風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分辨率對(duì)海水溫度場(chǎng)模擬的影響——以渤海和北黃海為例

（天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

（天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

采用FVCOM（finite-volume coastal ocean model）模型對(duì)不同分辨率風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的渤海和北黃海區(qū)域海水溫度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分辨率的變化對(duì)于溫度場(chǎng)的影響.這些敏感性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：風(fēng)場(chǎng)時(shí)間和空間分辨率的變化對(duì)海水溫度的影響均呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)，溫躍層出現(xiàn)后的溫度變化值大于出現(xiàn)前的溫度變化值；隨著風(fēng)場(chǎng)分辨率的降低，溫度變化幅度增大，而月均風(fēng)場(chǎng)由于完全不能描述風(fēng)速變化過(guò)程，從而對(duì)溫度的影響最顯著.

FVCOM；風(fēng)場(chǎng)；時(shí)空分辨率；海水溫度場(chǎng)

風(fēng)場(chǎng)是海洋重要的驅(qū)動(dòng)之一，直接影響海氣動(dòng)量、熱量等交換，對(duì)于水團(tuán)、環(huán)流以及海浪等水文要素有著重要影響.羅義勇等［1］利用數(shù)值模式分析夏季風(fēng)對(duì)于東海沿岸上升流的影響，得出風(fēng)對(duì)于中層的上升流貢獻(xiàn)較大；潘玉萍等［2］也使用數(shù)值模式得出風(fēng)和臺(tái)灣暖流是影響上升流的重要因子；經(jīng)志友等［3］得出上升流的季節(jié)變化機(jī)制與風(fēng)場(chǎng)有著重要關(guān)系；毛園等［4］分析 POM（princeton ocean model）模式結(jié)果，得出海表風(fēng)應(yīng)力是影響躍層的動(dòng)力因子，對(duì)季節(jié)性溫躍層的深度和強(qiáng)度有著重要影響；鄭鵬［5］利用 FVCOM模型研究了渤海冬夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)變化的關(guān)系，此外，還有關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋水溫要素影響的研究［6］.可見(jiàn)，隨著海洋科學(xué)的發(fā)展，當(dāng)海洋模型越來(lái)越多地應(yīng)用于海洋水動(dòng)力等物理環(huán)境狀態(tài)以及海洋現(xiàn)象分析時(shí)，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫數(shù)據(jù)對(duì)于海洋模型的模擬精度有著重要影響.

不同來(lái)源風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間和空間分辨率各有差異，因而反映大風(fēng)過(guò)程和風(fēng)場(chǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)的能力不同.對(duì)于不同風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，Gao等［7］分析了月均風(fēng)場(chǎng)和日均風(fēng)場(chǎng)對(duì)南海流場(chǎng)和溫度模擬的差異；Milliff等［8］從流場(chǎng)、凈熱通量、海表面溫度方面分析兩種風(fēng)場(chǎng)對(duì)于OGCM（ocean general circulation model）模擬結(jié)果的影響.然而，前人對(duì)于風(fēng)場(chǎng)分辨率變化影響水動(dòng)力環(huán)境的研究主要基于兩種不同來(lái)源或不同分辨率風(fēng)場(chǎng)，沒(méi)有能夠系統(tǒng)地比較不同空間分辨率和時(shí)間分辨率的影響；同時(shí)，已有的研究成果也沒(méi)有給出風(fēng)場(chǎng)分辨率變化的影響效果是否存在季節(jié)上的差異.

本文針對(duì)渤黃東海高分辨率海面風(fēng)場(chǎng)，設(shè)計(jì)不同分辨率風(fēng)場(chǎng)，并利用 FVCOM模型對(duì)渤海和北黃海進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)，分析風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分辨率對(duì)海水溫度場(chǎng)模擬的影響.

