台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

张连新，韩桂军，李威，张学峰，付红丽，张晓爽，邵彩霞

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛 266100；2.国家海洋局海洋信息中心，天津 300171）

台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究

张连新1，2，韩桂军2，李威2，张学峰2，付红丽2，张晓爽2，邵彩霞2

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛 266100；2.国家海洋局海洋信息中心，天津 300171）

本文以2006年9月日本以南海域的台风YAGI为例，应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料，并结合卫星遥感等融合资料，分析海洋飞沫在台风不同发展阶段对海气界面间热量通量和动量通量的影响。首先，定量地分析台风期间海洋飞沫对海气热通量的影响。结果表明，在台风YAGI过境期间，海洋飞沫能够显著地加剧海气界面间的热量交换，尤其是潜热交换。海洋飞沫增加的热通量随着风速的增强而增大，随着波龄的增大而减小。随后，通过动量分析表明，在台风YAGI过境期间，海洋飞沫显著地增强了由大气向海洋的动量转移。当风速达到台风量级后，考虑海洋飞沫所增加的动量通量与界面动量通量大小相当，同时，在此风速条件下，海洋飞沫在海气界面形成极限饱和悬浮层，抑制风到海表面的动量转移，导致海气界面间总的动量通量的增长率随之减小。

飞沫；台风；热通量；动量通量

1 引言

当风速达到一定速度时，波浪破碎产生海洋飞沫。波浪破碎影响海洋上层的湍动能［1—2］，海洋飞沫则改变海面粗糙度长度，进而影响海气间的湍通量。因此，在计算湍通量时，应考虑海洋飞沫影响因子［3］。关于热通量方面，张淮和娄顺里［4—5］以单个飞沫滴为研究对象，得到飞沫滴的热量和水汽通量的表达式。基于海洋飞沫的微物理过程，Fairall等［6］简化Andreas［7—8］的时间尺度，指出飞沫的下降速度和湍流垂直传输决定飞沫的悬浮时间，飞沫蒸发是感热通量的汇。基于实测数据资料（COARE-plus，HEXMAX，HEXOS和FASTEX），Andreas［7—13］采用Pruppacher 和Klett［14］的云微物理机制，研究海洋飞沫由产生到与周围环境达到热量平衡和湿度平衡的演变过程，并认为当风速达到11～13 m／s时，海洋飞沫将显著的影响界面间的潜热通量和感热通量。数值模拟［15—18］的结果表明，由于海洋飞沫的存在，海洋将提供给大气更多的热量；关于动量通量方面，当海洋飞沫喷射进入空气中，气流加速海洋飞沫，当飞沫滴再次坠入海洋时，实现海洋与大气间的动量转移。在台风强度下，海洋飞沫引起的动量通量与界面动量通量具有可比的量级［10］。故推测海洋飞沫将成为除湍流外的另一条重要的海气交换途径。综上所述，前人多从微观的角度讨论海洋飞沫，但缺少统一有效的海洋飞沫增长函数，所以本文试从其他角度研究海洋飞沫的作用。

关于飞沫对台风的影响研究表明，在热力学方面，受海洋飞沫蒸发的影响，底层大气开始变湿变冷，海洋飞沫改变大气边界层的层结［19］和对流活动［20］。海洋飞沫的蒸发会导致大气下界面的冷却，增强海气界面的感热交换，进而影响风暴强度［21］，同时，海洋飞沫对海气边界层的影响随着高度的增加而减弱［22］。海洋飞沫的影响与海气边界层的高度相关外，还依赖于海洋飞沫自身的浓度和蒸发率［23］。此外，对于中纬度风暴而言，飞沫导致降雨的增加［24］。在动力学方面，Gall等［25］考虑了飞沫的垂直和水平拖曳作用，并指出飞沫能够通过复杂的物理过程改变台风的结构。由此可知，台风对热量和动量的微小变化非常敏感。如果飞沫确实影响台风期间的热量通量和动量通量，那么海洋飞沫对于台风的研究将非常重要。但是前人多从理论或模式的角度对海洋飞沫进行研究，尚缺少实测资料的验证，不利于实际海区的应用研究。

