海洋所揭示波浪調(diào)控海表風(fēng)應(yīng)力關(guān)鍵動(dòng)力機(jī)制
海表風(fēng)應(yīng)力(海氣動(dòng)量通量)是上層海洋的主要驅(qū)動(dòng)力,準(zhǔn)確描述風(fēng)應(yīng)力是海洋動(dòng)力模擬的關(guān)鍵因素之一。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所侯一筠課題組揭示了波浪調(diào)控海表風(fēng)應(yīng)力的關(guān)鍵動(dòng)力機(jī)制,并發(fā)展了適用于大洋中復(fù)雜海況的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案,相關(guān)成果近日在《物理海洋雜志》(Journal of Physical Oceanography)發(fā)表。
理解和準(zhǔn)確描述海氣間的動(dòng)量交換(風(fēng)應(yīng)力)是小尺度海氣相互作用研究的核心問題,圍繞海表風(fēng)應(yīng)力已開展了大量的的理論和觀測(cè)研究工作,目前已明確海表波浪是影響海氣動(dòng)量通量的關(guān)鍵動(dòng)力過程,關(guān)于風(fēng)浪如何影響海氣動(dòng)量交換已有較為充分的認(rèn)知并發(fā)展了相關(guān)的參數(shù)化方案。然而,對(duì)于涌浪如何影響海氣動(dòng)量交換仍不十分明確,僅考慮風(fēng)浪影響的參數(shù)化方案對(duì)涌浪存在較大誤差。在實(shí)際大洋中,涌浪普遍存在并在低緯度區(qū)域有顯著特征,因此需要發(fā)展一種能綜合考慮風(fēng)浪和涌浪影響并且適用于大洋復(fù)雜海況條件的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案,為海洋動(dòng)力場(chǎng)模擬提供準(zhǔn)確可靠的邊界驅(qū)動(dòng)。
以往研究認(rèn)為,涌浪主要在低風(fēng)速下影響海氣動(dòng)量交換,這一影響在中等風(fēng)速下十分有限。侯一筠團(tuán)隊(duì)通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn),中等風(fēng)速下涌浪也會(huì)顯著影響海氣動(dòng)量交,并通過理論分析揭示了這一影響的物理機(jī)制,即涌浪作用于風(fēng)浪減弱了氣流分離效應(yīng),加強(qiáng)了風(fēng)浪短波主導(dǎo)的海氣動(dòng)量交換,進(jìn)而增強(qiáng)海表風(fēng)應(yīng)力。基于這一物理認(rèn)知,考慮到平均波參數(shù)相較主波參數(shù)能更好涌浪對(duì)風(fēng)浪的調(diào)控作用引起的海表動(dòng)力粗糙度的變化,創(chuàng)新性地提出了使用平均波特征參數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主波特征參數(shù)定量描述風(fēng)拖曳系數(shù)的新思路,通過觀測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了平均波參數(shù)和海表動(dòng)力粗糙度之間的協(xié)調(diào)一致性關(guān)系。
研究同時(shí)分析評(píng)估了幾種主流風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案的可靠性,揭示了波陡在開闊海域?qū)︼L(fēng)應(yīng)力影響的局限性,并確定波長(zhǎng)和相速是描述海表動(dòng)力粗糙度的關(guān)鍵參量。綜合上述認(rèn)知,發(fā)展了一種新的定量描述海表動(dòng)力粗糙度參數(shù)化方案。將該方案與目前國(guó)際主流使用的COARE 3.5參數(shù)化方案進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)新發(fā)展的參數(shù)化方案在描述不同波況下的海氣動(dòng)量通量變化的可靠性更強(qiáng),可為上層海洋動(dòng)力過程模擬提供更為準(zhǔn)確的邊界驅(qū)動(dòng)方案。
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李水清副研究員是論文第一/通訊作者,研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
Li, Shuiqing*, Zhongshui Zou, Dongliang Zhao, and Yijun Hou, 2020: On the Wave State Dependence of the Sea Surface Roughness at Moderate Wind Speeds under Mixed Wave Conditions. Journal of Physical Oceanography, doi:10.1175/JPO-D-20-0102.1
Li, Shuiqing*, 2023: On the Consistent Parametric Description of the Wave Age Dependence of the Sea Surface Roughness. Journal of Physical Oceanography, DOI: 10.1175/JPO-D-23-0021.1

圖1 海表摩擦風(fēng)速與不同波相速的變化關(guān)系
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