检索
E-mail
RSS

作者投稿 主编审稿 专家审稿 远程编辑

热带海洋学报 >

2021 , Vol. 40 >Issue 3: 57 - 68

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2020005

综述

不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化的前沿问题探讨

  • 徐常三 , 1, 2 ,
  • 宋翔洲 , 2 ,
  • 齐义泉 2
展开
  • 1.国家海洋局南通海洋环境监测中心站, 江苏 南通 226002
  • 2.自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 河海大学, 江苏 南京 210024
宋翔洲。email:

徐常三(1984—), 男, 山东省寿光市人, 硕士, 研究方向是物理海洋和海气相互作用。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2020-11-11

  要求修回日期: 2021-01-12

  网络出版日期: 2021-01-26

基金资助

国家自然科学基金项目(42076016)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

On the mechanisms behind diurnal variations in air-sea turbulent heat fluxes under different boundary layer stability

  • XU Changsan , 1, 2 ,
  • SONG Xiangzhou , 2 ,
  • QI Yiquan 2
Expand
  • 1. Nantong Marine Environmental Monitoring Center, State Oceanic Administration, Natong 226002, China
  • 2. Key Laboratory of Marine Hazards Forecasting, Ministry of Natural Resources, Hohai University, Nanjing 210024, China
SONG Xiangzhou. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2020-11-11

  Request revised date: 2021-01-12

  Online published: 2021-01-26

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42076016)

Copyright

Copyright reserved © 2021. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

海气湍流热通量(潜热和感热)是研究海气相互作用和大洋环流的关键要素, 认识其变化机理对理解“海洋动力过程及气候效应”有重要意义。然而, 受观测手段和计算能力两方面的限制, 过去对海气湍流热通量日变化研究存在“特征认识较粗、机制理解较疏”的现象。本文探讨了在不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化研究中的问题与难点, 并讨论了“不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化过程和机理”这一关键科学问题。本文提出, 可基于海洋浮标、平台和波浪滑翔机等综合观测数据和高时空分辨率再分析资料, 利用块体算法和脉动分离方法, 揭示全球海气湍流热通量的精细化日变化特征和决定因素, 以及海气湍流热通量日变化强度(日内小时级变化的标准差)与极端天气过程和气候事件的动力关联。同时, 为更精准认识日变化过程, 在技术上可通过耦合高频海表流速和校正边界层物理参数观测高度等方式提升海气湍流热通量估算的精确度。本文提出可将多时空尺度海气湍流热通量变化维度转换到边界层稳定性上, 以便集中认识其日变化特征和机理, 支撑全球海气能量平衡的科学认识。

关键词： 海气湍流热通量; 日变化; 边界层稳定度; 浮标观测; 表层流

本文引用格式

徐常三 , 宋翔洲 , 齐义泉 . 不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化的前沿问题探讨[J]. 热带海洋学报, 2021 , 40(3) : 57 -68 . DOI: 10.11978/YG2020005

Abstract

The air-sea turbulent heat fluxes (THFs), including the evaporative latent heat flux and convective sensible heat flux, are key components in air-sea interaction and ocean circulation, which are important for our understanding of the global energy balance, water cycle and climate change. Due to the limitations of observations and numerical simulations, the diurnal variations in THFs are however not accurately known. In this paper, we propose a future research plan toward identifying the mechanisms behind diurnal variations in THFs. With the recent development of traditional buoy observations, new observations (e.g., glider) and newly released atmospheric reanalysis, it is helpful to research the diurnal variations in THFs. Using the combined observations and reanalysis, we investigate the key scientific issues on diurnal variations in THFs under different boundary layer stability based on the bulk formulas and turbulence methods. In the future, we will demonstrate the global basic structures and dominant factors for diurnal variations in THFs, as well as the strength of the diurnal variation associated with the extreme weather processes and climate events. To evaluate accurate magnitudes of THFs for better understanding of diurnal variations, high-frequency surface currents and height-dependent air-sea physical variables will be incorporated into the estimates of THFs in terms of bulk formulas. Innovatively, this study transfers the multi-scale THF variations into the space of boundary layer stability to concentrate on the diurnal variations, which help study the mixed-layer dynamics, upper-ocean ecosystems, energy balance, and climate change.

Key words： air-sea turbulent heat fluxes; diurnal variation; boundary layer stability; buoy observation; surface current

海气相互作用是海洋动力过程及气候效应研究领域的热点话题之一。海气湍流热通量(以下简称“湍热通量”)受海洋和大气过程的共同影响, 直接体现海洋大气间热量交换, 是研究海气相互作用和上层海洋动力学的关键要素(Price et al, 1986)。湍热通量包括两个分量, 一是蒸发相关的潜热通量, 二是分子热对流相关的感热通量, 二者是平衡辐射通量的重要组成部分(Cayan, 1992)。湍热通量过程会决定海盆尺度混合层结构和变化(Cayan, 1992; Dong et al, 2007), 进而影响海盆尺度通风温跃层和大洋环流的变化(Pedlosky et al, 1991)。湍热通量的时空不均也会导致水平密度梯度变化, 进而引起地转流速三维螺旋结构的改变 (Stommel et al, 1977; Spall, 1992), 因此, 研究其变化过程和机理对认识“海洋动力过程及气候效应”这一前沿问题有重要意义(Cronin et al, 2019; Yu, 2019)。
所谓日变化通常指一天内逐时变化过程(Price et al, 1986; 盛裴轩 等, 2013; Ide et al, 2016)。湍热通量日变化在海洋中普遍存在, 最典型特征之一是夜间海表冷却失热, 加深混合层, 这是海气界面和上层海洋中的重要变化信号(图1)。Price等(1986)先驱性地开发了混合层日变化动力模型(Price- Weller-Pinkel, PWP), 为认识上混合层变化提供了有效支撑, 但也对湍热通量日变化研究提出了更高要求。相对于天气和气候尺度, 我们对日变化关注较少, 且受观测和计算两方面能力影响, 过去对湍热通量日变化的研究存在“特征认识较粗、机制理解较疏”的现象, 特别是对不同边界层稳定条件下的日变化过程和机理并不十分清楚, 不利于开展上层海洋动力学研究。
图1 Price等(1986)利用船载连续观测证实海气热通量(a)、温度剖面(b)和温度序列(c)的日变化特征, 并基于此观测开发并验证了混合层变化模型(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