本文基于前人的研究，着重从宏观上出发，以海洋飞沫对海面粗糙度长度的影响为切入点，考虑海洋飞沫的作用，避免了海洋飞沫增长函数的不一致性。以西北太平洋的台风YAGI为例，使用实际的浮标观测数据，从热量和动量两方面分别讨论飞沫影响因子的作用，着重分析台风不同发展阶段海洋飞沫对海气湍通量的影响。

2 研究方法

2.1 海洋飞沫的物理影响

高风速下海表产生的破碎波扰乱了海气界面，进而产生两位相层——海洋中的气泡和大气中的飞沫［26］。当风速超过25～30 m／s时［27—28］，海表几乎完全由两位相层所覆盖，从而影响海面的拖曳系数，抑制风到海表的动量转移。Makin［29］基于有效饱和悬浮沫滴层的TKE平衡理论和Powell等［27］的外海观测，得到高风速下含飞沫影响因子的海面空气动力学粗糙度长度的参数化方案，

式中，z0是高风速下受飞沫影响的海面动力粗糙度长度，α为Charnock常数，是反映海洋飞沫作用的函数，ω＝min（1，acr／ku*），acr为典型海洋飞沫滴的临界下降速度，取0.64 m／s［29］，von karman常数k取0.4，cl可看作无量纲的飞沫悬浮层厚度，cl＝（ghl／u2*），hl为有限饱和飞沫悬浮层的厚度。Makin［29］认为有限饱和飞沫悬浮层的厚度hl大于破碎波的高度而小于有效波高hs，并取hl为有效波高hs的十分之一，所以在前人研究的基础上［30］，无量纲的飞沫悬浮层厚度cl为：

近几年研究表明，中低风速下粗糙度长度也是依赖风速和波浪状态的量［31—38］。其中Donelan［38］利用外海数据拟合了用均方波高无因次的海面粗糙度：

式中，cp为当地风引起的波频谱峰的主波相速，cp／u*为波龄（β*）。由式（3）可知，海面粗糙度长度随波龄的增大而减小，即年轻的波浪具有较大的海面粗糙度长度，成熟的波浪具有较小的粗糙度长度［31—38］。

本文利用Toba［39］的3／2指数律和深水情况下的谱峰周期关系式，并结合高、中低风速下的海面粗糙度关系式得到：

式（4）为全风速下含飞沫影响因子的海面动力粗糙度长度［40］。当海洋飞沫不起作用时，w值为1，全风速下的粗糙度长度恢复为中低风速下的粗糙度长度式（3）。当海洋飞沫的影响增强时，w随之减小，海面动力粗糙度长度随之减小，最终拖曳系数随之减小。结合Toba［39］的3／2指数律和深水情况下的谱峰周期关系式计算波龄，

式（5）由有效波高计算波龄，B反映了风浪的不同发展状态。

2.2 湍通量的参数化方案

实际应用中多采用COARE2.6模型计算海气界面间的湍通量［41］。COARE2.6模型基于块体公式［42］和Monin-Obukhov相似理论（简称MOST），以平均量计算海气通量，

式中，Hs、Hl和τ分别为感热通量、潜热通量和动量通量，ρa为空气密度，cpa为定压比热，Le为蒸发潜热，和u分别代表垂直风速、位温、水汽比湿和水平风分量的湍扰动，式（6）中的简化为：

式中，x代表风速分量、位温、水汽比湿；cx为变量x的块体输运系数（d指风速）；cx为总的输运系数（例Cd为拖曳系数，Ch为Stanton数，Ce为Dalton数）；ΔX是变量x平均值的海气差。

