不同邊界層穩(wěn)定性下海氣湍流熱通量日變化的前沿問題探討

徐常三, 宋翔洲, 齊義泉

1. 國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站, 江蘇 南通 226002;

2. 自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河海大學(xué), 江蘇 南京 210024

海氣相互作用是海洋動(dòng)力過程及氣候效應(yīng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題之一。海氣湍流熱通量(以下簡稱“湍熱通量”)受海洋和大氣過程的共同影響, 直接體現(xiàn)海洋大氣間熱量交換, 是研究海氣相互作用和上層海洋動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵要素(Price et al, 1986)。湍熱通量包括兩個(gè)分量, 一是蒸發(fā)相關(guān)的潛熱通量, 二是分子熱對(duì)流相關(guān)的感熱通量, 二者是平衡輻射通量的重要組成部分(Cayan, 1992)。湍熱通量過程會(huì)決定海盆尺度混合層結(jié)構(gòu)和變化(Cayan, 1992; Dong et al, 2007), 進(jìn)而影響海盆尺度通風(fēng)溫躍層和大洋環(huán)流的變化(Pedlosky et al, 1991)。湍熱通量的時(shí)空不均也會(huì)導(dǎo)致水平密度梯度變化, 進(jìn)而引起地轉(zhuǎn)流速三維螺旋結(jié)構(gòu)的改變 (Stommel et al, 1977; Spall,1992), 因此, 研究其變化過程和機(jī)理對(duì)認(rèn)識(shí)“海洋動(dòng)力過程及氣候效應(yīng)”這一前沿問題有重要意義(Cronin et al, 2019; Yu, 2019)。

所謂日變化通常指一天內(nèi)逐時(shí)變化過程(Price et al, 1986; 盛裴軒 等, 2013; Ide et al, 2016)。湍熱通量日變化在海洋中普遍存在, 最典型特征之一是夜間海表冷卻失熱, 加深混合層, 這是海氣界面和上層海洋中的重要變化信號(hào)(圖1)。Price 等(1986)先驅(qū)性地開發(fā)了混合層日變化動(dòng)力模型(Price-Weller-Pinkel, PWP), 為認(rèn)識(shí)上混合層變化提供了有效支撐, 但也對(duì)湍熱通量日變化研究提出了更高要求。相對(duì)于天氣和氣候尺度, 我們對(duì)日變化關(guān)注較少, 且受觀測和計(jì)算兩方面能力影響, 過去對(duì)湍熱通量日變化的研究存在“特征認(rèn)識(shí)較粗、機(jī)制理解較疏”的現(xiàn)象, 特別是對(duì)不同邊界層穩(wěn)定條件下的日變化過程和機(jī)理并不十分清楚, 不利于開展上層海洋動(dòng)力學(xué)研究。

圖1 Price 等(1986)利用船載連續(xù)觀測證實(shí)海氣熱通量(a)、溫度剖面(b)和溫度序列(c)的日變化特征, 并基于此觀測開發(fā)并驗(yàn)證了混合層變化模型(PWP 模型)Fig. 1 Diurnal variations in air-sea fluxes (a), temperature profiles (b) and time series of layered temperature (c)confirmed by continuous shipboard observations in Price et al (1986). They developed and validated the mixed-layer model (PWP model) based on these observations

圖2 熱通量日變化對(duì)風(fēng)海流影響模擬實(shí)驗(yàn)之一(Ide et al,2016)顏色表示日內(nèi)不同時(shí)刻的風(fēng)海流, 縱、橫坐標(biāo)均為無因次流速, 其中U*為歸一化速度單位, 藍(lán)圈表示在冬季觀測到的風(fēng)海流范圍Fig. 2 A simulation experiment concerning the influences of heat fluxes on wind-driven currents (Ide et al, 2016). The color indicates the wind-driven currents at different times of the day, and the vertical and horizontal coordinates represent the dimensionless velocities, respectively. U* is unit of normalized speed. Blue circle denotes approximate range of speed factor and deflection angle for winter.

