不同天气系统影响下块体动力学法计算海气通量的误差估计

贺 赟,孙即霖＊＊,黄 健,石 强

(1.中国海洋大学物理海洋实验室海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100; 2.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东广州510080;3.国家海洋局北海分局,山东青岛266033)

不同天气系统影响下块体动力学法计算海气通量的误差估计

贺 赟1,孙即霖1＊＊,黄 健2,石 强3

(1.中国海洋大学物理海洋实验室海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100; 2.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东广州510080;3.国家海洋局北海分局,山东青岛266033)

本文利用2006年3～5月珠江口的海气热通量观测资料,结合NCEP再分析资料,分析了块体动力学在不同天气系统影响下计算海气热通量的特点,以及相对较准确的涡旋相关法的相对误差估计。结果表明,在海面为相对低压控制区域时,块体动力学计算的通量异常偏低,相对误差约为潜热通量95.8%;感热通量205.8%;在高压控制下,计算有所高估,相对误差约为潜热通量275.6%;感热通量156%。因此,利用块体法计算海气通量时,应注意根据不同天气系统特点对块体通量系数进行调整。

海气热通量;块体动力学法;涡旋相关法;相对误差

海气界面的通量交换是实现海洋和大气相互作用中最重要的环节。海气界面处的感热通量、潜热通量以及辐射通量影响海洋上混合层乃至季节温跃层变化,并影响海洋上层海水的运动以及海水温盐分布结构。因此,海气界面通量的确定对海气相互作用研究方面具有非常重要的科学意义。

目前使用较普遍的海气通量计算方法分直接的和间接的2种:直接法由响应快速的超声风、温、湿传感器测量三维风速、温度和湿度,使用涡旋相关法直接计算通量,这种方法的优点是计算精度很高,可以反应很短时间内湍流变化的物理过程[1]。虽然被认为是最可靠的方法,但其缺点是所用仪器精密、昂贵,感应头过于灵敏,比较容易受外界不确定性因素影响,比如降水、沾染异物、自身晃动都会造成观测误差。间接法是用常规的海上气象观测仪器获取的风速、温度、湿度,以及表层海水温度的平均值,使用块体动力学方法[2-3],利用COARE(版本3.0)算法间接计算感热、潜热和动量通量等。这种方法的优点是观测仪器价格低,使用方便,受环境因素影响较少,至今仍用于处理船和浮标数据,得到的数据结果也作为数值模型的边界条件。但缺点是数据测量时间尺度较长,不能细致的反应湍流本身的变化。对于这种计算方法,其结果有时与直接法差别非常大[4-5],那么具体的是海面上哪种情况导致了块体动力学方法在计算中产生的误差大?如何减少块体动力学法计算的误差,使其结果更加真实可靠都是急需解决的问题。

1 资料的来源与方法

本文使用的资料是从位于珠江口获取的2006年3～5月的观测资料,该资料采用10 m观测铁塔上的快速响应CAMPBELL CSAT3超声风温仪Li-cor 7500水汽/二氧化碳分析仪观进行风速、温度和水汽脉动观测。对该资料分别采用涡旋相关法和块体动力学方法计算湍流感热和潜热通量。结合美国国家环境预测中心及国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的2.5(°) ×2.5(°)海平面高度场日平均再分析资料以及FNL的6h 925 hPa垂直速度场资料进行分析。

其中,使用涡旋相关法计算感热通量(H)和潜热通量(λE)的公式如下:

式中ρ为空气密度;w′为垂直风速脉动;T′为温度脉动;q′为比湿脉动;Cp为定压比热,一般取值为1 004.67 J·kg-1·℃-1;λ为水的汽化潜热,一般取值2.5×106J·kg-1。

块体动力学方法基于Monin-Obukhov相似理论[6-7],COARE 3.0是国际上基于此理论的较为先进的块体动力学计算通量的方法。

其中定义的湍流参数u＊,q＊,θ＊分别是摩擦速度、特征比湿和特征温度,潜热通量和感热通量为:

湍流交换系数定义:

其中CE,CH分别是水汽和热量交换系数。S是近海面风速(在此不考虑海表流速),qs和qa分别是海表和近海面空气比湿,Ts和Ta分别是海表和近海面空气温度,因此,潜热和感热通量的计算公式为:

L H=ρaLvCES(q＊-qa), S H=ρaCPCHS(Ts-Ta)

对于不同的观测方式,不同的计算方法,其结果差别非常大,但由于涡旋相关法在描述湍流的空间以及时间结构上所拥有的巨大优势,能较好的刻画湍流通量的变化[8]。本文中以涡旋相关法的计算结果为参考标准,进而衡量传统的块体动力学法在计算近海海-气湍流热通量方面的特点以及不足之处。文中的相对误差(RE)是指块体动力学法相对涡旋相关法计算结果的误差。公式如下:

其中Afg代表块体法计算的通量,Aec代表涡动相关法计算的通量。

2 南海通量观测结果的分析

选取3月14～5月15日的观测结果,将2种观测资料按逐小时平均来计算通量。剔除记录中明显错误的异常偏大或偏小值、断点,以及降水等影响涡动相关法观测的数据。块体法使用资料为常规观测仪器中近海面的2 min平均风速,1 min平均气温,1 min平均相对湿度和1 min平均气压。

由于仪器对环境敏感,对10Hz数据进行方差检验,通过WPL坐标旋转的方法来订正观测平台仪器倾斜造成的影响[9]。为检验结果的准确性,利用该湍流观测资料进行谱分析,对资料进行抽样检验,发现垂直风速扰动谱分布都满足f-2/3次律[10](见图1)。说明用涡旋相关法来计算湍流通量真实可信,可以用来检验块体动力学方法计算结果的准确程度。

