海面風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向的觀測(cè)與分析

陳勝,喬方利,郭景松，焦志勇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬研究室，山東 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

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海面風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向的觀測(cè)與分析

陳勝1, 2,喬方利2, 3*,郭景松2，焦志勇1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院，山東 青島 266580；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬研究室，山東 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

針對(duì)海氣界面風(fēng)應(yīng)力方向與風(fēng)向不一致的現(xiàn)象，2015年2月4日至3月12日在南海博賀觀測(cè)平臺(tái)開(kāi)展了綜合觀測(cè)，利用渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算了海氣界面風(fēng)應(yīng)力，并在3類(lèi)大氣穩(wěn)定度條件下分析了風(fēng)應(yīng)力矢量偏離風(fēng)矢量的角度變化，進(jìn)一步討論了大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)兩者角度之差與風(fēng)速的參數(shù)化關(guān)系。結(jié)果表明：在大氣層結(jié)穩(wěn)定條件下，風(fēng)應(yīng)力矢量偏向風(fēng)矢量左側(cè)，且偏離角度隨逆波齡和風(fēng)速增大而減小；當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)應(yīng)力矢量一般偏向風(fēng)矢量右側(cè)。海氣界面風(fēng)應(yīng)力矢量受海表面風(fēng)、波浪以及大氣層結(jié)的共同調(diào)制。

渦動(dòng)相關(guān)法；南海北部；海氣邊界層；大氣層結(jié)；風(fēng)應(yīng)力矢量

1 引言

海氣邊界層之間的動(dòng)量、熱量和物質(zhì)通量是描述大氣邊界層和海洋上表層相互作用的重要物理量，加深對(duì)海氣通量的科學(xué)理解可為海洋環(huán)流、海浪甚至氣候模式的發(fā)展提供科學(xué)支持。海氣通量一直是海洋與大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在氣候變化中具有重要地位。

海氣界面的風(fēng)應(yīng)力(等價(jià)于動(dòng)量通量)通常根據(jù)傳統(tǒng)的塊體公式估計(jì)，其大小正比于平均風(fēng)速U的平方：

(1)

式中，ρ為空氣密度，拖曳系數(shù)Cd是測(cè)量高度z、粗糙長(zhǎng)度z0和層結(jié)的函數(shù)[1]。

海洋表面風(fēng)應(yīng)力的直接測(cè)量(渦動(dòng)相關(guān)法)開(kāi)始于20世紀(jì)70年代[1]。渦動(dòng)相關(guān)法基于泰勒假設(shè)，將風(fēng)速進(jìn)行雷諾分解[2]，風(fēng)應(yīng)力矢量表達(dá)為：

τ=τx+τy=-ρ〈u′w′〉i-ρ〈v′w′〉j，

(2)

式中，u′,v′,w′分別代表水平x方向、y方向和垂直方向平均風(fēng)速的脈動(dòng)值。參照Grachev等的做法[3]，取τx=-ρ〈u′w′〉i=τxi為順風(fēng)向應(yīng)力，τy=-ρ〈v′w′〉j=τyj為橫風(fēng)向應(yīng)力，τx>0代表順風(fēng)向應(yīng)力與風(fēng)向一致，反之相反；τy>0代表橫風(fēng)向應(yīng)力矢量在風(fēng)矢量右側(cè)，反之相反。

一般認(rèn)為，〈v′w′〉項(xiàng)相對(duì)于〈u′w′〉項(xiàng)可以忽略[3]，〈v′w′〉≈0。但實(shí)際觀測(cè)表明〈v′w′〉不為0，即風(fēng)應(yīng)力矢量會(huì)偏離風(fēng)矢量[3]。風(fēng)應(yīng)力矢量和風(fēng)矢量之間的夾角α可定義為：

α=arctan(〈v′w′〉/〈u′w′〉)，

(3)

式中，α為正(負(fù))值代表風(fēng)應(yīng)力矢量指向風(fēng)矢量右(左)側(cè)(左手坐標(biāo)系)。本文中風(fēng)和波浪以及風(fēng)應(yīng)力方向的定義采用慣例，正北來(lái)向?yàn)?°，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正值。

