中低風(fēng)速下海洋飛沫對(duì)海氣熱通量的影響

劉展池焦志勇*姜文正喬方利戴德君陳 勝

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東 青島266580;2.自然資源部 第一海洋研究所海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)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266237)

海洋大氣邊界層熱通量是大氣與海洋相互作用的重要物理量,是海洋科學(xué)與大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其算法的優(yōu)化與改進(jìn)更是近30 a來(lái)海洋與大氣學(xué)科重點(diǎn)研究方向[1]。海洋大氣邊界層熱通量在全球氣候變化研究中具有突出的地位,其中海洋飛沫引起的熱通量研究為關(guān)鍵部分,但研究不多。

關(guān)于海洋飛沫,其生成機(jī)制為當(dāng)波浪不斷得到風(fēng)輸入的動(dòng)量時(shí),波浪會(huì)產(chǎn)生破碎,破碎波浪卷入空氣進(jìn)入水中后生成氣泡,氣泡上升并躍出海面后破碎成海水滴,或者當(dāng)海上風(fēng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)大時(shí),其直接撕碎波浪,生成海水滴,這類海水滴被稱為海洋飛沫[1]。關(guān)于海洋飛沫作用區(qū)域,Smith在1990年假設(shè)[2]任何一層的湍流濕度和感熱通量,無(wú)論其來(lái)源如何,均將影響垂直梯度上濕度和水平層上溫度,據(jù)此他提出了液滴蒸發(fā)層(Droplet Evaporation Layer,DEL),1995年Andreas對(duì)DEL 厚度進(jìn)行研究[3],其認(rèn)為海洋飛沫在DEL內(nèi)運(yùn)動(dòng),因此DEL內(nèi)研究可與海洋飛沫研究關(guān)聯(lián)。本研究海洋飛沫觀測(cè)位于距海表面約17 m。

當(dāng)飛沫存在時(shí),其蒸發(fā)和冷卻凝結(jié)會(huì)引起熱通量隨高度變化,在DEL內(nèi)飛沫通過(guò)兩類過(guò)程進(jìn)行冷卻[4]。其一為感熱過(guò)程,其二為潛熱過(guò)程。在第一類過(guò)程中,由于飛沫初始溫度與海水表面溫度一致,當(dāng)海水溫度高于大氣溫度時(shí),飛沫通過(guò)輸送感熱到大氣中,從而達(dá)到自身冷卻,此過(guò)程中損失的熱量通量為感熱通量(QS);在第二類過(guò)程中,飛沫由于自身冷卻蒸發(fā)后失去熱量,該熱量通量便稱為潛熱通量(QL)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

海氣邊界層熱通量主要由界面熱通量與海洋飛沫引起的熱通量組成,而熱通量通常分為感熱通量與潛熱通量。其中DEL內(nèi)由飛沫引起的熱通量為主要研究部分,飛沫引起的QS與QL,通?？蓞⒄誂ndreas[5-6]提出的算法進(jìn)行計(jì)算,QS的計(jì)算公式為

QL的計(jì)算公式為

式中,r0為液滴初始半徑;ρw為純水密度;Tw為海水熱力學(xué)溫度;Teq為飛沫平衡熱力學(xué)溫度;Lv為水蒸發(fā)潛熱;τf為初始半徑r0的液滴在靜止空氣中下降1 m 所需時(shí)間;τT為初始半徑r0的液滴達(dá)到其平衡溫度的e-1所需時(shí)間;τr為初始半徑r0的液滴達(dá)到其平衡半徑的e-1所需時(shí)間。將QS和QL在飛沫粒徑范圍內(nèi)進(jìn)行積分則得到該范圍內(nèi)總的感熱通量和潛熱通量。

當(dāng)DEL內(nèi)飛沫進(jìn)行熱傳遞時(shí),在飛沫自身攜帶的熱量與周圍大氣中可利用的熱量作用下,飛沫本身出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象,因此在感熱通量與潛熱通量之間存在相互作用。1994年,Fairall等[7]提出在2種熱通量作用過(guò)程中存在減小因子α與β,海洋飛沫引起的感熱通量與潛熱通量算法變?yōu)?/p>

關(guān)于減小因子α與β,Fairall等[7],Bao等[8]和Kepert等[9]提供算法:

式中,Htot=HS+HL,Qtot=-QS+QL,由于飛沫熱通量的傳遞具有方向性,所以存在正負(fù)值。一般情況下,β取為1;僅在極端風(fēng)速、極端溫度等情況下,β取為0[10]。

