鄒仲水,趙棟梁,黃健,李水清,馬昕,盛立芳
(1.中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島 266003;2.中國海洋大學 海洋環(huán)境學院,山東 青島 266100;3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州, 510080)
海-氣界面動量通量的估計方法分析與應(yīng)用
鄒仲水1,2,趙棟梁1,2,黃健3,李水清1,2,馬昕1,盛立芳2
(1.中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島 266003;2.中國海洋大學 海洋環(huán)境學院,山東 青島 266100;3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州, 510080)
首次將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法引入湍流穩(wěn)定性分析,與傳統(tǒng)的線性和滑動平均去勢方法進行了比較,發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法的去勢效果最好。基于“南海平臺通量觀測計劃”(FOPSCS)近兩年的連續(xù)通量觀測數(shù)據(jù),得到了22 476個摩擦速度的估算值,結(jié)果表明,當風速小于5 m/s時,拖曳系數(shù)隨風速增大而減小,而風速大于5 m/s時,拖曳系數(shù)隨風速增大而增大,兩種情形分別反映了黏性表皮摩擦和波浪引起的形狀阻力對海面風應(yīng)力的貢獻。同時發(fā)現(xiàn)短風區(qū)情形的拖曳系數(shù)大于長風區(qū)情形,說明波浪成長狀態(tài)會對海-氣界面動量交換產(chǎn)生影響。
拖曳系數(shù);塊體公式;去勢方法;摩擦速度
大氣和海洋之間的相互作用主要通過海-氣界面的動量、熱量和氣體交換進行,如何準確估計各種不同的通量一直是熱點研究問題,在氣候變化和氣候預(yù)報中占非常重要的地位。
海氣界面的動量通量常用風應(yīng)力τ來表示,依據(jù)渦相關(guān)法,其定義為:
式中,ρa為空氣密度,u′、v′和w′為水平和鉛直方向湍流的脈動值,上橫線代表一段時間的平均值。利用上式計算風應(yīng)力,需要觀測不同時間和空間的湍流脈動,給實際應(yīng)用帶來非常大的困難。
根據(jù)大氣邊界層相似理論,海面附近的動量通量近似為常量,平均風速隨高度以對數(shù)形式變化,在中性穩(wěn)定情形下,平均風速廓線可以寫成:
式中,Uz為海面上高度z處的平均風速,u*為空氣摩擦速度,κ=0.4為von Kármán常數(shù),z0為海面粗糙度??諝饽Σ了俣扰c風應(yīng)力的關(guān)系為τ=ρau2*,為計算方便,通常用海面上10 m高度處的平均風速定義拖曳系數(shù)Cd:
在實際應(yīng)用中,風應(yīng)力通常利用下面的塊體公式進行計算,即:
一般認為,拖曳系數(shù)與海上物理環(huán)境參數(shù)有關(guān),如海上風速、大氣穩(wěn)定度和波浪成長狀態(tài)等。大量的研究發(fā)現(xiàn),拖曳系數(shù)主要受控于海上風速,一般表示為風速的線性函數(shù)[1],即:
式中,系數(shù)a和b由觀測數(shù)據(jù)擬合得到,不同作者給出的結(jié)果差異較大(表1),而當風速很低時,有觀測發(fā)現(xiàn)拖曳系數(shù)隨風速增大而減?。?—4]。除風速外,波浪狀態(tài)如何影響拖曳系數(shù)一直存在爭議[1,5—8],至今尚無統(tǒng)一的觀點。
表1 不同文獻中系數(shù)a、b的值Tab.1 The coefficient a and b at different reference
另一方面,在用渦相關(guān)法計算海氣界面通量時,需要選擇合適的平均時間長度,既要保證湍流運動的穩(wěn)定性,又要保證各態(tài)歷經(jīng)假設(shè),充分考慮不同尺度湍流對通量的貢獻。原因是時間太長將引入中尺度運動,導(dǎo)致湍流的非穩(wěn)態(tài)性,而平均時間太短無法滿足各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)[15]。