最近一系列研究佐證了湍熱通量日變化在研究海氣相互作用中的關(guān)鍵作用。首先, 研究湍熱通量日變化有利于認(rèn)識(shí)上層海洋動(dòng)力過程。經(jīng)典混合層動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知需要更精準(zhǔn)的具有日變化特征的通量驅(qū)動(dòng)。近期研究顯示, 熱通量日變化引起海洋層化日變化過程, 進(jìn)而影響風(fēng)海流日變化(圖2)(Ide et al,2016)。其次, 研究湍熱通量日變化有利于認(rèn)識(shí)水汽循環(huán)過程。水汽收支是氣候系統(tǒng)中的重要過程, 是熱帶海洋以潛熱形式驅(qū)動(dòng)大氣深對(duì)流的重要載體(Matsuno, 1966)。研究發(fā)現(xiàn)模式中耦合極值潛熱和海溫日變化過程可加強(qiáng)水汽對(duì)流收支, 影響熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian oscillation, MJO)強(qiáng)度(Seo et al, 2014)。在夏季東亞季風(fēng)降水過程模擬中發(fā)現(xiàn)耦合通量等日變化使東亞海洋和陸地的降水分別增加10%和3%(圖3)(Hong et al, 2012), 有效提高了模擬精度。再者, 研究湍熱通量日變化有利于認(rèn)識(shí)全球能量平衡。全球海氣能量長期交換理論上應(yīng)接近于零平衡, 但由于觀測能力不足和參數(shù)化不精確, 通量估算模型并沒有實(shí)現(xiàn)全球平衡(Yu, 2019)。通量模型強(qiáng)迫場均采用日平均海表面溫度, 并沒有識(shí)別日變化特征, 也沒有耦合海表流。對(duì)湍熱通量日變化特別是極端日變化的認(rèn)識(shí)缺失對(duì)全球能量平衡影響有多大？這些問題都有望在日變化研究中尋找到解釋。因此, 新一代熱帶太平洋觀測系統(tǒng)論證報(bào)告建議明確湍熱通量的日變化特征和變化機(jī)制(Kessler et al, 2019)。

圖3 考慮日變化后夏季東亞季風(fēng)模擬中的物理量變化(Hong et al, 2012)a. 降水; b. 溫度; c. 感熱; d. 潛熱Fig. 3 Changes in the summer east asian monsoon simulation (Hong et al, 2012), precipitation (a), temperature (b), sensible heat (c), and latent heat (d) considering the diurnal variation

通過近兩年的觀測研究, 對(duì)湍熱通量日變化的認(rèn)識(shí)不斷加深。美國學(xué)者在黑潮延伸體區(qū)域, 基于浮標(biāo)觀測的潛熱日變化振幅高達(dá) 25W·m-2(圖 4)(Clayson et al, 2019), 類似特征在灣流區(qū)同樣存在。通過分析自然資源部近海浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 在我國邊緣海區(qū)域, 湍熱通量在夏季和冬季均存在顯著日變化過程(圖5)(Song, 2020), 振幅分別為20 和60W·m-2。在圖5 中, 最新模式MERRA2 (Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications) (Gelaro et al, 2017)和ERA5(ECMWF Re-Analysis) (Hersbach et al, 2019)以及OAFlux (Yu et al, 2007)結(jié)果以不同顏色曲線與觀測結(jié)果對(duì)比展示, 負(fù)(正)值表示海洋失(吸)熱。另外, 根據(jù)自然資源部東南印度洋浮標(biāo)(16°51′25.92″S, 115°13′18.84″E)研究發(fā)現(xiàn)氣旋過境中極端海氣通量仍存在強(qiáng)日變化,最大振幅可達(dá)150W·m-2(Feng et al, 2020)。這更加說明海氣湍熱通量存在顯著日變化特征和未知的變化機(jī)制, 相關(guān)研究仍然存在諸多懸而未決的問題。例如: 全球視角下海氣湍熱通量的典型日變化特征和決定性物理量是什么？不同海區(qū)有何不同特征？海盆尺度湍熱通量的日變化強(qiáng)度(一天內(nèi)小時(shí)級(jí)變化的標(biāo)準(zhǔn)差)與極端天氣過程和氣候事件有何關(guān)聯(lián)？本文將針對(duì)上述幾個(gè)前沿科學(xué)問題, 結(jié)合現(xiàn)有研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)(第1 節(jié)), 凝練相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題(第2 節(jié)), 并基于現(xiàn)有的海氣通量觀測體系提出研究的主要方向和思路(第3 節(jié))。

圖4 黑潮延伸體區(qū)浮標(biāo)觀測的冬季潛熱日變化異常值示意圖(Clayson et al, 2019)右圖為浮標(biāo)位置和2007 年12 月平均潛熱通量Fig. 4 Diurnal variation in latent heat in winter observed by buoys in the Kuroshio Extension (Clayson et al, 2019). Buoy locations and average LHF for December 2007 are shown in the right panel

圖5 基于2016 年自然資源部浮標(biāo)(38°12′N, 121°06′E)觀測的海氣湍熱通量日變化(Song, 2020)a、b 分別表示7 月潛熱和感熱日變化; c、d 則表示11 月日變化情況Fig. 5 Daily variations in air-sea turbulent heat fluxes observed by the operational buoys of the Ministry of Natural Resources (38°12′N, 121°06′E) in 2016 (Song, 2020). (a) and (b) denote the diurnal variations in latent and sensible heat in June; (c) and (d) denote the diurnal variations in November