1 模型配置與敏感性實(shí)驗(yàn)

1.1 模型配置

利用FVCOM模型對(duì)渤海及北黃海1993年的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算區(qū)域?yàn)?37°07'N～41°N和 117° 35'E～125°10'E，水平方向采用三角形網(wǎng)格離散，開邊界附近網(wǎng)格分辨率約為0.1°，其余位置分辨率約為0.05°.共有7，307個(gè)結(jié)點(diǎn)和14，068個(gè)單元；垂向采用σ坐標(biāo)系，均勻分為 11層，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)外模為10，s，內(nèi)外模時(shí)間步長(zhǎng)比為 5∶1.表面強(qiáng)迫采用ERA-Interim（European centre for medium-range weather forecasts-reanalysis data archive-interim，http：// apps.ecmwf.int/datasets/data/interim_full_daily/）數(shù)據(jù)，包括長(zhǎng)波輻射通量、短波輻射通量和降水量、表面氣壓、2，m氣溫和 2，m露點(diǎn)溫度.風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基于WRF（weather research forecast）模型的渤黃東海高分辨率海面風(fēng)場(chǎng)［9］，時(shí)間分辨率為 3，h，空間分辨率為0.1°.開邊界采用 OTPS（OSU tidal prediction software，http：//volkov.oce.orst.edu/tides/YS.html）潮預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)水位進(jìn)行驅(qū)動(dòng).開邊界上的溫度、鹽度數(shù)據(jù)采用NEMO2.3（nucleus of European modeling of the ocean）數(shù)據(jù)［10］.溫度和鹽度初始條件采用WOA09（world ocean atlas 2009，http：//www. nodc. noaa.gov/OC5/WOA09/woa09data.html）數(shù)據(jù).水位和流速的初始值均設(shè)置為 0.模型還考慮了流入渤海的 4條主要河流的影響，分別為黃河、海河、灤河和遼河［11］.

1.2 敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

敏感性實(shí)驗(yàn)分為2部分：分別為風(fēng)場(chǎng)空間分辨率及時(shí)間分辨率的變化對(duì)海水溫度場(chǎng)模擬的影響.表 1給出了參考實(shí)驗(yàn)和敏感性實(shí)驗(yàn)使用風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間和空間分辨率，其中6個(gè)敏感性實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的分辨率改變都是基于參考實(shí)驗(yàn)使用的原始風(fēng)場(chǎng)，即在渤黃東海高分辨率海面風(fēng)場(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的.實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3的風(fēng)場(chǎng)分別是在原始風(fēng)場(chǎng)一定范圍內(nèi)進(jìn)行風(fēng)矢量平均，改變風(fēng)場(chǎng)空間分辨率，而實(shí)驗(yàn)4—實(shí)驗(yàn)6則是對(duì)原始風(fēng)場(chǎng)每個(gè)格點(diǎn)在時(shí)間上進(jìn)行單位風(fēng)矢量平均［12］，生成對(duì)應(yīng)時(shí)間分辨率的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù).

表1 參考實(shí)驗(yàn)與敏感性實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)分辨率Tab. 1 Resolution of wind field in reference and sensitivity experiments

需要說(shuō)明的是，本文在進(jìn)行每個(gè)敏感性實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)向FVCOM模型輸入2種風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，使用與參考實(shí)驗(yàn)中相同的原始風(fēng)場(chǎng)參與表面熱通量的計(jì)算，而分辨率改變的風(fēng)場(chǎng)僅參與模型水動(dòng)力過(guò)程計(jì)算，考察風(fēng)場(chǎng)改變的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)效果，不考慮熱力學(xué)通量的變化.

2 風(fēng)場(chǎng)分辨率的變化對(duì)風(fēng)場(chǎng)特征的影響

2.1 空間分辨率的變化對(duì)風(fēng)場(chǎng)特征的影響

表2給出了實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3和參考實(shí)驗(yàn)的1993年風(fēng)場(chǎng)月均風(fēng)速值.表 3給出了表 2中相應(yīng)實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn) 3與參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)比較的各月均方根誤差.

表2 實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3和參考實(shí)驗(yàn)的1993年風(fēng)場(chǎng)月均風(fēng)速Tab. 2 Monthly-averaged wind speed in experiments 1-3 and the reference experiment in 1993

表3 實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3與參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)比較的均方根誤差Tab. 3 Root mean square error between experiments 1-3 and the reference experiment

由表2和表3可知：實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3各月的平均風(fēng)速變化趨勢(shì)與參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)一致，而實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn) 3風(fēng)場(chǎng)與參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的均方根誤差除 11月 12月外的其他月份間差別較??；隨著風(fēng)場(chǎng)空間分辨率的降低，各月的平均風(fēng)速逐漸減小，且均方根誤差逐漸增大；在各實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)3風(fēng)場(chǎng)變化最大.