很多對(duì)海洋表面風(fēng)應(yīng)力的研究大多側(cè)重在應(yīng)力大小或其他標(biāo)量(如拖曳系數(shù)、摩擦速度、粗糙長(zhǎng)度等)[4—6]，但是風(fēng)應(yīng)力矢量方向經(jīng)常不同于風(fēng)矢量方向，兩者存在夾角，該夾角有時(shí)很大甚至反向，導(dǎo)致應(yīng)力大小也會(huì)發(fā)生改變。Geernaert[7]從Navier-Stokes方程出發(fā)，推導(dǎo)出風(fēng)應(yīng)力方向與風(fēng)向之間的夾角最大不超過(guò)5°，然而最早由Smith[8]和Zemba和Freihe[9]觀測(cè)結(jié)果顯示，風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)向夾角比較大，甚至比Navier-Stokes方程預(yù)測(cè)的大1個(gè)量級(jí)，個(gè)別情況下超過(guò)了90°。Geernaert[7]利用北海兩個(gè)站點(diǎn)不同觀測(cè)高度(7.5 m和33 m)測(cè)得的海氣動(dòng)量通量數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)向存在明顯夾角，并且將風(fēng)與風(fēng)應(yīng)力間夾角30%的統(tǒng)計(jì)差異歸因于海氣界面熱量通量。Geernaert等[1]進(jìn)一步研究結(jié)果顯示：在微風(fēng)且海氣熱量通量近似為零情況下，風(fēng)應(yīng)力的方向很大程度上受表面波浪的影響，雖有此推斷，但依據(jù)的數(shù)據(jù)僅有13組，數(shù)據(jù)非常有限。Rieder等[10]利用1990年3月在北太平洋表面波項(xiàng)目(Surface Waves Processes Program, SWAPP)中獲得的資料，也注意到風(fēng)應(yīng)力和平均風(fēng)矢量間有明顯的夾角，發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力方向依賴(lài)于風(fēng)向和長(zhǎng)波的方向，與Geernaert等[1]推斷的結(jié)果一致，且彌補(bǔ)了其原來(lái)數(shù)據(jù)有限的缺陷。Rieder和Smith[11]討論了波浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的影響，通過(guò)剔除與波浪相關(guān)的應(yīng)力，得到的剩余風(fēng)應(yīng)力與塊體公式計(jì)算出的風(fēng)應(yīng)力符合較好。Grachev和Fairall[12]基于3次外海觀測(cè)研究了微風(fēng)(U<2 m/s)情況下海洋和大氣之間的動(dòng)量交換，發(fā)現(xiàn)海洋會(huì)向大氣輸送動(dòng)量，表面風(fēng)應(yīng)力與涌浪方向相反；Grachev等[3]基于太平洋FLIP船的觀測(cè)研究了風(fēng)應(yīng)力方向與風(fēng)向以及表面波浪的關(guān)系，同樣發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力方向與平均風(fēng)向偏離較大，甚至反向。Bernardes和Dias[13]發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)下，平均風(fēng)矢量與風(fēng)應(yīng)力方向不一致，并且隨著不穩(wěn)定性增加，兩矢量之間夾角會(huì)加大。雖然多數(shù)研究專(zhuān)注于改善動(dòng)量通量大小的估計(jì)，但觀測(cè)證據(jù)表明表面風(fēng)應(yīng)力矢量方向并不像傳統(tǒng)Monin-Obukhov邊界層相似理論刻畫(huà)的僅簡(jiǎn)單受控于局地風(fēng)向，其方向與大氣層結(jié)緊密相關(guān)[7]；另外，大氣常通量邊界層的海洋表面水質(zhì)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的[14]，波浪運(yùn)動(dòng)會(huì)貢獻(xiàn)部分應(yīng)力，對(duì)風(fēng)應(yīng)力矢量特征影響較大。

以往研究表明風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量方向之間存在夾角，除Geernaert等[1]依托燈塔開(kāi)展觀測(cè)外，絕大部分觀測(cè)研究是基于FLIP船基通量觀測(cè)[3,10—12]。但固定平臺(tái)的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)為定量研究風(fēng)應(yīng)力方向問(wèn)題帶來(lái)了新的契機(jī)?；趪?guó)家海洋局第一海洋研究所設(shè)計(jì)的波浪和海氣通量綜合觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)海氣通量以及波浪參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量，利用南海北部博賀固定觀測(cè)平臺(tái)于2015年2月4日至3月12日(共37 d)期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文研究不同大氣層結(jié)穩(wěn)定度下，表面波浪以及風(fēng)速對(duì)風(fēng)應(yīng)力方向的影響，并給出了穩(wěn)定層結(jié)下風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)矢量的角度α與風(fēng)速的參數(shù)化關(guān)系。