最近一系列研究佐证了湍热通量日变化在研究海气相互作用中的关键作用。首先, 研究湍热通量日变化有利于认识上层海洋动力过程。经典混合层动力学的认知需要更精准的具有日变化特征的通量驱动。近期研究显示, 热通量日变化引起海洋层化日变化过程, 进而影响风海流日变化(图2)(Ide et al, 2016)。其次, 研究湍热通量日变化有利于认识水汽循环过程。水汽收支是气候系统中的重要过程, 是热带海洋以潜热形式驱动大气深对流的重要载体(Matsuno, 1966)。研究发现模式中耦合极值潜热和海温日变化过程可加强水汽对流收支, 影响热带季节内振荡(Madden-Julian oscillation, MJO)强度(Seo et al, 2014)。在夏季东亚季风降水过程模拟中发现耦合通量等日变化使东亚海洋和陆地的降水分别增加10%和3%(图3)(Hong et al, 2012), 有效提高了模拟精度。再者, 研究湍热通量日变化有利于认识全球能量平衡。全球海气能量长期交换理论上应接近于零平衡, 但由于观测能力不足和参数化不精确, 通量估算模型并没有实现全球平衡(Yu, 2019)。通量模型强迫场均采用日平均海表面温度, 并没有识别日变化特征, 也没有耦合海表流。对湍热通量日变化特别是极端日变化的认识缺失对全球能量平衡影响有多大?这些问题都有望在日变化研究中寻找到解释。因此, 新一代热带太平洋观测系统论证报告建议明确湍热通量的日变化特征和变化机制(Kessler et al, 2019)。
图2 热通量日变化对风海流影响模拟实验之一(Ide et al, 2016)

颜色表示日内不同时刻的风海流, 纵、横坐标均为无因次流速, 其中U*为归一化速度单位, 蓝圈表示在冬季观测到的风海流范围

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.

图3 考虑日变化后夏季东亚季风模拟中的物理量变化(Hong et al, 2012)

a. 降水; b. 温度; c. 感热; d. 潜热

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

通过近两年的观测研究, 对湍热通量日变化的认识不断加深。美国学者在黑潮延伸体区域, 基于浮标观测的潜热日变化振幅高达25W·m-2(图4) (Clayson et al, 2019), 类似特征在湾流区同样存在。通过分析自然资源部近海浮标观测数据发现, 在我国边缘海区域, 湍热通量在夏季和冬季均存在显著日变化过程(图5)(Song, 2020), 振幅分别为20和60W·m-2。在图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)结果以不同颜色曲线与观测结果对比展示, 负(正)值表示海洋失(吸)热。另外, 根据自然资源部东南印度洋浮标(16°51′25.92″S, 115°13′18.84″E)研究发现气旋过境中极端海气通量仍存在强日变化, 最大振幅可达150W·m-2(Feng et al, 2020)。这更加说明海气湍热通量存在显著日变化特征和未知的变化机制, 相关研究仍然存在诸多悬而未决的问题。例如: 全球视角下海气湍热通量的典型日变化特征和决定性物理量是什么?不同海区有何不同特征?海盆尺度湍热通量的日变化强度(一天内小时级变化的标准差)与极端天气过程和气候事件有何关联?本文将针对上述几个前沿科学问题, 结合现有研究现状和发展动态(第1节), 凝练相关的关键科学问题(第2节), 并基于现有的海气通量观测体系提出研究的主要方向和思路(第3节)。
图4 黑潮延伸体区浮标观测的冬季潜热日变化异常值示意图(Clayson et al, 2019)

右图为浮标位置和2007年12月平均潜热通量

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

图5 基于2016年自然资源部浮标(38º12′N, 121º06′E)观测的海气湍热通量日变化(Song, 2020)

a、b分别表示7月潜热和感热日变化; c、d则表示11月日变化情况

Fig. 5 Daily variations in air-sea turbulent heat fluxes observed by the operational buoys of the Ministry of Natural Resources (38º12′N, 121º06′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 湍热通量日变化相关研究的现状及发展动态