圖1給出了實(shí)驗(yàn)3和參考實(shí)驗(yàn)2月、5月、8月和11月4個(gè)代表月份的月均風(fēng)場(chǎng)矢量圖.從圖1可以看出：2月，兩者的風(fēng)場(chǎng)差異較?。?月，黃河口附近和渤海灣兩風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向存在差異，但是基本屬于偏南風(fēng)；8月，渤海灣、渤海中部和北黃海北部沿岸區(qū)域的風(fēng)向存在較大差異；11月，渤海中部、萊州灣、遼東灣以及北黃海南岸存在風(fēng)向差異.

圖1 實(shí)驗(yàn)3與參考實(shí)驗(yàn)月均風(fēng)場(chǎng)矢量圖Fig. 1 Monthly-averaged wind vector of experiment 3 and the reference experiment

2.2 時(shí)間分辨率的變化對(duì)風(fēng)場(chǎng)特征的影響

任意選取了實(shí)驗(yàn) 4—實(shí)驗(yàn) 6與參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)于121°E，38.5°N處的 2月和 8月風(fēng)速值序列進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖2.可以看出：實(shí)驗(yàn)4與參考實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速波動(dòng)基本一致，略超前參考實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的變化；實(shí)驗(yàn) 5對(duì)風(fēng)速的影響增大且極值風(fēng)速要低于參考實(shí)驗(yàn)的極值風(fēng)速；實(shí)驗(yàn) 6對(duì)風(fēng)速的影響更大，完全不能夠描述風(fēng)速變化過(guò)程，也不能描述極值風(fēng)速.

圖2 121°E，38.5°N處實(shí)驗(yàn)4—實(shí)驗(yàn)6與參考實(shí)驗(yàn)在2月和8月的風(fēng)速比較Fig. 2 Comparison of wind speed in experiments 4-6 and the reference experiment in February and August at 121°E，38.5°N

3 模型驗(yàn)證

選擇1993年5月和11月的航測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.根據(jù)航測(cè)站點(diǎn)位置選取2個(gè)斷面，如圖3所示.

兩斷面的5月和11月溫度垂向分布見(jiàn)圖4和圖5.可以看出：5月，A斷面底層溫度模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大偏差，渤海北部洼地底層實(shí)測(cè)溫度約為8，℃，而模擬值約為12，℃；B斷面模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較一致的層化結(jié)構(gòu)且溫度分布相近.11月，A斷面和 B斷面均垂向混合均勻，溫度模擬值與實(shí)測(cè)值較接近.綜上，模型結(jié)果能夠再現(xiàn)溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，例如層化等，能夠用于本文研究.

圖3 斷面位置圖Fig. 3 Locations of selected transects

圖4 A斷面5月和11月溫度的垂向分布Fig. 4 Vertical distribution of temperature at transect A in May and November

圖5 B斷面5月和11月溫度的垂向分布Fig. 5 Vertical distribution of temperature at transect B in May and November

4 風(fēng)場(chǎng)分辨率的變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響

4.1 空間分辨率的變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖6顯示了2月、5月、8月和11月實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)A斷面溫度垂向結(jié)構(gòu)的影響.

在同一敏感性實(shí)驗(yàn)條件下，風(fēng)場(chǎng)空間分辨率的改變對(duì)溫度的影響呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)：2月和11月，強(qiáng)垂向混合使得斷面同一位置處由表層至底層的溫度變化大體相同；隨著溫躍層的出現(xiàn)，5月，表層至底層溫度變化出現(xiàn)差異；至8月這種差異更加明顯.同時(shí)，溫躍層出現(xiàn)后的溫度變化值要大于出現(xiàn)前的溫度變化值，特別是8月在4個(gè)代表月份中的溫度變化幅度最大.例如：實(shí)驗(yàn)3中2月和11月的溫度變化最大值分別約為0.6，℃和0.4，℃，5月增大至約0.8，℃，8月更是達(dá)到了約2，℃.