2 海上觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理

2.1 海上觀測(cè)

中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)位于21°26.5′N(xiāo)，111°23.5′E(圖1，以下簡(jiǎn)稱(chēng)海洋氣象平臺(tái))，該平臺(tái)位于廣東省茂名市電白縣蓮頭嶺半島中部東面約6.5 km處，平均水深約17 m，海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)距海面平均高度約為11 m[15]?？紤]到距海面10 m高度處有一小的平臺(tái)，通量觀測(cè)誤差可能較大。因此，國(guó)家海洋局第一海洋研究所設(shè)計(jì)的海氣通量觀測(cè)設(shè)備架設(shè)在平臺(tái)上距平均海面約17 m處，朝向70°，設(shè)備包括三維超聲風(fēng)速儀、CO2/H2O紅外氣體分析儀、溫度和濕度傳感器、紅外測(cè)溫探頭等，采樣頻率設(shè)置為10 Hz，通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱連續(xù)采集高頻數(shù)據(jù)。波浪觀測(cè)采用NORTEK聲學(xué)波浪流速剖面儀(AWAC，聲波頻率1 MHz)，距離博賀平臺(tái)100 m，波浪測(cè)量平均時(shí)間間隔1 h，每小時(shí)以采樣頻率1 Hz工作1 024 s，獲得波浪原始數(shù)據(jù)，經(jīng)質(zhì)量控制后得到有效波高、譜峰周期和平均波向等波浪參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)應(yīng)力估計(jì)采用1 h平均間隔[6]，為檢驗(yàn)1 h平均時(shí)間是否足夠長(zhǎng)以至于捕獲了所有通量，利用2月8日3：00—4：00的代表性的數(shù)據(jù)分成3:00—3:15、3:00—3:30、3:00—3:45和3:00—4:00，基于間隔分別為15 min、30 min、45 min、60 min的4段數(shù)據(jù)檢查的頻率累計(jì)曲線(xiàn)(Ogive曲線(xiàn))，如圖2所示?？梢钥闯鲋挥?0 min的Ogive曲線(xiàn)在低頻段接近于常值-0.062 m2/s2，不再隨頻率的減小而變化，而其他Ogive曲線(xiàn)在低頻段變化較大，表明1 h作為平均時(shí)間尺度能滿(mǎn)足各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)[16]。在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，將原始數(shù)據(jù)分成一系列平均時(shí)間1 h的數(shù)據(jù)段，對(duì)每小時(shí)的數(shù)據(jù)段經(jīng)過(guò)野點(diǎn)剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、線(xiàn)性去除趨勢(shì)等[15,17]，得到1 h平均時(shí)間的通量數(shù)據(jù)。利用37 d的原始湍流和波浪數(shù)據(jù)，參照王介民[17]剔除野點(diǎn)過(guò)多時(shí)次數(shù)據(jù)的方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理，共獲得856組數(shù)據(jù)。

圖1 博賀海洋觀測(cè)平臺(tái)位置Fig.1 The location of Bohe Station

圖2 u′w′協(xié)譜從高頻到低頻的頻率累計(jì)曲線(xiàn)Fig.2 The cumulative sum of u′w′ co-spectra from high to low frequencies紫色-Ogive(15 min)，藍(lán)色-Ogive(30 min)，紅色-Ogive(45 min)，黑色-Ogive(60 min)Purple, blue, red and black line indicate Ogive 15 min, 30 min, 45 min and 60 min respectively

圖3 風(fēng)速(a)、風(fēng)向與浪向(b)、海表皮溫(實(shí)線(xiàn))和距離海平面17 m處氣溫(虛線(xiàn))(c)隨時(shí)間變化圖Fig.3 Time series of wind speed (a), wind and wave direction (b), and skin temperature of sea surface (solid line) and air temperature at 17 m (dash line) temperature (c)