1 湍熱通量日變化相關(guān)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1 湍熱通量的參數(shù)化估算與海流影響研究動(dòng)態(tài)

基于莫寧—奧布霍夫相似理論(Monin et al,1954)和塊體公式 (Liu et al, 1979; Fairall et al, 1996;Edson et al, 2013), 湍熱通量雷諾平均項(xiàng)(例如,u′和q′分別代表風(fēng)速和水汽擾動(dòng))可轉(zhuǎn)化成海表風(fēng)速和海氣熱力梯度之間的非線性乘積, 實(shí)現(xiàn)湍熱通量的參數(shù)化計(jì)算。以潛熱QLH估算的塊體公式為例:

其中, ρa(bǔ)是空氣密度, Le是潛熱蒸發(fā)系數(shù), cE是湍流交換系數(shù), uz是高度z 處絕對(duì)風(fēng)場, uSFC是海表流速,|uz-uSFC|代表相對(duì)表層流的相對(duì)風(fēng)速, 海表面和近海面大氣濕度分別由qs和qa表示?；诤１砻鏈囟萒s, 并考慮典型鹽度引起的水汽壓折扣, 可得近海面飽和相對(duì)濕度qs≈0.98qsat(Ts)。感熱通量與潛熱通量的估算形式基本一致, 主要以海氣溫差代替水汽差。 塊體公式常采用 COARE (Coupled Ocean-Atmospheric Response Experiment) 算法(Edson et al, 2013)。海氣邊界層剖面的熱力屬性和風(fēng)力特征決定了邊界層的穩(wěn)定程度, 不同物理量的變化造成不同的邊界層穩(wěn)定性, 對(duì)湍熱通量的變化具有重要的影響(Vandemark et al, 1997; Plagge et al,2012; Song, 2020)。

然而, 由于表層流觀測特別是高頻觀測較少,且遠(yuǎn)小于風(fēng)速, 公式(1)中表層流項(xiàng)uSFC往往被忽略,研究顯示, 這對(duì)認(rèn)識(shí)湍熱通量過程和全球能量平衡是一個(gè)不可忽視的物理機(jī)制缺失問題(Kessler et al,2019)。前人討論過赤道急流對(duì)赤道表面風(fēng)速的影響過程, 提出了在海氣耦合研究過程中使用相對(duì)風(fēng)速的重要性(Pacanowski, 1987)。另外, Luo 等(2005)發(fā)現(xiàn), 模式充分耦合海表流會(huì)降低海表面溫度的模擬誤差, 有利于精準(zhǔn)模擬厄爾尼諾等海氣耦合過程。因此, 海流如何影響湍熱通量估值和日變化應(yīng)該作為未來研究和觀測設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

1.2 海氣界面和上層海洋日變化機(jī)理研究前沿

當(dāng)前, 高精度觀測和模擬技術(shù)的發(fā)展加深了對(duì)于海氣界面和上層海洋日變化的特征認(rèn)識(shí)。無論是上層海溫、鹽度和海流等變量, 還是湍流耗散等過程, 都呈現(xiàn)出顯著的日變化特征(Schudlich et al, 1992; Hughes et al, 2020), 并且已經(jīng)在氣候模式中得到驗(yàn)證(Large et al, 2015), 因此, 考慮這些變量或過程的日變化特征能夠有效提高氣候模擬準(zhǔn)確度。海洋表層朗繆爾環(huán)流所引起的湍流變化及夾帶過程, 會(huì)有效影響海洋上邊界層的浮力通量, 貢獻(xiàn)于海洋上層熱鹽結(jié)構(gòu)的改變(Li et al, 2017)。Moulin等(2018)利用DYNAMO (Dynamics of MJO)觀測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在熱帶印度洋, 2011 年觀測數(shù)據(jù)顯示熱通量日變化會(huì)引起上層海洋湍流、海溫序列及垂向結(jié)構(gòu)等明顯日變化過程(圖6)。我國學(xué)者最新觀測研究發(fā)現(xiàn), 潛熱相關(guān)的蒸發(fā)過程日變化直接影響我國東海夏季鹽度變化(Yu et al, 2020)。

圖6 基于觀測的表面凈熱通量(a)、風(fēng)應(yīng)力(b)和海溫結(jié)構(gòu)(c、d)日變化過程及對(duì)上層湍流日變化的響應(yīng)(Moulin et al, 2018)Fig. 6 Daily variations in net heat flux (a), wind stress (b) and SST structure (c and d) based on the observations and their responses to the diurnal variation in upper turbulence (Moulin et al, 2018)