在同一代表月份，從實(shí)驗(yàn) 1到實(shí)驗(yàn) 3，隨著空間分辨率的降低，溫度變化幅度逐漸增大.同時(shí)，溫躍層出現(xiàn)后空間分辨率降低對(duì)溫度的影響要高于出現(xiàn)前的影響.例如，2月實(shí)驗(yàn) 1—實(shí)驗(yàn) 3溫度變化最大值分別約為 0.1、0.4、0.6，℃，而 8月相應(yīng)數(shù)值則增大至約0.2、0.6、2，℃.

圖6 A斷面實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3與參考實(shí)驗(yàn)的溫度差值Fig. 6 Differences of sea temperature in experiments 1-3 and the reference experiment at transect A

圖7顯示了2月、5月、8月和11月實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)B斷面溫度垂向結(jié)構(gòu)的影響.

B斷面在同一敏感性實(shí)驗(yàn)中溫度的變化也呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)，而溫躍層出現(xiàn)后的溫度變化值也大于出現(xiàn)前的溫度變化值.此時(shí)，實(shí)驗(yàn) 3中 2月和 11月的溫度變化最大值分別約為 1.2，℃和 0.6，℃，5月增大至約2，℃，8月進(jìn)一步增大至約2.8，℃.

在同一代表月份，實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3的溫度變化幅度以及溫躍層出現(xiàn)前后空間分辨率降低對(duì)溫度的影響與A斷面也相似.例如，2月實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3溫度變化最大值分別約為 0.4、0.6、1.2，℃，而 8月相應(yīng)數(shù)值則增大至約0.6、1.6、2.8，℃.

圖7 B斷面實(shí)驗(yàn)1—實(shí)驗(yàn)3與參考實(shí)驗(yàn)的溫度差值Fig. 7 Differences of sea temperature in experiments 1-3 and the reference experiment at transect B

4.2 時(shí)間分辨率的變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖8和圖9分別顯示了2月、5月、8月和11月實(shí)驗(yàn)4—實(shí)驗(yàn)6風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)A斷面和B斷面溫度垂向結(jié)構(gòu)的影響.可以看出：風(fēng)場(chǎng)時(shí)間分辨率改變對(duì)溫度的影響總體上與空間分辨率改變的影響一致，即在同一敏感性實(shí)驗(yàn)中溫度的變化同樣呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)，溫躍層出現(xiàn)后的溫度變化值大于出現(xiàn)前的溫度變化值；在同一月份，時(shí)間分辨率的降低使得溫度變化幅度增大并且溫躍層出現(xiàn)后的影響要高于出現(xiàn)前的影響.需要指出的是，在實(shí)驗(yàn)6中，采用月均風(fēng)場(chǎng)使得溫度變化的最大值在8月達(dá)到4，℃左右，而且在B斷面上不同位置還出現(xiàn)與溫度變化趨勢(shì)截然相反的結(jié)果，北部主要表現(xiàn)為溫度減小，最大值約為4，℃，而南部主要表現(xiàn)為溫度增大，最大值約為3，℃.

圖8 A斷面實(shí)驗(yàn)4—實(shí)驗(yàn)6與參考實(shí)驗(yàn)的溫度差值Fig. 8 Differences of sea temperature in experiments 4-6 and the reference experiment at transect A

圖9 B斷面實(shí)驗(yàn)4—實(shí)驗(yàn)6與參考實(shí)驗(yàn)的溫度差值Fig. 9 Differences of sea temperature in experiments 4-6 and the reference experiment at transect B