在實際應(yīng)用中,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的不同特點,平均時間一般選取5~30 min,同時為消除非穩(wěn)態(tài)的影響,采用不同的去勢方法來保證過程的穩(wěn)定性。通常采用的方法有線性去勢法(linear detrending,LDT)和滑動平均法(running mean filtering,RMF)[16—17],這兩種方法得到了非常廣泛的應(yīng)用。Huang等[18]在1998年提出了一種信號分析方法——經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(empirical mode decomposition,EMD),它把原始信號分解為多個的本征模態(tài),每一個本征模態(tài)對應(yīng)的原始信號中的一種“波動”,這種方法對分析復(fù)雜信號和非平穩(wěn)信號有獨特的優(yōu)越之處,在海洋、地震等信號分析中得到廣泛的應(yīng)用,但沒有見到用于海-氣界面通量計算的報道。
研究表明,觀測數(shù)據(jù)的非穩(wěn)定性會對海-氣通量的估算造成非常大的影響,目前所采用的LDT和RMF均具有很大的缺陷性。本文試圖將EMD引入海-氣界面通量的計算,在此基礎(chǔ)上,分析了長達兩年的連續(xù)通量觀測數(shù)據(jù),給出了近海拖曳系數(shù)隨風速變化的參數(shù)化公式,探討了風區(qū)對拖曳系數(shù)的影響。
為了探討大氣海洋相互作用,研究大氣邊界層的特征,廣州熱帶海洋氣象研究所在廣東茂名博賀近海建成了我國第一個海上綜合觀測平臺(見圖1),海面上平臺總高度53 m,距海岸線最近距離大約6.5 km,平臺處平均水深14 m,具體結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備參照陳蓉等[19]。從2010年9月起,中國海洋大學與廣州熱帶海洋氣象研究所聯(lián)合進行了“南海平臺通量觀測計劃”(flux observation on platform in South China Sea,F(xiàn)OPSCS),對海洋湍流、波浪和海-氣通量進行了綜合和強化觀測,旨在探討海洋大氣邊界層對海-氣界面動量、熱量和氣體通量的影響,試圖給出新的海-氣界面交換過程參數(shù)化方案。
本文采用2010年9月至2012年5月由超聲風速儀測量的三維脈動風速數(shù)據(jù),其采樣頻率為10 Hz,安裝在距海面19 m的位置。為了消除觀測平臺與島嶼的影響,舍去了風向為240°~340°的數(shù)據(jù)。
在進行數(shù)據(jù)處理時,將原始數(shù)據(jù)分為一系列1 h數(shù)據(jù)單元,對每小時的數(shù)據(jù)單元進行以下質(zhì)量控制:(1)若數(shù)據(jù)缺失達到4%,則將該數(shù)據(jù)單元舍棄;(2)對于數(shù)據(jù)異?;虺鑫锢砗侠矸秶狞c舍棄;(3)當數(shù)據(jù)與平均值的差大于3.5倍標準差時,被認為是野點舍去,舍去的點用線性插值方法補充;(4)當野點連續(xù)出現(xiàn)個數(shù)大于4個時,則不認為是野點,所有數(shù)據(jù)將被保留[20]。
超聲風速儀所測得三維風速在所謂的“儀器坐標系”中,由于儀器的傾斜使觀測到的水平風速和垂向風速存在交叉影響,造成通量的計算誤差。這種誤差可以通過Wilczak等[21]提出的平面擬合消除:即利用10 d平均水平、垂直風速,求得儀器平面與海面的傾斜角度和旋轉(zhuǎn)矩陣,然后將觀測到的瞬時風速旋轉(zhuǎn)到與海面平行的坐標系中。
在進行通量計算時,要保證湍流脈動信號是穩(wěn)態(tài)的,否則就需要去除低頻運動,然后再進行計算。在湍流通量計算中,通常用的方法有LDT和RMF。
圖1 茂名海洋觀測平臺位置Fig.1 The location of Maoming Station
LDT的原理是對于一段時間序列,首先獲得該序列的線性回歸曲線,然后從原始序列中減去線性回歸曲線,將得到的結(jié)果用于通量計算。
RMF可以看作為濾波運算的組成部分。濾波為原始序列在函數(shù)窗口時間尺度范圍的卷積,本文選擇RC濾波器[16,22],通過選取合適時間尺度可以得到不同的低頻信號,用原始信號減去低頻信號即可得到穩(wěn)態(tài)信號。
LDT和RMF相當于濾波器,它們的濾波特性可以從傳遞函數(shù)看出:在某一頻率上傳遞函數(shù)為1時,表明濾波器對該頻率沒有影響,相反,當傳遞函數(shù)為0時,說明完全濾掉該頻率。Rannik和Vssala[23]、Moncrieff等[24]給出了LDT和RMF的傳遞函數(shù),如圖2所示,從中可以看出兩種方法并不像矩形波那樣具有陡峻的截止頻率;隨著頻率的增大,LDT能迅速的從阻帶過渡到通帶,但在高頻區(qū)會形成劇烈震蕩;在高頻區(qū)域RMF相對LDT平滑,但在低頻區(qū)保留了較多的低頻信號。
