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北黄海春秋季海气通量的观测研究 北黄海春秋季海气通量的观测研究 摘要 海洋大气边界层中的动量、热量和物质的交换是实现海洋和大气相互作用的 主要途径，直接影响了上层海洋和低层大气的结构，进而影响海洋环流和大气环 流，引起气候变化。因此，海洋大气边界层通量的研究对于了解海洋和大气相互 作用的机制以及改进海气耦合模式都具有十分重要的意义。本文探讨了船基湍 流观测数据处理方法，并利用“9 0 8 专项 2 0 0 7 年春季和秋季航次获得的海洋气 象和大气边界层数据，对我国北黄海海域的气象特征和海气间能量交换进行了 分析。主要结论如下： ( 1 ) 归一化湍流风速谱在惯性副区内基本符合k o l m 0 9 0 r o v 相似理论的2 3 定律。在不稳定条件下u 谱和v 谱的谱峰波长相当。在稳定条件下v 谱的谱峰波 长比u 谱的要大，垂直方向上w 谱峰波长相对水平方向小一个量级。u 、v 、w 谱峰波长范围分别为8 0 m 4 0 0 m 、2 0 m 2 0 0 m 、1 2 m 1 2 0 m 。当稳定度增大时， 湍流能量减小，对湍流能量贡献最大的涡的尺度变小。稳定条件下u 谱和v 谱在 低频段出现上翘现象，上翘的斜率约为2 ，并且随着稳定度的增大上翘现象变得 更加明显。 ( 2 ) 湍流在不稳定条件下的强度要大于稳定条件下的。三个方向的湍流强度 有明显差别，纵向上的湍强大于侧向上的湍强，垂向上的湍强最小。纵向和侧向 上的湍强度多数小于0 5 ，垂向上的湍强则多小于0 4 5 。湍流在风速u 4 i i 以时，湍流强度随着风速 的增大缓慢减小；湍强最小值出现在风速为6 1 1 1 s 左右。当风速u 6 m s 时，湍 流强度开始略微变大。 ( 3 ) 晴好天气下海面反射辐射呈双峰型日变化，这是由于日出以后，随着太 阳辐射入射角变小，短波辐射入射强度增大，而海面反射率变小，致使午前出现 峰值。中午海面反射率达到最小，海面反射辐射出现低谷。午后随着太阳辐射入 射角变大，海面反射率逐渐变大，导致午后峰值。零级海况、小风条件的海面上， 这种双峰型变化趋势将更明显。 ( 4 ) 春季航次感热通量均为负值，多数站位潜热通量为正值，感热通量和潜 北黄海春秋季海气通量的观测研究 热通量数值大小相近，平均为1 4w m 2 ，表明大气通过感热的形式向海洋输送热 量，而海洋则通过潜热的形式向大气输送热量。秋季航次潜热通量和感热通量均 为正值，且潜热通量明显大于感热通量，其平均值分别为1 1 5w m 2 、2 2w m z ， 表明海洋向大气以感热和潜热形式输送热量，且潜热通量占主导地位。两个航次 连续站的观测表明感热通量和潜热通量日变化不明显。 ( 5 ) 春季航次连续站海面热量收支日平均值为2 0 7 8 w m 2 ，表明海洋获得热 量。白天和夜间海面热量收支的平均值分别为3 9 6 9 w m 2 、4 7 6 w m 2 。秋季航 次连续站海面热量收支日平均值为7 2 5 w m 2 ，表明海洋失去热量。白天和夜间 海面热量收支的平均值分别为6 2 7 w m 2 、- 1 8 6 8 w 佃z 。 关键字：北黄海；海洋大气边界层；涡动相关法；感热通量；潜热通量 北黄海春秋季海气通量的观测研究 o b s e r v a t i o n a ls t u d yo na i r - s e an u xi nt h en o r t hy e l l o ws e a d u r i n gs d r i n 2a n da u t u m nn u r l n gs p r l n ga n qa u t u m n a b s t r a c t m 撕n ea 衄o s p h 丽cb o u l l d a r yl a y e r0 垤a b l ) o fm o m e n t l 曲，h e a ta n dm a s s e x c h a n g ei sm o s ti n l p o r t a i l tt l l em a i nw a y o fa j r s e ai n t e r a c t i o n ，w h i c hd i r e c t l ya f r e c t m eu p p e ro c e a na n dt l l es t r i l c t u r eo ft l l el o w e ra t m o s p h e r e ，也e r e b ya f r e c t i n go c e a l l c i r c u l 缸i o na r i da 恤o s p h e r i cc i r c u l a t i o n ，c a u s i n gc l i m a t ec h a n g e t h e r e f o r e ，m e t u r b u l e n tn u xo fm a b lr e s e a r c hi sv e 巧i m p o r t a n tf o r 硼d e r 眺l d i n ga i r - s e a i n t e r a c t i o nm e c h a n i s ma n di n l p r o v e m e n to fac o u p l e dr e g i o n a lo c e a n - a t m o s p h e r e m o d e l t h i sa r t i c l ep r o b e si n t ot l l ep r o c e s s i l l gm e t l l o d so ft b u l e md a t ao b s e e do n s 1 1 