臺(tái)風(fēng)期間海洋飛沫對(duì)海氣湍通量的影響研究

張連新，韓桂軍，李威，張學(xué)峰，付紅麗，張曉爽，邵彩霞

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島 266100；2.國(guó)家海洋局海洋信息中心，天津 300171）

臺(tái)風(fēng)期間海洋飛沫對(duì)海氣湍通量的影響研究

張連新1，2，韓桂軍2，李威2，張學(xué)峰2，付紅麗2，張曉爽2，邵彩霞2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島 266100；2.國(guó)家海洋局海洋信息中心，天津 300171）

本文以2006年9月日本以南海域的臺(tái)風(fēng)YAGI為例，應(yīng)用黑潮延伸體附近的KEO浮標(biāo)觀測(cè)資料，并結(jié)合衛(wèi)星遙感等融合資料，分析海洋飛沫在臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展階段對(duì)海氣界面間熱量通量和動(dòng)量通量的影響。首先，定量地分析臺(tái)風(fēng)期間海洋飛沫對(duì)海氣熱通量的影響。結(jié)果表明，在臺(tái)風(fēng)YAGI過(guò)境期間，海洋飛沫能夠顯著地加劇海氣界面間的熱量交換，尤其是潛熱交換。海洋飛沫增加的熱通量隨著風(fēng)速的增強(qiáng)而增大，隨著波齡的增大而減小。隨后，通過(guò)動(dòng)量分析表明，在臺(tái)風(fēng)YAGI過(guò)境期間，海洋飛沫顯著地增強(qiáng)了由大氣向海洋的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臺(tái)風(fēng)量級(jí)后，考慮海洋飛沫所增加的動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量大小相當(dāng)，同時(shí)，在此風(fēng)速條件下，海洋飛沫在海氣界面形成極限飽和懸浮層，抑制風(fēng)到海表面的動(dòng)量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致海氣界面間總的動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率隨之減小。

飛沫；臺(tái)風(fēng)；熱通量；動(dòng)量通量

1 引言

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定速度時(shí)，波浪破碎產(chǎn)生海洋飛沫。波浪破碎影響海洋上層的湍動(dòng)能［1—2］，海洋飛沫則改變海面粗糙度長(zhǎng)度，進(jìn)而影響海氣間的湍通量。因此，在計(jì)算湍通量時(shí)，應(yīng)考慮海洋飛沫影響因子［3］。關(guān)于熱通量方面，張淮和婁順里［4—5］以單個(gè)飛沫滴為研究對(duì)象，得到飛沫滴的熱量和水汽通量的表達(dá)式。基于海洋飛沫的微物理過(guò)程，F(xiàn)airall等［6］簡(jiǎn)化Andreas［7—8］的時(shí)間尺度，指出飛沫的下降速度和湍流垂直傳輸決定飛沫的懸浮時(shí)間，飛沫蒸發(fā)是感熱通量的匯?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料（COARE-plus，HEXMAX，HEXOS和FASTEX），Andreas［7—13］采用Pruppacher 和Klett［14］的云微物理機(jī)制，研究海洋飛沫由產(chǎn)生到與周?chē)h(huán)境達(dá)到熱量平衡和濕度平衡的演變過(guò)程，并認(rèn)為當(dāng)風(fēng)速達(dá)到11～13 m／s時(shí)，海洋飛沫將顯著的影響界面間的潛熱通量和感熱通量。數(shù)值模擬［15—18］的結(jié)果表明，由于海洋飛沫的存在，海洋將提供給大氣更多的熱量；關(guān)于動(dòng)量通量方面，當(dāng)海洋飛沫噴射進(jìn)入空氣中，氣流加速海洋飛沫，當(dāng)飛沫滴再次墜入海洋時(shí)，實(shí)現(xiàn)海洋與大氣間的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下，海洋飛沫引起的動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量具有可比的量級(jí)［10］。故推測(cè)海洋飛沫將成為除湍流外的另一條重要的海氣交換途徑。綜上所述，前人多從微觀的角度討論海洋飛沫，但缺少統(tǒng)一有效的海洋飛沫增長(zhǎng)函數(shù)，所以本文試從其他角度研究海洋飛沫的作用。