通過傳遞函數(shù)可以選擇濾波器窗口寬度:給定傳遞函數(shù)一個值,并給出濾波范圍,就可以得到相應(yīng)的窗口寬度。如圖2 LDT和RMF的兩個傳遞函數(shù)在1/600 Hz(Gap scale,由下文Ogive曲線給出)附近的值近似為0.92,此時窗口寬度分別為900 s和320 s,這樣兩種方法對于頻率高于1/600 Hz運動同時保留了92%以上,而頻率低于1/600 Hz的運動被濾掉。
圖2 LDT和RMF的傳遞函數(shù)LDT和RMF窗口分別為900 s和320 sFig.2 The transfer function of LDT and RMF;the window is 900 s and 320s for LDT and RMF respectively
EMD可以將信號分解為一系列的本征模態(tài),本征模態(tài)由高到低對應(yīng)著原始信號中低頻到高頻信息,所有的本征模態(tài)之和即為原始信號。通過去除信號中的低頻模態(tài),可以去掉信號中的低頻運動,從而可以使信號達到穩(wěn)態(tài)。我們試圖利用EMD的這一性質(zhì)引入湍流通量信號的計算。EMD每一個模態(tài)是根據(jù)極值個數(shù)與跨零點個數(shù)獲得的,因此在用EMD濾波時也根據(jù)極值個數(shù):如一個模態(tài)中含有12個極值,并假定每相鄰兩個極大值為一個完整周期,那么該模態(tài)可以認為包含運動的平均頻率為1/600 Hz,從原始信號中減掉極值個數(shù)小于12的所有模態(tài),就可以獲得不含有頻率低于1/600 Hz穩(wěn)態(tài)運動。
在進行通量計算時,原則上應(yīng)該進行集合平均,但在實際觀測中,不可能嚴格進行重復(fù)實驗,所以需要利用各態(tài)歷經(jīng)假設(shè),用時間平均來代替集合平均,如何選取時間平均尺度變得非常重要,應(yīng)使計算的通量包括儀器所能分辨的最小尺度到平均時間尺度的所有尺度的運動,由于大氣運動包括大范圍的不同尺度的運動,該平均時間尺度的選取并不是顯而易見的。
湍流通量計算的時間平均尺度可以通過分析Ogive曲線獲得。Ogive曲線最早由Desjardin等[25]和Oncley等[26]引入湍流通量分析中,表示不同尺度的運動對整體通量的貢獻。從高頻到某一低頻頻率f0的積分兩個變量的協(xié)譜:
可得到Ogive曲線Og(f),式中f為頻率,Co為兩個變量的協(xié)譜。圖3實線給出了原始信號主風向和垂向風速Ogive曲線隨積分頻率的變化,隨著頻率降低曲線會有以下表現(xiàn)形式:(1)快速下降;(2)快速上升;(3)保持不變,其中第3種情況表示低頻運動對通量的貢獻為零。出現(xiàn)上述3種情況時的時間尺度即為Gap scale。圖3實線顯示,對于平臺數(shù)據(jù),該Gap scale大約為600 s(圖中垂線),即在通量計算中需要濾掉周期大于600 s的運動。圖3還給出了經(jīng)過3種方法去勢后的Ogive曲線,可以看出經(jīng)過濾波后,Ogive曲線在Gap scale左側(cè)變的相對平穩(wěn),但不同的方法不盡相同,EMD給出的結(jié)果最為平穩(wěn)。
為了進一步說明EMD方法的可靠性,進行了數(shù)值模擬實驗。
在模擬實驗中,各種方法的設(shè)置如下:LDT和RMF的窗口寬度為900 s和320 s,EMD濾掉極值個數(shù)小于12的所有模態(tài),模擬實驗按照以下步驟進行:
(1)選擇1 h主風向和垂向風速數(shù)據(jù),先后用LDT、RMF、EMD去勢方法濾掉頻率低于Gap scale的運動;
(2)計算(1)中每15 min的摩擦速度u*0,并將其作為真實值;
圖3 主風向和垂向風速Ogive曲線隨積分頻率的變化Fig.3 The change of Ogive curve of the main wind and vertical velocity with the integration frequency
(3)在(1)中主風向上加載如圖4所示的兩種非穩(wěn)態(tài)信號,再分別用LDT、RMF和EMD去掉信號中頻率低于Gap scale的運動;
(4)計算式(3)中去勢穩(wěn)態(tài)信號的摩擦速度u*EMD、u*LDT、u*RMF,并與式(2)中的u*0作對比。
對1 h主風向數(shù)據(jù)濾波后,可得到不含頻率低于Gap scale的信號,這樣使得真實摩擦速度不受低頻運動的影響;先后用LDT、RMF和EMD濾波,可以保證得到的真實摩擦速度不依賴某一種去勢方法;最后,加載兩種信號的頻率都低于Gap scale,用來模擬低頻信號的影響。