输运系数cx依赖于以MOST为基础的表面稳定度：

式中，ζ是MOST稳定参数，下标n指中性稳定（ζ＝0），z为平均量x的测量高度，ψx为描述平均廓线稳定度的经验函数。z0x是粗糙度长度参数，用以描述变量x的表面中性转移特性（包括海面动力粗糙度长度z0，热量和水汽粗糙度长度zt，zq）。原COARE2.6中的z0由Charnock关系求得，而Charnock关系并未考虑海洋飞沫的作用，故原COARE2.6得到的海气湍通量为界面湍通量［13］。同时，使用式（4）得到的湍通量考虑了海洋飞沫影响因子，为界面间的总的湍通量。此外，海洋向大气输送的通量为正，大气向海洋输送的通量为负。

为说明拖曳系数的分布特征，本文通过式（4）、（7）、（8）得到不同波龄（5.5～35）情况下含飞沫影响因子的拖曳系数随10 m风速的变化。由图1可知，拖曳系数随10 m风速和波龄二者的变化而变化。当风速恒定时，拖曳系数随波龄的减小而增大，即越年轻的风浪拖曳系数越大［31—38］；当波龄固定不变时，拖曳系数先随风速持续增大，当风速达到35 m／s左右，拖曳系数随风速增大而减小，此特征与Powell等［27］的观测结果相一致。所以考虑飞沫作用的拖曳系数在中低风速时随着风速增大而增大，高风速时随着风速的增加而减小［43］。

3 资料与背景

3.1 数据资料

本文采用NOAA黑潮延伸体观测（KEO）浮标数据估算海气湍通量值，浮标的地理位置为（32.4oN，144.6oE），选用的观测数据有3 m风速、3 m大气温度、3 m相对湿度、降雨速率、太阳短波辐射、长波辐射、海表温度、海洋温度剖面和海洋盐度剖面，观测时间为2006年9月17日00：00－29日24：00，时间间隔为10 min。在前人研究中常使用10 m风速估算有效波高［44］，此方法会存在一定的误差。所以本文取ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）发布的ERA_Interim数据集的有效波高数据，以保证台风期间有效波高分布的有效性，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间与KEO浮标数据的时间相对应。

为分析台风期间大面海表温度变化，本文使用Reynolds SST数据集［45］的海表面温度数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间为2006年9月22－27日，分辨率为1 d。台风中心位置、中心气压、最大风速等信息来自上海台风所的“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”。

3.2 台风YAGI

台风YAGI在2006年9月17日于西北太平洋洋面形成；由图2可知，22日台风移动进入研究区域，此时研究区域内的海表面温度均高于26℃；随后，23日YAGI快速向东北移动并且经过KEO浮标站附近。此时台风增强为强台风（中心最大风速达40～45 m／s，最低压强达950～960 hPa），台风路径右侧出现低于26℃的大面积低温区［46—47］；24日台风离开研究区域，台风路径右侧的大面积的低温区一直持续到27日。

图2 台风期间（9月22－27日）的日平均Reynolds SSTFig.2 The color-filled contour plot of daily averaged sea surface temperature derived from the Reynolds SST data set from 22nd to 27th September

4 结果分析

4.1 海洋飞沫对海气热通量的影响

图3为台风YAGI期间总的热通量（飞沫产生的热通量与界面热通量之和）与界面热通量的相关分布。由图3可知，总的热通量与界面热通量具有较好的相关性，在此过程中海洋飞沫通过蒸发与热交换等微物理过程产生了飞沫热通量，所以总的热通量总体上大于界面热通量（见图3）。

