白浪法在南海飛沫氣溶膠通量計(jì)算中的應(yīng)用和修正*

褚穎佳， 盛立芳,2**， 劉　騫， 趙棟梁,2， 賈　楠， 孔亞文

(1中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

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白浪法在南海飛沫氣溶膠通量計(jì)算中的應(yīng)用和修正*

褚穎佳1， 盛立芳1,2**， 劉騫1， 趙棟梁1,2， 賈楠1， 孔亞文1

(1中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

摘要：白浪覆蓋率法(白浪法)是被廣泛應(yīng)用的計(jì)算氣溶膠粒子通量的方法，但是公式本身還存在一些問(wèn)題，且其在低緯度海域的應(yīng)用情況還未見(jiàn)報(bào)道。本文利用2012年8月25日—10月12日在中國(guó)南海走航實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的氣溶膠粒子濃度數(shù)據(jù)，對(duì)Monahan等的白浪覆蓋率-風(fēng)速的公式進(jìn)行了修正，并利用最小二乘法推導(dǎo)出單位白浪面積上次微米氣溶膠產(chǎn)生通量與風(fēng)速的關(guān)系。對(duì)半徑小于0.3μm的粒子，通量的分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，通量的對(duì)數(shù)與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系。與高緯度海域的研究相比，中國(guó)南海飛沫氣溶膠粒子的排放通量特征表現(xiàn)為較小粒子(r(80)<0.2μm)較其他海域偏高，而較大粒子略偏低。當(dāng)風(fēng)速在7~13m·s(-1)時(shí)，用新的源函數(shù)計(jì)算的通量與觀測(cè)值保持較高的一致性。

關(guān)鍵詞：飛沫氣溶膠； 白浪覆蓋率法； 中國(guó)南海； 通量； 源函數(shù)

CHU Ying-Jia, SHENG Li-Fang, LIU Qian， et al. Application and modification of whitecap method in sea spray aerosol flux calculation over the South China Sea [J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 15-21.

飛沫氣溶膠是指在海洋表面產(chǎn)生并且可以在大氣中保持懸浮一段時(shí)間的粒子[1]。海洋飛沫氣溶膠最直接作用于氣候的方式是散射和吸收太陽(yáng)輻射，增加大氣的反照率[2]，它還參與海洋云的凝結(jié)核的形成，影響云的光學(xué)特性和云量云狀[3]，從而間接地影響著氣候。因此，探究海洋飛沫氣溶膠的排放通量對(duì)氣候變化、海氣相互作用的研究具有重要意義。

飛沫氣溶膠的產(chǎn)生機(jī)制分為直接產(chǎn)生和間接產(chǎn)生。海面風(fēng)的作用使波浪破碎，空氣卷入水中生成大量氣泡，形成白冠，隨后氣泡薄膜破裂，產(chǎn)生膜滴和射滴[1-2]，這是飛沫氣溶膠生成的最主要的機(jī)制。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，波峰直接被風(fēng)撕裂而產(chǎn)生粒徑較大的裂滴[4]。源函數(shù)或海洋飛沫生成函數(shù)是描述海洋飛沫氣溶膠通量與海洋環(huán)境狀況參數(shù)之間的關(guān)系的函數(shù)[5]。計(jì)算源函數(shù)的方法很多，其中白浪覆蓋率法(以下簡(jiǎn)稱白浪法)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室以及海岸碎波帶等都有著廣泛的應(yīng)用，本文中通量的計(jì)算也采用此種方法。