不同去勢方法得到的摩擦速度與真實信號的摩擦速度對比如圖4所示,從中可以看出去勢方法對結(jié)果的影響很大,加載信號的不同也會造成結(jié)果的不同。對比圖中兩組LDT和RMF,可以看出RMF的誤差比LDT的大,這可能是由于RMF在濾波過程中保留了更多的低頻信息(見圖2)。圖4d、4e、4f顯示,當加載信號較簡單時,EMD與LDT的RMS接近,而加載的信號較復(fù)雜時(見圖4a、4b、4c),EMD比LDT小的多。綜合圖4中的RMS可以看出EMD在去除低頻信號中比其他兩種方法要好。圖3中去勢后的Ogive曲線也證明了這一點,3個Ogive曲線顯示在Gap scale左側(cè)EMD的結(jié)果最平穩(wěn),而RMF保留了最多的低頻運動影響。
圖4 3種去勢方法EMD、LDT和RMF模擬結(jié)果對比Fig.4 Comparision of three detrending methods:EMD,LDT and RMF
對原始數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量控制、野點去除和坐標旋轉(zhuǎn)矯正后,用3種方法去除三維風速上低頻運動,將得到的穩(wěn)態(tài)序列用式(1)每15 min計算一次動量通量;一般拖曳系數(shù)寫成海面以上10 m風速的表達式,故利用式(2)將19 m高度風速轉(zhuǎn)換為10 m,之后用式(3)得到海表的拖曳系數(shù)。本文獲得了2010年9月至2012年5月共33 164個拖曳系數(shù),為了消除涌浪對拖曳系數(shù)的影響,從中剔除了動量通量大于零的情況,其約占總量的32%左右,余下22 476個數(shù)據(jù)。通量大于零的情況大都發(fā)生在風速較小時候,此時剪切產(chǎn)生的向下湍流通量被涌浪產(chǎn)生的向上湍流通量所抵消,因而在計算拖曳系數(shù)時會造成較大誤差。
根據(jù)海面粗糙度雷諾數(shù)R*=u*z0/ν的大小,可將海面粗度分為動力學光滑或粗糙類型,其中ν為空氣運動學黏滯系數(shù)。一般認為,當R*≤0.135時,海面為動力學光滑的,當R*≥2.5時,海面為動力學粗糙的,介于兩者之間的為過渡狀態(tài)[27—28]。R*與風速的關(guān)系如圖5所示,可以看出當風速大于8 m/s時,海面可認為是動力學粗糙的,不同的去勢方法給出的結(jié)果大致相同。
圖6給出摩擦風速u*與U10之間的關(guān)系。當風速大于8 m/s時,u*與U10風速之間呈線性關(guān)系,3種去勢方法給出的擬合結(jié)果比較一致,EMD方法給出的相關(guān)系數(shù)最大,與Andreas等[29]結(jié)果相近。
圖7給出了EMD獲得拖曳系數(shù)與風速的關(guān)系,盡管有些點比較離散,但可以看出明顯的趨勢。為了明確給出拖曳系數(shù)隨風速的變化趨勢,取1 m/s為平均子區(qū)間,對每個子區(qū)間內(nèi)的拖曳系數(shù)進行平均,圖8給出了對拖曳系數(shù)進行平均的結(jié)果,可以看出拖曳系數(shù)在5 m/s處達到極小值。即當風速較小時,拖曳系數(shù)隨風速增大而減?。?0—31],此時分子黏性次層起主要重要作用,海面為動力學光滑狀態(tài),主要由表皮摩擦提供風應(yīng)力,隨著風速的增大,分子黏性次層被破壞,風浪逐漸成長,遮攔效應(yīng)增強,此時海面粗糙度主要由短重力波貢獻,主要由形狀阻力提供風應(yīng)力,拖曳系數(shù)隨風速增大而增大。
為了得到定量結(jié)果,對拖曳系數(shù)進行擬合(見圖8),發(fā)現(xiàn)當風速小于5 m/s時,拖曳系數(shù)和風速的對數(shù)之間滿足線性關(guān)系,而當風速大于5 m/s時,拖曳系數(shù)與風速呈線性關(guān)系,隨風速增大而增大,具體表達式如下:
圖5 海面粗糙度雷諾數(shù)與風速的關(guān)系Fig.5 Relationship between Reynolds number of sea surface roughness and wind speed
圖6 摩擦速度與風速關(guān)系Fig.6 The relationship of friction velocity and wind speed
圖7 拖曳系數(shù)與風速的關(guān)系Fig.7 Relationship between drag coefficient and wind speed