基于公式(1)可見, 諸多物理量可以影響湍熱通量日變化。Weihs 等(2014)研究發(fā)現(xiàn), 模式中使用具有日變化的海表面溫度來計(jì)算全球海氣湍熱通量, 使近表面飽和濕度qs等物理量也具有日變化過程, 可有效捕捉湍熱通量日變化極值, 全球海洋平均提升1～8W·m-2潛熱通量(圖7), 這對(duì)理解和認(rèn)識(shí)全球能量平衡至關(guān)重要(Yu, 2019)。同樣基于DYNAMO 觀測實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 日內(nèi)的強(qiáng)風(fēng)過程會(huì)引起海氣界面通量和溫度日變化過程(Giglio et al, 2017), 且在日平均風(fēng)速較小的情況下, 夜間強(qiáng)風(fēng)會(huì)使得混合對(duì)流加強(qiáng), 以彌補(bǔ)平均風(fēng)速引起的混合不足問題。上述海氣界面物理過程日變化研究為確定湍熱通量日變化的決定要素提供了重要依據(jù)。一個(gè)值得探討的問題是, 海氣界面物理過程是如何相互作用從而影響湍熱通量的日變化過程的。為了回答這個(gè)問題, 明確熱力效應(yīng)、動(dòng)力效應(yīng)和非線性作用對(duì)湍熱通量日變化的影響機(jī)理十分重要。

圖7 考慮與不考慮海溫日變化情形下所得的全球潛熱兩月(bimonthly)平均結(jié)果之差(Weihs et al, 2014)Fig. 7 Difference between bimonthly average results of global latent heat with and without daily variation of sea surface temperature (Weihs et al, 2014)

1.3 天氣過程和氣候模態(tài)對(duì)湍熱通量日變化強(qiáng)度影響的相關(guān)基礎(chǔ)

年(代)際尺度背景下, 全球潛熱變化應(yīng)符合全球變暖理論結(jié)果, 即變暖后大氣中容納水汽增加,蒸發(fā)潛熱增加約7%, 符合克勞修斯-克拉伯龍方程的預(yù)測(Boer, 1993; Allen et al, 2002; Held et al,2006)。全球感熱的年(代)際變化則取決于南北半球高緯度大氣濤動(dòng)貢獻(xiàn), 核心決定因素為大氣環(huán)流異常及海洋Ekman 輸運(yùn)等過程主導(dǎo)的海氣溫差(Yu,2007; Song et al, 2012)。熱帶地區(qū)潛熱通量的年際變化與厄爾尼諾過程引起的風(fēng)速和海氣濕度差異常密切相關(guān)(Zhang et al, 1995)。

湍熱通量有季節(jié)(內(nèi))變化特征, 冬半球海氣濕(溫)度差和風(fēng)速大, 邊界流區(qū)和高緯度海區(qū)以湍熱通量形式大量失熱(Cayan, 1992), 從而影響北大西洋深層對(duì)流(V?ge et al, 2009)。季節(jié)內(nèi)振蕩中, 西風(fēng)爆發(fā)引起海洋潛熱增加, 加劇海表冷卻(DeMott et al, 2015), 反之, 增加的海洋潛熱又使MJO 過程穩(wěn)定, 維持其中心對(duì)流和向東傳播過程(Emanuel,1987; Riley Dellaripa et al, 2015), 這便是識(shí)別日變化潛熱過程對(duì)提升MJO 強(qiáng)度的基本機(jī)理(Seo et al,2014)。在中國南海, 湍熱通量亦有明顯的季節(jié)(內(nèi))變化(Zeng et al, 2009)。

天氣尺度背景下, 冷空氣爆發(fā)使海氣濕(溫)度差和風(fēng)速增大, 加劇海洋失熱強(qiáng)度。以拉布拉多海為例(Renfrew et al, 1999), 一次冷空氣爆發(fā)時(shí)觀測的感熱通量高達(dá)500W·m-2, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于潛熱通量(約100W·m-2)。西邊界流為湍熱通量高值區(qū), 冷空氣爆發(fā)后, 高緯度干空氣南下加劇海洋失熱(Grossman et al, 1990; Xue et al, 1995)。在中國南海, 天氣系統(tǒng)會(huì)明顯影響湍熱通量變化(Shi et al, 2015)。熱帶氣旋過程中, 存在湍熱通量和氣旋過程相互作用過程(陳大可 等, 2013)。作者基于東南印度洋綜合浮標(biāo)觀測發(fā)現(xiàn), 熱帶氣旋過境, 風(fēng)速增加, 海洋急劇失熱, 但仍存在150W·m-2的日變化振幅(Song et al, 2021)。