因此,海洋飛沫引起的感熱通量(QS,tot)和潛熱通量(QL,tot)分別為

利用Andreas算法計(jì)算海洋飛沫引起的熱通量值精確度較高,所以該算法被廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著測(cè)量技術(shù)的不斷改進(jìn),對(duì)飛沫的測(cè)量方法也在不斷完善,飛沫引起熱通量的計(jì)算方法也得到了可區(qū)域觀測(cè)計(jì)量。本研究通過(guò)觀測(cè)手段結(jié)合使用做差算法(簡(jiǎn)稱差比法)對(duì)飛沫引起的熱通量進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于海氣接觸面處熱通量而言,其計(jì)算過(guò)程:

1)海表溫度、大氣溫度、相關(guān)濕度和觀測(cè)10 m 高度處風(fēng)速可通過(guò)超聲風(fēng)速系統(tǒng)測(cè)得,并利用空氣動(dòng)力學(xué)方法即可計(jì)算出海氣接觸面處感熱通量(HS)與潛熱通量(HL)。其主要過(guò)程為[11-14]

式中,u*為摩擦風(fēng)速;ρa(bǔ) 為大氣密度;Ta為大氣熱力學(xué)溫度(K),可由測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到。將數(shù)據(jù)進(jìn)行4次整體空氣動(dòng)力學(xué)迭代計(jì)算,便可得到海氣接觸面處熱通量。

2)CD10,CH10和CE10為距海表面10 m 高度處動(dòng)量、感熱、潛熱的傳遞系數(shù)(拖曳系數(shù))[15-16]。由于此類值包含穩(wěn)定性效應(yīng),因此每次計(jì)算時(shí)須根據(jù)相關(guān)的中性穩(wěn)定性值進(jìn)行拖曳系數(shù)更新計(jì)算。Andreas于1986年提供了CD10,CH10和CE10計(jì)算方法[6]:

式中,k為馮卡爾曼常數(shù)(常取0.4)。

L是莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度,單位為m。式中,g為重力加速度,取9.8 m/s2;Tak為大氣熱力學(xué)溫度,單位為K,由測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而得。由于近地面層特殊結(jié)構(gòu),L趨近于無(wú)窮,通常取z/L為計(jì)算參量(本研究z取10)。L為與穩(wěn)定度相關(guān)的參量,關(guān)于穩(wěn)定度有:

(a)L＜0或z/L＜0 穩(wěn)定結(jié)構(gòu),L越小或者z/L越大則越穩(wěn)定;

(b)L＞0或z/L＞0 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),|L|越小或者|z/L|越大則越不穩(wěn)定;

(c)|L|→∞或|z/L|=0 中性結(jié)構(gòu)。

ψm和ψh為穩(wěn)定修正系數(shù),則有:

(1)當(dāng)L＜0時(shí),其算法為

其中,x為中介值,由長(zhǎng)度值L確定,即:x=[1-16(10/L)]1/4。

(2)當(dāng)L＞0時(shí),

(3)當(dāng)L=∞,中性穩(wěn)定拖曳系數(shù)CD10,CH10和CE10為

然而,關(guān)于熱通量拖曳系數(shù)CH10和CE10,Andreas給出算法[6]:

盡管通過(guò)式(9)～式(22)可建立得到拖曳系數(shù)CD10,CH10和CE10,但一次計(jì)算后得到的各通量值是不具代表性的,原因是CD10,CH10和CE10取決于穩(wěn)定度。本研究采用迭代來(lái)計(jì)算海氣接觸面處通量,首先我們假定中性穩(wěn)定,即10/L=0,并利用式(9)～式(11)對(duì)u*,HS,HL進(jìn)行初步計(jì)算,并將其代入式(15)中得到L,最后由式(19)～式(22)和式(12)～式(14)得到新的u*,HS,HL值。迭代一直持續(xù)達(dá)到某個(gè)收斂極限,一般來(lái)說(shuō)通常不會(huì)超過(guò)4次迭代,本文共進(jìn)行了4次迭代計(jì)算。

DEL層上方熱通量的值可通過(guò)渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算得到。渦動(dòng)相關(guān)通量系統(tǒng)一般以10～20 Hz的采樣頻率采集傳感器高度上的水平風(fēng)速(u,v),垂直風(fēng)速(w),溫度(T,實(shí)際上為經(jīng)相關(guān)修正后的超聲虛溫Ts),水汽密度(ρv),CO2密度(ρC)等。

