海浪對(duì)海氣界面風(fēng)應(yīng)力影響的研究進(jìn)展

王 健

（大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116001）

海面風(fēng)應(yīng)力作為上層海洋和下層大氣相互作用的關(guān)鍵邊界條件，一直是海洋和大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。海洋、大氣乃至海氣耦合模式的發(fā)展均依賴于海氣界面物理過(guò)程的科學(xué)認(rèn)知程度。動(dòng)量通量作為關(guān)鍵物理過(guò)程之一，其計(jì)算方案的準(zhǔn)確性很大程度決定了模式的發(fā)展。

關(guān)于風(fēng)應(yīng)力的機(jī)理研究雖已逾半個(gè)多世紀(jì)，但因小尺度湍流脈動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，其準(zhǔn)確計(jì)算仍存在諸多不確定性。海浪雖由風(fēng)產(chǎn)生，但由于海浪與小尺度湍流存在尺度重疊（Sun et al, 2015），其又反作用于風(fēng)場(chǎng)中的湍流，進(jìn)而調(diào)制風(fēng)應(yīng)力（Hristov et al, 2003）。波湍相互作用的強(qiáng)非線性，加上對(duì)波浪和湍流同步觀測(cè)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏，為研究風(fēng)應(yīng)力過(guò)程帶來(lái)頗多困難。前期對(duì)海面風(fēng)應(yīng)力的研究多集中于風(fēng)應(yīng)力大小，提出多種形式的拖曳系數(shù)參數(shù)化方案來(lái)計(jì)算風(fēng)應(yīng)力（Yelland et al, 1996;Guan et al, 2004; 鄒仲水等, 2014），但這些方案差異性大且不具備普適性。此外，風(fēng)應(yīng)力作為矢量，其方向尤為重要（Ly, 1993），但常常被忽略。風(fēng)應(yīng)力的方向往往與風(fēng)向不一致，多歸咎于海浪傳播方向與風(fēng)向存在夾角，該不一致性在中低風(fēng)速條件下尤為顯著（Rieder et al, 1994; Grachev et al, 2003）。對(duì)于風(fēng)應(yīng)力的研究多基于海上觀測(cè)。高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)是研究海氣通量的基礎(chǔ)。船舶及浮標(biāo)搭載系統(tǒng)對(duì)通量的觀測(cè)會(huì)受海浪影響，其晃動(dòng)會(huì)影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，且船體的阻擋導(dǎo)致大部分?jǐn)?shù)據(jù)不可用（Miller et al, 2008）。海上固定觀測(cè)塔的優(yōu)勢(shì)得以彰顯，塔基觀測(cè)穩(wěn)定，無(wú)晃動(dòng)，能獲取高質(zhì)量的觀測(cè)資料，為研究海氣通量提供了新契機(jī)。

針對(duì)風(fēng)應(yīng)力矢量，研究其大小和方向與海浪狀態(tài)的密切相關(guān)性，將有助于對(duì)關(guān)鍵物理過(guò)程及其相互作用的科學(xué)認(rèn)知。因此，本文重點(diǎn)回顧了海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力矢量影響方面的研究進(jìn)展，并梳理了亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

1 海氣界面風(fēng)應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

風(fēng)應(yīng)力的本質(zhì)是海洋與大氣之間水平動(dòng)量的垂向輸送，表征了海洋與大氣之間的摩擦拖曳效應(yīng)，其根源在于大氣湍流。因此，海面風(fēng)應(yīng)力的研究長(zhǎng)期以大氣湍流中的Monin-Obukhov相似理論以及常通量層假設(shè)為基礎(chǔ)框架，并一直沿用至今，但面臨挑戰(zhàn)（Jiang et al, 2016; Mahrt et al, 2018）。風(fēng)應(yīng)力實(shí)質(zhì)上是張量，在水平均一假設(shè)前提下，退化為一矢量，其大小和方向被諸多學(xué)者分別研究。因此，本文從風(fēng)應(yīng)力的量值大小和方向兩方面入手，回顧海浪在風(fēng)應(yīng)力矢量研究與計(jì)算過(guò)程中的作用以及研究現(xiàn)狀。

