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科研动态

我所科研人员在涌浪对风应力影响研究中取得新进展

时间:2020.11.11 来源:物理海洋室 字号

海面风应力虽已被国内外诸多学者持续研究了半个多世纪,但由于湍流过程的极端复杂性,波浪如何影响风应力尚未形成定论,特别是在低风速(< ~7 m/s)和高风速(> ~25 m/s)情况下。我所物理海洋室乔方利研究员课题组陈胜博士后与美国NOAA张峻教授等合作重点研究了低风速情况下涌浪对风应力的调制作用,并取得新进展。

相对于浮标、船舶等晃动平台观测海气通量带来的诸多不确定性,固定平台具有更为精确的优势。在南海北部茂名博贺海洋气象观测平台,乔方利研究员课题组设计了三层通量观测科学实验,对应高度分别为:8.4 m,12.4 m和15.3 m。该实验表明距海面10 m高度附近存在常动量通量层,进而表明涌浪对上层风应力的调制作用随高度升高而衰减(图1a,b,c)。

图1 不考虑波浪作用的摩擦速度与观测对比(a:8.4 m,b:12.4 m,c:15.3 m)和基于模型修正的三层摩擦速度与观测对比(d)

考虑波致应力及湍流应力,陈胜博士建立了波浪边界层模型。波致应力基于海浪谱计算得到,湍流应力基于一阶湍流闭合方程求解。该模型根据风速以及海浪谱重新计算得到的风应力与观测更加吻合,相关结果于2019年7月发表在《Journal of Physical Oceanography》杂志(https://doi.org/10.1175/JPO-D-18-0266.1)。基于此成果,新发表在《Geophysical Research Letters》杂志的论文提出了一种适用于顺风向涌浪的修正模型,通过考虑湍流应力及波致应力修正了传统的COARE算法所计算的风应力偏差(图1d)。

另外,基于涌浪调制风应力随高度的变化趋势,陈胜博士将三层风应力资料外推可估算出涌浪影响海面应力的最大高度。结果显示:强涌浪影响的高度能够达到45 m,随着风速增强,涌浪影响逐渐降低(图2),这是首次基于观测估算出涌浪对海面大气的影响高度。

图2 基于图1c拟合线的摩擦速度廓线。黑色粗实线代表涌浪可调制风应力的最大高度。风速和波龄展示在图下方。

该研究揭示了海气动量通量受波浪影响的特征,揭示了涌浪对上层风应力的调制机理,提出的简单参数化模型为风应力的更准确估算提供了技术途径。该研究成果于2020年10月发表在国际地球科学TOP期刊《Geophysical Research Letters》杂志(https://doi.org/10.1029/2020GL089883)。


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