ISSN 1004-4965

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海气界面动量通量算法的改进

王晨迪 费建芳 丁菊丽 胡瑞卿 周祖刚 田斌

王晨迪, 费建芳, 丁菊丽, 胡瑞卿, 周祖刚, 田斌. 海气界面动量通量算法的改进[J]. 热带气象学报, 2017, 33(5): 627-636. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.006
引用本文: 王晨迪, 费建芳, 丁菊丽, 胡瑞卿, 周祖刚, 田斌. 海气界面动量通量算法的改进[J]. 热带气象学报, 2017, 33(5): 627-636. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.006
Chen-di WANG, Jian-fang FEI, Ju-li DING, Rui-qing HU, Zu-gang ZHOU, Bin TIAN. IMPROVEMENT TO THE AIR-SEA MOMENTUM FLUX ALGORITHM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(5): 627-636. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.006
Citation: Chen-di WANG, Jian-fang FEI, Ju-li DING, Rui-qing HU, Zu-gang ZHOU, Bin TIAN. IMPROVEMENT TO THE AIR-SEA MOMENTUM FLUX ALGORITHM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(5): 627-636. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.006

海气界面动量通量算法的改进

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.006
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41205004

国家自然科学基金项目 41230421

国家自然科学基金项目 41105065

国家自然科学基金项目 41105075

国家自然科学基金项目 41405009

详细信息
    通讯作者:

    丁菊丽,女,江苏省人,讲师,博士,主要从事中尺度气象学研究,E-mail:dingjl1983@163.com

  • 中图分类号: P73

IMPROVEMENT TO THE AIR-SEA MOMENTUM FLUX ALGORITHM

  • 摘要: COARE(Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment)算法是国际上较先进的计算海气界面通量的算法。最新的COARE 3.0算法包含TY01方案和O02方案两种考虑真实海浪状态的海面空气动力学粗糙度方案;当有效波高和谱峰周期缺省时,利用Taylor01风浪特征量参数化方案可对它们进行参数化。在此基础上引入自主设计的WHP(Wind-wave significant wave Height and dominant wave Period)风浪特征量参数化方案和三种海面空气动力学粗糙度方案,即SCOR方案、GW03方案、PYP07方案以及更简单的Andreas12、Vickers15摩擦速度算法,利用NDBC(National Data Buoy Center)浮标数据、解放军理工大学风浪流水槽实验数据,针对中高风速条件(10 m/s≤U10≤25 m/s)比较上述方案对摩擦速度的预测效果。结果表明:WHP方案在COARE 3.0算法中的应用效果优于Taylor01方案,且新引入的SCOR、GW03、PYP07海面粗糙度方案对风浪特征量的观测误差敏感性更小、稳定度更高;水槽实测数据的对比结果表明,WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案计算的摩擦速度与实测值最接近;引入其他三种实测数据的检验结果表明,原始COARE 3.0算法会低估摩擦速度,而WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案能更准确地预测摩擦速度随10 m风速的增长趋势。

     

  • 图  1  浮标站所在位置

    图  2  水槽中下挂横杆仪器安装位置示意图

    图  3  海面10 m风速U10在4~25 m/s范围内风浪的逐小时有效波高Hs(灰点)和0.5 m/s区间内有效波高的平均值(黑点)以及由平均值拟合出的WHP参数化方案(实线)对有效波高的预测曲线

    图  4  海面10 m风速U10在4~25 m/s范围内对应的风浪无量纲周期T*、无量纲波高H*(灰点)和无量纲波高的平均值(黑点)以及由平均值拟合出的WHP参数化方案(实线)对谱峰周期的预测曲线

    图  5  COARE算法计算流程示意图

    图  6  海面10 m风速在4~25 m/s范围内的有效波高(a)和谱峰周期(b)的实测值(实线)与WHP方案(虚线)、Taylor01方案(点画线)的预测值比对        每隔2 m/s取一个有效波高和谱峰周期的平均值,误差棒代表相对于这些平均值的标准偏差,其上的数字代表各个区间对应的样本数。

    图  7  海面10 m风速在10~25 m/s范围内的WHP方案结合PYP07海面粗糙度方案(黑点)和原始COARE 3.0算法(灰星号)对摩擦速度的预测值与实测值比对实线为1: 1关系线。