利用白浪法估算飛沫氣溶膠源函數(shù)最初是由Monahan等[4,6]提出的，他推導(dǎo)出了一個(gè)用風(fēng)速計(jì)算白浪覆蓋率的公式，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的單位白浪面積上產(chǎn)生的海水滴的通量，給出了一個(gè)適用于半徑在0.3~10μm范圍氣溶膠粒子的源函數(shù)，后被外推至20nm，這個(gè)源函數(shù)得到了很高的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用。Gong[7]利用O’Dowd[11]在北大西洋觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)Monahan[4]的半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修改和發(fā)展，使其適用范圍的下限擴(kuò)展到0.05μm，用經(jīng)過(guò)修改的源函數(shù)計(jì)算了半徑0.2μm以上粒子的排放通量，結(jié)果與測(cè)量值具有良好的一致性。M?rtensson等[9]在實(shí)驗(yàn)室用人工合成的海水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了不同溫度和鹽度下的氣溶膠產(chǎn)生通量，并結(jié)合Monahan等[6]的白浪覆蓋率公式，將溫度的影響引入到飛沫氣溶膠生成函數(shù)中，這是對(duì)以往源函數(shù)在小粒徑部分的一個(gè)補(bǔ)充和完善。Clarke[3]用海岸碎波帶測(cè)量的通量乘以白浪覆蓋率，將源函數(shù)的應(yīng)用推廣到開(kāi)闊大洋，并且適用范圍擴(kuò)展到干直徑0.01~8μm，與M?rtensson等[9]基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的結(jié)果保持了高度的一致性。但是由于研究海域和測(cè)量手段等的不同，這些研究還存在著一些問(wèn)題。O’Dowd認(rèn)為Monahan等[4]將源函數(shù)的適用范圍外推至20nm,缺少科學(xué)的依據(jù)，這個(gè)公式對(duì)小粒子部分的通量存在高估的問(wèn)題[11]。即使Gong在Monahan的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改，但小粒子部分的結(jié)果還可能是存在問(wèn)題的[11]。對(duì)于源函數(shù)中出現(xiàn)的這些不確定性，Ovadnevaite認(rèn)為原因可能不僅僅是由于白浪覆蓋率-風(fēng)速關(guān)系的選擇不同造成，也可能與源函數(shù)中通量-白浪覆蓋率的函數(shù)關(guān)系有關(guān)[12]。

上述研究的海區(qū)多位于北大西洋等中高緯度地區(qū)，且很大一部分集中在實(shí)驗(yàn)室或者海岸碎波區(qū)(surfzone)。波浪破碎的物理機(jī)制在海岸碎波區(qū)和在開(kāi)闊海域是不同的[10]，北大西洋年平均風(fēng)速大，海氣相互作用也更加強(qiáng)烈，而熱帶海域的情況則恰好相反。現(xiàn)有的源函數(shù)能否準(zhǔn)確地模擬出熱帶海洋的氣溶膠生成量還不能確定，因此對(duì)全球的飛沫氣溶膠產(chǎn)量的估計(jì)還存在困難。

為了研究熱帶海區(qū)的飛沫氣溶膠生成狀況和特征，本研究以中國(guó)南海為代表，走航測(cè)量了2012年8月25日—10月12日南海海洋氣溶膠濃度和相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算出南海實(shí)際的海洋飛沫釋放通量，對(duì)白浪覆蓋率方法進(jìn)行了修正，推導(dǎo)出了一個(gè)適用于中國(guó)南海的飛沫氣溶膠生成函數(shù)，為全球飛沫氣溶膠的數(shù)值模式提供了參數(shù)化方案。

1數(shù)據(jù)和方法

1.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

2012年8月25日—10月12日“東方紅2號(hào)”海洋綜合調(diào)查船(長(zhǎng)96m，寬15m，排水量3235t)搭載氣溶膠采樣儀器和自動(dòng)氣象站在中國(guó)南海海區(qū)進(jìn)行了走航實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)區(qū)域?yàn)?02°6′E~122°8′E和1°27′S~21°52′N(見(jiàn)圖1)。

圖1　海洋綜合調(diào)查船的走航路線以及相對(duì)應(yīng)日期

采樣儀器是氣壓空腔氣溶膠譜儀PCASP-X2 (Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe Ground-Based nstrument,Version 2), 儀器采樣頻率為1Hz，采樣粒子直徑范圍從0.12~10μm,粒子分辨率分為40檔。采樣儀器被安置在船頭的正前方，距離海面大約10m。

自動(dòng)氣象站置于桅桿上，距離海面約10m，每10s測(cè)量氣象要素?cái)?shù)據(jù)，包括：溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等。自動(dòng)氣象站是YOUNG公司生產(chǎn)的05106-5A型風(fēng)速風(fēng)向傳感器，測(cè)量精度是0.3 m·s-1，溫濕度和氣壓傳感器都是CAMPBELL公司生產(chǎn)的,溫濕度傳感器的型號(hào)是HMP45C，溫度的測(cè)量精度是0.2 ℃，相對(duì)濕度的測(cè)量精度是2%，氣壓傳感器的型號(hào)是61302V，測(cè)量精度是0.2 hPa。