關(guān)于飛沫對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響研究表明，在熱力學(xué)方面，受海洋飛沫蒸發(fā)的影響，底層大氣開(kāi)始變濕變冷，海洋飛沫改變大氣邊界層的層結(jié)［19］和對(duì)流活動(dòng)［20］。海洋飛沫的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致大氣下界面的冷卻，增強(qiáng)海氣界面的感熱交換，進(jìn)而影響風(fēng)暴強(qiáng)度［21］，同時(shí)，海洋飛沫對(duì)海氣邊界層的影響隨著高度的增加而減弱［22］。海洋飛沫的影響與海氣邊界層的高度相關(guān)外，還依賴于海洋飛沫自身的濃度和蒸發(fā)率［23］。此外，對(duì)于中緯度風(fēng)暴而言，飛沫導(dǎo)致降雨的增加［24］。在動(dòng)力學(xué)方面，Gall等［25］考慮了飛沫的垂直和水平拖曳作用，并指出飛沫能夠通過(guò)復(fù)雜的物理過(guò)程改變臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)。由此可知，臺(tái)風(fēng)對(duì)熱量和動(dòng)量的微小變化非常敏感。如果飛沫確實(shí)影響臺(tái)風(fēng)期間的熱量通量和動(dòng)量通量，那么海洋飛沫對(duì)于臺(tái)風(fēng)的研究將非常重要。但是前人多從理論或模式的角度對(duì)海洋飛沫進(jìn)行研究，尚缺少實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，不利于實(shí)際海區(qū)的應(yīng)用研究。

本文基于前人的研究，著重從宏觀上出發(fā)，以海洋飛沫對(duì)海面粗糙度長(zhǎng)度的影響為切入點(diǎn)，考慮海洋飛沫的作用，避免了海洋飛沫增長(zhǎng)函數(shù)的不一致性。以西北太平洋的臺(tái)風(fēng)YAGI為例，使用實(shí)際的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從熱量和動(dòng)量?jī)煞矫娣謩e討論飛沫影響因子的作用，著重分析臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展階段海洋飛沫對(duì)海氣湍通量的影響。

2 研究方法

2.1 海洋飛沫的物理影響

高風(fēng)速下海表產(chǎn)生的破碎波擾亂了海氣界面，進(jìn)而產(chǎn)生兩位相層——海洋中的氣泡和大氣中的飛沫［26］。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)25～30 m／s時(shí)［27—28］，海表幾乎完全由兩位相層所覆蓋，從而影響海面的拖曳系數(shù)，抑制風(fēng)到海表的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。Makin［29］基于有效飽和懸浮沫滴層的TKE平衡理論和Powell等［27］的外海觀測(cè)，得到高風(fēng)速下含飛沫影響因子的海面空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度長(zhǎng)度的參數(shù)化方案，

式中，z0是高風(fēng)速下受飛沫影響的海面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度，α為Charnock常數(shù)，是反映海洋飛沫作用的函數(shù)，ω＝min（1，acr／ku*），acr為典型海洋飛沫滴的臨界下降速度，取0.64 m／s［29］，von karman常數(shù)k取0.4，cl可看作無(wú)量綱的飛沫懸浮層厚度，cl＝（ghl／u2*），hl為有限飽和飛沫懸浮層的厚度。Makin［29］認(rèn)為有限飽和飛沫懸浮層的厚度hl大于破碎波的高度而小于有效波高h(yuǎn)s，并取hl為有效波高h(yuǎn)s的十分之一，所以在前人研究的基礎(chǔ)上［30］，無(wú)量綱的飛沫懸浮層厚度cl為：

近幾年研究表明，中低風(fēng)速下粗糙度長(zhǎng)度也是依賴風(fēng)速和波浪狀態(tài)的量［31—38］。其中Donelan［38］利用外海數(shù)據(jù)擬合了用均方波高無(wú)因次的海面粗糙度：