圖4 有效波高(a)、譜峰周期(b)和波齡(c)隨時(shí)間變化圖Fig.4 Time series of significant wave height (a), peak period (b), and wave age (c)

3 觀測(cè)要素的基本特征

觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向和浪向，以及距離海平面17 m處和海洋皮溫(0 m)溫度的時(shí)間序列如圖3所示，有效波高Hs、譜峰周期Tp以及波齡Cp/U17的時(shí)間序列如圖4所示。整個(gè)觀測(cè)期間風(fēng)速一般在10 m/s以下，只有在2月6日和3月11日2天內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)少數(shù)10 m/s以上情況(圖3a)，也就是說(shuō)，風(fēng)速基本處于中低風(fēng)速情況。風(fēng)向大部分時(shí)間小于90°且以東北風(fēng)為主(圖3b)，觀測(cè)時(shí)段為典型海洋冬季，東北季風(fēng)影響南海北部，但波向在115°附近，偏東南向；海表面溫度在16～20℃之間(圖3c)，而距離海平面17 m高度處氣溫在10～21℃之間，部分時(shí)段變化劇烈，海氣溫差變化直接影響大氣層結(jié)。觀測(cè)期間大部分時(shí)間有效波高在1 m以下，譜峰周期在5 s以上(圖4a和b)，圖4c中的細(xì)實(shí)線(xiàn)表示波齡Cp/U17=1.07[18]，波齡基本上在1.07以上，只有少數(shù)情況在1.07以下，由波浪參數(shù)以及圖3b中風(fēng)向與浪向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯谡麄€(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，波浪以涌浪為主。

4 風(fēng)應(yīng)力矢量方向

參照王介民[17]對(duì)856組最終通量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制獲得479組可用于分析風(fēng)應(yīng)力矢量的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，Rieder等[10]結(jié)果顯示，風(fēng)速大于8 m/s時(shí)風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量之間很小；Grachev和Fairall[12]結(jié)果表明，風(fēng)速小于2 m/s情況下海洋會(huì)向大氣輸送動(dòng)量。本文只對(duì)風(fēng)速在2～8 m/s之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理后的有效數(shù)據(jù)總共為380組。

利用Monin-Obukhov法[19]根據(jù)大氣層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)ζ=z/L(z為測(cè)量高度，L為Monin-Obukhov長(zhǎng)度)將數(shù)據(jù)分為不穩(wěn)定層結(jié)(ζ<-0.01)、中性層結(jié)(-0.01≤ζ≤0.01)[10]和穩(wěn)定層結(jié)(ζ>0.01)3類(lèi)數(shù)據(jù)，分別為80、13和287組。對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)根據(jù)公式(3)求取風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量之間的夾角α，其時(shí)間序列如圖5a所示。在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，穩(wěn)定層結(jié)居多，尤其在2月10日至3月1日期間，大氣層結(jié)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖3c顯示在2月10日至3月1日期間，距海平面17 m處的氣溫與海表皮溫相差較低，且前者要比后者溫度略高，也表明此段時(shí)間大氣層結(jié)穩(wěn)定。而在2月4日至2月10日期間，海表皮溫明顯高于17 m處氣溫，表明該期間大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而其他時(shí)間段，兩者溫度有高有低，大氣層結(jié)變化不定，與圖5a結(jié)果吻合。風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角與大氣穩(wěn)定度的線(xiàn)性相關(guān)性較弱(圖5b)，在同一穩(wěn)定度下，夾角也會(huì)受到波浪等因素的影響。不穩(wěn)定層結(jié)條件下的風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角值較為分散，而穩(wěn)定層結(jié)下風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角為負(fù)值(α<0)的數(shù)據(jù)約占95%，介于-40°到0°間的約占91%，較為集中，夾角平均值約為-20°，個(gè)別情況下達(dá)到了-80°(圖5b)，應(yīng)力矢量方向幾乎與風(fēng)向垂直[3]，α<0代表風(fēng)應(yīng)力矢量偏向風(fēng)矢量左側(cè)，與Geernaert等[1，7]提出的大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)應(yīng)力矢量偏向風(fēng)矢量左側(cè)一致。觀測(cè)期間不穩(wěn)定層結(jié)條件下夾角為正值(α>0)數(shù)據(jù)約占55%，最大值接近80°，半數(shù)以上符合大氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)應(yīng)力矢量偏向風(fēng)矢量右側(cè)的現(xiàn)象。因近中性與不穩(wěn)定數(shù)據(jù)量較少，統(tǒng)計(jì)特征不明顯，下面進(jìn)一步分析穩(wěn)定層結(jié)下，風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量夾角隨風(fēng)速、逆波齡等參數(shù)的關(guān)系。