台风期间KEO浮标观测站的热通量的变化情况如图4和图5所示，具体分布如下：9月20－22日台风未经过KEO浮标观测站时，总的热通量与界面热通量的分布趋势基本相同（见图4a，图5a）。感热通量主要集中在0～25 W／m2（见图4a），潜热通量主要集中在0～200 W／m2（见图5a）。此时海气界面间的风速较小，海面上的海洋飞沫浓度较低，飞沫未对热通量产生较明显的影响；9月23日台风经过KEO站时，最大风速可达35 m／s，此时总的热通量明显大于界面热通量（见图4b，图5b）。考虑飞沫作用后，总感热通量与界面感热通量相比最大可增加53.47 W／m2（见图4b），增加量占界面感热通量的26%。总潜热通量比界面潜热最大增加了147.7 W／m2（见图5b），增加量占界面潜热通量的29%。由此可知，飞沫使海气界面间的热量交换变得更为剧烈，尤其对潜热通量的影响更加强烈。上述结果与飞沫的物理过程相一致：飞沫滴以海水温度喷射进入空气时，迅速冷却至湿球温度，从而增大了海气之间的感热交换［48］，当飞沫与周围环境达到热量平衡后再进行潜热交换，此时飞沫的潜热交换所需要的一部分热量来自感热交换，最终将中和飞沫产生的部分感热［13］。因此，飞沫对感热通量的影响不如对潜热通量影响的那么显著；9月24－26日台风离开KEO站，总的热通量稍大于界面热通量（见图4c，5c）。这是由于随着台风离开浮标站，浮标站的风速减小，海面上的飞沫浓度随之变小，所以海洋飞沫对海气热通量的影响变弱，但仍强于台风经过前海洋飞沫所产生的影响。飞沫感热值与飞沫潜热值的分布范围分别为0～8.12 W／m2，0～24.01 W／m2（见图4c，5c）。台风过境期间与过境后，飞沫均使海洋失去了更多的热量。故推测飞沫效应有望解决台风预报过程中台风从海洋获取的热量不足以维持其自身发展的问题［49］。

图3 台风期间总的热通量与界面热通量的相关分布Fig.3 Correlation between the total heat fluxes and the interfacial heat fluxes during the typhoon YAGI passage

图4 台风期间总的感热通量与界面感热通量随时间分布Fig.4 Time series of the total sensible flux and interfacial sensible flux in the typhoon period

图5 台风期间总的潜热通量与界面潜热通量随时间分布Fig.5 Time series of the total latent flux and interfacial latent flux in the typhoon period

由以上分析可知，当台风经过KEO站时，风速达到最大值，同时飞沫对热通量的影响最强烈。所以海洋飞沫的形成及影响与大气环境及海洋环境间存在着某种关联性。本文选取风速代表大气环境，波龄代表海洋环境，进一步分析海洋飞沫的影响与大气和海洋之间的相关性。图6显示台风经过期间飞沫热通量随风速的分布。由图6可见，飞沫热通量与风速之间存在一定的正相关性。当风速小于10 m／s时，飞沫热通量值几乎为0，即飞沫对海气热通量的影响非常弱；当风速大于10 m／s左右，飞沫热通量值开始变大，飞沫开始影响海气热通量。当风速大于20 m／s时，飞沫热通量随风速呈现非线性增长，飞沫对海气热通量的影响迅速增强。当风速达35 m／s时，飞沫潜热通量与飞沫感热通达到最大（图6a，6b）。与之相反，飞沫热通量与波龄之间存在较强的负相关关系（见图7），即飞沫热通量随波龄的减小而增加。当波龄大于20时，海洋飞沫对海气间热通量的影响较弱；当波龄小于20时，海洋飞沫热通量对海气间热通量的影响增强，并且随波龄的减小呈现非线性地增长（见图7a，7b）。此种现象的原因在于，海面的波龄越小，海面风速相对于波速越大，海表面越粗糙，海表面的飞沫浓度越大，所以海洋飞沫对海气间热通量的影响越强烈。

图6 台风期间的飞沫热通量随风速的分布Fig.6 The variation of the YAGI's spray heat fluxes as a function of wind speed