式中，cp為當(dāng)?shù)仫L(fēng)引起的波頻譜峰的主波相速，cp／u*為波齡（β*）。由式（3）可知，海面粗糙度長(zhǎng)度隨波齡的增大而減小，即年輕的波浪具有較大的海面粗糙度長(zhǎng)度，成熟的波浪具有較小的粗糙度長(zhǎng)度［31—38］。

本文利用Toba［39］的3／2指數(shù)律和深水情況下的譜峰周期關(guān)系式，并結(jié)合高、中低風(fēng)速下的海面粗糙度關(guān)系式得到：

式（4）為全風(fēng)速下含飛沫影響因子的海面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度［40］。當(dāng)海洋飛沫不起作用時(shí)，w值為1，全風(fēng)速下的粗糙度長(zhǎng)度恢復(fù)為中低風(fēng)速下的粗糙度長(zhǎng)度式（3）。當(dāng)海洋飛沫的影響增強(qiáng)時(shí)，w隨之減小，海面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度隨之減小，最終拖曳系數(shù)隨之減小。結(jié)合Toba［39］的3／2指數(shù)律和深水情況下的譜峰周期關(guān)系式計(jì)算波齡，

式（5）由有效波高計(jì)算波齡，B反映了風(fēng)浪的不同發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2.2 湍通量的參數(shù)化方案

實(shí)際應(yīng)用中多采用COARE2.6模型計(jì)算海氣界面間的湍通量［41］。COARE2.6模型基于塊體公式［42］和Monin-Obukhov相似理論（簡(jiǎn)稱MOST），以平均量計(jì)算海氣通量，

式中，Hs、Hl和τ分別為感熱通量、潛熱通量和動(dòng)量通量，ρa(bǔ)為空氣密度，cpa為定壓比熱，Le為蒸發(fā)潛熱，和u分別代表垂直風(fēng)速、位溫、水汽比濕和水平風(fēng)分量的湍擾動(dòng)，式（6）中的簡(jiǎn)化為：

式中，x代表風(fēng)速分量、位溫、水汽比濕；cx為變量x的塊體輸運(yùn)系數(shù)（d指風(fēng)速）；cx為總的輸運(yùn)系數(shù)（例Cd為拖曳系數(shù)，Ch為Stanton數(shù)，Ce為Dalton數(shù)）；ΔX是變量x平均值的海氣差。

輸運(yùn)系數(shù)cx依賴于以MOST為基礎(chǔ)的表面穩(wěn)定度：

式中，ζ是MOST穩(wěn)定參數(shù)，下標(biāo)n指中性穩(wěn)定（ζ＝0），z為平均量x的測(cè)量高度，ψx為描述平均廓線穩(wěn)定度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。z0x是粗糙度長(zhǎng)度參數(shù)，用以描述變量x的表面中性轉(zhuǎn)移特性（包括海面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度z0，熱量和水汽粗糙度長(zhǎng)度zt，zq）。原COARE2.6中的z0由Charnock關(guān)系求得，而Charnock關(guān)系并未考慮海洋飛沫的作用，故原COARE2.6得到的海氣湍通量為界面湍通量［13］。同時(shí)，使用式（4）得到的湍通量考慮了海洋飛沫影響因子，為界面間的總的湍通量。此外，海洋向大氣輸送的通量為正，大氣向海洋輸送的通量為負(fù)。

為說(shuō)明拖曳系數(shù)的分布特征，本文通過(guò)式（4）、（7）、（8）得到不同波齡（5.5～35）情況下含飛沫影響因子的拖曳系數(shù)隨10 m風(fēng)速的變化。由圖1可知，拖曳系數(shù)隨10 m風(fēng)速和波齡二者的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速恒定時(shí)，拖曳系數(shù)隨波齡的減小而增大，即越年輕的風(fēng)浪拖曳系數(shù)越大［31—38］；當(dāng)波齡固定不變時(shí)，拖曳系數(shù)先隨風(fēng)速持續(xù)增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到35 m／s左右，拖曳系數(shù)隨風(fēng)速增大而減小，此特征與Powell等［27］的觀測(cè)結(jié)果相一致。所以考慮飛沫作用的拖曳系數(shù)在中低風(fēng)速時(shí)隨著風(fēng)速增大而增大，高風(fēng)速時(shí)隨著風(fēng)速的增加而減小［43］。