式中,ρa(bǔ)為大氣密度;cp取1.006×103J·kg-1·℃-1;λ為蒸發(fā)潛熱,λ=(2.501-0.00237×T0)×106,其中,T0為地表溫度。

通過(guò)式(23)和式(24)計(jì)算得到DEL上總的感熱通量與潛熱通量,同時(shí),利用式(10)和式(11)與之做差可計(jì)算出DEL內(nèi)熱通量。本研究采用波浪與海氣通量聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng),觀測(cè)海域?yàn)槟虾１辈坎┵R海洋氣象觀測(cè)平臺(tái),觀測(cè)周期為2016-02-01—2016-05-21,研究對(duì)象是中低風(fēng)速下DEL 內(nèi)海洋飛沫引起的熱通量,同時(shí)分析該海域內(nèi)不同風(fēng)速下飛沫熱通量的變化情況。

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候研究所博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)位于111°23′30″E,21°26′30″N(以下簡(jiǎn)稱為海洋氣象觀測(cè)平臺(tái))[17],距廣東省茂名市電白縣蓮頭嶺半島中部東向約6.5 km,該區(qū)域海水平均深度約為16 m。本研究波浪觀測(cè)使用NORTEK 聲學(xué)波浪流速剖面儀(頻率為1 MHz),經(jīng)其測(cè)得波浪原始數(shù)據(jù),并通過(guò)質(zhì)量控制等處理后得到有效波高、波齡和波向等波浪參數(shù),儀器放置于距博賀平臺(tái)約100 m 處。由于距離海表面11 m 處存在一較小平臺(tái),可引起流場(chǎng)畸變,使測(cè)得通量數(shù)據(jù)誤差較大。因此自然資源部第一海洋研究所選擇在距平均海表面17 m 處架設(shè)海氣通量觀測(cè)設(shè)備,設(shè)備朝向?yàn)?0°,包括三維超聲風(fēng)速儀、溫度和濕度傳感器、紅外測(cè)溫探頭等,采樣頻率設(shè)置均為10 Hz。這2套測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)即為本研究的原始數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)特征及處理

本研究熱通量數(shù)據(jù)時(shí)間周期為2016年2—5月,時(shí)間間隔為30 min。其中風(fēng)速、超聲系統(tǒng)(17 m 處)氣溫和海表面(0 m)溫度隨時(shí)間的變化如圖1～圖3所示。整個(gè)測(cè)量時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速大多處于中低風(fēng)速(小于12 m/s),僅在2016-02-15、2016-03-10和2016-05-12三天風(fēng)速大于12 m/s(圖1)。此外,超聲系統(tǒng)處大氣溫度約為10～30℃(圖2),海表面的溫度約為12～32℃(圖3),部分較小間隔內(nèi)海氣溫差較大。我們利用渦動(dòng)相關(guān)法[18]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別進(jìn)行野點(diǎn)剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、頻率損失修正、超聲虛溫修正及密度脈動(dòng)修正等[19],處理后得到熱通量數(shù)據(jù)。本研究原始熱通量數(shù)據(jù)共5280組,經(jīng)質(zhì)量控制后可用熱通量數(shù)據(jù)共為4923組。

圖1 2016年2—5月風(fēng)速隨時(shí)間的變化Fig.1 Variation of wind speed from February to May,2016

圖2 2016年2—5月超聲系統(tǒng)處氣溫隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of air temperature from February to May,2016

圖3 2016年2—5月海表溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of sea surface temperature from February to May,2016

3 實(shí)驗(yàn)分析

本研究DEL處原始數(shù)據(jù)經(jīng)超聲系統(tǒng)測(cè)量獲得,其主要包含風(fēng)速、溫度、感熱通量和潛熱通量等。DEL處熱通量值可由2種方法得到:一種為超聲系統(tǒng)測(cè)量法;另一種為利用風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)渦動(dòng)相關(guān)法(EC)計(jì)算法。我們將這2種方法得到的熱通量數(shù)據(jù)做成點(diǎn)集,并繪制1∶1散點(diǎn)圖,以EC 算法得到的熱通量為自變量,超聲系統(tǒng)測(cè)得的熱通量為因變量,如圖4所示。由圖4可知熱通量數(shù)據(jù)點(diǎn)集高度匯聚在y=x曲線附近,說(shuō)明誤差較小,二者具有較好一致性,因此,本研究中EC算法計(jì)算的熱通量值與超聲系統(tǒng)測(cè)量的熱通量值均可使用。我們采用的是EC算法計(jì)算的熱通量值。