4.2 海洋飞沫对动量通量的影响

当海洋飞沫喷射进入空气时，空气的拖曳效应开始加速飞沫，部分动量由空气转移到飞沫。当飞沫坠落返回进入海洋时，飞沫向海洋转移动量，此过程实现了动量由空气向海洋的转移［10］。下面估算海洋飞沫对海气界面间动量交换的影响。图8显示台风经过期间（9月20－26日），总的动量通量（飞沫动量通量与界面动量通量之和）与界面动量通量随时间的分布。由图8可知，在台风经过期间，动量通量的分布与热通量的分布具有一定的相似性。台风未经过KEO浮标观测站时（9月20－22日），总的动量通量与界面动量通量具有相同的分布趋势，海洋飞沫几乎未对总的动量通量产生影响（见图8a）；台风经过KEO站时（9月23日），总的动量通量明显大于界面动量通量（见图8b）。考虑海洋飞沫影响后，总的动量通量值最大可达11.38 N／m2，总的动量通量与界面动量通量相比最大增加5.13 N／m2（见图8b）；台风过境后（9月24－26日），总的动量通量迅速减小，海洋飞沫对总的动量通量的影响也随之减小，但仍强于台风经过前的海洋飞沫对总的动量通量的影响（见图8c）。

图7 台风期间飞沫热通量随波龄的分布Fig.7 The variation of the YAGI's spray heat fluxes as a function of wave age

图8 台风期间总的动量通量与界面动量通量随时间分布Fig.8 Time series of the total momentum flux and interfacial momentum flux in the typhoon period

为了更清楚地分析飞沫动量通量的特性，下面讨论在不同风速条件下各动量通量的演变情况。图9是台风经过期间飞沫动量通量与界面动量通量的相关分布，当风速小于20 m／s时，飞沫动量通量约小于界面动量通量两个数量级（见图9a），与Andreas和Emanuel［10］的描述一致；当风速大于20 m／s时，海洋飞沫有效地传输大气到海洋之间的动量通量，飞沫动量通量具有与界面动量通量相同的数量级（见图9b）。当风速超过30 m／s时，飞沫动量通量与界面动量通量的分布范围分别为3.5～5.5 N／m2和4～6.5 N／m2（见图9c），飞沫动量通量与界面动量通量大小相当。前人关于飞沫动量的研究结果可以佐证此结论。例如，Andreas和Emanuel［10］利用Andreas［8］的飞沫增长函数得到飞沫动量通量，发现飞沫动量通量随摩擦速度的增加呈现非线性增长，若按当时的增长速率，当摩擦速度达到2 m／s时，飞沫动量通量与界面动量通量的大小相当，由此推测本文得到的结果存在很大的合理性。

此外，飞沫动量通量、界面动量通量和总的动量通量随风速的增强具有不同的增长趋势（见图10）。当风速小于20 m／s时，飞沫动量的增长速率远小于界面动量的增长速率；一旦风速大于20 m／s之后，飞沫动量通量的增长速率远大于界面动量的增长速率，并且飞沫动量随风速的增加呈现非线性增长。值得指出的是，当风速大于30 m／s后，飞沫动量通量的增长率并不像界面动量通量的增长率持续增加，而是显著减小，在海洋飞沫的影响下总的动量通量的增长速率也随之减小。这是因为在高风速情形下，风浪剧烈破碎，飞沫滴填满了大部分的海气界面，形成悬浮层。在临近海表面的悬浮层内存在极限饱和的薄层，此薄层能够抑制风到海表面的动量转移［29］。当风速小于30 m／s，海表还未形成极限饱和的悬浮层，飞沫滴的浓度不足以影响气流的动力过程；而当风速超过30 m／s之后，极限饱和的悬浮层形成，飞沫滴强烈地影响空气动力过程，使拖曳系数减小［27］，进而总的动量通量的增长速率随之减小。

图9 台风期间界面动量通量与飞沫动量通量的相关分布Fig.9 Correlation between spray momentum flux and interfacial momentum flux

5 结论

本文以2006年9月的台风YAGI为例，应用黑潮延伸体附近的KEO浮标观测资料，以海面动力粗糙度长度为切入点，宏观上考虑了海洋飞沫影响因子，定量地分析了海洋飞沫在台风的不同发展阶段对海气界面间湍通量的影响。主要结论如下：

（1）在台风YAGI过境期间，海洋飞沫显著地加剧了海气界面间的热量交换。考虑海洋飞沫作用后，感热通量与潜热通量最大分别增加53.47 W／m2和147.7 W／m2，增加量分别占界面感热通量和界面潜热通量的26%和29%。海洋飞沫对潜热通量的影响更为强烈。