3 資料與背景

3.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用NOAA黑潮延伸體觀測(cè)（KEO）浮標(biāo)數(shù)據(jù)估算海氣湍通量值，浮標(biāo)的地理位置為（32.4oN，144.6oE），選用的觀測(cè)數(shù)據(jù)有3 m風(fēng)速、3 m大氣溫度、3 m相對(duì)濕度、降雨速率、太陽(yáng)短波輻射、長(zhǎng)波輻射、海表溫度、海洋溫度剖面和海洋鹽度剖面，觀測(cè)時(shí)間為2006年9月17日00：00－29日24：00，時(shí)間間隔為10 min。在前人研究中常使用10 m風(fēng)速估算有效波高［44］，此方法會(huì)存在一定的誤差。所以本文取ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）發(fā)布的ERA_Interim數(shù)據(jù)集的有效波高數(shù)據(jù)，以保證臺(tái)風(fēng)期間有效波高分布的有效性，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間與KEO浮標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。

為分析臺(tái)風(fēng)期間大面海表溫度變化，本文使用Reynolds SST數(shù)據(jù)集［45］的海表面溫度數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間為2006年9月22－27日，分辨率為1 d。臺(tái)風(fēng)中心位置、中心氣壓、最大風(fēng)速等信息來(lái)自上海臺(tái)風(fēng)所的“CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”。

3.2 臺(tái)風(fēng)YAGI

臺(tái)風(fēng)YAGI在2006年9月17日于西北太平洋洋面形成；由圖2可知，22日臺(tái)風(fēng)移動(dòng)進(jìn)入研究區(qū)域，此時(shí)研究區(qū)域內(nèi)的海表面溫度均高于26℃；隨后，23日YAGI快速向東北移動(dòng)并且經(jīng)過(guò)KEO浮標(biāo)站附近。此時(shí)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（中心最大風(fēng)速達(dá)40～45 m／s，最低壓強(qiáng)達(dá)950～960 hPa），臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)出現(xiàn)低于26℃的大面積低溫區(qū)［46—47］；24日臺(tái)風(fēng)離開(kāi)研究區(qū)域，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的大面積的低溫區(qū)一直持續(xù)到27日。

圖2 臺(tái)風(fēng)期間（9月22－27日）的日平均Reynolds SSTFig.2 The color-filled contour plot of daily averaged sea surface temperature derived from the Reynolds SST data set from 22nd to 27th September

4 結(jié)果分析

4.1 海洋飛沫對(duì)海氣熱通量的影響

圖3為臺(tái)風(fēng)YAGI期間總的熱通量（飛沫產(chǎn)生的熱通量與界面熱通量之和）與界面熱通量的相關(guān)分布。由圖3可知，總的熱通量與界面熱通量具有較好的相關(guān)性，在此過(guò)程中海洋飛沫通過(guò)蒸發(fā)與熱交換等微物理過(guò)程產(chǎn)生了飛沫熱通量，所以總的熱通量總體上大于界面熱通量（見(jiàn)圖3）。