1.1 湍热通量的参数化估算与海流影响研究动态

基于莫宁—奥布霍夫相似理论(Monin et al, 1954)和块体公式 (Liu et al, 1979; Fairall et al, 1996; Edson et al, 2013), 湍热通量雷诺平均项(例如$\overline{u'q'}$, u′和q′分别代表风速和水汽扰动)可转化成海表风速和海气热力梯度之间的非线性乘积, 实现湍热通量的参数化计算。以潜热QLH估算的块体公式为例:
QLH=ρaLecE|uz-uSFC|(qs-qa)
其中, ρa是空气密度, Le是潜热蒸发系数, cE是湍流交换系数, uz是高度z处绝对风场, uSFC是海表流速, |uz-uSFC|代表相对表层流的相对风速, 海表面和近海面大气湿度分别由qs和qa表示。基于海表面温度Ts, 并考虑典型盐度引起的水汽压折扣, 可得近海面饱和相对湿度qs≈0.98qsat(Ts)。感热通量与潜热通量的估算形式基本一致, 主要以海气温差代替水汽差。块体公式常采用COARE (Coupled Ocean-Atmospheric Response Experiment) 算法(Edson et al, 2013)。海气边界层剖面的热力属性和风力特征决定了边界层的稳定程度, 不同物理量的变化造成不同的边界层稳定性, 对湍热通量的变化具有重要的影响(Vandemark et al, 1997; Plagge et al, 2012; Song, 2020)。
然而, 由于表层流观测特别是高频观测较少, 且远小于风速, 公式(1)中表层流项uSFC往往被忽略, 研究显示, 这对认识湍热通量过程和全球能量平衡是一个不可忽视的物理机制缺失问题(Kessler et al, 2019)。前人讨论过赤道急流对赤道表面风速的影响过程, 提出了在海气耦合研究过程中使用相对风速的重要性(Pacanowski, 1987)。另外, Luo等(2005)发现, 模式充分耦合海表流会降低海表面温度的模拟误差, 有利于精准模拟厄尔尼诺等海气耦合过程。因此, 海流如何影响湍热通量估值和日变化应该作为未来研究和观测设计的重要内容。

1.2 海气界面和上层海洋日变化机理研究前沿

当前, 高精度观测和模拟技术的发展加深了对于海气界面和上层海洋日变化的特征认识。无论是上层海温、盐度和海流等变量, 还是湍流耗散等过程, 都呈现出显著的日变化特征(Schudlich et al, 1992; Hughes et al, 2020), 并且已经在气候模式中得到验证(Large et al, 2015), 因此, 考虑这些变量或过程的日变化特征能够有效提高气候模拟准确度。海洋表层朗缪尔环流所引起的湍流变化及夹带过程, 会有效影响海洋上边界层的浮力通量, 贡献于海洋上层热盐结构的改变(Li et al, 2017)。Moulin等(2018)利用DYNAMO (Dynamics of MJO)观测实验发现, 在热带印度洋, 2011年观测数据显示热通量日变化会引起上层海洋湍流、海温序列及垂向结构等明显日变化过程(图6)。我国学者最新观测研究发现, 潜热相关的蒸发过程日变化直接影响我国东海夏季盐度变化(Yu et al, 2020)。
图6 基于观测的表面净热通量(a)、风应力(b)和海温结构(c、d)日变化过程及对上层湍流日变化的响应(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)可见, 诸多物理量可以影响湍热通量日变化。Weihs等(2014)研究发现, 模式中使用具有日变化的海表面温度来计算全球海气湍热通量, 使近表面饱和湿度qs等物理量也具有日变化过程, 可有效捕捉湍热通量日变化极值, 全球海洋平均提升1~8W·m-2潜热通量(图7), 这对理解和认识全球能量平衡至关重要(Yu, 2019)。同样基于DYNAMO观测实验发现, 日内的强风过程会引起海气界面通量和温度日变化过程(Giglio et al, 2017), 且在日平均风速较小的情况下, 夜间强风会使得混合对流加强, 以弥补平均风速引起的混合不足问题。上述海气界面物理过程日变化研究为确定湍热通量日变化的决定要素提供了重要依据。一个值得探讨的问题是, 海气界面物理过程是如何相互作用从而影响湍热通量的日变化过程的。为了回答这个问题, 明确热力效应、动力效应和非线性作用对湍热通量日变化的影响机理十分重要。
图7 考虑与不考虑海温日变化情形下所得的全球潜热两月(bimonthly)平均结果之差(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 天气过程和气候模态对湍热通量日变化强度影响的相关基础

年(代)际尺度背景下, 全球潜热变化应符合全球变暖理论结果, 即变暖后大气中容纳水汽增加, 蒸发潜热增加约7%, 符合克劳修斯-克拉伯龙方程的预测(Boer, 1993; Allen et al, 2002; Held et al, 2006)。全球感热的年(代)际变化则取决于南北半球高纬度大气涛动贡献, 核心决定因素为大气环流异常及海洋Ekman输运等过程主导的海气温差(Yu, 2007; Song et al, 2012)。热带地区潜热通量的年际变化与厄尔尼诺过程引起的风速和海气湿度差异常密切相关(Zhang et al, 1995)。
湍热通量有季节(内)变化特征, 冬半球海气湿(温)度差和风速大, 边界流区和高纬度海区以湍热通量形式大量失热(Cayan, 1992), 从而影响北大西洋深层对流(Våge et al, 2009)。季节内振荡中, 西风爆发引起海洋潜热增加, 加剧海表冷却(DeMott et al, 2015), 反之, 增加的海洋潜热又使MJO过程稳定, 维持其中心对流和向东传播过程(Emanuel, 1987; Riley Dellaripa et al, 2015), 这便是识别日变化潜热过程对提升MJO强度的基本机理(Seo et al, 2014)。在中国南海, 湍热通量亦有明显的季节(内)变化(Zeng et al, 2009)。
天气尺度背景下, 冷空气爆发使海气湿(温)度差和风速增大, 加剧海洋失热强度。以拉布拉多海为例(Renfrew et al, 1999), 一次冷空气爆发时观测的感热通量高达500W·m-2, 远远高于潜热通量(约100W·m-2)。西边界流为湍热通量高值区, 冷空气爆发后, 高纬度干空气南下加剧海洋失热(Grossman et al, 1990; Xue et al, 1995)。在中国南海, 天气系统会明显影响湍热通量变化(Shi et al, 2015)。热带气旋过程中, 存在湍热通量和气旋过程相互作用过程(陈大可 等, 2013)。作者基于东南印度洋综合浮标观测发现, 热带气旋过境, 风速增加, 海洋急剧失热, 但仍存在150W·m-2的日变化振幅(Song et al, 2021)。
虽然日变化尺度不同于上述时间尺度, 但在物理上有较大的关联。年(代)际尺度至天气尺度的变化会引起海气湿(温)度差和风场的背景场变化, 从而决定日变化强度的长期变化。因此, 天气事件至气候模态如何影响日变化强度也是需要关注的研究内容。