圖4 儀器算法熱通量與EC算法熱通量的比較Fig.4 Sensible and latent heat fluxes obtained by EC and instrumental methods

利用EC算法得到的DEL內(nèi)感熱通量與潛熱通量后,再利用空氣動(dòng)力學(xué)法計(jì)算海氣接觸面感熱通量與潛熱通量,并將兩處感熱與潛熱通量值分開(kāi)進(jìn)行分析比較(圖5)可知:同一時(shí)刻,DEL 與海氣界面處熱通量值存在明顯差異,這表明在DEL和海氣界面內(nèi)仍存在其他作用于熱通量的因素。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[3]可知,在DEL中海表面及其上方存在大量海洋飛沫,因此接下來(lái)我們將研究海洋飛沫對(duì)DEL熱通量影響。

圖5 界面熱通量與渦動(dòng)相關(guān)(EC)法計(jì)算的熱通量比較Fig.5 Comparison between the heat fluxes obtained by interface and EC methods

本研究首先假設(shè)該熱通量值完全由DEL內(nèi)海洋飛沫作用引起,在海洋飛沫生成過(guò)程中,風(fēng)速起主導(dǎo)作用,因而對(duì)DEL內(nèi)海洋飛沫引起的熱通量與中低風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行研究(圖6),研究表明,DEL內(nèi)海洋飛沫引起的熱通量較大,其量值與經(jīng)典海洋飛沫理論實(shí)驗(yàn)中引起的熱通量量值相同[20],證實(shí)了上述DEL內(nèi)熱通量由海洋飛沫作用引起的假設(shè)。同時(shí)我們對(duì)熱通量數(shù)據(jù)集做誤差棒研究,對(duì)數(shù)據(jù)集中高度集中的點(diǎn)進(jìn)行趨勢(shì)分析,經(jīng)分析得到,中低風(fēng)速下海洋飛沫引起的感熱通量與風(fēng)速呈正相關(guān)但趨于平穩(wěn)(圖6a),潛熱通量與風(fēng)速正相關(guān)且較為明顯(圖6b)。對(duì)于感熱通量而言,其受大氣與海洋飛沫(飛沫與海水溫度一致)溫差影響,當(dāng)風(fēng)速增加時(shí),海洋飛沫生成量得到增加,但溫差沒(méi)有發(fā)生變化,所以感熱通量變化不顯著。而潛熱通量主要以海洋飛沫蒸發(fā)形式產(chǎn)生,因此當(dāng)海洋飛沫生成量隨風(fēng)速變大而增加,潛熱通量值提高[21]。

圖6 海洋飛沫引起的熱通量與風(fēng)速關(guān)系Fig.6 Relationship between the heat flux resulted from sea spray and the wind speed

4 結(jié) 論

在以往熱通量研究中,大部分研究關(guān)注海氣界面處熱量交換,而本文利用在博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)架設(shè)的波浪與海氣通量聯(lián)合測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè),并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)法,對(duì)中低風(fēng)速下DEL 內(nèi)海洋飛沫引起的熱通量進(jìn)行分析與探討,結(jié)果表明:

1)DEL內(nèi)存在較大熱通量量值變化,中低風(fēng)速情況下其量值可達(dá)50 W/m2,對(duì)比海洋飛沫引起的熱通量量值,二者量值一致,這表明DEL內(nèi)海洋飛沫對(duì)熱通量發(fā)揮主要作用。

2)在DEL層內(nèi),海洋飛沫引起的感熱通量與潛熱通量均與風(fēng)速呈正相關(guān),即風(fēng)速越大,熱通量的值也越大。且在變化過(guò)程中,潛熱通量對(duì)風(fēng)的變化反饋更為顯著。

本文利用差比法研究DEL內(nèi)海洋飛沫引起的海氣熱通量變化,對(duì)比經(jīng)典的直接飛沫熱通量算法,具有算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。仍存在較多不確定因素,如濕度、飽和水汽壓、飛沫粒徑等,均可引起較大誤差。后續(xù)研究將通過(guò)大量實(shí)地測(cè)量、分析與算法的改進(jìn)對(duì)該方法進(jìn)行不斷優(yōu)化。

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