海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

刘子龙, 史 剑, 蒋国荣, 陈奕德, 张成成

(解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101)

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

刘子龙, 史 剑, 蒋国荣, 陈奕德, 张成成

(解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101)

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证, 发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素, 利用特征波参数化理论, 在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响, 初步数值模拟结果表明, sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后, 模拟精度进一步提升, 这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。

搅拌混合; 海表面温度; WAVEWATCH III; sbPOM

21世纪, 海浪研究得到了世界前所未有的关注,所关注的焦点并非海浪现象本身, 而是海浪对其他海洋动力过程的影响和作用[1]。一般情况下, 海浪通过4种方式影响海流: (1)海浪破碎过程; (2)波浪的搅拌混合过程; (3)波致应力; (4)辐射应力和底部应力等。目前, 国内外已有大批学者从这四个方面展开了海浪对海洋混合层影响的研究。本文仅对海浪搅拌混合对海洋表层温度(sea surface temperature, SST)的影响进行分析和总结。

Yuan等[2]将海水的运动分解成平均运动和扰动运动, 并将扰动运动视为波生运动和湍流运动的叠加。他们借用混合长的概念将波生雷诺应力参数化,得到波生运动导致的混合系数。Qiao等[3]将混合系数加入到一个全球环流模式中发现可以有效地改进对海洋混合层的模拟。夏长水[4]将波致混合系数运用到MASNUM浪流耦合数值模式中对黄海的温度环境场进行了模拟, 也取得了较好的结果。Yang等[5]将搅拌混合系数引入环流模式中对黄海混合层进行模拟, 发现其在冬季作用最强, 且改变了环流模式模拟混合层深度偏浅的缺陷。宋振亚[6]等将混合系数引入到基于MASNUM海浪模式建立的大气-海浪-海洋环流耦合数值模式中, 对近50 a的北太平洋海表温度进行模拟, 从模拟结果的平均SST来看, 发现比大气-洋流耦合模式模拟的北太平洋海表温更合理。

此外, 胡好国等[7]提出利用特征波参数化理论,将海浪引起的垂直涡动动量和热混合系数引入POM模式中, 对渤海、黄海、东海海洋上层进行数值模拟,探究海浪的混合作用, 发现海浪的作用使得海洋上层混合更加均匀。本文在使用环流模式异于前人, 采用先进的并行版sbPOM模式的基础上, 利用胡好国等[7]通过特征波参数化理论计算所得的垂直涡动动量系数和热混合系数, 探究海浪的搅拌混合作用对北太平洋海域不同季节海表面温度模拟的影响。

1 研究方法

1.1 WAVEWATCH III海浪模式简介及设置

WAVEWATCH III[8-9]海浪模式简称 WW3, 基于Tolman[10]的第三代海浪模式WAM发展起来的, 是当前国际上最为成熟的几个海浪模式之一, 具有稳定性好、计算精度高等特点, 目前已成为美国海洋环境预报中心的业务化海浪预报模式。

本文采用NCEP再分析风场数据驱动WW3海浪模式(该数据空间分辨率为1.875°×1.9°, 时间间隔为6 h), 模式地形数据由全球分辨率5′×5′的ETOPO5地形插值得到。模拟了2014年全年的北太平洋海域海浪过程。设置WW3模式考虑风摄入波动、非线性的波波相互作用、白帽耗散和底摩擦等物理过程, 相应的检验参数采用默认值。模拟的区域范围为: 10°S~66°N, 100°~280°E, 空间分辨率为0.5°×0.5°。海浪谱频率分布为 0.041 8~0.41 Hz, 共25个频段, 方向上离散为24个波向, 且方向角分辨率为15°。模式最大全局时间积分步长取为2 400 s, x-y方向和k-theta方向上的时间积分步长都取为1 200 s,源函数时间积分步长最小取为15 s, 本文中取为300 s。