1.4 湍热通量的观测方式与数值模拟

传统观测升级与新观测发展为研究湍热通量日变化特征提供了技术保障。湍热通量的主要观测载体包括浮标、平台和新式波浪滑翔器等(图8)。为实现高精度海气湍热通量观测, 科学家们正逐步推进传统浮标升级改造。热带太平洋观测计划(Song et al, 2018)中新布放的浮标可进行高精度的海气参数观测。以波浪滑翔器为代表的自主航行无人水面船, 能够完成大范围、远距离的海表水文及海面气象等环境参数的走航测量任务(孙秀军 等, 2019), 相关观测数据可以支撑湍热通量日变化研究。另外, 高时空精度模拟为研究湍热通量日变化机理提供了全球视角。最新再分析资料具备高时空计算能力, 同化了海洋大气高频观测资料, 可实现小时级、0.25º×0.25º的时空输出, 是对单点观测的有效补充。但现有海气耦合模式仅以日平均的海表面温度(Reynolds et al, 2007)作为驱动场, 模拟的海气湍热通量日变化过程主要由风变化和温湿变化过程等大气驱动参数所引起, 海洋热力和动力过程并没有得到体现。基于此, 可以借助全球海气综合观测浮标、海上平台和新式观测设备(波浪滑翔器等)来重点研究海洋过程变化对海气湍热通量的影响机理。上述现场观测和数值模拟手段为湍流通量的日变化研究提供了重要技术支撑。
图8 湍热通量的主要观测载体

a. 自然资源部浮标; b. 自然资源部海上观测平台; c. 中国海洋大学“黑珍珠”波浪滑翔器(孙秀军 等, 2019); d. 法国OCARINA滑翔机(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)

综上所述, 最新海气相互作用和上层海洋动力学的研究进展既为湍热通量日变化研究提出了更高需求, 也为湍热通量日变化研究提供了科学基础和技术支撑。在全球范围内, 多尺度海陆气相互作用背景下, 如何化繁为简地回答本文第一部分提出的三个问题?未来工作中, 我们可以将湍热通量复杂的时空关系转换到边界层稳定度下, 从长期变化的维度转化到日变化规律, 确定在不同边界层稳定性下湍热通量日变化特征和机理, 尤其关注在极端天气和气候背景下日变化极值和振幅, 这将十分有助于研究海气热量平衡。

2 湍流通量日变化机理的关键科学问题

围绕“不同边界层稳定性下湍热通量日变化特征和机理是什么?”这一关键科学问题, 未来研究应重点关注表层流如何与绝对风场作用而改变摩擦风速${{u}_{*}}$和边界层稳定度(${z}/{L}\;$, z为湍流系数计算高度, L为奥布霍夫尺度), 从而影响湍热通量估值和日变化过程, 也需重点关注极端天气和气候条件下边界层稳定度的变化情况, 以及海表面风速、热属性和非线性作用对湍热通量日变化的贡献大小和影响机理。
实际上, 前人的研究工作中已对该问题有初步研究。例如在中国边缘海的浮标观测发现, 风速日变化对湍热通量日变化贡献程度与稳定度关系密切(Song, 2020)。在稳定和中性边界条件下, 风速的直接作用对湍流的影响会超越层结作用, 直接贡献于湍热通量日变化。在不稳定边界条件下, 如在高纬度冬季半球, 热力相关的层结会主导通量过程(Song et al, 2012)。作者利用东南印度洋浮标发现, 在热带气旋过境中, 中性边界条件利于海洋湍热通量的释放, 造成海洋“冷抽吸”(Song et al, 2021)。这都为解决关键科学问题提供了有力支持, 也为下一步研究积累了关键素材和重要经验。
基于观测和再分析数据, 未来研究可在不同边界层稳定条件下, 明确海表动力过程对湍流热通量在量级估算和日变化中的不同作用, 确定全球海气湍热通量的日变化强度基本形态分布和影响因子, 明晰极端天气过程和气候模态对湍热通量日变化强度的影响机理, 以期在科学上实现“回答极端日变化过程对全球海气能量平衡和经向输运中的作用”的目标, 这将对研究全球水循环过程、上层海洋动力学过程和海洋气候变化过程等有重要价值, 也为下一步海气热通量的观测、估算、模拟并实现全球平衡提供重要的科学依据。