臺(tái)風(fēng)期間KEO浮標(biāo)觀測(cè)站的熱通量的變化情況如圖4和圖5所示，具體分布如下：9月20－22日臺(tái)風(fēng)未經(jīng)過(guò)KEO浮標(biāo)觀測(cè)站時(shí)，總的熱通量與界面熱通量的分布趨勢(shì)基本相同（見(jiàn)圖4a，圖5a）。感熱通量主要集中在0～25 W／m2（見(jiàn)圖4a），潛熱通量主要集中在0～200 W／m2（見(jiàn)圖5a）。此時(shí)海氣界面間的風(fēng)速較小，海面上的海洋飛沫濃度較低，飛沫未對(duì)熱通量產(chǎn)生較明顯的影響；9月23日臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)KEO站時(shí)，最大風(fēng)速可達(dá)35 m／s，此時(shí)總的熱通量明顯大于界面熱通量（見(jiàn)圖4b，圖5b）?？紤]飛沫作用后，總感熱通量與界面感熱通量相比最大可增加53.47 W／m2（見(jiàn)圖4b），增加量占界面感熱通量的26%。總潛熱通量比界面潛熱最大增加了147.7 W／m2（見(jiàn)圖5b），增加量占界面潛熱通量的29%。由此可知，飛沫使海氣界面間的熱量交換變得更為劇烈，尤其對(duì)潛熱通量的影響更加強(qiáng)烈。上述結(jié)果與飛沫的物理過(guò)程相一致：飛沫滴以海水溫度噴射進(jìn)入空氣時(shí)，迅速冷卻至濕球溫度，從而增大了海氣之間的感熱交換［48］，當(dāng)飛沫與周?chē)h(huán)境達(dá)到熱量平衡后再進(jìn)行潛熱交換，此時(shí)飛沫的潛熱交換所需要的一部分熱量來(lái)自感熱交換，最終將中和飛沫產(chǎn)生的部分感熱［13］。因此，飛沫對(duì)感熱通量的影響不如對(duì)潛熱通量影響的那么顯著；9月24－26日臺(tái)風(fēng)離開(kāi)KEO站，總的熱通量稍大于界面熱通量（見(jiàn)圖4c，5c）。這是由于隨著臺(tái)風(fēng)離開(kāi)浮標(biāo)站，浮標(biāo)站的風(fēng)速減小，海面上的飛沫濃度隨之變小，所以海洋飛沫對(duì)海氣熱通量的影響變?nèi)?，但仍?qiáng)于臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)前海洋飛沫所產(chǎn)生的影響。飛沫感熱值與飛沫潛熱值的分布范圍分別為0～8.12 W／m2，0～24.01 W／m2（見(jiàn)圖4c，5c）。臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間與過(guò)境后，飛沫均使海洋失去了更多的熱量。故推測(cè)飛沫效應(yīng)有望解決臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)過(guò)程中臺(tái)風(fēng)從海洋獲取的熱量不足以維持其自身發(fā)展的問(wèn)題［49］。

圖3 臺(tái)風(fēng)期間總的熱通量與界面熱通量的相關(guān)分布Fig.3 Correlation between the total heat fluxes and the interfacial heat fluxes during the typhoon YAGI passage

圖4 臺(tái)風(fēng)期間總的感熱通量與界面感熱通量隨時(shí)間分布Fig.4 Time series of the total sensible flux and interfacial sensible flux in the typhoon period

圖5 臺(tái)風(fēng)期間總的潛熱通量與界面潛熱通量隨時(shí)間分布Fig.5 Time series of the total latent flux and interfacial latent flux in the typhoon period

由以上分析可知，當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)KEO站時(shí)，風(fēng)速達(dá)到最大值，同時(shí)飛沫對(duì)熱通量的影響最強(qiáng)烈。所以海洋飛沫的形成及影響與大氣環(huán)境及海洋環(huán)境間存在著某種關(guān)聯(lián)性。本文選取風(fēng)速代表大氣環(huán)境，波齡代表海洋環(huán)境，進(jìn)一步分析海洋飛沫的影響與大氣和海洋之間的相關(guān)性。圖6顯示臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)期間飛沫熱通量隨風(fēng)速的分布。由圖6可見(jiàn)，飛沫熱通量與風(fēng)速之間存在一定的正相關(guān)性。當(dāng)風(fēng)速小于10 m／s時(shí)，飛沫熱通量值幾乎為0，即飛沫對(duì)海氣熱通量的影響非常弱；當(dāng)風(fēng)速大于10 m／s左右，飛沫熱通量值開(kāi)始變大，飛沫開(kāi)始影響海氣熱通量。當(dāng)風(fēng)速大于20 m／s時(shí)，飛沫熱通量隨風(fēng)速呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，飛沫對(duì)海氣熱通量的影響迅速增強(qiáng)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)35 m／s時(shí)，飛沫潛熱通量與飛沫感熱通達(dá)到最大（圖6a，6b）。與之相反，飛沫熱通量與波齡之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖7），即飛沫熱通量隨波齡的減小而增加。當(dāng)波齡大于20時(shí)，海洋飛沫對(duì)海氣間熱通量的影響較弱；當(dāng)波齡小于20時(shí)，海洋飛沫熱通量對(duì)海氣間熱通量的影響增強(qiáng)，并且隨波齡的減小呈現(xiàn)非線性地增長(zhǎng)（見(jiàn)圖7a，7b）。此種現(xiàn)象的原因在于，海面的波齡越小，海面風(fēng)速相對(duì)于波速越大，海表面越粗糙，海表面的飛沫濃度越大，所以海洋飛沫對(duì)海氣間熱通量的影響越強(qiáng)烈。