（2）海洋飞沫的作用与周围环境存在关联性。其中海洋飞沫的影响与风速之间存在一定的正相关性，与波龄之间存在一定的负相关性，即飞沫热通量随着风速的增大而增强，随着波龄的增大而减弱。

（3）在台风YAGI过境期间及过境后，飞沫显著的增强了由大气向海洋的动量转移。风速小于20 m／s时，考虑海洋飞沫所增加动量通量约小于界面动量通量两个数量级；当风速达到台风量级后，考虑海洋飞沫所增加动量通量与界面动量通量的大小相当。

（4）各动量通量随风速分布具有较大差异。当风速大于20 m／s，飞沫动量通量及总动量通量随风速的增长率均大于界面动量通量的增长率；当风速大于30 m／s后，海洋飞沫在海气界面形成极限饱和层，使得海洋飞沫动量通量的增长率随风速减小，在此作用下海气界面间总的动量通量的增长率减小。

值得指出的是，本文在上述估算过程中，由于观测数据和理论推导的限制，对估算过程造成一些偏差。未来将结合海洋飞沫增长函数从微观上讨论海洋飞沫湍通量的变化情况，进一步对本文的结果进行改进。

致谢：感谢NOAA提供的黑潮延伸体观测（KEO）浮标观测数据，上海台风研究所的最佳台风路径数据，Reynolds SST数据集提供的海表面温度数据，ECMWF（European Centre for Medium－Range Weather Forecasts）提供的ERA_Interim再分析数据，感谢朱伯承教授给予的指导，同时也对审稿人的宝贵建议表示感谢！

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The effects of sea spray on the air-sea turbulent fluxes during the typhoon passage

Zhang Lianxin1，2，Han Guijun2，Li Wei2，Zhang Xuefeng2，Fu hongli2，Zhang Xiaoshuang2，Shao Caixia2
（1.College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.National Marine Data and Information Service，State Oceanic Administration，Tianjin 300171，China）

The effects of sea spray on the air-sea heat and momentum fluxes have been investigated using the data of Kuroshio extension buoy observation（KEO）and the satellite remote sensing during the passage of typhoon YAGI in the waters south of Japan in September 2006.Firstly，the effects of spray on the air-sea heat fluxes are analyzed quantitatively.The results show that the heat exchanges between the atmosphere and the ocean，especially the latent exchange，are significantly enhanced due to the existence of the spray during the typhoon passage.The impactof the spray on the heat fluxes is stronger with smaller wave age and bigger wind speed.Subsequently，the momentum analysis shows that the spray enhances the momentum transfer from the atmosphere to ocean during the typhoon passage.When the winds reach to the typhoon strength，the spray-induced momentum fluxes are comparable with the interfacial momentum.At such high wind speeds，the ultimate saturation suspension layer formed by the spray droplets in the surface layer can actually restrain the momentum exchange from wind to the sea surface and thus decrease the growth rate of the total momentum fluxes.

sea spray；typhoon；heat fluxes；momentum fluxes

P732.7

A

0253-4193（2014）11-0046-11

2013-06-04；

2014-02-27。

国家973计划课题（2013CB430304）；国家863计划课题（2013AA09A505）；国家自然科学基金（41030854，41106005，41176003，41206178，41306006，41376015，41376013）；国家科技支撑项目（2011BAC03B02－01－04）。

张连新（1985—），女，辽宁省葫芦岛市人，博士研究生，主要海洋数值模拟、海洋再分析等方面研究。E-mail：lxz_nmdis＠163.com

张连新，韩桂军，李威，等.台风期间海洋飞沫对海气湍通量的影响研究［J］.海洋学报，2014，36（11）：46—56，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.006

Zhang Lianxin，Han Guijun，Li Wei，et al.The effects of sea spray on the air-sea turbulent fluxes during the typhoon passage［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：46—56，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.11.006