1.1 海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力大小的影響

在假定風(fēng)應(yīng)力矢量沿風(fēng)向的前提下，通常對(duì)拖曳系數(shù)或粗糙長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行參數(shù)化，而后通過(guò)拖曳系數(shù)與風(fēng)速平方的乘積來(lái)計(jì)算風(fēng)應(yīng)力，并將其作為邊界條件應(yīng)用于海洋與大氣數(shù)值模式。最初研究表明拖曳系數(shù)CD只與風(fēng)速U10有關(guān)（U10為海表面 10 m 高度處的風(fēng)速），并且在5～25 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，CD與U10呈線性增加關(guān)系。該領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)者Large 和Pond（1981）、Yelland和Taylor（1996）及國(guó)內(nèi)學(xué)者鄒仲水等（2014）等都給出了線性關(guān)系，然而線性系數(shù)各不相同，其受限于不同海區(qū)，甚至不同觀測(cè)數(shù)據(jù)。并且，在低風(fēng)速（＜～5 m/s）和高風(fēng)速（＞～25 m/s）下，拖曳系數(shù)并不能準(zhǔn)確刻畫真實(shí)的風(fēng)應(yīng)力特征。Drennan等（1999）和鄒仲水等（2014）等觀測(cè)到拖曳系數(shù)在低風(fēng)速下顯著分散，Powell等（2003）和Zhao等（2015）基于外海和近岸的通量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速大于34 m/s和24 m/s時(shí)，拖曳系數(shù)飽和甚至減小，風(fēng)速臨界值受諸如水深、地形等多種因素影響。

考慮到海表面存在海浪起伏，海浪狀態(tài)會(huì)顯著影響海氣界面風(fēng)應(yīng)力。Taylor和Yelland（2001）采用波高和波陡因子、Oost等（2002）采用波長(zhǎng)及波齡因子來(lái)對(duì)粗糙長(zhǎng)度或拖曳系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化。兩者作為國(guó)際著名的風(fēng)應(yīng)力算法，即COARE（Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment）算法沿用至今，但與實(shí)際觀測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，COARE算法在準(zhǔn)確刻畫風(fēng)應(yīng)力時(shí)仍存在明顯缺陷，特別是對(duì)高風(fēng)速條件下風(fēng)應(yīng)力的計(jì)算。Andreas（2004）認(rèn)為高風(fēng)速下波浪破碎產(chǎn)生的飛沫會(huì)引起拖曳系數(shù)的下降，史劍等（2013）基于Andears提出的飛沫動(dòng)量通量公式，研究表明拖曳系數(shù)會(huì)受飛沫影響而減小。拖曳系數(shù)會(huì)受涌浪影響呈現(xiàn)分散特征，Patton 等（2019）通過(guò)大渦模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證實(shí)拖曳系數(shù)的顯著分散依賴于涌浪傳播與風(fēng)向的不一致性。

以上研究明確了海浪對(duì)拖曳系數(shù)或風(fēng)應(yīng)力大小的影響是極為顯著的，拖曳系數(shù)參數(shù)化風(fēng)應(yīng)力可通過(guò)考慮海浪作用得以改進(jìn)，但其在定量方面仍存在不足。因此，有必要探索一種包含海浪與湍流物理過(guò)程的計(jì)算方案來(lái)準(zhǔn)確合理地計(jì)算風(fēng)應(yīng)力。在探索風(fēng)應(yīng)力計(jì)算方案過(guò)程中，諸多學(xué)者并不從拖曳系數(shù)的角度入手，而是通過(guò)直接將波浪誘導(dǎo)的應(yīng)力（波致應(yīng)力）與風(fēng)生雷諾應(yīng)力（湍流應(yīng)力）相加來(lái)計(jì)算風(fēng)應(yīng)力（Semedo et al, 2009; Zou et al, 2018; Chen et al, 2019; Chen et al, 2023）。風(fēng)浪和涌浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的調(diào)制效果存在差異。Janssen（1992）指出風(fēng)浪產(chǎn)生的波致應(yīng)力對(duì)風(fēng)應(yīng)力有正反饋，使得風(fēng)應(yīng)力增大，Chen等（2023）利用渤海塔基平臺(tái)的海浪與風(fēng)應(yīng)力的同步觀測(cè)資料，揭示了風(fēng)浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的增大作用；而Hanley和Belcher（2008）研究表明順風(fēng)向涌浪致應(yīng)力為負(fù)值，引起總應(yīng)力減小，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)的風(fēng)應(yīng)力，Semedo等（2009）、Song等（2015）及Chen等（2020c）也都證實(shí)了這一點(diǎn)。已有觀測(cè)表明在低風(fēng)速?gòu)?qiáng)涌浪條件下，順風(fēng)向涌浪會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量由海洋向大氣輸送，產(chǎn)生負(fù)的風(fēng)應(yīng)力（Grachev et al, 2001）。然而，逆風(fēng)向涌浪會(huì)引起風(fēng)應(yīng)力的增加（Donelan et al, 1996）。因此，研究風(fēng)浪和涌浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的調(diào)制機(jī)理有助于準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)應(yīng)力。