圖6 臺(tái)風(fēng)期間的飛沫熱通量隨風(fēng)速的分布Fig.6 The variation of the YAGI's spray heat fluxes as a function of wind speed

4.2 海洋飛沫對(duì)動(dòng)量通量的影響

當(dāng)海洋飛沫噴射進(jìn)入空氣時(shí)，空氣的拖曳效應(yīng)開(kāi)始加速飛沫，部分動(dòng)量由空氣轉(zhuǎn)移到飛沫。當(dāng)飛沫墜落返回進(jìn)入海洋時(shí)，飛沫向海洋轉(zhuǎn)移動(dòng)量，此過(guò)程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)量由空氣向海洋的轉(zhuǎn)移［10］。下面估算海洋飛沫對(duì)海氣界面間動(dòng)量交換的影響。圖8顯示臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)期間（9月20－26日），總的動(dòng)量通量（飛沫動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量之和）與界面動(dòng)量通量隨時(shí)間的分布。由圖8可知，在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)期間，動(dòng)量通量的分布與熱通量的分布具有一定的相似性。臺(tái)風(fēng)未經(jīng)過(guò)KEO浮標(biāo)觀測(cè)站時(shí)（9月20－22日），總的動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量具有相同的分布趨勢(shì)，海洋飛沫幾乎未對(duì)總的動(dòng)量通量產(chǎn)生影響（見(jiàn)圖8a）；臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)KEO站時(shí)（9月23日），總的動(dòng)量通量明顯大于界面動(dòng)量通量（見(jiàn)圖8b）?？紤]海洋飛沫影響后，總的動(dòng)量通量值最大可達(dá)11.38 N／m2，總的動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量相比最大增加5.13 N／m2（見(jiàn)圖8b）；臺(tái)風(fēng)過(guò)境后（9月24－26日），總的動(dòng)量通量迅速減小，海洋飛沫對(duì)總的動(dòng)量通量的影響也隨之減小，但仍強(qiáng)于臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)前的海洋飛沫對(duì)總的動(dòng)量通量的影響（見(jiàn)圖8c）。

圖7 臺(tái)風(fēng)期間飛沫熱通量隨波齡的分布Fig.7 The variation of the YAGI's spray heat fluxes as a function of wave age

圖8 臺(tái)風(fēng)期間總的動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量隨時(shí)間分布Fig.8 Time series of the total momentum flux and interfacial momentum flux in the typhoon period

