān)系與動(dòng)量通量相似：在低波齡條件下，4種參數(shù)化方案計(jì)算的熱量通量均大于Charnock方案結(jié)果；在高波齡條件下，除Toba90方案外，其它3種方案計(jì)算的熱量通量顯著減小。因此，除Toba90方案外，在低波齡的高風(fēng)速區(qū)，海氣界面上的熱量通量較大。

2.4 波浪作用對(duì)低層大氣運(yùn)動(dòng)的影響

大氣和上層海洋之間的相互作用包括動(dòng)力作用和熱力作用，臺(tái)風(fēng)等海上強(qiáng)天氣系統(tǒng)的發(fā)展和演變同時(shí)受到這兩種作用的影響：在動(dòng)力作用中，大氣傳遞動(dòng)量到上層海洋，驅(qū)動(dòng)表層海水運(yùn)動(dòng)，如果考慮海浪運(yùn)動(dòng)，部分動(dòng)能被海浪場(chǎng)吸收，大氣運(yùn)動(dòng)減弱；在熱力作用中，海表感熱、潛熱通量的傳遞是維持大氣運(yùn)動(dòng)的條件，波浪的存在影響通量傳遞的大小。因此，考慮了波浪影響，即海表粗糙度對(duì)波齡的依賴關(guān)系后，低層大氣的運(yùn)動(dòng)也受到影響。Zhang等（2001）討論了海浪在上述兩種過(guò)程中的作用，并給出一個(gè)簡(jiǎn)單的衡量海浪動(dòng)力、熱力作用效應(yīng)的量化關(guān)系（7式），其中，“Δ”表示考慮了波齡對(duì)粗糙度的影響后，物理量的變化量。式中，右側(cè)第一項(xiàng)代表了波浪對(duì)熱力作用影響，第二項(xiàng)代表波浪對(duì)動(dòng)力作用影響。當(dāng)波浪對(duì)熱力作用的影響超過(guò)對(duì)動(dòng)力作用影響時(shí)，天氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，反之則減弱。

利用以上表達(dá)式可以對(duì)波浪的動(dòng)力效應(yīng)和熱力效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析。圖4、5、6為采用4種海表粗糙度參數(shù)化方案，通過(guò)COARE算法計(jì)算得到的低波齡（wa=5） 和高波齡（wa=45） 情況下，波浪作用隨風(fēng)速的演變關(guān)系。結(jié)合3.2節(jié)中對(duì)粗糙度參數(shù)化方案的對(duì)比分析可以得到以下結(jié)論：

（1）在低波齡條件下，考慮波浪影響后，海表粗糙度增加（相對(duì)于Charnock方案計(jì)算結(jié)果），動(dòng)力拖曳效應(yīng)增強(qiáng)，阻礙大氣運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，因此，4種方案中波浪的影響都使動(dòng)力效應(yīng)增強(qiáng)（均為正值）；在高波齡條件下，除Toba90方案外，波浪對(duì)動(dòng)力效應(yīng)的影響較小，隨風(fēng)速的變化不大，考慮波浪影響后，動(dòng)力拖曳效應(yīng)略減弱。

（2）在低波齡條件下，風(fēng)速較小時(shí)，波浪影響使海氣間的熱力作用減弱，由于熱力作用對(duì)天氣系統(tǒng)的發(fā)展有正貢獻(xiàn)，因此，低波齡低風(fēng)速條件下，波浪的熱力效應(yīng)不利于天氣系統(tǒng)的發(fā)展。隨風(fēng)速增大，熱力效應(yīng)的影響增強(qiáng)并轉(zhuǎn)為正值，即低波齡高風(fēng)速條件下，波浪的影響使熱力作用增強(qiáng)，促進(jìn)天氣系統(tǒng)的發(fā)展；在高波齡條件下，除Toba90方案外，在風(fēng)速較小時(shí)，波浪對(duì)熱力作用影響較小，在風(fēng)速大于22 m/s時(shí)，熱力作用減弱，即在高波齡高風(fēng)速條件下，波浪的熱力效應(yīng)不利于天氣系統(tǒng)的發(fā)展。

（3）在低波齡條件下，波浪對(duì)底層大氣運(yùn)動(dòng)有顯著的負(fù)的影響，考慮波浪作用后，大氣運(yùn)動(dòng)減弱；在高波齡條件下，除Toba90方案外，其它方案計(jì)算的波浪對(duì)大氣底層運(yùn)動(dòng)的影響較小，在低風(fēng)速區(qū)影響為正值，風(fēng)速大于25m/s時(shí)，影響為負(fù)值。

綜上所述，波浪狀態(tài)通過(guò)改變海表粗糙度，影響了海氣間的動(dòng)力和熱力作用，進(jìn)而影響了低層大氣運(yùn)動(dòng)和天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變。因此，有必要在海－氣耦合研究中合理的對(duì)海表粗糙度進(jìn)行參數(shù)化，充分的考慮波浪效應(yīng)的影響。