1.2 海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力方向的影響

迄今為止，風(fēng)應(yīng)力矢量與風(fēng)向的不一致性常被忽略，然而已有研究已經(jīng)表明風(fēng)應(yīng)力方向往往與風(fēng)向不一致，兩者夾角對(duì)風(fēng)應(yīng)力計(jì)算有顯著影響。Ly （1993）通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出10°～20°的應(yīng)力偏離風(fēng)向角度會(huì)導(dǎo)致拖曳系數(shù)減少10%～20%。

Geernaert（1988）理論推導(dǎo)出風(fēng)應(yīng)力矢量偏離風(fēng)向的角度一般不超過(guò)5°，然而，其觀測(cè)發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力矢量偏離風(fēng)向能接近30°。Rieder 等（1994）通過(guò)外海觀測(cè)發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力矢量整體集中在風(fēng)向與波向之間，但其數(shù)據(jù)有限。Giovanangeli 等（1994）的風(fēng)浪水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)應(yīng)力方向依賴于涌浪方向。即使在高風(fēng)速條件下，風(fēng)應(yīng)力也會(huì)與風(fēng)向偏離。Chen等（2013）基于海洋-大氣-海浪耦合數(shù)值模式研究了颶風(fēng)條件下的風(fēng)應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)涌浪會(huì)使得風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向，角度可達(dá)25°。Potter 等（2016）利用臺(tái)風(fēng)Chaba期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力矢量會(huì)受涌浪調(diào)制而偏離平均風(fēng)向，最大可達(dá)35°，且基本在風(fēng)向與譜峰波向之間。Hsu等（2017）的觀測(cè)表明在風(fēng)速高達(dá)30～45 m/s范圍內(nèi)，由于橫風(fēng)向拖曳系數(shù)的存在，風(fēng)應(yīng)力會(huì)偏離風(fēng)向約20°。他們又用5個(gè)熱帶氣旋的觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了這一偏離（Hsu et al, 2019），并指出海表面波浪場(chǎng)的空間變異性起著決定作用。Zou 等（2019）通過(guò)理論分析定性表明風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向角度與涌浪有關(guān)。Chen等（2020a）在去除風(fēng)場(chǎng)的非平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)后，分析了涌浪主導(dǎo)情況下的風(fēng)應(yīng)力方向問題，表明風(fēng)應(yīng)力偏離風(fēng)向角度很大程度上依賴于涌浪方向，整體上隨著涌浪偏離風(fēng)向角度的增大而增大。

以上研究表明風(fēng)應(yīng)力矢量會(huì)受到海浪的調(diào)制偏離平均風(fēng)向。然而，關(guān)于風(fēng)應(yīng)力方向仍沒有形成較為系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知，特別是風(fēng)應(yīng)力方向與風(fēng)、浪的關(guān)系仍不明確。因此，需要利用高質(zhì)量、可覆蓋多種海況的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合物理過(guò)程分析來(lái)系統(tǒng)性地研究不同風(fēng)場(chǎng)、不同狀態(tài)下的海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力方向的調(diào)制作用，進(jìn)而將方向因子納入風(fēng)應(yīng)力計(jì)算方案中。

2 亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題

海浪對(duì)海面風(fēng)應(yīng)力的影響受到越來(lái)越多關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面也取得了卓有成效的研究成果。但截至目前，風(fēng)應(yīng)力的參數(shù)化方案仍存在局限性，特別是在高風(fēng)速、高海況條件下。因此，筆者認(rèn)為在海氣界面風(fēng)應(yīng)力這一研究方向存在以下2個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題或面臨的主要挑戰(zhàn)。

2.1 高風(fēng)速下海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的調(diào)制機(jī)理