圖5 不同層結(jié)下風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角(α)隨時(shí)間變化圖(a)和夾角(α)與大氣穩(wěn)定度關(guān)系圖(b)Fig.5 Time series of angle (α) between wind and wind stress under 3 different stratifications (a), and the relationship between angle and stratification stability (b)

由以上分析可知，穩(wěn)定大氣層結(jié)數(shù)據(jù)占有效總數(shù)據(jù)的75%，在此情況下，風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量間之間的夾角α(只對(duì)夾角小于0的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該部分約占95%)對(duì)風(fēng)速等參量作統(tǒng)計(jì)分析，夾角與風(fēng)速、逆波齡之間的關(guān)系見(jiàn)圖6。為給出夾角隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)，取0.5 m/s為平均子區(qū)間，對(duì)每個(gè)子區(qū)間內(nèi)的夾角進(jìn)行平均，并通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合得到夾角隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)線(xiàn)，可見(jiàn)，夾角絕對(duì)值隨風(fēng)速增大而減小，即風(fēng)應(yīng)力方向會(huì)隨風(fēng)速增大逐漸與風(fēng)向趨于一致。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，動(dòng)量通量受海浪特別是涌浪的調(diào)制，涌浪方向可能與風(fēng)向相差很大，從而導(dǎo)致風(fēng)應(yīng)力方向偏離風(fēng)向；而當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)，風(fēng)浪開(kāi)始起主導(dǎo)作用，而風(fēng)浪一般是沿著風(fēng)向的(二者之間有時(shí)也有一定夾角)，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)力也是沿風(fēng)向的應(yīng)力，故風(fēng)應(yīng)力方向會(huì)逐漸與風(fēng)向保持一致。通過(guò)圖中逆波齡與夾角的關(guān)系來(lái)看，風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角絕對(duì)值隨著逆波齡的增大呈減小趨勢(shì)，當(dāng)海況較為成熟，即逆波齡較小時(shí)，海表面以涌浪為主，涌浪一般會(huì)偏離局地風(fēng)向，涌浪會(huì)對(duì)風(fēng)應(yīng)力的調(diào)制使得風(fēng)應(yīng)力方向偏離風(fēng)向；而當(dāng)逆波齡較大時(shí)，海況為年輕，正在成長(zhǎng)的狀態(tài)，風(fēng)浪占據(jù)主導(dǎo)，使得風(fēng)應(yīng)力方向逐漸與風(fēng)向一致。

圖6 穩(wěn)定層結(jié)下風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量夾角α與距海面17 m處風(fēng)速U17、逆波齡U17cos θ/Cp的關(guān)系Fig.6 Stress off wind angle α vs 17 m wind speed U17 and inverse wave age U17cosθ/Cp under stable stratification

圖6中，粗實(shí)線(xiàn)擬合線(xiàn)為α=6.6×U-62.6，其相關(guān)系數(shù)為96.7%，誤差為-0.49°，能較好的擬合夾角隨風(fēng)速的變化關(guān)系，可以看出風(fēng)應(yīng)力矢量偏離風(fēng)矢量的角度與風(fēng)速擬合關(guān)系較好。但由于數(shù)據(jù)量仍較少，擬合線(xiàn)只能描述夾角隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)。在真實(shí)海洋環(huán)境條件下，風(fēng)應(yīng)力受大氣層結(jié)的影響下，其大小和方向都會(huì)受到風(fēng)以及波浪的共同調(diào)制，Ly[20]研究了風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量夾角對(duì)拖曳系數(shù)的影響，數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在10°～20°的夾角會(huì)使得拖曳系數(shù)減小10%～20%。海浪影響在風(fēng)應(yīng)力估計(jì)中不可或缺。海氣動(dòng)量參數(shù)化方案需要改進(jìn)，但需要更多的實(shí)測(cè)資料以及分析研究的支持。