用48h 500m高度上的氣團(tuán)后向軌跡作為判斷氣團(tuán)來(lái)源和性質(zhì)的依據(jù)，實(shí)驗(yàn)中影響調(diào)查海域的氣團(tuán)有大陸性氣團(tuán)，海洋性氣團(tuán)和島嶼性氣團(tuán)。為盡可能排除陸地的影響，選取的是48h內(nèi)只受清潔的海洋氣團(tuán)影響下的濃度數(shù)據(jù)用于計(jì)算和研究。后向軌跡資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的后向軌跡模式(HYSPLIT)。

研究中所用到的白浪覆蓋率數(shù)據(jù)是用AWE(Automated Whitecap Extraction)[13]方法觀測(cè)和計(jì)算的。具體方法是在某一時(shí)刻對(duì)周圍海水隨機(jī)進(jìn)行數(shù)十次地拍照，然后把這些照片轉(zhuǎn)換成灰度圖，再把像素點(diǎn)的亮度轉(zhuǎn)化成0~1之間。每張照片自動(dòng)識(shí)別出一個(gè)閾值，這個(gè)閾值以上的點(diǎn)視為白冠，以下為背景水。該時(shí)次所拍所有照片計(jì)算出來(lái)的白浪覆蓋率的平均值認(rèn)為是當(dāng)時(shí)海面的白浪覆蓋率。實(shí)驗(yàn)中所拍照片分辨率為4752×3168和4912×3264。

1.2 數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理

1.2.1 粒徑標(biāo)準(zhǔn)化為了方便說(shuō)明，本文用80%相對(duì)濕度下的半徑(r80)表示飛沫氣溶膠的粒徑，且規(guī)定r80<0.3μm的粒子是次微米氣溶膠，r80>0.3μm的粒子是超微米氣溶膠。采樣儀器在不同的環(huán)境相對(duì)濕度下采樣，因此需要對(duì)粒徑進(jìn)行訂正。

根據(jù)Lewis和Schwartz[14]提出的粒子粒徑與相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)化關(guān)系

(1)

其中：RH是環(huán)境相對(duì)濕度；rRH是相對(duì)濕度為RH時(shí)測(cè)量的粒子半徑；rd是干粒子半徑。

當(dāng)RH=80%時(shí)，有

(2)

(2)式/(1)式，即

(3)

用(3)式就可以把實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的環(huán)境濕度粒子半徑轉(zhuǎn)化為80%相對(duì)濕度下的半徑并進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

(4)

(5)

目前應(yīng)用最為廣泛的白浪覆蓋率的計(jì)算公式是Monahan和O’Muircheartaigh[6]提出的WM=3.84×10-6U103.41。其中U10代表海平面以上10m高度的風(fēng)速。此后，不同的研究者，如Monahan and Woolf，Stramska and Petelski,Callaghan等，Jaeglé等，Norris等也都分別給出了不同的公式[10,16-19]。

2結(jié)果與分析

2.1 氣象條件

粒子濃度采樣和自動(dòng)氣象站測(cè)量頻率分別為1和0.1Hz，為了確定數(shù)據(jù)最合適的時(shí)間分辨率，對(duì)不同時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中的濃度和各氣象數(shù)據(jù)在10s內(nèi)的變化微乎其微；每小時(shí)一次的濃度和氣象數(shù)據(jù)足以很好地描述整個(gè)過(guò)程的情況。因此本文將濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)均每小時(shí)取一次用于后續(xù)計(jì)算和討論，走航期間氣壓、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的時(shí)間序列在圖2中列出。

觀測(cè)期間的相對(duì)濕度為58.8%~98.7%，平均相對(duì)濕度是80.6%。實(shí)驗(yàn)期間的平均氣溫是29.1℃，最低溫度是25.2℃，最高溫度是33.0℃。平均風(fēng)速是7.0m·s-1，最大風(fēng)速19.3m·s-1，最小風(fēng)速0.2m·s-1，其中大于15.0m·s-1以上的風(fēng)速共19次，17次出現(xiàn)在9月29日—9月30日。8月25日—9月21日期間風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，其中西南風(fēng)頻率最高。9月22日以后受冬季風(fēng)的影響，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠憋L(fēng)，以東北風(fēng)為主。

2.2 數(shù)量濃度譜

氣溶膠的粒度譜分布通常被擬合成對(duì)數(shù)正態(tài)分布或者若干對(duì)數(shù)正態(tài)分布之和的形式[20]。公式如下：

(6)