i pa n da 1 1 a l y s e s 廿1 em e t e o r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa i l da * s e af l u xi l lt l l en o m l y | e n o ws e ad u r i n gs 】p r i n ga n da u t l l m ni n2 0 0 7b yu s i n gt h ed a t ao f 9 0 8s p e c i a l p r 硝e c t t h em a i l lc o n c l u s i o i l sa r ea sb e l o w ： ( 1 ) n o 姗a l i z e ds p e c t r ao fv e l o c i t yo b e yt h e 2 3p o w e r l a wo fk o l m o g o r o v s i m i l a r i t ) ，t 1 1 e o r ) r i nm ei n e n i a ls u b r a n g e i nu n s 切b l ec o n d i t i o n sus p e c t r aa n dv s p e c t r ah a v es i i l l i l a rw a v e l e n g t ho fs p e c t r a lp e a k h ls t a b l ec o n d i t i o n s 、v a v e l e n g mo f s p e c t r a lp e a l ( o fvs p e c t r ai sb i g g e rt h a l lus p e c t r a t h ev e r t i c a lw a v e l e n g mo fs p e c t r a l p e a ko fws p e c t r ai so i l eo r d e ro fm a g l l i t u d es m a l l e rt h a nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h e w a v e l e n g mo fs p e c t r a lp e a l ( o fu ，v ，ws p e c t r aa r e8 0 m q o o m ，2 0 m 屹o o m ，1 2 瑚p 1 2 0 m r e s p e c t i v e l y w i t l ls t a b i l i t yi n c r e a s i n g ，t u r b u l e n c ee n e 唱yd e c r e a s e sa n dt h es c a l eo f v o n e x 、v h i c hh a st h el a 唱e s tc o n t r i b u t i o nt 0t h et u r b u l e n te n e 玛yb e c o m e ss m a l l e r u n d e rs 诅t ) l ec o n d i t i o n ，us p e c t r aa n dv s p e c t r ap r e s e n tt h eu p w 叩i n gp h e n o m e n o ni n l o wf r e q u e n c y ，m es l o p ei s - 2 ，a n dt h eu p w a 印i n gp h e n o m e n o nb e c o m e sm o r eo b v i o u s w i t ht h es t a b i l i t ye i l l l a n c i n g ( 2 ) ，n l et u r b u l e n c ei n t e n s i t yi s 鲈e a t e ri nu n s 切b l ec o n d i t i o n sm a i li i ls 切b l e c o n d i t i o n s t h et u r b u l e n c ei n t e n s 时h a so b v i o u sd i 腩r e n c emt h r e ed i r e c t i o n s t l l e l o n g i t u d i n a lt u r b u l e n c ei n t e n s i t ) ，i sb i g g e rt h a nt l l el a t e r a lt u r b u l e n c ei n t e n s i 班a n d v e r t i c a lt u r b u l e n c ei i l t e n s i 够i st h es m a l l e s t l o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ln i r b u l e n c e 北黄海春秋季海气通量的观测研究 i i l t e i l s i 够a r em o s t l yl e s st 1 1 a l l0 5 v e n i c a lt i l r b u l e n c ei n t e i l s i t yi sn o n i l a l l yl e s sm a n o 4 5 t u r b u l e n c ed e v e l o p ss 缸d 心y 趾d 舭t i 曲u l e n c ei r l t e n s i t yc 孤r e a c ha to 5 a r o u n dw h e n 