如前文所述，月均風(fēng)場(chǎng)相對(duì)于原始風(fēng)場(chǎng)改變最大，已不能反映當(dāng)月風(fēng)速變化過(guò)程，從而對(duì)于溫度場(chǎng)模擬的影響也最大，特別是溫躍層存在的季節(jié)和區(qū)域.為了進(jìn)一步反映月均風(fēng)場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)模擬的影響，圖10和圖11分別給出了參考實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)6在5月和 8月的表、底層溫度水平分布比較.可以看出：5月實(shí)驗(yàn)6的表層溫度在渤海中部升高約1，℃，北黃海臨近計(jì)算區(qū)域右下角開邊界水域的溫度升高約2，℃，遼東半島東南端近岸水域的溫度降低約2，℃；底層北黃海冷水團(tuán)6，℃等溫線范圍增大，渤海中部最大降溫約為 2，℃，且降溫區(qū)域已延伸至渤海灣.8月，北黃海北部水域增溫 1，℃左右，南部最大增溫約為 2，℃，渤海中部溫度變化不大，遼東灣頂溫度增加 1，℃左右；底層北黃海冷水團(tuán) 8，℃等溫線范圍擴(kuò)大，并且在渤海北部洼地形成 20，℃相對(duì)低溫中心.由以上結(jié)果可知，采用月均風(fēng)場(chǎng)對(duì)溫度的水平和垂向分布均會(huì)產(chǎn)生顯著影響.

圖10 參考實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)6的表層溫度分布Fig. 10 Sea surface temperature distribution of the reference experiment and experiment 6

圖11 參考實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)6的底層溫度分布Fig. 11 Sea bottom temperature distribution of the reference experiment and experiment 6

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)改變參與動(dòng)力過(guò)程計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)空間和時(shí)間分辨率，采用敏感性實(shí)驗(yàn)分析其對(duì)溫度場(chǎng)模擬的影響.模擬結(jié)果表明：風(fēng)場(chǎng)空間分辨率的降低會(huì)導(dǎo)致平均風(fēng)速的降低和風(fēng)向的改變，風(fēng)場(chǎng)時(shí)間分辨率的改變體現(xiàn)在風(fēng)速過(guò)程的變化，其中月均風(fēng)場(chǎng)已完全不能描述風(fēng)速變化過(guò)程，也不能描述極值風(fēng)速；對(duì)于風(fēng)場(chǎng)分辨率變化對(duì)溫度的影響，在同一敏感性實(shí)驗(yàn)中溫度變化呈現(xiàn)季節(jié)性變化特點(diǎn)，溫躍層出現(xiàn)后的溫度變化值大于出現(xiàn)前的溫度變化值；在同一代表月份中，風(fēng)場(chǎng)分辨率的降低使得溫度變化幅度增大，溫躍層出現(xiàn)后的影響要高于出現(xiàn)前的影響，而且變化范圍主要位于溫躍層以下.在采用數(shù)值模擬方法研究溫度的具體變化過(guò)程時(shí)，應(yīng)盡量采用高分辨率風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海洋模型，避免使用月均風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù).風(fēng)場(chǎng)分辨率的變化對(duì)溫度模擬產(chǎn)生影響的原因還有待研究.

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風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分辨率對(duì)海水溫度場(chǎng)模擬的影響
——以渤海和北黃海為例

徐霈霈，丁 磊

Effects of Temporal-spatial Resolution of Wind Field on Sea Temperature Simulation—A Case Study in Bohai Sea and the North Yellow Sea

XU Peipei，DING Lei
（College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

Sea temperature variation of Bohai Sea and North Yellow Sea was simulated numerically with FVCOM（finitevolume coastal ocean model）. The model was driven by wind with different resolution. Effects of temporal-spatial resolution of wind field on sea temperature simulation were analyzed. The results indicated that the effect of temporal-spatial resolution of wind field on sea temperature variation showed seasonal characteristics. The variation of temperature is bigger after thermocline appears. The variation of temperature increases as the resolution of wind field decreases. Effect of monthly-averaged wind on temperature variation is the most significant due to the poor description of the temporal variation of wind speed.

finite-volume coastal ocean model；wind field；temporal-spatial resolution；sea temperature

P76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-6510（2015）02-0043-08

10.13364/j.issn.1672-6510.20140113

2014-08-24；

2014-11-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973計(jì)劃”資助項(xiàng)目（2011CB403606）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41128006）

徐霈霈（1990—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：丁 磊，副研究員，leiding2012@tust.edu.cn.

常濤