為了驗(yàn)證本文濃度數(shù)據(jù)的可參考性，將一次孟加拉灣的走航實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)照。孟加拉灣三面被陸地環(huán)繞，地理環(huán)境與南海類似。Ganguly等對(duì)孟加拉灣海域的氣溶膠濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了走航觀測(cè)[21](以下簡(jiǎn)稱G05)。以較為典型的2013年2月19日的日平均數(shù)量濃度為例，將其結(jié)果與本研究中相近條件下南海的平均數(shù)量濃度作比較(見(jiàn)圖3)。

在測(cè)量范圍內(nèi)，南海的飛沫氣溶膠濃度譜共出現(xiàn)2個(gè)峰值分別是位于半徑0.099和0.886μm，同屬于積聚模態(tài)(0.1μm

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，南海飛沫氣溶膠數(shù)量濃度譜在峰值數(shù)量和總數(shù)量濃度上與孟加拉灣的結(jié)果較為一致，本實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的濃度數(shù)據(jù)在一定程度上具有可參考性。

圖2　走航期間各氣象參數(shù)的時(shí)間序列

2.3 通量估計(jì)

圖3　一次典型海洋氣團(tuán)影響下的氣溶膠粒子的日平均濃度譜和擬合曲線

實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的白浪覆蓋率數(shù)據(jù)在圖4中用散點(diǎn)標(biāo)出，可以看出，Jaeglé等[19]用6次走航觀測(cè)數(shù)據(jù)得出的公式與本研究觀測(cè)數(shù)據(jù)保持著非常高的一致性。除此之外，其他公式在較高風(fēng)速區(qū)均存在高估的問(wèn)題。在2.0~15.0m·s-1的風(fēng)速區(qū)間上，它們的差異不足一個(gè)數(shù)量級(jí)，但最大時(shí)能達(dá)到觀測(cè)數(shù)據(jù)的2倍，且隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大，這種差異會(huì)迅速增大。造成差異的原因除了測(cè)量和計(jì)算本身的誤差外，白浪覆蓋率影響因素的復(fù)雜和不確定性應(yīng)該起著重要的作用。不同研究的測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)海域是不同的，但都用了相同經(jīng)驗(yàn)的函數(shù)形式，假設(shè)白浪覆蓋率的大小僅與風(fēng)速有關(guān)。事實(shí)上，摩擦速度、大氣穩(wěn)定度、波浪周期、波齡等很多因素都對(duì)白浪覆蓋率的大小產(chǎn)生一定的影響，但是目前這些因素作用的機(jī)制尚不明確，難以準(zhǔn)確地體現(xiàn)在與白浪覆蓋率大小的數(shù)量關(guān)系上[22-23]。

圖4　不同風(fēng)速下白浪覆蓋率的觀測(cè)值和計(jì)算值

實(shí)驗(yàn)中總共測(cè)量了46次白浪覆蓋率的數(shù)據(jù)，測(cè)量頻率低于測(cè)量的氣溶膠粒子濃度的數(shù)據(jù)，不能直接用于通量的計(jì)算。為了較為準(zhǔn)確地計(jì)算出白浪覆蓋率，參考已有的白浪覆蓋率與風(fēng)速呈冪函數(shù)關(guān)系，用最小二乘法擬合出了一個(gè)新的函數(shù)：WT=5.235×10-6(U10)2.776。

圖5　單位白浪面積上的產(chǎn)生通量與其他研究結(jié)果的對(duì)比

單位白浪面積上的氣溶膠產(chǎn)生通量的含義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間當(dāng)單位面積的海面100%地被白冠所覆蓋時(shí)產(chǎn)生的氣溶膠數(shù)量。它在很多應(yīng)用較為廣泛的源函數(shù)中被計(jì)算，包括在實(shí)驗(yàn)室[4,9]，海岸碎波帶[3]，以及開(kāi)闊海域[7]。為了便于比較，這些源函數(shù)計(jì)算的產(chǎn)生通量和本研究中用實(shí)際觀測(cè)的濃度數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果都在圖5中列出。

目前大多數(shù)研究認(rèn)為單位白浪面積上飛沫氣溶膠的產(chǎn)生通量是恒定的，不隨風(fēng)速或者波浪狀態(tài)等改變[15]。然而，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速對(duì)單位白浪面積的通量是有影響的，且隨著風(fēng)速的增大而增大，正如圖5所示。Norris在北大西洋的實(shí)驗(yàn)也得出了類似結(jié)果，并給出了物理方面的解釋：隨著風(fēng)速增大，波浪破碎的也就越充分，所以被卷加入水的空氣量和深度就越大，因而泡沫破碎產(chǎn)生的海水滴也就越多[10]。不同的是，本研究中通量的分布曲線并沒(méi)有出現(xiàn)隨著風(fēng)速增大而變得更加陡峭的現(xiàn)象。