為了更清楚地分析飛沫動(dòng)量通量的特性，下面討論在不同風(fēng)速條件下各動(dòng)量通量的演變情況。圖9是臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)期間飛沫動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量的相關(guān)分布，當(dāng)風(fēng)速小于20 m／s時(shí)，飛沫動(dòng)量通量約小于界面動(dòng)量通量?jī)蓚€(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖9a），與Andreas和Emanuel［10］的描述一致；當(dāng)風(fēng)速大于20 m／s時(shí)，海洋飛沫有效地傳輸大氣到海洋之間的動(dòng)量通量，飛沫動(dòng)量通量具有與界面動(dòng)量通量相同的數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖9b）。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)30 m／s時(shí)，飛沫動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量的分布范圍分別為3.5～5.5 N／m2和4～6.5 N／m2（見(jiàn)圖9c），飛沫動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量大小相當(dāng)。前人關(guān)于飛沫動(dòng)量的研究結(jié)果可以佐證此結(jié)論。例如，Andreas和Emanuel［10］利用Andreas［8］的飛沫增長(zhǎng)函數(shù)得到飛沫動(dòng)量通量，發(fā)現(xiàn)飛沫動(dòng)量通量隨摩擦速度的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，若按當(dāng)時(shí)的增長(zhǎng)速率，當(dāng)摩擦速度達(dá)到2 m／s時(shí)，飛沫動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量的大小相當(dāng)，由此推測(cè)本文得到的結(jié)果存在很大的合理性。

此外，飛沫動(dòng)量通量、界面動(dòng)量通量和總的動(dòng)量通量隨風(fēng)速的增強(qiáng)具有不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)（見(jiàn)圖10）。當(dāng)風(fēng)速小于20 m／s時(shí)，飛沫動(dòng)量的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)小于界面動(dòng)量的增長(zhǎng)速率；一旦風(fēng)速大于20 m／s之后，飛沫動(dòng)量通量的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于界面動(dòng)量的增長(zhǎng)速率，并且飛沫動(dòng)量隨風(fēng)速的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。值得指出的是，當(dāng)風(fēng)速大于30 m／s后，飛沫動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率并不像界面動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率持續(xù)增加，而是顯著減小，在海洋飛沫的影響下總的動(dòng)量通量的增長(zhǎng)速率也隨之減小。這是因?yàn)樵诟唢L(fēng)速情形下，風(fēng)浪劇烈破碎，飛沫滴填滿了大部分的海氣界面，形成懸浮層。在臨近海表面的懸浮層內(nèi)存在極限飽和的薄層，此薄層能夠抑制風(fēng)到海表面的動(dòng)量轉(zhuǎn)移［29］。當(dāng)風(fēng)速小于30 m／s，海表還未形成極限飽和的懸浮層，飛沫滴的濃度不足以影響氣流的動(dòng)力過(guò)程；而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)30 m／s之后，極限飽和的懸浮層形成，飛沫滴強(qiáng)烈地影響空氣動(dòng)力過(guò)程，使拖曳系數(shù)減?。?7］，進(jìn)而總的動(dòng)量通量的增長(zhǎng)速率隨之減小。

圖9 臺(tái)風(fēng)期間界面動(dòng)量通量與飛沫動(dòng)量通量的相關(guān)分布Fig.9 Correlation between spray momentum flux and interfacial momentum flux

5 結(jié)論

本文以2006年9月的臺(tái)風(fēng)YAGI為例，應(yīng)用黑潮延伸體附近的KEO浮標(biāo)觀測(cè)資料，以海面動(dòng)力粗糙度長(zhǎng)度為切入點(diǎn)，宏觀上考慮了海洋飛沫影響因子，定量地分析了海洋飛沫在臺(tái)風(fēng)的不同發(fā)展階段對(duì)海氣界面間湍通量的影響。主要結(jié)論如下：

（1）在臺(tái)風(fēng)YAGI過(guò)境期間，海洋飛沫顯著地加劇了海氣界面間的熱量交換。考慮海洋飛沫作用后，感熱通量與潛熱通量最大分別增加53.47 W／m2和147.7 W／m2，增加量分別占界面感熱通量和界面潛熱通量的26%和29%。海洋飛沫對(duì)潛熱通量的影響更為強(qiáng)烈。

（2）海洋飛沫的作用與周?chē)h(huán)境存在關(guān)聯(lián)性。其中海洋飛沫的影響與風(fēng)速之間存在一定的正相關(guān)性，與波齡之間存在一定的負(fù)相關(guān)性，即飛沫熱通量隨著風(fēng)速的增大而增強(qiáng)，隨著波齡的增大而減弱。