    图  8  海面10 m风速在10~25 m/s范围内的WHP方案(灰虚线)和Taylor01方案(灰点画线)结合TY01(a)、O02(b)、SCOR(c)、GW03(d)、PYP07(e)海面粗糙度方案对摩擦速度的预测值以及Andreas12方案(灰虚线)和Vickers15方案(灰点划线)对摩擦速度的预测值(f)与实测值(实线)的比对

    每隔2 m/s取一个摩擦速度的平均值,误差棒代表相对于这些平均值的标准偏差,其上的数字代表各个区间对应的样本数。

    图  9  海面10 m风速在10~25 m/s范围内的WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案(黑点)和原始COARE 3.0算法(灰星号)对摩擦速度的预测值与实测值比对

    实线为1:1关系线。

    图  10  海面10 m风速在10~25 m/s范围内的WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案(实线)和原始COARE 3.0算法(灰点画线)对摩擦速度的预测曲线与四种实测数据的摩擦速度观测值的比对

    表  1  5种海面空气动力学粗糙度方案和2种摩擦速度算法

    方案名称 公式
    TY01 ${z_0} = 1\; 200{H_s}{\left({{H_s}/{L_p}} \right)^{4.5}} + 0.11\nu /{u_*}$
    O02 ${z_0} = 25{L_p}{\left({{u_*}/{C_p}} \right)^{4.5}}/\pi + 0.11\nu /{u_*}$
    SCOR ${z_0} = \beta u_*^2/g + 0.11\nu /{u_*}$ ,其中, $\beta = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0.03\left({{C_p}/{u_*}} \right)\exp \left({ -0.14{C_p}/{u_*}} \right)} & {\left({0.35 < {C_p}/{u_*} < 35} \right)}\\ {\; \; \; \; 0.008} & {\left({{C_p}/{u_*} \ge 35} \right)} \end{array}} \right.$
    GW03 ${z_0} = 10\exp \left[ { -k{{\left({B/2\pi {a_1}} \right)}^{1/2}}{{\left({{C_p}/{u_*}} \right)}^{1/4}}} \right] + 0.11\nu /{u_*}$ $\left({k = 0.4, 2\pi {a_1}, B = 7.2 \times {{10}^{ -3}}} \right)$
    PYP07 $\ln \left({{z_0}/{H_s}} \right) = 2.82\ln \left({{u_*}/{C_p}} \right) -0.295$
    Andreas12 ${u_*} = 0.0583\; {U_{10n}} -0.243$
    Vickers15 ${u_*} = f\left(U \right)h\left({{R_b}} \right)\; \; \left({f\left(U \right) = 0.17 -0.019U + 0.0042{U^2} -8.4 \times {{10}^{ -5}}{U^3}, {R_b} = \frac{{\left({{\theta _v} -{\theta _s}} \right){\rm{gz}}}}{{{\theta _v}{U^2}}}, h\left({{R_b}} \right) = \left\{ \begin{array}{l} {\left({1 -60{R_b}} \right)^{0.1}}, {R_b} < 0\\ {\left({1 + 60{R_b}} \right)^{0.2}}, {R_b} > 0 \end{array} \right.} \right)$
    下载: 导出CSV

    表  2  WHP和Taylor01风浪特征量参数化方案结合5种不同海面粗糙度方案计算摩擦速度u*的归一化标准误差

    NSEE WHP Taylor01
    TY01 0.130 1 0.159 7
    O02 0.119 1 0.167 7
    SCOR 0.075 8 0.115 0
    GW03 0.076 5 0.105 2
    PYP07 0.060 7 0.084 1
    下载: 导出CSV

    表  3  12种方案计算摩擦速度u*的归一化标准误差

    方案 海面粗糙度方案 风浪特征量参数化方案WHP 风浪特征量参数化方案Taylor01
    TY01 0.318 8 0.365 3
    O02 0.333 7 0.374 0
    COARE 3.0 SCOR 0.307 1 0.343 2
    GW03 0.398 9 0.430 8
    PYP07 0.376 4 0.402 2
    Andreas12 0.359 4
    Vickers15 0.434 4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-22
  • 修回日期:  2016-11-28
  • 刊出日期:  2017-10-01

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