恤谢n ds p e e di sl e s st 1 1 孤2 “s ；w h e n “w i n ds p e e du 4 州s ，恤 t u r b u l e n c ei n t e n s i t yd e c r e 铺e ss l o w l y 嬲t h ew i i l ds p e e di n c r e a s e s ；l em i i l i m u m a p p e a r si nm e 、航n do f6 m s0 rs 0 砌1 e nm ew i n ds p e e du 6 州s ，舭锄u l e n c e i n t e n s i 够i n c r e 2 l s e sa p p r e c i a b l y ( 3 ) t h eu p 删s o l a rr a d i a t i o nc u r v ea s s 姗e sd o u b l ep e a l ( t y p ei naf i n e 、e a t h e r t 1 1 i si sb e c a u s ea r e rs u r l r i s e l ea n g l eo fi n c i d e n ts o l 锻m d i a t i o nb e c o m e ss m a l l e r t h ei n c i d e n ti n t e n s i t ) ro fs h o r tw a v er a d i a t i o ni n c r e a s e sb u tr e f l e c t i v i t yo fs e as u r f a c e b e c o m es m a l l e r w h i c hl e a dt 0ap ea ：kb e f o r en o o n a tn o o nt h er e f l e c t i v i t ) ，o fs e a s u r l 沁er e a c h e s 廿l em i n i m 啪a l l du p w a r ds o l a rr a d i a t i o nf 0 1 l o w sb yav a l l e y i i lt h e 雄e m o o nt l l ea n g l eo fi n c i d e ms o l a rr a d i a t i o nb e c o m e sg r e a t e ra n dt 1 1 er e f l e c t i v i t ) ，o f s e a 汕白c e 掣a d u a l l yi n c r e 2 l s e sl e a d i n gt 0a i l o m e rp e a l 【世e rn o o n u n d e rz e r o g r a d e o c e a i l i cc o n d i t i o na n ds m a l lw i n ds p e e dc o n d i t i o n ，m e 仃e n do ft h ed o u b l ep e a k 娜e w i l lb e c o m em o r eo b v i o u s ( 4 ) d u 池gt h es 研n gc m i s et l l es e n s i b l eh e a tf l u x ( s h f ) a r e2 l l ln e g a t i v e t h e l a t e n th e a tn u ) 【( l h f ) a r ep o s i t i v ea tm o s t 僦i o n s t h ev a l u e so f s h fa n dl h f a r e s i m i l a r 、i t l la i la v e r a g eo fl4 w m 2 ，w h i c hs h o w st l l a t 舭锄o s p h e r et r a n s f e rh e a t e n e r g yt ot l l eo c e a i lt i l r o u 曲t 1 1 ef o r i i lo fs h fa i l dt h eo c e a i lt r a n s f e r sh e a te n e 唱yt o m ea 恤o s p h e r et h r o u 曲t h ef o mo f l h f d 谢n g 也c 籼c m i s el h fa n ds h f a r e a l lp o s i t i v e t h el h fa r es i g m f i c a n t l yg r e a t e rt l mt l l es h f 、i lt 1 1 ea v e r a g eo f 1 l 5w 1 2 ，2 2 w h 1 2r e s p e c t i v e l y ，w h i c hs h o w st l l a tm eo c e a nt r a l l s f e r sh e a ti n t ot h e a t i n o s p h e r eb yt 1 1 ef o 衄o fs h f 锄dl h f ，a 1 1 dl h f a c c o u n tf o r 仕屺d o m i n a n tp o s i t i o n t h eo b s e r v a t i o nd a _ t aa tc o n t i i m o u s 僦i o n 蛐gs p r i n ga n da u t u i i l l lp o i n _ t so u t l e d i 啪a 1v 乏i r i a t i o no