3 未来研究方向及思路

为解决湍流通量日变化机理的关键科学问题, 可以利用浮标、平台和波浪滑翔机等观测资源, 结合最新发布的高时空分辨率再分析模式(如ERA5), 基于最新块体公式, 在以下三个方面探索湍热通量日变化相关的特征和机理。
一是高频海表动力过程对湍热通量估值和日变化影响。在不同边界层稳定性下, 找出高频表层流与局地风场的相互作用关系, 明确相对风速与绝对风速对湍流热通量日变化贡献度的差异; 同时研究高频海表面起伏(如潮汐过程)对平台基等通量观测的边界层高度影响过程, 明确变量观测高度的高频变化对风速估算和湍流热通量估算及日变化的影响机制。该研究内容将在技术上可提供更精准湍热通量估算和日变化特征, 在科学上探索高频海表动力过程对湍热通量日变化的影响机理。
二是全球海气湍热通量日变化基本特征及决定物理要素。在不同边界层稳定性下, 开展湍热通量日变化的精细化特征分析, 明确海表风速日变化、热属性日变化及非线性作用对湍热通量日变化的影响机制。发挥全球典型海域海气全通量观测优势(图9), 利用湍动分解方法, 结合再分析资料, 计算热力效应和动力效应对于湍热通量日变化的影响量级。
图9 已完成质量控制的典型海区浮标位置(a)和观测时间(b)示意图

浮标A为美国大洋观测计划(Ocean Observation Initiative, OOI)南大洋浮标(紫色), 浮标B—G以及I为三大洋热带浮标观测阵列, 浮标H(黑色)为自然资源部热带季风观测浮标, 浮标L和M为我国近海浮标和平台观测, 浮标J和K为美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)湾流区通量观测浮标

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.

三是探索极端天气过程和气候模态与湍热通量日变化强度的动力关联。在不同边界层稳定性下, 利用经验正交分解和回归分析等方法, 构建高纬度大气涛动和低纬度海气耦合模态(MJO和厄尔尼诺等)等与海气湍热通量日变化的关系, 探索多尺度海气过程对湍热通量日变化强度的影响机理。这是第二项研究内容的延伸和拓展, 主要明确天气过程和气候模态所产生的背景场对边界层稳定性和湍热通量日变化的影响机理。
三者既是并列的研究内容, 又是不断递进的研究层次。以上内容可实现在边界层稳定度维度上, 从技术到科学、从特征到机理、从低频到高频全面认识湍热通量日变化过程。
研究方法可采用COARE3.5算法(Edson et al, 2013)。通过将海气边界层物理变量输入COARE 模型, 进行考虑海表动力(表层流+海面起伏)和不考虑海表动力的对比试验, 开展热力、动力效应等湍脉动过程与湍热通量日变化的回归和相关分析, 进行海盆尺度湍热通量日变化强度及相关热力、动力等效应的经验正交分解, 以支持本文所述科学问题的研究。
公式(1)可简写为QLH=ρaLecE|u|(Δq), 在假定ρaLecE为常数时可按照湍脉动展开得到潜热异常值:
$Q_{\text{LH}}^{'}={{\rho }_{\text{a}}}{{L}_{\text{e}}}{{c}_{\text{E}}}[\overline{\left| \mathbf{u} \right|}(\Delta q)'+\left| \mathbf{u} \right|'(\overline{\Delta q})+\left| \mathbf{u} \right|'(\Delta q)']$
公式(2)中, 撇号表示相对日平均的小时级扰动量, 右边三项分别表示热力效应、动力效应和非线性效应(一般因为比较小而忽略)。依据公式(2)可计算在不同海区和气候条件下, 基本物理量变化对湍热通量日变化的影响, 亦可将日变化的强度变化与极端天气气候过程和主要气候模态相关联, 为开展气候分析和机理研究提供全新视角。
湍交换系数cE等参数与海面粗糙度相关, 复杂海面过程(如风浪和飞沫等)影响海气湍流热交换过程(Andreas, 2004; Song et al, 2015; Wu et al, 2017; Zhang et al, 2018; Bourras et al, 2019)。湍热通量的精确计算一是基于精准现场观测, 利用湍脉动方法优化块体公式(Edson et al, 2013; Bourras et al, 2019), 二是基于多源卫星、浮标和船载观测等手段实现高时空分辨率的观测覆盖(Yu et al, 2007; Berry et al, 2009; Weller et al, 2016; Wang et al, 2017)。
其中, 边界层稳定度是研究湍热通量变化的重要物理参数, 根据莫宁—奥布霍夫稳定度参数${z}/{L}\;$判定。该参数代表边界层内雷诺应力做功和浮力做功的比例。依据稳定度参数的大小, 边界层稳定程度可分为不稳定、中性和稳定三种状态(盛裴轩 等, 2013)。中性边界层条件下, 层化稳定增强, 雷诺应力做功主导; 而在不稳定条件下, 浮力做功主导, 水汽和热量从海洋以湍热通量的形式进入大气。稳定度的研究是判断湍热通量日变化的重要参考。
未来研究中, 我们可以充分利用全要素海洋浮标观测资料(图9)和高时空精度的再分析资料, 通过标准计量和质量控制, 利用块体公式算法COARE 3.5(Edson et al, 2013) 进行数值计算和敏感试验, 分析海表动力场和风场的日变化特征, 得出日变化规律下海表动力对海气湍热通量的影响机制以及对全球海气热交换平衡的影响情况, 确定基于观测和高精度再分析资料的全球海气湍热通量日变化场, 最终通过回归分析、谱分析和EOF(empirical orthogonal function)分析等综合分析手段, 围绕关键科学问题, 进行特征分析和机制评价。