高風(fēng)速條件下風(fēng)應(yīng)力系數(shù)（拖曳系數(shù)）CD飽和甚至衰減的特征自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，諸多學(xué)者開始探索其背后的物理機(jī)制，其中大多通過(guò)擬合觀測(cè)來(lái)解釋（Chen et al, 2013; 史劍等, 2013; 陳英健等, 2017; Chen et al, 2020d），并猜測(cè)波浪破碎、涌浪及水深等起著重要作用。Chen等（2020b）總結(jié)出近岸與外海拖曳系數(shù)飽和衰減的臨界風(fēng)速有明顯差別，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明臨界風(fēng)速值在近岸偏小，約20 m/s；而在外海偏大，約30 m/s。并且，他們分析湍流觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)拖曳系數(shù)在臺(tái)風(fēng)不同象限內(nèi)呈現(xiàn)出不對(duì)稱特性，盡管通過(guò)海浪的再分析資料分析表明海浪狀態(tài)在這一不對(duì)稱性中起到了關(guān)鍵作用，但由于缺乏海浪的同步實(shí)測(cè)資料，尚不能揭示海浪在這一過(guò)程中的內(nèi)在機(jī)理。此外，高風(fēng)速條件下，海浪會(huì)破碎，產(chǎn)生的飛沫也會(huì)對(duì)風(fēng)應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響（Andreas, 2004; 趙棟梁, 2012）。因此，需要更高質(zhì)量的海浪包括飛沫與海氣動(dòng)量通量的同步實(shí)測(cè)資料，結(jié)合數(shù)值模擬手段來(lái)確定高風(fēng)速下海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力的調(diào)制機(jī)理。

2.2 各種海況通用的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案

風(fēng)應(yīng)力的參數(shù)化方案制約著海洋、大氣及海氣耦合模式的發(fā)展與完善，特別是數(shù)值模式的分辨率越來(lái)越高，更需要對(duì)風(fēng)應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確定量表達(dá)。此外，目前的臺(tái)風(fēng)模式中應(yīng)用的風(fēng)應(yīng)力算法是中低風(fēng)速下算法的延伸，盡管已建立了多種高風(fēng)速下的風(fēng)應(yīng)力系數(shù)參數(shù)化方案，但由于缺乏實(shí)地高頻湍流通量的觀測(cè)，特別是缺乏海浪、海洋飛沫的同步觀測(cè)，關(guān)鍵物理過(guò)程對(duì)風(fēng)應(yīng)力的影響機(jī)制和調(diào)制程度仍不明晰，與實(shí)際觀測(cè)存在一定偏差的現(xiàn)有參數(shù)化方案仍亟待改進(jìn)。因此，需要研制可以匹配高分辨率數(shù)值模式的、新型的、適合各種海況的、基于物理的通用風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案，為高分辨率數(shù)值模式、臺(tái)風(fēng)模式的發(fā)展與完善提供支持。

3 結(jié)語(yǔ)

海氣界面通量交換的研究一直是海洋及大氣科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在這一方向進(jìn)行了長(zhǎng)期且卓有成效的研究，并認(rèn)識(shí)到了海浪在海氣通量交換過(guò)程中的關(guān)鍵作用。針對(duì)海氣動(dòng)量通量（風(fēng)應(yīng)力），本文回顧了海浪對(duì)風(fēng)應(yīng)力矢量影響的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)梳理了國(guó)內(nèi)外在風(fēng)應(yīng)力研究中的核心研究成果，最后針對(duì)性地提出了未來(lái)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題及需要攻關(guān)的方向。

現(xiàn)階段海浪與海氣動(dòng)量通量的同步觀測(cè)資料仍存在不足，特別是在高風(fēng)速、高海況條件下，這制約著對(duì)海浪在風(fēng)應(yīng)力中的重要調(diào)制作用的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與深刻理解，進(jìn)而限制了風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案的改進(jìn)。高質(zhì)量的精細(xì)化觀測(cè)資料是揭示海氣動(dòng)量通量?jī)?nèi)在機(jī)理的關(guān)鍵，這需要海上塔基觀測(cè)平臺(tái)的支持。因此，在不同海區(qū)建設(shè)適合開展海洋-大氣綜合立體觀測(cè)塔基平臺(tái)，積累不同海區(qū)、各種海況條件的實(shí)測(cè)資料，將為研究海氣通量并建立普適的海氣動(dòng)量通量參數(shù)化方案提供強(qiáng)有力的支持。