雖然日變化尺度不同于上述時(shí)間尺度, 但在物理上有較大的關(guān)聯(lián)。年(代)際尺度至天氣尺度的變化會(huì)引起海氣濕(溫)度差和風(fēng)場的背景場變化, 從而決定日變化強(qiáng)度的長期變化。因此, 天氣事件至氣候模態(tài)如何影響日變化強(qiáng)度也是需要關(guān)注的研究內(nèi)容。

1.4 湍熱通量的觀測方式與數(shù)值模擬

圖8 湍熱通量的主要觀測載體a. 自然資源部浮標(biāo); b. 自然資源部海上觀測平臺(tái); c. 中國海洋大學(xué)“黑珍珠”波浪滑翔器(孫秀軍 等, 2019); d. 法國OCARINA滑翔機(jī)(Bourras et al, 2019)Fig. 8 Turbulent heat flux observations including buoys of MNR (a), offshore observation platform of MNR (b), Black Pearl wave glider of Ocean University of China (c; Sun et al,2019), and OCARINA glider recently developed by French scientists (d; Bourras et al, 2019)

傳統(tǒng)觀測升級(jí)與新觀測發(fā)展為研究湍熱通量日變化特征提供了技術(shù)保障。湍熱通量的主要觀測載體包括浮標(biāo)、平臺(tái)和新式波浪滑翔器等(圖8)。為實(shí)現(xiàn)高精度海氣湍熱通量觀測, 科學(xué)家們正逐步推進(jìn)傳統(tǒng)浮標(biāo)升級(jí)改造。熱帶太平洋觀測計(jì)劃(Song et al,2018)中新布放的浮標(biāo)可進(jìn)行高精度的海氣參數(shù)觀測。以波浪滑翔器為代表的自主航行無人水面船,能夠完成大范圍、遠(yuǎn)距離的海表水文及海面氣象等環(huán)境參數(shù)的走航測量任務(wù)(孫秀軍 等, 2019), 相關(guān)觀測數(shù)據(jù)可以支撐湍熱通量日變化研究。另外, 高時(shí)空精度模擬為研究湍熱通量日變化機(jī)理提供了全球視角。最新再分析資料具備高時(shí)空計(jì)算能力, 同化了海洋大氣高頻觀測資料, 可實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)、0.25°×0.25°的時(shí)空輸出, 是對(duì)單點(diǎn)觀測的有效補(bǔ)充。但現(xiàn)有海氣耦合模式僅以日平均的海表面溫度(Reynolds et al, 2007)作為驅(qū)動(dòng)場, 模擬的海氣湍熱通量日變化過程主要由風(fēng)變化和溫濕變化過程等大氣驅(qū)動(dòng)參數(shù)所引起, 海洋熱力和動(dòng)力過程并沒有得到體現(xiàn)。基于此, 可以借助全球海氣綜合觀測浮標(biāo)、海上平臺(tái)和新式觀測設(shè)備(波浪滑翔器等)來重點(diǎn)研究海洋過程變化對(duì)海氣湍熱通量的影響機(jī)理。上述現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬手段為湍流通量的日變化研究提供了重要技術(shù)支撐。

綜上所述, 最新海氣相互作用和上層海洋動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展既為湍熱通量日變化研究提出了更高需求, 也為湍熱通量日變化研究提供了科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。在全球范圍內(nèi), 多尺度海陸氣相互作用背景下, 如何化繁為簡地回答本文第一部分提出的三個(gè)問題？未來工作中, 我們可以將湍熱通量復(fù)雜的時(shí)空關(guān)系轉(zhuǎn)換到邊界層穩(wěn)定度下, 從長期變化的維度轉(zhuǎn)化到日變化規(guī)律, 確定在不同邊界層穩(wěn)定性下湍熱通量日變化特征和機(jī)理, 尤其關(guān)注在極端天氣和氣候背景下日變化極值和振幅, 這將十分有助于研究海氣熱量平衡。

2 湍流通量日變化機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問題

圍繞“不同邊界層穩(wěn)定性下湍熱通量日變化特征和機(jī)理是什么？”這一關(guān)鍵科學(xué)問題, 未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注表層流如何與絕對(duì)風(fēng)場作用而改變摩擦風(fēng)速 u*和邊界層穩(wěn)定度( zL , z 為湍流系數(shù)計(jì)算高度, L 為奧布霍夫尺度), 從而影響湍熱通量估值和日變化過程, 也需重點(diǎn)關(guān)注極端天氣和氣候條件下邊界層穩(wěn)定度的變化情況, 以及海表面風(fēng)速、熱屬性和非線性作用對(duì)湍熱通量日變化的貢獻(xiàn)大小和影響機(jī)理。