4 结论

湍热通量变化是物理海洋学、海气相互作用和气候变化研究的基础性和前沿性问题, 如何精确认识湍热通量估值和变化过程是研究的热点、难点和新兴领域。受观测和计算两方面能力限制, 先前关于湍流热通量日变化特征和机理研究较粗、较疏, 限制了对上层海洋过程的深度认知。现在我们可利用传统海洋浮标、平台、新型波浪滑翔机以及最新高时空分辨率数值模式结果, 针对不同边界层稳定条件下全球湍流热通量日变化的动力机制开展研究, 有助于弥补目前对于湍流热通量日变化研究的不足, 提高对混合层结构日变化过程和大气边界层变异过程的预报精度, 为高频海气相互作用过程、海气能量平衡和水循环等研究提供重要的机理认知。
未来研究应特别关注浮标全通量观测、最新滑翔器观测和高分辨率再分析所反映的湍热通量日变化特征和机理, 从日变化视角出发, 充分发掘全球通量观测和高时空分辨率模式在认识湍热通量高频日变化过程中的作用, 及其对全球能量平衡的作用。从边界层稳定性维度和日变化角度研究湍热通量变异过程, 是对年(代)际变化和季节(内)变化的有效补充。从物理机制层面关注和评估海表动力过程对海气湍热通量估值和日变化强度影响, 能够为寻求全球能量平衡提供新思路, 同时可以为下一步浮标通量观测布局提供科学依据。
湍流通量的日变化研究既受益于观测手段的升级和数值模式的发展, 也可为优化海洋观测网设计布局和提高上层海洋预报精确度提供有效科学支撑。湍热通量与海洋大气边界层动力过程紧密相连, 既受大气过程(如大气涛动等)影响, 也与海洋过程(如埃克曼效应等)相关, 是海气耦合过程这一前沿问题的难点。本文的讨论将为认识“不同边界层稳定性下海气湍流热通量日变化特征和机理”关键科学问题提供独特的解决方案, 将湍流热通量研究维度从具体空间转移到边界层稳定条件, 从天气至气候尺度过渡到更高精度的日变化尺度。未来研究将在国家自然科学基金面上项目“不同边界层稳定性下海气湍流热通量的日变化机制研究”(42076016, 2021—2024年)支持下开展, 以期获得开拓性成果并拓展湍热通量研究的深度和广度。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
陈大可, 雷小途, 王伟, 等, 2013. 上层海洋对台风的响应和调制机理[J]. 地球科学进展, 28(10):1077-1086.

CHEN DAKE, LEI XIAOTU, WANG WEI, et al, 2013. Upper ocean response and feedback mechanisms to typhoon[J]. Advances in Earth Science, 28(10):1077-1086 (in Chinese with English abstract).

[2]
盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 等, 2013. 大气物理学[M]. 2版. 北京: 北京大学出版社.

[3]
孙秀军, 王雷, 桑宏强, 2019. “黑珍珠”波浪滑翔器南海台风观测应用[J]. 水下无人系统学报, 27(5):562-569.

SUN XIUJUN, WANG LEI, SANG HONGQIANG, 2019. Application of wave glider “Black Pearl” to typhoon observation in South China Sea[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 27(5):562-569 (in Chinese with English abstract).

[4]
ALLEN M R, INGRAM W J, 2002. Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle[J]. Nature, 419(6903):228-232.

[5]
ANDREAS E L, 2004. Spray stress revisited[J]. Journal of Physical Oceanography, 34(6):1429-1440.

DOI

[6]
BERRY D I, KENT E C, 2009. A new air-sea interaction gridded dataset from ICOADS with uncertainty estimates[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 90(5):645-656.

DOI

[7]
BOER G J, 1993. Climate change and the regulation of the surface moisture and energy budgets[J]. Climate Dynamics, 8(5):225-239.

DOI

[8]
BOURRAS D, CAMBRA R, MARIÉ L, et al, 2019. Air-sea turbulent fluxes from a wave-following platform during six experiments at sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 124(6):4290-4321.

DOI

[9]
CAYAN D R, 1992. Latent and sensible heat flux anomalies over the northern oceans: Driving the sea surface temperature[J]. Journal of Physical Oceanography, 22(8):859-881.

DOI

[10]
CLAYSON C A, EDSON J B, 2019. Diurnal surface flux variability over western boundary currents[J]. Geophysical Research Letters, 46(15):9174-9182.

DOI

[11]
CRONIN M F, GENTEMANN C L, EDSON J, et al, 2019. Air-sea fluxes with a focus on heat and momentum[J]. Frontiers in Marine Science, 6:430.

DOI

[12]
DEMOTT C A, KLINGAMAN N P, WOOLNOUGH S J, 2015. Atmosphere-ocean coupled processes in the Madden-Julian oscillation[J]. Reviews of Geophysics, 53(4):1099-1154.

DOI

[13]
DONG SHENFU, GILLE S T, SPRINTALL J, 2007. An assessment of the southern ocean mixed layer heat budget[J]. Journal of Climate, 20(17):4425-4442.