以往對低風速的研究很少,主要集中在風速5~20 m/s區(qū)間,本文的結(jié)果與Smith[9]的結(jié)果相近。
圖8 拖曳系數(shù)的平均值和擬合結(jié)果Fig.8 The averaged drag coefficient and results from curve fitting
為研究拖曳系數(shù)與風區(qū)的關(guān)系,按風的來向分為長風區(qū)和短風區(qū)兩種情形,如果風從海上吹來認為是長風區(qū),風向在80°~240°范圍內(nèi),如果風從陸地吹來則認為是短風區(qū),風向在340°~80°范圍。在2010年9月至2012年5月內(nèi),長風區(qū)情形約占39%,且風速相對較小。由于高風速情形的數(shù)據(jù)較少,數(shù)據(jù)不具有代表性,下面僅考慮風速在12 m/s以下時的情況。圖9a中的實線和虛線分別為短風區(qū)和長風區(qū)的拖曳系數(shù)與風速的關(guān)系,圖中顯示,長風區(qū)和短風區(qū)拖曳系數(shù)趨勢時是相同的,即先減小后增大,但是長風區(qū)的拖曳系數(shù)較短風區(qū)的小。
圖9b給出了短風區(qū)與長風區(qū)拖曳系數(shù)之差,其中實線為本文結(jié)果,在風速大于12 m/s時,短風區(qū)拖曳系數(shù)并不比長風區(qū)的大,在3~12 m/s本文拖曳系數(shù)之差基本保持不變,而Mahrt等[32]和Frederickson等[33]的結(jié)果隨著風速的增大而增加。
圖9 拖曳系數(shù)與風區(qū)的關(guān)系(a)和短風區(qū)與長風區(qū)拖曳系數(shù)之差(b)Fig.9 The relationship between drag coefficient and fetch(a)and the difference of drag coefficients with short and long fetch(b)
準確估算海-氣界面湍流通量對大氣海洋相互作用、海洋環(huán)流、海浪預(yù)報以及氣候變化研究至關(guān)重要,渦相關(guān)法是估計海-氣界面通量最直接的方法,其前提要求湍流保持相對穩(wěn)定性,為滿足這一要求,傳統(tǒng)上采用線性和滑動平均方法去除湍流脈動數(shù)據(jù)中的趨勢影響,首次將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法引入去勢過程,并與上述兩種傳統(tǒng)方法進行比較,發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法表現(xiàn)最好。
在上述分析的基礎(chǔ)上,利用Ogive曲線方法確定了FOPSCS通量觀測數(shù)據(jù)的時間平均尺度為600 s,該時間尺度能夠反映不同尺度運動對湍流的貢獻。分別用線性、滑動平均和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解3種方法去除趨勢項對湍流通量計算的影響,得到長達近兩年的拖曳系數(shù)觀測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,當風速小于5 m/s時,拖曳系數(shù)隨風速增大而減小,反映了粘性邊界層引起的表皮摩擦對風應(yīng)力的貢獻,而當風速大于5 m/s時,拖曳系數(shù)隨風速增大而增大,反映了由波浪引起的形狀阻力對風應(yīng)力的貢獻,通過數(shù)值擬合給出了拖曳系數(shù)與風速之間的關(guān)系式。進一步的分析表明,拖曳系數(shù)還與風區(qū)長度或波浪成長狀態(tài)有關(guān),發(fā)現(xiàn)短風區(qū)的拖曳系數(shù)大于長風區(qū)情形,說明不同的波浪成長狀態(tài)會對拖曳系數(shù)產(chǎn)生影響。
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The analysis and application of estimation methods for air-sea interface momentum flux
Zou Zhongshui1,2,Zhao Dongliang1,2,Huang Jian3,Li Shuiqing1,2,Ma Xin1,Sheng Lifang2