實(shí)際上, 前人的研究工作中已對(duì)該問題有初步研究。例如在中國邊緣海的浮標(biāo)觀測發(fā)現(xiàn), 風(fēng)速日變化對(duì)湍熱通量日變化貢獻(xiàn)程度與穩(wěn)定度關(guān)系密切(Song, 2020)。在穩(wěn)定和中性邊界條件下, 風(fēng)速的直接作用對(duì)湍流的影響會(huì)超越層結(jié)作用, 直接貢獻(xiàn)于湍熱通量日變化。在不穩(wěn)定邊界條件下, 如在高緯度冬季半球, 熱力相關(guān)的層結(jié)會(huì)主導(dǎo)通量過程(Song et al, 2012)。作者利用東南印度洋浮標(biāo)發(fā)現(xiàn),在熱帶氣旋過境中, 中性邊界條件利于海洋湍熱通量的釋放, 造成海洋“冷抽吸”(Song et al, 2021)。這都為解決關(guān)鍵科學(xué)問題提供了有力支持, 也為下一步研究積累了關(guān)鍵素材和重要經(jīng)驗(yàn)。

基于觀測和再分析數(shù)據(jù), 未來研究可在不同邊界層穩(wěn)定條件下, 明確海表動(dòng)力過程對(duì)湍流熱通量在量級(jí)估算和日變化中的不同作用, 確定全球海氣湍熱通量的日變化強(qiáng)度基本形態(tài)分布和影響因子,明晰極端天氣過程和氣候模態(tài)對(duì)湍熱通量日變化強(qiáng)度的影響機(jī)理, 以期在科學(xué)上實(shí)現(xiàn)“回答極端日變化過程對(duì)全球海氣能量平衡和經(jīng)向輸運(yùn)中的作用”的目標(biāo), 這將對(duì)研究全球水循環(huán)過程、上層海洋動(dòng)力學(xué)過程和海洋氣候變化過程等有重要價(jià)值, 也為下一步海氣熱通量的觀測、估算、模擬并實(shí)現(xiàn)全球平衡提供重要的科學(xué)依據(jù)。

3 未來研究方向及思路

為解決湍流通量日變化機(jī)理的關(guān)鍵科學(xué)問題,可以利用浮標(biāo)、平臺(tái)和波浪滑翔機(jī)等觀測資源, 結(jié)合最新發(fā)布的高時(shí)空分辨率再分析模式(如ERA5),基于最新塊體公式, 在以下三個(gè)方面探索湍熱通量日變化相關(guān)的特征和機(jī)理。

一是高頻海表動(dòng)力過程對(duì)湍熱通量估值和日變化影響。在不同邊界層穩(wěn)定性下, 找出高頻表層流與局地風(fēng)場的相互作用關(guān)系, 明確相對(duì)風(fēng)速與絕對(duì)風(fēng)速對(duì)湍流熱通量日變化貢獻(xiàn)度的差異; 同時(shí)研究高頻海表面起伏(如潮汐過程)對(duì)平臺(tái)基等通量觀測的邊界層高度影響過程, 明確變量觀測高度的高頻變化對(duì)風(fēng)速估算和湍流熱通量估算及日變化的影響機(jī)制。該研究內(nèi)容將在技術(shù)上可提供更精準(zhǔn)湍熱通量估算和日變化特征, 在科學(xué)上探索高頻海表動(dòng)力過程對(duì)湍熱通量日變化的影響機(jī)理。

二是全球海氣湍熱通量日變化基本特征及決定物理要素。在不同邊界層穩(wěn)定性下, 開展湍熱通量日變化的精細(xì)化特征分析, 明確海表風(fēng)速日變化、熱屬性日變化及非線性作用對(duì)湍熱通量日變化的影響機(jī)制。發(fā)揮全球典型海域海氣全通量觀測優(yōu)勢(shì)(圖9), 利用湍動(dòng)分解方法, 結(jié)合再分析資料, 計(jì)算熱力效應(yīng)和動(dòng)力效應(yīng)對(duì)于湍熱通量日變化的影響量級(jí)。