DOI

[14]
EDSON J B, JAMPANA V, WELLER R A, et al, 2013. On the exchange of momentum over the open ocean[J]. Journal of Physical Oceanography, 43(8):1589-1610.

DOI

[15]
EMANUEL K A, 1987. An air-sea interaction model of intraseasonal oscillations in the tropics[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 44(16):2324-2340.

DOI

[16]
FAIRALL C W, BRADLEY E F, ROGERS D P, et al, 1996. Bulk parameterization of air-sea fluxes for Tropical Ocean-Global Atmosphere Coupled-Ocean Atmosphere Response Experiment[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 101(C2):3747-3764.

[17]
FENG MING, DUAN YONGLIANG, WIJFFELS S, et al, 2020. Tracking air-sea exchange and upper-ocean variability in the Indonesian-Australian Basin during the onset of the 2018/19 Australian summer monsoon[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 101(8):1397-1412

[18]
GELARO R, MCCARTY W, SUÁREZ M J, et al, 2017. The modern-era retrospective analysis for research and applications, version 2 (MERRA-2)[J]. Journal of Climate, 30(14):5419-5454.

DOI

[19]
GIGLIO D, GILLE S T, SUBRAMANIAN A C, et al, 2017. The role of wind gusts in upper ocean diurnal variability[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122(9):7751-7764.

DOI

[20]
GROSSMAN R L, BETTS A K, 1990. Air-sea interaction during an extreme cold air outbreak from the eastern coast of the United States[J]. Monthly Weather Review, 118(2):324-342.

DOI

[21]
HELD I M, SODEN B J, 2006. Robust responses of the hydrological cycle to global warming[J]. Journal of Climate, 19(21):5686-5699.

DOI

[22]
HERSBACH H, BELL W, BERRISFORD P, et al, 2019. Global reanalysis: goodbye ERA-Interim, hello ERA5[EB/OL]. ECMWF Newsletter, 159:17-24.

[23]
HONG SONGYOU, KANAMITSU M, KIM J E, et al, 2012. Effects of diurnal cycle on a simulated Asian summer monsoon[J]. Journal of Climate, 25(24):8394-8408.

DOI

[24]
HUGHES K G, MOUM J N, SHROYER E L, 2020. Evolution of the velocity structure in the diurnal warm layer[J]. Journal of Physical Oceanography, 50(3):615-631.

DOI

[25]
IDE Y, YOSHIKAWA Y, 2016. Effects of diurnal cycle of surface heat flux on wind-driven flow[J]. Journal of Oceanography, 72(2):263-280.

DOI

[26]
KESSLER W S, WIJFFELS S E, CRAVATTE S, et al, 2019. Second Report of TPOS 2020[R]. GOOS-234.

[27]
LARGE W G, CARON J M, 2015. Diurnal cycling of sea surface temperature, salinity, and current in the CESM coupled climate model[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 120(5):3711-3729.

DOI

[28]
LI QING, FOX-KEMPER B, 2017. Assessing the effects of Langmuir turbulence on the entrainment buoyancy flux in the ocean surface boundary layer[J]. Journal of Physical Oceanography, 47(12):2863-2886.

DOI

[29]
LIU W T, KATSAROS K B, BUSINGER J A, 1979. Bulk parameterization of air-sea exchanges of heat and water vapor including the molecular constraints at the interface[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 36(9):1722-1735.

DOI

[30]
LUO JINGJIA, MASSON S, ROECKNER E, et al, 2005. Reducing climatology bias in an ocean-atmosphere CGCM with improved coupling physics[J]. Journal of Climate, 18(13):2344-2360.

DOI

[31]
MATSUNO T, 1966. Quasi-geostrophic motions in the equatorial area[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II, 44(1):25-43.

DOI

[32]
MONIN A S, OBUKHOV A M, 1954. Basic laws of turbulent mixing in the surface layer of the atmosphere[J]. Contrib Geophys Inst Acad USSR, 24(151):163-187.

[33]
MOULIN A J, MOUM J N, SHROYER E L, 2018. Evolution of turbulence in the diurnal warm layer[J]. Journal of Physical Oceanography, 48(2):383-396.

DOI

[34]
PACANOWSKI R C, 1987. Effect of equatorial currents on surface stress[J]. Journal of Physical Oceanography, 17(6):833-838.

DOI

[35]
PEDLOSKY J, ROBBINS P, 1991. The role of finite mixed-layer thickness in the structure of the ventilated thermocline[J]. Journal of Physical Oceanography, 21(7):1018-1031.

DOI

[36]
PLAGGE A M, VANDEMARK D, CHAPRON B, 2012. Examining the impact of surface currents on satellite scatterometer and altimeter ocean winds[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 29(12):1776-1793.

DOI

[37]
PRICE J F, WELLER R A, PINKEL R, 1986. Diurnal cycling: Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling, and wind mixing[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 91(C7):8411-8427.

[38]
RENFREW I A, MOORE G W K, 1999. An extreme cold-air outbreak over the Labrador Sea: Roll vortices and air-sea interaction[J]. Monthly Weather Review, 127(10):2379-2394.

DOI

[39]
REYNOLDS R W, SMITH T M, LIU CHUNYING, et al, 2007. Daily high-resolution-blended analyses for sea surface temperature[J]. Journal of Climate, 20(22):5473-5496.

DOI

[40]
RILEY DELLARIPA E M, MALONEY E D, 2015. Analysis of MJO wind-flux feedbacks in the Indian Ocean using RAMA buoy observations[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II, 93A:1-20.