1.2 sbPOM模式简介及设置

本文在对北太平洋海温进行模拟的过程中, 环流模式空间分辨率以及计算的区域的设置和上文WW3模式设置保持一致, 同时, 模式垂向采用40个s层, 在海洋上层采用较高的分辨率, 而在中、深层分辨率较低。模式初始温、盐场取自SODA资料月平均温度和盐度, 全场运动速度取零, 地形同样由全球分辨率为5'5'´的ETOPO5地形插值得到。风场和热通量取自空间分辨率为1.875°×1.9°的NCEP再分析资料中心, 控制模式外模时间步长为20 s, 内模时间步长600 s, 积分2 a, 取第二年积分结果进行分析。

1.3 海浪搅拌混合作用的引入

基于胡好国提出的特征波参数化理论[7], 引入波浪搅拌混合作用探究其对海表面温度场模拟的影响。为了区别, 把海浪引起的垂直涡动动量和热混合系数分别记为wmK和whK, 其表达式分别为:

为了初步探究波浪搅拌混合作用在不同月份于北太平洋的作用情况, 图1给出了海浪搅拌混合作用强度在北太平洋不同月份的月平均空间分布图,主要以2月、5月、8月、11月为例进行分析。从图1中可以看出, 海浪搅拌混合作用在中高纬度作用较明显, 在低纬度地区作用较弱; 从时间上来看, 2月和11月份作用较强, 5月和8月作用较弱。

2 结果及分析

2.1 海浪模式数值试验结果及分析

WW3数值试验, 采用NCEP风场作为模式的输入场, 得到了计算时间范围内每个小时的波浪场要素, 选取有效波高作为检验模式模拟结果可靠性的要素。

本文在美国国家浮标资料中心(National Data Buoy Center, NDBC)选取了6个如图2所示的浮标站点作为验证点, 并以2月、5月、8月、11月为代表月进行分析检验。限于篇幅, 图3仅分别给出了46001, 46002, 51003, 51004四个浮标11月份有效波高模拟值和浮标观测值的对比图。从图3中可以看出, 模式模拟结果较好地吻合了浮标观测有效波高的变化趋势, 即便是在有效波高极大极小值点, 其模拟效果令人也是较为满意的, 偶有出现极大值点模拟值偏低的情况, 如51003号浮标11月17日和25日出现的模拟值偏低情况。造成这种误差的主要原因在于NCEP风场的时空分辨率较低。

将WW3海浪模式模拟结果与NDBC浮标观测值进行比较, 并对结果进行统计分析, 对于浮标因为某些异常而未进行观测或观测数据较少的月份,予以舍弃, 并于表1中以“NaN”表示(表中计算结果通过四舍五入方法精确到小数点后二位)。表中给出的均方根相对误差和相关系数[8], 其定义分别为:

图1 海浪搅拌混合作用强度在北太平洋的空间分布Fig. 1 Spatial distribution of wave-induced mixing intensity in the northern Pacific

图2 北太平洋所选NDBC浮标站点的位置Fig. 2 Position of selected NDBC buoys in the northern Pacific

图3 实验模拟有效波高和浮标实测有效波高的对比图Fig. 3 Comparison of simulated significant wave heights with those from buoy data

式中,rmsE和ofR分别代表均方根相对误差和相关系数,oH和fH分别代表波高的观测值和模拟值, N为样本点的个数。

根据表1统计结果可以得出, 利用NCEP再分析风场驱动WW3海浪模式所得的模拟结果和实测资料结果全年均方根相对误差在20%左右, 相关系数在0.83左右, 且大多数位于0.85以上, 0.80以下的仅有3个, 其最大相关系数可达0.93, 最小也有0.66,总体来说, 基本属于强相关。从时间变化来看, 4个月份均方根相对误差变化不大, 2月较其他月份来说稍微偏大点, 为22%, 其相关系数也为4个月份中最小的, 仅0.80, 而5月相关系数达0.86, 为4个月份中相关性最强。根据对图3和表1的分析, 可以得出, NCEP再分析风场可以作为WW3海浪模式的驱动风场, 其模拟出的有效波高和浮标观测数据基本保持一致。

表1 实验模拟有效波高和浮标实测有效波高的对比Tab. 1 Comparison of simulated significant wave heights with those from buoy data