(1.Key Laboratory of Physical Oceanography,Ocean University of China,Ministry of Education,Qingdao 266003,China;2.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;3.Guangdong Institute of Tropical and Marine Meteorology,China Meteorological Administration,Guangzhou 510080,China)
The empirical mode decomposition(EMD)method is introduced to analyze the stability of turbulence for the first time and is compared with the traditional detrending methods,like linear detrending(LDT)and running mean filtering(RMF).The results show that EMD is the most reliable method to obtain momentum flux at the air-sea surface.Based on about two years of data from Flux Observation on Platform in South China Sea(FOPSCS)project,22 476 friction velocities were obtained.It was found that when the wind speed is less than 5 m/s,the drag coefficient decreases with the increase of wind speed;whereas,the trend is opposite when wind speed is greater than 5 m/s.These two different cases reflect the contribution to the wind stress from the roughness generated by viscous boundary-layer and wave-induced form drag,respectively.Further analysis shows that the drag coefficient with limited fetch condition is larger than that with unlimited fetch,which revealed the wave age can also influence the momentum exchange at the air-sea surface.
drag coefficients;bulk parameterization formula;filtering method;friction velocity
P732.6
A
0253-4193(2014)09-0075-09
鄒仲水,趙棟梁,黃健,等.海-氣界面動量通量的估計方法分析與應(yīng)用[J].海洋學報,2014,36(9):75—83,
10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.009
Zou Zhongshui,Zhao Dongliang,Huang Jian,et al.The analysis and application of estimation methods for air-sea interface momentum flux[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2014,36(9):75—83,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.009
2013-10-15;
2014-01-15。
國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(2009CB421201);國家自然科學基金項目(41076007,41276015,41276009);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY200906008);教育部博士點基金專項項目(20120132110004)。
鄒仲水(1989—),男,山東省萊蕪市人,主要從事海氣界面通量研究。E-mail:zouzhongshui@126.com