DOI

[41]
SCHUDLICH R R, PRICE J F, 1992. Diurnal cycles of current, temperature, and turbulent dissipation in a model of the equatorial upper ocean[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 97(C4):5409-5422.

[42]
SEO H, SUBRAMANIAN A C, MILLER A J, et al, 2014. Coupled impacts of the diurnal cycle of sea surface temperature on the Madden-Julian Oscillation[J]. Journal of Climate, 27(22):8422-8443.

DOI

[43]
SHI RUI, ZENG LILI, CHEN JU, et al, 2015. Observation and numerical simulation of the marine meteorology elements and air-sea fluxes at Yongxing Island in September 2013[J]. Aquatic Ecosystem Health and Management, 18(4):394-402.

DOI

[44]
SONG JINBAO, FAN WEI, LI SHUANG, et al, 2015. Impact of surface waves on the steady near-surface wind profiles over the ocean[J]. Boundary-Layer Meteorology, 155(1):111-127.

DOI

[45]
SONG XIANGZHOU, 2020. The importance of relative wind speed in estimating air-sea turbulent heat fluxes in bulk formulas: examples in the Bohai Sea[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 37(4):589-603.

DOI

[46]
SONG XIANGZHOU, CHEN ZHI, WANG HUA, et al, 2018. China’s vision towards the Tropical Pacific Observing System (TPOS) 2020[J]. CLIVAR Exchanges, No. 75:6-12.

[47]
SONG XIANGZHOU, NING CHUNLIN, DUAN YONGLIANG, et al, 2021. Observed extreme air-sea heat flux variations during three tropical cyclones in the tropical southeastern Indian Ocean[J/OL]. Journal of Climate [2020-11-11]. https://journals.ametsoc.org/downloadpdf/journals/clim/aop/JCLI-D-20-0170.1/JCLI-D-20-0170.1.pdf

[48]
SONG XIANGZHOU, YU LISAN, 2012. High-latitude contribution to global variability of air-sea sensible heat flux[J]. Journal of Climate, 25(10):3515-3531.

DOI

[49]
SPALL M A, 1992. Cooling spirals and recirculation in the subtropical gyre[J]. Journal of Physical Oceanography, 22(5):564-571.

DOI

[50]
STOMMEL H, SCHOTT F, 1977. The beta spiral and the determination of the absolute velocity field from hydrographic station data[J]. Deep Sea Research, 24(3):325-329.

DOI

[51]
VÅGE K, PICKART R S, THIERRY V, et al, 2009. Surprising return of deep convection to the subpolar North Atlantic Ocean in winter 2007-2008[J]. Nature Geoscience, 2(1):67-72.

DOI

[52]
VANDEMARK D, EDSON J B, CHARPRON B, 1997. Altimeter estimation of sea surface wind stress for light to moderate winds[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 14(3):716-722.

DOI

[53]
WANG XIN, ZHANG RONGWANG, HUANG JIAN, et al, 2017. Biases of five latent heat flux products and their impacts on mixed-layer temperature estimates in the South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 122(6):5088-5104.

DOI

[54]
WEIHS R R, BOURASSA M A, 2014. Modeled diurnally varying sea surface temperatures and their influence on surface heat fluxes[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(7):4101-4123.

DOI

[55]
WELLER R A, FARRAR J T, BUCKLEY J, et al, 2016. Air-sea interaction in the Bay of Bengal[J]. Oceanography, 29(2):28-37.

DOI

[56]
WU LIN, CHENG XUELING, ZENG QINGCUN, et al, 2017. On the upward flux of sea-spray spume droplets in high wind conditions[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 122(11):5976-5987.

DOI

[57]
XUE HUIJIE, BANE J M, GOODMAN L M, 1995. Modification of the Gulf Stream through strong air-sea interactions in winter: Observations and numerical simulations[J]. Journal of Physical Oceanography, 25(4):533-557.

DOI

[58]
YU LISAN, 2007. Global variations in oceanic evaporation (1958-2005): The role of the changing wind speed[J]. Journal of Climate, 20(21):5376-5390.

DOI

[59]
YU LISAN, 2019. Global air-sea fluxes of heat, fresh water, and momentum: energy budget closure and unanswered questions[J]. Annual Review of Marine Science, 11(1):227-248.

DOI

[60]
YU LISAN, WELLER R A, 2007. Objectively Analyzed air-sea heat Fluxes for the global ice-free oceans (1981-2005)[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 88(4):527-539.

DOI

[61]
YU YANG, CHEN SHUHUA, TSENG Y H, et al, 2020. Importance of diurnal forcing on the summer salinity variability in the East China Sea[J]. Journal of Physical Oceanography, 50(3):633-653.

DOI

[62]
ZENG LILI, WANG DONGXIAO, 2009. Intraseasonal variability of latent-heat flux in the South China Sea[J]. Theoretical and Applied Climatology, 97(1-2):53-64.

DOI

[63]
ZHANG GUANGJUN, MCPHADEN M J, 1995. The relationship between sea surface temperature and latent heat flux in the equatorial Pacific[J]. Journal of Climate, 8(3):589-605.

DOI

[64]
ZHANG TING, SONG JINBAO, 2018. Effects of sea-surface waves and ocean spray on air-sea momentum fluxes[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 35(4):469-478.

DOI

Options
文章导航

/

〈 〉