5 結(jié)論

本文利用南海北部博賀固定平臺(tái)的波浪與海氣通量綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量偏角進(jìn)行了分析與探討，結(jié)果表明：

第一，在不同的大氣層結(jié)狀況下，風(fēng)以及海浪的共同調(diào)制使得風(fēng)應(yīng)力方向會(huì)偏離風(fēng)向。在穩(wěn)定層結(jié)條件下，風(fēng)應(yīng)力向左偏離風(fēng)向角度平均值約為20°，最大可達(dá)80°；在不穩(wěn)定層結(jié)條件下，風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向角度最大值接近80°，半數(shù)以上符合風(fēng)應(yīng)力矢量偏向風(fēng)矢量右側(cè)，向左偏離角度較小。

第二，在大氣層結(jié)穩(wěn)定情況下，風(fēng)應(yīng)力矢量偏離風(fēng)向的角度與風(fēng)速大小呈反比，與逆波齡也呈反比。風(fēng)速越大，海洋越接近于風(fēng)浪情況，導(dǎo)致風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)矢量一致；逆波齡越大，即波齡越小，海洋越處于年輕或正在成長(zhǎng)的海況，此時(shí)，風(fēng)速一般較大，風(fēng)應(yīng)力矢量會(huì)與風(fēng)矢量較為接近。

作用于海洋表面的風(fēng)應(yīng)力對(duì)多種物理過(guò)程產(chǎn)生直接影響，向下的動(dòng)量通量(風(fēng)應(yīng)力)能夠產(chǎn)生波浪、表面流、海氣邊界湍流等，然而在微風(fēng)(U<2 m/s)條件下，局地涌浪會(huì)反作用于大氣，產(chǎn)生向上的動(dòng)量通量。風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)矢量的夾角會(huì)直接影響風(fēng)應(yīng)力的大小，要想準(zhǔn)確定量分析海氣動(dòng)量通量，需要考慮波浪的影響。風(fēng)應(yīng)力從本質(zhì)上講是張量，而到目前為止所有的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化計(jì)算均是基于矢量。從本質(zhì)上改進(jìn)海氣動(dòng)量通量的表達(dá)，尚需大量實(shí)測(cè)、分析以及理論研究工作的支持。

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The observation and analysis on the deviation of wind stress direction from wind direction

Chen Sheng1, Qiao Fangli2,3, Guo Jingsong2, Jiao Zhiyong1

(1.CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.LaboratoryofMarineEnvironmentandNumericalSimulation，F(xiàn)irstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 3.LaboratoryforRegionalOceanographyandNumericalModeling,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China)

Focusing on the inconsistent phenomenon between wind stress direction and wind direction on the air-sea interface, we designed comprehensive observation at the Bohe Station of the South China Sea from February 4 to March 12, 2015. The wind stress was calculated by using the eddy correlation method, the deviation angle between the wind stress and wind vector was analyzed under 3 different atmospheric stability conditions. Furthermore, the parametric relationship between the angle and wind speed was proposed under the stable atmospheric stability condition. Results showed that the stress vector is to the left of the wind for the air stable condition, besides, the deviation angle decreases with the increase of inverse wave age and wind speed, while the stress vector is generally to the right of the wind for the unstable case. The wind stress vector depends on not only the sea surface winds, but also on the surface waves and atmospheric stable conditions.

eddy correlation method; northern South China Sea; air-sea boundary layer; atmospheric stability; wind stress vector

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.003

2015-11-15；

2016-05-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406404)；鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃研究項(xiàng)目(2015ASKJ01)。

陳勝(1989—)，男，山東省商河縣人，博士研究生，主要從事海氣界面湍流通量研究。E-mail：Rain@fio.org.cn

*通信作者：?jiǎn)谭嚼?1966—)，男，山東省慶云縣人，研究員，主要從事海洋環(huán)流數(shù)值模擬、海洋與氣候變化、海洋與氣候數(shù)據(jù)分析方法與應(yīng)用等研究。E-mail：qiaofl@fio.org.cn

P731.2

A

0253-4193(2017)01-0028-08

陳勝, 喬方利, 郭景松, 等. 海面風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向的觀測(cè)與分析[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 28-35,

Chen Sheng, Qiao Fangli, Guo Jingsong, et al. The observation and analysis on the deviation of wind stress direction from wind direction[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 28-35, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.003