3 區(qū)域海－氣耦合模式對(duì)海表粗糙度的敏感性

海浪是影響海－氣相互作用的重要物理過(guò)程，論文前期工作建立了同時(shí)考慮大氣-海流-海浪相互作用的區(qū)域海－氣耦合模式系統(tǒng)（關(guān)皓等，2011）。在耦合模式中，將COARE算法（3.0版）引入大氣子模式的邊界層模塊（MM5的MRF邊界層方案），并將計(jì)算得到的模式最底層動(dòng)量通量、熱量通量和輻射通量傳遞給海洋子模式，作為模式的上邊界強(qiáng)迫；海洋子模式傳遞海表溫度到大氣子模式，更新模式水點(diǎn)的下墊面溫度。大氣子模式提供海面10 m風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪子模式運(yùn)行，并接收海浪子模式反饋的波齡參數(shù)，分別計(jì)算考慮波浪影響的海表動(dòng)力學(xué)粗糙度和標(biāo)量粗糙度。在浪－流耦合方面，主要考慮波致應(yīng)力對(duì)海流的作用以及表層海流對(duì)波浪傳播的影響：一方面，在大氣子模式邊界層動(dòng)量通量的計(jì)算中引入了波齡的影響，因此在利用大氣子模式計(jì)算的海面風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)海流模式運(yùn)行時(shí)，包含了波浪效應(yīng)對(duì)海流的影響；另一方面，將海流子模式計(jì)算得到的海表流場(chǎng)傳遞給海浪子模式，作為模式的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，由此引入海表流場(chǎng)對(duì)波浪傳播的影響。由于在模式系統(tǒng)中海表粗糙度的計(jì)算是大氣-海浪耦合以及浪-流耦合的基礎(chǔ)，因此，有必要對(duì)耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案敏感性進(jìn)行研究。

臺(tái)風(fēng)是最強(qiáng)的海氣相互作用過(guò)程，在強(qiáng)風(fēng)速條件下波浪的作用更為顯著。我國(guó)南海海區(qū)是北半球臺(tái)風(fēng)活動(dòng)最頻繁的海區(qū)之一，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)直接影響了海上航行作業(yè)、科學(xué)試驗(yàn)、軍事訓(xùn)練等活動(dòng)，因此加強(qiáng)對(duì)南海臺(tái)風(fēng)過(guò)程中海氣相互作用的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在南海海區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)，研究耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性。根據(jù)南?；顒?dòng)的臺(tái)風(fēng)路徑特征，可以將其分為兩類：平直西進(jìn)型和轉(zhuǎn)向北上型。本文選取在南海活動(dòng)的六次典型的臺(tái)風(fēng)（或熱帶氣旋） 過(guò)程（圖7），進(jìn)行模擬研究，其中，0601號(hào)臺(tái)風(fēng)“Chanchu（珍珠）”、0801號(hào)臺(tái)風(fēng)“Neoguri（浣熊）”和1013號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“Megi（鲇魚(yú)）”為轉(zhuǎn)向臺(tái)風(fēng)，0606號(hào)臺(tái)風(fēng)“Prapiroon（派比安）”、0916號(hào)臺(tái)風(fēng)“Ketsana（凱薩娜）”、1108號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“Nock-ten（洛坦）”為西-西北行臺(tái)風(fēng)。

試驗(yàn)中，大氣子模式MM5的初值場(chǎng)和邊值場(chǎng)采用NCEP提供的逐日4個(gè)時(shí)次的1°×1°的再分析資料，利用Bogus方案構(gòu)造初始場(chǎng)臺(tái)風(fēng)模型，初始海溫采用AVHRR衛(wèi)星遙感海面溫度；模式選用K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案、ReisnerⅠ顯示云物理方案、高分辨率的MRF邊界層方案（引入COARE3.0）、云輻射方案及5層土壤模式；邊界條件取松弛側(cè)邊界條件和上層輻射邊界條件；采用兩重嵌套網(wǎng)格，外區(qū)水平分辨率30 km，內(nèi)區(qū)10 km。海洋子模式POM采用MM5計(jì)算的海面風(fēng)應(yīng)力、海氣界面感熱、潛熱和輻射通量作為模式上邊界條件，利用WOA05月平均溫度、鹽度以及SODA月平均流場(chǎng)通過(guò)插值得到模式的開(kāi)邊界強(qiáng)迫；模式采用直角正交網(wǎng)格，水平分辨率為1/6°×1/6°；在垂直方向上，采用不均勻間隔的21個(gè)δ層，對(duì)上層海洋的分層進(jìn)行加密，最大深度取為3 500 m；積分時(shí)間步長(zhǎng)外模態(tài)15 s，內(nèi)模態(tài)900 s。WW3采用有限區(qū)的JONSWAP譜初始化方案，海浪譜頻率分布0.0418～0.41Hz，共25個(gè)頻段，24個(gè)波向，方向分辨率15°，模式空間分辨率1/6°×1/6°，積分時(shí)間步長(zhǎng)取為900 s。試驗(yàn)?zāi)M區(qū)域范圍0°-30°N，99°E-126°E；耦合交換時(shí)間步長(zhǎng)15 min。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