图4 未考虑搅拌混合模拟月平均SST和再分析月平均SST资料之差在北太平洋的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of monthly mean SST deviations from simulation without wave-induced mixing and reanalysis data in the northern Pacific

2.2 环流模式数值试验结果及分析

对于海流模式sbPOM模式的模拟结果, 同样以2月、5月、8月、11月为例分析海浪搅拌混合作用对北太平洋海表温度模拟的影响。

图4分别给出了4个月份的未考虑海浪搅拌混合作用模拟SST和ECMWF(European Center for Medium Range Weather Forecasts)再分析资料SST之差在北太平洋的分布图, 可以从整体上把握sbPOM模式对北太平洋海温的模拟情况。由图4可以得出,在未考虑海浪搅拌混合的情况下, sbPOM模式已经能够较为正确的模拟出北太平洋海表层的温度。从全年来看, 其模拟的大部分地区, 尤其是北太平洋中部, 误差范围主要控制在±1℃以内; 局部地区, 如大洋沿岸和赤道地区, 模拟温度误差较大, 误差范围在±3℃左右, 其中, 北太平洋东北部和赤道地区年平均模拟温度较低, 而亚洲东岸年平均模拟温度较高。从时间变化来看, 5月和8月这两个月份主要呈现美洲西岸、北太平洋北部和赤道地区模拟温度较实际值低的趋势, 仅有亚洲东岸小部分地区模拟温度较实际值高; 而2月和11月却主要呈现出亚洲东岸模拟温度较实际值高的趋势, 唯有美洲西岸小部地区模拟温度较实际值低, 其中赤道地区11月份仍主要表现为模拟温度较实际值低。

为了定性的分析海浪搅拌混合作用对北太平洋海表温度的影响情况, 图5分别给出了4个月份未加入海浪搅拌混合作用项和加入海浪搅拌混合作用项后模拟北太平洋海表温度差分布图。从全年来看, 波浪搅拌混合作用的引入, 对中高纬度地区影响比较明显, 而对低纬度地区影响较弱, 这和夏长水[4]等提出的Bv在中高纬度海区比hK要大, 在低纬度海区比hK要小相对应, 也正好迎合了由图1得到的结论。局部地区如对大洋沿岸地区作用较为明显, 而对北太平洋中部地区和赤道地区作用较弱。从时间变化上来看, 5月和8月海浪搅拌混合的作用使得北太平洋北部地区模拟温度值变大, 而2月和11月海浪搅拌混合作用使得亚洲东岸模拟值变小, 这些现象的出现, 正好与上文得出的模式模拟误差相对应: 模拟温度较高地区, 如亚洲东岸,搅拌混和的加入使得模拟温度降低; 模拟温度较低的地区, 如北太平洋北部, 搅拌混合作用的引入使得模拟温度增大。一般情况下, 海洋环流模式在考虑波致混合作用后, 会增强海洋上层的混合, 改变海洋中温度的垂直结构, 通常会使得SST降低。但是海表面温度的升高或者降低同时还受到了海洋环流和海气热通量的影响[6,15]。这两个过程都可能使得环流模式在加入搅拌混合项后模拟的温度较原来偏大。在sbPOM模式对北太平洋海表温度进行模拟的过程中, 海浪搅拌混合作用的引入使得海表面混合更加均匀, 模拟出来的海表温度更加准确。

图5 未考虑搅拌混合和考虑搅拌混合模拟月平均SST之差在北太平洋的空间分布Fig. 5 Spatial distribution of monthly mean SST deviations from simulation with and without wave-induced mixing in the northern Pacific

为了能够较为直观地看出搅拌混合作用对北太平洋表层温度的影响, 在美国全球海洋数据同化实验室(USA Global Ocean Data Assimilation Experiment, USGODAE)选取2014年2月27日如图6所示9个浮标站点作为验证点, 对Argo浮标资料探测海表温、未加海浪搅拌混合作用的模拟海表温与加入了搅拌混合作用的模拟海表温进行比较分析, 主要比较表中给出的绝对误差和相对误差, 其定义分别为:

图6 Argo浮标北太平洋分布图Fig. 6 Position of selected Argo buoys in the northern Pacific

式中,RE代表绝对误差,AE代表相对误差,oH和fH分别代表实测海温和模拟海温。

通过对表2进行分析得出, 在未引进海浪搅拌混合作用项的情况下, sbPOM模式可以较为精确的模拟出海表温差, 其温度偏差基本在±1℃左右, 最大温度偏差也仅为2.21℃, 平均绝对误差为0.806℃。在引入搅拌混合作用项以后, 模拟海温值和观测值偏差进一步缩小, 平均绝对误差达到0.644℃, 平均绝对误差提高20.1%。同时, 平均相对误差也由原来的4.07%提高到3.03%。可以得出, sbPOM模式能够较好的模拟北太平洋海表面的温度, 在考虑海浪搅拌混合作用项以后, 其模拟效果能够进一步提升。

表2 北太平洋模拟SST和浮标实测SST的比较Tab. 2 Comparison of simulated and buoy SST data from the northern Pacific

3 结论

本文首先利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,接着针对模拟出的有效波高, 利用NDBC浮标资料对模拟结果进行验证。通过结合海浪模式模拟出的有效波高等海浪基本要素和胡好国提出的特征波参数化理论, 计算出海浪引起的垂直涡动动量系数和热混合系数Kwh, 将海浪搅拌混合作用引入环流模式中, 探究其对北太平洋海表温度模拟的影响。结果表明: (1)从全年时间变化的角度来看sbPOM模式的模拟结果, 主要表现为, 5月和8月两个月份主要呈现出美洲西岸、北太平洋北部模拟温度较ECMWF海表温度值低的趋势; 而2月、11月两个月份主要呈现出亚洲东岸模拟温度较ECMWF海表温度值高的趋势; (2)从全年整体上来看, 波浪搅拌混合作用的引入, 对中高纬度地区影响比较明显, 而对低纬度地区影响较弱, 局部地区如对大洋沿岸地区作用较为明显, 而对北太平洋中部地区和赤道地区作用较弱; (3)sbPOM模式能够较好的模拟出北太平洋海表面的温度, 考虑海浪搅拌混合作用以后, 其模拟精度能够进一步提升, 海浪搅拌混合作用对北太平洋海表面温度的模拟产生了不可忽略的影响。

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Received:Jan. 27, 2016

Influence of wave-induced mixing on a sea surface temperature simulation of the North Pacific

LIU Zi-long, SHI Jian, JIANG Guo-rong, CHEN Yi-de, ZHANG Cheng-cheng
(College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

wave-induced mixing; sea surface temperature; WAVEWATCH III; sbPOM

In this paper, the National Centers for Environmental Prediction reanalysis wind data was used to drive WAVEWATCH III (WW3) to simulate the process of ocean waves in the North Pacific. The simulation results, which were compared with buoy data, show that the significant wave heights from simulation and observation are remarkably consistent. Based on the simulated wave parameters, the significant wave height obtained using WW3, and the theory of the parameterization of feature waves, wave-induced mixing was introduced into the ocean circulation model and its influence on the sea surface temperature in the North Pacific was analyzed. The primary simulation results showed that by considering the wave-induced mixing in the sbPOM model, the accuracy of simulated sea surface temperature has been further improved. This plays an important role in providing accurate lower boundary conditions for atmospheric models.

P732.7

A

1000-3096(2016)12-0131-07

10.11759/hykx20160127001

(本文编辑: 刘珊珊 李晓燕)

2016-01-27;

2016-05-06

江苏省自然科学基金项目(BK20131066); 基于多源资料的海洋三维流场估算技术研究(41306010)

[Foundation: Program of Natural Science Foundation of Jiangsu Province(No.BK20131066); Estimation Technique of Ocean 3D Flow Field Based on Multi Source Data(No.41306010)]

刘子龙(1991-), 男, 湖南常德人, 硕士研究生, 研究方向:海洋动力学与数值模拟, 电话: 18761683583, E-mail: 941117242@ qq.com; 史剑(1981-), 通信作者, 男, 江苏扬州人, 讲师, 研究方向:海洋动力学与数值模拟, 电话: 13813388338