圖6　相同風(fēng)速下南海飛沫氣溶膠通量與前人研究的對(duì)比

為了探究南海飛沫氣溶膠排放量與中高緯度海洋以及實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的異同，用修正過(guò)的白浪法計(jì)算了南海飛沫氣溶膠的通量，并將其與前人的研究進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)期間平均風(fēng)速是7.0m·s-1，將這一風(fēng)速下各研究的通量結(jié)果在圖6中畫(huà)出。可以看出，相同風(fēng)速下，本研究中粒徑較小的飛沫氣溶膠粒子(r80>0.2μm)的產(chǎn)生通量較其他研究結(jié)果偏高，較大粒子略有偏低，因此南海的通量譜分布曲線比其他研究的曲線要陡峭。當(dāng)r80>0.3μm時(shí)，本研究中計(jì)算的通量大小與Monahan等[4]和Gong[7]的結(jié)果表現(xiàn)出了較高的一致性，與M?rtensson等[9]和Clarke[3]的結(jié)果相比略偏低。因此，現(xiàn)有的源函數(shù)不能很準(zhǔn)確地描述南海飛沫氣溶膠的排放情況。

2.4 源函數(shù)推導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)期間風(fēng)速大于10.0m·s-1的情況不多，且采樣儀器距離海面為10m，所以在較大粒子(0.3μm

(7)

由圖5中可以看出，不同的風(fēng)速時(shí)，飛沫氣溶膠的通量譜分布形式類似，風(fēng)速的影響只明顯地體現(xiàn)在通量值的大小上。所以假設(shè)公式中Fp是風(fēng)速的函數(shù)，其他的參數(shù)值是大小與風(fēng)速無(wú)關(guān)的常數(shù)。Fp是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)性的函數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的數(shù)據(jù)并結(jié)合Smith等，Vignati等和Andreas等人的研究結(jié)果計(jì)算出來(lái)的一個(gè)依賴于風(fēng)速的函數(shù)[24-26]。

logFp=-1.075×U10-1.784 1+8.562。

(8)

因此源函數(shù)為：

(9)

這樣，風(fēng)速的作用不再僅僅體現(xiàn)在白浪覆蓋率中，單位白浪面積的產(chǎn)生通量與風(fēng)速的關(guān)系也被引入到這一新的源函數(shù)中。

2.5 結(jié)果驗(yàn)證

2013年12月3日—2014年1月15日在中國(guó)南海再次進(jìn)行走航實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的方案和儀器與上一次實(shí)驗(yàn)相同。觀測(cè)了氣溶膠的數(shù)量濃度數(shù)據(jù)并計(jì)算了風(fēng)速在5.0~15.0m·s-1時(shí)的海洋氣團(tuán)影響下次微米氣溶膠的通量(以下稱為觀測(cè)值)。為驗(yàn)證該源函數(shù)的合理性，將觀測(cè)值與用源函數(shù)計(jì)算的通量(以下稱為計(jì)算值)進(jìn)行了對(duì)比(見(jiàn)圖7)。

圖7　不同風(fēng)速下通量的觀測(cè)值與計(jì)算值

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速在7.0m·s-1以下時(shí)，0.1~0.2μm的粒子通量的計(jì)算值比觀測(cè)值大，對(duì)此粒徑段以外的粒子，兩者大小較為接近。在0.06~0.3μm范圍，總的通量計(jì)算值比觀測(cè)值高出一倍多。而當(dāng)風(fēng)速高于13.0m·s-1時(shí)，幾乎在整個(gè)參與比較的粒徑段(0.06~0.3μm)上，計(jì)算值都比觀測(cè)值要小，0.06~0.3μm范圍的總通量的計(jì)算值要比觀測(cè)值低53%。當(dāng)風(fēng)速在7.0~13.0m·s-1時(shí)，觀測(cè)值與源函數(shù)模擬值吻合得非常好，觀測(cè)值與源函數(shù)的估計(jì)值之間差距都在10%~20%之間。

分析源函數(shù)模擬飛沫氣溶膠通量出現(xiàn)低估和高估的原因。在推導(dǎo)源函數(shù)時(shí)，用到的數(shù)據(jù)是1.0~10.0m·s-1的風(fēng)速條件下0.06μm