對(duì)6次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的各組模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，表3給出了對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和中心氣壓的模擬誤差。由于考慮了海氣間復(fù)雜的動(dòng)力和熱力相互作用過(guò)程，包括上層海洋的熱力反饋以及海浪通過(guò)改變海表粗糙狀態(tài)對(duì)海氣動(dòng)量、熱量通量的影響，因此，與控制試驗(yàn)相比，采用耦合模式的4組敏感性試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬結(jié)果都有一定改進(jìn)。對(duì)兩類路徑特征的臺(tái)風(fēng)過(guò)程分類統(tǒng)計(jì)，可以得到，不同海表粗糙度參數(shù)化方案對(duì)兩類臺(tái)風(fēng)模擬誤差的影響基本一致，采用Smith92和Liu07方案時(shí)耦合模式模擬誤差相對(duì)較小。圖8、圖9給出了控制試驗(yàn)和各組敏感性試驗(yàn)對(duì)0601和0606次臺(tái)風(fēng)的模擬情況，可以看到：不同海表粗糙度參數(shù)方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑影響不大，但對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬結(jié)果有影響。4組敏感性試驗(yàn)中波浪作用對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)一致，但影響程度不同，這種差異在臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段更顯著，臺(tái)風(fēng)最強(qiáng)時(shí)差異最大；Toba90方案中臺(tái)風(fēng)減弱速度加快，其他3種方案中，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度演變趨勢(shì)一致，Liu07方案模擬的臺(tái)風(fēng)演變情況更接近實(shí)況。對(duì)其它4次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的模擬試驗(yàn)也可以的到相同的結(jié)論（圖略）。綜合本文6次臺(tái)風(fēng)個(gè)例的試驗(yàn)結(jié)果可以得到采用Smith92和Liu07方案的耦合模式的模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。

表2 控制試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)內(nèi)容及方案

表3 各組試驗(yàn)?zāi)M誤差統(tǒng)計(jì)表

圖9 各組試驗(yàn)?zāi)M的0601和0606次臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓演變情況及NMC觀測(cè)結(jié)果（（a） 0601次臺(tái)風(fēng)（2006年5月13日00時(shí)-18日00時(shí)）；（b） 0606次臺(tái)風(fēng)（2006年8月1日00時(shí)-8月5日00時(shí)））

4 結(jié)論

本文回顧了近年來(lái)海表粗糙度參數(shù)化研究成果；借助COARE算法對(duì)考慮波浪影響的4種海表粗糙度參數(shù)化方案下海浪對(duì)海氣界面通量及大氣底層運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析；并初步研究了區(qū)域海－氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性。主要結(jié)論如下：

（1）海表粗糙度受海面波浪狀態(tài)的影響，在海表粗糙度參數(shù)化方案中考慮了波齡的作用后，海氣界面的動(dòng)量和熱量交換都受到波浪的影響：高風(fēng)速條件下，在低波齡區(qū)，波浪作用顯著，海氣界面上的動(dòng)量和熱量通量增加；在高波齡區(qū)，波浪作用不顯著，海氣界面上的動(dòng)量和熱量通量略減小。

（2）波浪通過(guò)參與海氣界面上的動(dòng)力和熱力交換過(guò)程影響低層大氣運(yùn)動(dòng)。在低波齡條件下，波浪作用使大氣運(yùn)動(dòng)減弱；在高波齡條件下，波浪對(duì)低層大氣運(yùn)動(dòng)影響較?。═oba90方案除外），在低風(fēng)速區(qū)，運(yùn)動(dòng)略增強(qiáng)，高風(fēng)速區(qū)，運(yùn)動(dòng)略減弱。

（3）區(qū)域海－氣耦合模式對(duì)海表粗糙度參數(shù)化方案較敏感。在對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的模擬試驗(yàn)中，不同海表粗糙度參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑影響不大，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度影響顯著?？偟膩?lái)看，考慮了海－氣相互作用和波浪影響后，耦合模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬結(jié)果都有較大改善，從本文的個(gè)例來(lái)看，采用Smith92和Liu07方案的模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。

本文只對(duì)南海高海況（兩類典型臺(tái)風(fēng)）條件下，耦合模式對(duì)4種海表粗糙度參數(shù)化方案的敏感性進(jìn)行了分析，對(duì)于臺(tái)風(fēng)過(guò)程中波浪作用機(jī)制及其對(duì)天氣系統(tǒng)強(qiáng)度的影響還需進(jìn)一步的定量研究，另外，在不同的海區(qū)地理?xiàng)l件和天氣背景下，如何更合理的對(duì)海氣界面上的物理過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化，有效提高耦合模式的性能也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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（本文編輯：郭箏）

A sensitivity study on a regional atmosphere-ocean coupled model to sea surface roughness parameterizations

GUAN Hao1，GAO Feng2，LI Li-shan1，YU Dan-dan1
（1.No.61741 Army of PLA，Beijing 100094，China； 2.Weather Service Centre in Jilin Province，Changchun 130062，China）

P732

A

1001-6932（2012）05-0520-10

2011-11-16；

2012-03-01

關(guān)皓（1981-），女，博士，工程師，主要從事海氣相互作用和數(shù)值模擬研究。電子郵箱：gghh125@163.com。