三是探索極端天氣過程和氣候模態(tài)與湍熱通量日變化強(qiáng)度的動(dòng)力關(guān)聯(lián)。在不同邊界層穩(wěn)定性下,利用經(jīng)驗(yàn)正交分解和回歸分析等方法, 構(gòu)建高緯度大氣濤動(dòng)和低緯度海氣耦合模態(tài)(MJO 和厄爾尼諾等)等與海氣湍熱通量日變化的關(guān)系, 探索多尺度海氣過程對(duì)湍熱通量日變化強(qiáng)度的影響機(jī)理。這是第二項(xiàng)研究內(nèi)容的延伸和拓展, 主要明確天氣過程和氣候模態(tài)所產(chǎn)生的背景場對(duì)邊界層穩(wěn)定性和湍熱通量日變化的影響機(jī)理。

三者既是并列的研究內(nèi)容, 又是不斷遞進(jìn)的研究層次。以上內(nèi)容可實(shí)現(xiàn)在邊界層穩(wěn)定度維度上,從技術(shù)到科學(xué)、從特征到機(jī)理、從低頻到高頻全面認(rèn)識(shí)湍熱通量日變化過程。

圖9 已完成質(zhì)量控制的典型海區(qū)浮標(biāo)位置(a)和觀測時(shí)間(b)示意圖浮標(biāo)A 為美國大洋觀測計(jì)劃(Ocean Observation Initiative, OOI)南大洋浮標(biāo)(紫色), 浮標(biāo)B—G 以及I 為三大洋熱帶浮標(biāo)觀測陣列, 浮標(biāo)H(黑色)為自然資源部熱帶季風(fēng)觀測浮標(biāo), 浮標(biāo)L 和M為我國近海浮標(biāo)和平臺(tái)觀測, 浮標(biāo)J 和K 為美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)灣流區(qū)通量觀測浮標(biāo)Fig. 9 A schematic diagram of buoy locations (a) and observation times (b) in global oceans. A is the OOI Southern Ocean buoy (purple). B-G and I are global tropical buoy observation arrays. H is the tropical monsoon observation buoy of the MNR (black). L and M are offshore buoys and platforms in China. J and K are USA NOAA flux observation buoys.

研究方法可采用COARE3.5 算法(Edson et al,2013)。通過將海氣邊界層物理變量輸入COARE 模型, 進(jìn)行考慮海表動(dòng)力(表層流+海面起伏)和不考慮海表動(dòng)力的對(duì)比試驗(yàn), 開展熱力、動(dòng)力效應(yīng)等湍脈動(dòng)過程與湍熱通量日變化的回歸和相關(guān)分析, 進(jìn)行海盆尺度湍熱通量日變化強(qiáng)度及相關(guān)熱力、動(dòng)力等效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)正交分解, 以支持本文所述科學(xué)問題的研究。

公式(1)可簡寫為 QLH=ρa(bǔ)LecE|u|(Δq), 在假定ρa(bǔ)LecE為常數(shù)時(shí)可按照湍脈動(dòng)展開得到潛熱異常值:

公式(2)中, 撇號(hào)表示相對(duì)日平均的小時(shí)級(jí)擾動(dòng)量, 右邊三項(xiàng)分別表示熱力效應(yīng)、動(dòng)力效應(yīng)和非線性效應(yīng)(一般因?yàn)楸容^小而忽略)。依據(jù)公式(2)可計(jì)算在不同海區(qū)和氣候條件下, 基本物理量變化對(duì)湍熱通量日變化的影響, 亦可將日變化的強(qiáng)度變化與極端天氣氣候過程和主要?dú)夂蚰B(tài)相關(guān)聯(lián), 為開展氣候分析和機(jī)理研究提供全新視角。

湍交換系數(shù)cE等參數(shù)與海面粗糙度相關(guān), 復(fù)雜海面過程(如風(fēng)浪和飛沫等)影響海氣湍流熱交換過程(Andreas, 2004; Song et al, 2015; Wu et al, 2017;Zhang et al, 2018; Bourras et al, 2019)。湍熱通量的精確計(jì)算一是基于精準(zhǔn)現(xiàn)場觀測, 利用湍脈動(dòng)方法優(yōu)化塊體公式(Edson et al, 2013; Bourras et al, 2019),二是基于多源衛(wèi)星、浮標(biāo)和船載觀測等手段實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的觀測覆蓋(Yu et al, 2007; Berry et al,2009; Weller et al, 2016; Wang et al, 2017)。