3結(jié)論

為了研究白浪覆蓋率法在低緯海洋的適用性，本文以中國(guó)南海半徑0.06~5μm范圍的氣溶膠粒子為代表，計(jì)算了10m高度的有效通量，推導(dǎo)出了一個(gè)新的源函數(shù)，并驗(yàn)證了該函數(shù)的有效性。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，得出了以下結(jié)論。

(1)現(xiàn)有的源函數(shù)公式不能反映中國(guó)南海飛沫氣溶膠通量。具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：不同研究給出的白浪覆蓋率對(duì)風(fēng)速的依賴關(guān)系存在著差異。在所給出2~15m·s-1的風(fēng)速區(qū)間上，它們的差異不足一個(gè)數(shù)量級(jí)，但最大時(shí)能達(dá)到觀測(cè)數(shù)據(jù)的2倍。用南海的觀測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)壳暗墓?，在較高風(fēng)速區(qū)普遍存在高估的問(wèn)題。造成差異的原因除了測(cè)量和計(jì)算本身的誤差外，白浪覆蓋率影響因素的復(fù)雜和不確定性應(yīng)該起著重要的作用。相同風(fēng)速下，源函數(shù)計(jì)算的單位白浪面積產(chǎn)生通量在0.06μm

(2)本文用實(shí)測(cè)的白浪覆蓋率推導(dǎo)出一個(gè)新的依賴于風(fēng)速的函數(shù)，計(jì)算了不同風(fēng)速下單位白浪面積上次微米氣溶膠粒子的產(chǎn)生通量，并將其表示為風(fēng)速和粒徑的函數(shù)，提出了一個(gè)新的源函數(shù)，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了該源函數(shù)的適用性，發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)速下源函數(shù)的模擬效果也不同。在7.0~13.0m·s-1的風(fēng)速條件下，源函數(shù)計(jì)算的結(jié)果與觀測(cè)值吻合較好，在低于此風(fēng)速范圍上有高估現(xiàn)象，在較高風(fēng)速有低估現(xiàn)象。

新的源函數(shù)雖然還存在一些不足，但在一定程度上真實(shí)地反映了中國(guó)南海飛沫氣溶膠的生成情況，能很好地改善現(xiàn)有的源函數(shù)不能很好地模擬低緯度海洋氣溶膠通量的不足。將其與中高緯度的結(jié)果相結(jié)合應(yīng)用到數(shù)值模式能估算全球海洋飛沫氣溶膠的排放量。

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責(zé)任編輯龐旻

Application and Modification of Whitecap Method in Sea Spray Aerosol

Flux Calculation over the South China Sea

CHU Ying-Jia1, SHENG Li-Fang1, 2, LIU Qian1, ZHAO Dong-Liang1, 2, JIA Nan1, KONG Ya-Wen1

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2. Physical Oceanography Laboratory ,Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Whitecap method is widely used to calculate the flux of aerosol particles,but there are still some problems with the formula,and the application of the whitecap method in low latitude area has never been reported. The number concentrations in the radius range of 0.06~5μm of sea spray aerosol particles and meteorological parameters were measured on board during a cruise in the South China Sea from August 25 to October 12, 2012.The whitecap friction formula proposed by Monahan et al. (1980)was modified and the relationship between production flux in per unit area of whitecap and wind speed was calculated by least square method.In the radius range of r(80)<0.3μm, the flux spectrum follows lognormal distribution, and logarithm of flux is a power law function of wind speed. In r(80)<0.2μm size range,production flux was higher than the flux in the high latitude area,while in r(80)>0.2μm size range, was lower than the flux in high latitude area. When the wind speed was in 7~13m·s(-1), the flux calculated by the new source function maintains high agreement with the observed value.

Key words:sea spray aerosol；whitecap method；South China Sea；production flux；source function

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150123

中圖法分類號(hào)：X131.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)03-015-07

作者簡(jiǎn)介：褚穎佳(1990-)，女，碩士生。E-mail:ouccyj2009@163.com**通訊作者： E-mail:shenglf@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-06-01；

修訂日期：2015-09-09

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276009)資助

引用格式：褚穎佳， 盛立芳， 劉騫， 等. 白浪法在南海飛沫氣溶膠通量計(jì)算中的應(yīng)用和修正[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016, 46(3)： 15-21.

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41276009)