（3）在臺(tái)風(fēng)YAGI過(guò)境期間及過(guò)境后，飛沫顯著的增強(qiáng)了由大氣向海洋的動(dòng)量轉(zhuǎn)移。風(fēng)速小于20 m／s時(shí)，考慮海洋飛沫所增加動(dòng)量通量約小于界面動(dòng)量通量?jī)蓚€(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臺(tái)風(fēng)量級(jí)后，考慮海洋飛沫所增加動(dòng)量通量與界面動(dòng)量通量的大小相當(dāng)。

（4）各動(dòng)量通量隨風(fēng)速分布具有較大差異。當(dāng)風(fēng)速大于20 m／s，飛沫動(dòng)量通量及總動(dòng)量通量隨風(fēng)速的增長(zhǎng)率均大于界面動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率；當(dāng)風(fēng)速大于30 m／s后，海洋飛沫在海氣界面形成極限飽和層，使得海洋飛沫動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率隨風(fēng)速減小，在此作用下海氣界面間總的動(dòng)量通量的增長(zhǎng)率減小。

值得指出的是，本文在上述估算過(guò)程中，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)的限制，對(duì)估算過(guò)程造成一些偏差。未來(lái)將結(jié)合海洋飛沫增長(zhǎng)函數(shù)從微觀上討論海洋飛沫湍通量的變化情況，進(jìn)一步對(duì)本文的結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。

致謝：感謝NOAA提供的黑潮延伸體觀測(cè)（KEO）浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，上海臺(tái)風(fēng)研究所的最佳臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)，Reynolds SST數(shù)據(jù)集提供的海表面溫度數(shù)據(jù)，ECMWF（European Centre for Medium－Range Weather Forecasts）提供的ERA_Interim再分析數(shù)據(jù)，感謝朱伯承教授給予的指導(dǎo)，同時(shí)也對(duì)審稿人的寶貴建議表示感謝！

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The effects of sea spray on the air-sea turbulent fluxes during the typhoon passage

Zhang Lianxin1，2，Han Guijun2，Li Wei2，Zhang Xuefeng2，F(xiàn)u hongli2，Zhang Xiaoshuang2，Shao Caixia2
（1.College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.National Marine Data and Information Service，State Oceanic Administration，Tianjin 300171，China）

The effects of sea spray on the air-sea heat and momentum fluxes have been investigated using the data of Kuroshio extension buoy observation（KEO）and the satellite remote sensing during the passage of typhoon YAGI in the waters south of Japan in September 2006.Firstly，the effects of spray on the air-sea heat fluxes are analyzed quantitatively.The results show that the heat exchanges between the atmosphere and the ocean，especially the latent exchange，are significantly enhanced due to the existence of the spray during the typhoon passage.The impactof the spray on the heat fluxes is stronger with smaller wave age and bigger wind speed.Subsequently，the momentum analysis shows that the spray enhances the momentum transfer from the atmosphere to ocean during the typhoon passage.When the winds reach to the typhoon strength，the spray-induced momentum fluxes are comparable with the interfacial momentum.At such high wind speeds，the ultimate saturation suspension layer formed by the spray droplets in the surface layer can actually restrain the momentum exchange from wind to the sea surface and thus decrease the growth rate of the total momentum fluxes.

sea spray；typhoon；heat fluxes；momentum fluxes

P732.7

A

0253-4193（2014）11-0046-11

2013-06-04；

2014-02-27。

國(guó)家973計(jì)劃課題（2013CB430304）；國(guó)家863計(jì)劃課題（2013AA09A505）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41030854，41106005，41176003，41206178，41306006，41376015，41376013）；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2011BAC03B02－01－04）。

張連新（1985—），女，遼寧省葫蘆島市人，博士研究生，主要海洋數(shù)值模擬、海洋再分析等方面研究。E-mail：lxz_nmdis＠163.com

張連新，韓桂軍，李威，等.臺(tái)風(fēng)期間海洋飛沫對(duì)海氣湍通量的影響研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（11）：46—56，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.006

Zhang Lianxin，Han Guijun，Li Wei，et al.The effects of sea spray on the air-sea turbulent fluxes during the typhoon passage［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：46—56，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.11.006