其中, 邊界層穩(wěn)定度是研究湍熱通量變化的重要物理參數(shù), 根據(jù)莫寧—奧布霍夫穩(wěn)定度參數(shù)z L 判定。該參數(shù)代表邊界層內(nèi)雷諾應(yīng)力做功和浮力做功的比例。依據(jù)穩(wěn)定度參數(shù)的大小, 邊界層穩(wěn)定程度可分為不穩(wěn)定、中性和穩(wěn)定三種狀態(tài)(盛裴軒 等, 2013)。中性邊界層條件下, 層化穩(wěn)定增強(qiáng),雷諾應(yīng)力做功主導(dǎo); 而在不穩(wěn)定條件下, 浮力做功主導(dǎo), 水汽和熱量從海洋以湍熱通量的形式進(jìn)入大氣。穩(wěn)定度的研究是判斷湍熱通量日變化的重要參考。

未來研究中, 我們可以充分利用全要素海洋浮標(biāo)觀測資料(圖 9)和高時(shí)空精度的再分析資料,通過標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量和質(zhì)量控制, 利用塊體公式算法COARE 3.5(Edson et al, 2013) 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和敏感試驗(yàn), 分析海表動(dòng)力場和風(fēng)場的日變化特征,得出日變化規(guī)律下海表動(dòng)力對(duì)海氣湍熱通量的影響機(jī)制以及對(duì)全球海氣熱交換平衡的影響情況,確定基于觀測和高精度再分析資料的全球海氣湍熱通量日變化場, 最終通過回歸分析、譜分析和EOF(empirical orthogonal function)分析等綜合分析手段, 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題, 進(jìn)行特征分析和機(jī)制評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

湍熱通量變化是物理海洋學(xué)、海氣相互作用和氣候變化研究的基礎(chǔ)性和前沿性問題, 如何精確認(rèn)識(shí)湍熱通量估值和變化過程是研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和新興領(lǐng)域。受觀測和計(jì)算兩方面能力限制, 先前關(guān)于湍流熱通量日變化特征和機(jī)理研究較粗、較疏,限制了對(duì)上層海洋過程的深度認(rèn)知?，F(xiàn)在我們可利用傳統(tǒng)海洋浮標(biāo)、平臺(tái)、新型波浪滑翔機(jī)以及最新高時(shí)空分辨率數(shù)值模式結(jié)果, 針對(duì)不同邊界層穩(wěn)定條件下全球湍流熱通量日變化的動(dòng)力機(jī)制開展研究, 有助于彌補(bǔ)目前對(duì)于湍流熱通量日變化研究的不足, 提高對(duì)混合層結(jié)構(gòu)日變化過程和大氣邊界層變異過程的預(yù)報(bào)精度, 為高頻海氣相互作用過程、海氣能量平衡和水循環(huán)等研究提供重要的機(jī)理認(rèn)知。

未來研究應(yīng)特別關(guān)注浮標(biāo)全通量觀測、最新滑翔器觀測和高分辨率再分析所反映的湍熱通量日變化特征和機(jī)理, 從日變化視角出發(fā), 充分發(fā)掘全球通量觀測和高時(shí)空分辨率模式在認(rèn)識(shí)湍熱通量高頻日變化過程中的作用, 及其對(duì)全球能量平衡的作用。從邊界層穩(wěn)定性維度和日變化角度研究湍熱通量變異過程, 是對(duì)年(代)際變化和季節(jié)(內(nèi))變化的有效補(bǔ)充。從物理機(jī)制層面關(guān)注和評(píng)估海表動(dòng)力過程對(duì)海氣湍熱通量估值和日變化強(qiáng)度影響, 能夠?yàn)閷で笕蚰芰科胶馓峁┬滤悸? 同時(shí)可以為下一步浮標(biāo)通量觀測布局提供科學(xué)依據(jù)。

湍流通量的日變化研究既受益于觀測手段的升級(jí)和數(shù)值模式的發(fā)展, 也可為優(yōu)化海洋觀測網(wǎng)設(shè)計(jì)布局和提高上層海洋預(yù)報(bào)精確度提供有效科學(xué)支撐。湍熱通量與海洋大氣邊界層動(dòng)力過程緊密相連,既受大氣過程(如大氣濤動(dòng)等)影響, 也與海洋過程(如埃克曼效應(yīng)等)相關(guān), 是海氣耦合過程這一前沿問題的難點(diǎn)。本文的討論將為認(rèn)識(shí)“不同邊界層穩(wěn)定性下海氣湍流熱通量日變化特征和機(jī)理”關(guān)鍵科學(xué)問題提供獨(dú)特的解決方案, 將湍流熱通量研究維度從具體空間轉(zhuǎn)移到邊界層穩(wěn)定條件, 從天氣至氣候尺度過渡到更高精度的日變化尺度。未來研究將在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“不同邊界層穩(wěn)定性下海氣湍流熱通量的日變化機(jī)制研究”(42076016,2021—2024 年)支持下開展, 以期獲得開拓性成果并拓展湍熱通量研究的深度和廣度。