图1 抽样检验站位观测资料的垂直风速功率谱斜直线代表f-2/3Fig.1 Turbulence w power spectrums at the survey station, with straight lines forf-2/3

图2 2种方法计算的潜热通量和感热通量Fig.2 The latent heat flux and sensible heat flux calculated by two method

采用块体动力学法计算结果如图所示(见图2)。与涡旋相关法的差别主要存在2种情况: (1)块体动力学法计算结果比直接涡动相关法计算结果小:对比中发现,在3月22～25日,4月1～8日,24～29日,5月8～13日,采用块体动力学法计算的潜热通量相比涡旋相关法偏小,而且在感热通量的计算上, 2种结果出现正负相反的情况较为明显。从其对应的中小尺度天气过程和可以影响海面热状况的小尺度涡旋和对应的动力条件-垂直运动等原理中,发现存在着一些明显的特征,首先是海平面气压场(见图3):

图3 3月22～23日,4月4～5日,24～27日,5月8～9日观测站附近的海平面气压场(hPa)Fig.3 Surface pressure(hPa)at the survey station on March 22～23,Apr 4～5,24～27 and May 8～9

图4 3月22～23日,4月4～5日、24～27日,5月8～9日观测站上空925hPa的垂直速度场(Pa/s)Fig.4 Vertical velocity(Pa/s)on 925 hPa over the survey station on March 22～23,Apr 4～5,24～27 and May 8～9

在这些观测时间里,观测点位置处海平面高度场的特点是多处于高压后部、低压前部,或是低压控制区域,925 hPa层上升运动较强。有助于小尺度湍流的发展,并且风向多为从海上吹来,水汽变化明显。由于低涡运动带来的水汽方面的变化正是涡旋相关法计算的敏感因素。所以在这期间,使用涡旋相关法计算的潜热通量和感热通量都非常显著。同时,这种天气情况下,使用块体动力学方法从计算原理上较难对这种情况做出较快的响应,计算结果偏低。在这种情况下,块体动力学法与涡旋相关法的相对误差约为潜热通量95.8%;感热通量205.8%。

(2)块体动力学法的结果比涡旋相关法大:与前1种情况相反,在3月15～16日、4月13～18日期间,采用块体法计算的通量较大,尤其是潜热通量。在此期间,对应的天气情况也有一些特征,首先海平面气压场(见图5):

图5 3月15～16日、4月13～16日观测站附近的海平面气压场(hPa)Fig.5 Surface pressure(hPa)at the survey station on March 15～16,Apr 13～16

图6 3月15～16日、4月13～16日观测站上空925hPa的垂直速度场(Pa/s)Fig.6 Vertical velocity(Pa/s)on 925 hPa over the survey station on March 15～16,Apr 13～16

与第1种情况相反,在观测期间,观测站点往往都是处在高压内部,甚至高压脊等较明显的高压控制区域里,但其平均气温偏低,从925hPa层垂直运动上看,存在着较弱的下沉运动。这种冷高压的天气条件,不利于海面上较小尺度的涡旋的发生、发展,由于风向并不是从海上吹来,携带水汽较少,这种情况下块体动力学方法计算的潜热通量会明显高估。在这种情况下,块体动力学法与涡旋相关法的潜热通量相对误差约为275.6%;感热通量相对误差约为156%。

3 结语

当海气通量观测的站点位置处于高压后部、低压前部,或是低压控制区域,925 hPa层的上升运动较强,风向主要从海面吹向陆地时,使用块体动力学方法的计算结果异常偏低。在本文的个例中,与涡旋相关法的潜热通量相对误差约为95.8%;感热通量相对误差约为205.8%。所以在该天气系统特征的海面热通量观测中,应该调整水汽和热量交换系数,相应的增大块体法的计算结果,使其更接受真实值。

在观测站点处在高压内部、高压脊等较明显的高压天气系统控制区域,925 hPa存在下沉运动,使用块体动力学法计算的结果可能明显高估。本文个例中,与涡旋相关法的相对误差约为潜热通量275.6%;感热通量156%。应该通过调整水汽和热量交换系数,减小块体法获得的热通量结果,使之更为接近实际。

根据本文的发现,利用块体法计算海气通量时,应注意根据不同天气系统特点对块体通量系数进行调整,以得到更为接近真实的结果。

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Abstract: This paper analyzed the air-sea heat flux on Maoming observation platform in the South China Sea,and NCEP re-analyzed data,studied the features of flux gradient method in different weather system and found out the relative error compared with eddy correlation method.The results showed that the airsea heat flux was small in low pressure region,and it was larger than that in high pressure region by flux gradient method.The relative error was concerned with wind speed and temperature difference between air and sea by flux gradient method in long time scale research.

Key words: air-sea heat flux;flux gradient method;eddy correlation method;relative error

责任编辑 庞 旻

Estimation Error of Air-Sea Flux by Bulk Method in Different Weather Systems

HE Yun1,SUN Ji-Lin1,HUANGJian2,SHI Qiang3
(1.Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Ocean University of China, Qingdao 266100,China;2.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology,CMA,Guangzhou 510080,China;3. North China Sea Branch of the State Oceanic Administration,Qingdao 266033,China)

P47

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-016-07

公益性行业(气象)科研专项(GYHY200906008);国家重点基础研究发展计划项目(2005CB422301);国家自然科学基金项目(40676012);908项目(908-ZC-Ⅰ-01)资助

2010-04-27;

2010-06-13

贺 赟(1984-),男,硕士生。

E-mail:sunjilin@ouc.edu.cn