fs h fa n dl h fi sn o to b v i o u s ( 5 ) t 1 1 ed a i l ya v e r a g eo fh e a tb u d g e ta tc o n t i i l u o u ss 协t i o nd 耐n gs p 血gi s 2 0 7 8 w r n 2 ，s h o w st l l a tm eo c e a i li sb e 啦h e a t e d t h ed a ya n d1 1 i g h tm e a nh e a t b u d g e ta r e39 6 9 w m 2 ，4 7 6 w 矗r e s p e c t i v e l y t h ed a i l ya v e r a g eo fh e a tb u d g c ta t c o n t i n u o u ss t a t i o nd u r i n ga u t u m ni s 7 2 5 w m 2 ，s h o w st l l a tm eo c e a j li s1 0 s i n gh e a t 1 1 1 ed a y 觚dn i g h ti n e a nh e a tb u d g e ta r e6 2 7 w m 2 ，一18 6 8 w m 2r e s p e c t i v e l y 北黄海春秋季海气通量的观测研究 k e yw o r d s ：n o m ly c l l o ws e a ；m a r i n ea 仃i l o s p h e r i cb o u n d a r yl a y 盯；e d d yc 0 v 撕锄c e ；s e n s i b l e h e a tn u x ；l a t e n th e a tn u ) 【 北黄海春秋季海气通量的观测研究 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 注! 垫遗查墓丝蚕墨鳖剔直明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 貔签字日期：易卯7 年6 月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：至彳乏貔 导师签字： 讨争j 矾 北黄海春秋季海气通量的观测研究 i 刖吾 1 1 研究背景及研究意义 大气边界层( a 恤o s p h e r i cb o u l l d a d rl a y e r ，a b l ) 又称行星边界层( p l a n e 切口 b o u i l d a r yl a y e r ，p b l ) ，是地球大气与地表直接接触的气层，是大气圈与地圈间 动量、能量和物质( 水分、二氧化碳和其他温室气体及各种大气污染物质) 上下 运输的通道，全球变化的区域响应也是通过大气边界层中的物理过程、化学过程 和生态过程等来实现。再者，人类生活和生产活动也主要集中于这层距离地面仅 有1 1 5 妣的气层中。人类活动引起的生态失衡、环境恶化以及天气、气候异 常等无一不与大气边界层密切相关。 海洋和大气间的动量和热量通量交换是实现海气相互作用的主要途径，是 影响全球气候变化的重要机制。近年来，海气相互作用规律的研究是国内外海 洋和气象学家们关注的热点和难点，而海洋大气边界层中湍流通量的输送过程又 是研究海气相互作用规律的关键所在。为此，国际上进行了大量的科学试验， 如“热带海洋与全球大气海洋大气耦合响应试验”( t o g a c o a r e ) 、“中尺度 海气相互作用试验”( m a s e ) ( ) 、“全球大气研究计划大西洋热带试验 ( g a t e ) 以及国内“南沙群岛及其邻近海区综合考察”项目和“南海季风试验 ( s c s m e 均 都把海气通量的观测研究作为主要内容之一。但目前国内关于海气能量交换的 研究大部分集中在南海，在其他海域进行的观测研究相对较少，而使用湍流观测 数据对北黄海海域大气湍流通量输送特征的研究至今尚属空白。 为了满足新时期海洋事业发展需要，我国启动了建国以来规模最大的“中国 近海海洋综合调查与评价专项 ( 简称“9 0 8 专项”) 工作，主要包括海洋综合调 查、海洋环境综合评价、“数字海洋”信息基础框架构建等3 项基本任务( 黄大 吉等，2 0 0 6 ) 。其中“9 0 8 专项 特别设立了“海洋气象和海气边界层”项目，对 海气边界层的调查也是国内首次开展的大规模、多区域同步调查。所获得的数据 为了解海洋大气边界层中湍流输送特征和区域海气耦合模式的建立、发展提供了 实测数据支持。 北黄海春秋季海气通量的观测研究 1 2 国内外研究概况 大气边界层的研究主要包括理论、观测实验和数值模拟研究。理论上的研究 开始于1 9 世纪末，1 8 8 3 年r e y n o l d s 首先在实验室发现了湍流。随后，p l a n d n 在1 9 0 4 年提出了湍流混合长理论，形成了最基本的湍流理论基础。1 9 0 5 年e 觚 从地球流体力学的角度提出了著名的e k m a i l 螺线，在此基础上引伸到大气层， 形成行星边界层概念，其基本观点仍沿用至今。地球大气中的湍流现象直到1 9 1 5 年才由t a y l o r 首先提出，即大气边界层中的流体运动总处于湍流状态，可以说湍 流是大气边界层所固有的属性。因此，大气边界层的理论也是以湍流理论为基础。 v 0 nk a 册肌( 1 9 3 0 ) 、t a y l o r ( 1 9 3 2 ) 和k o l m o g o r o v ( 1 9 4 1 ) 分别提出了相似性假 定、涡量转移理论和湍流相似理论。2 0 世纪中叶，经典的湍流理论已基本形成。 从2 0 世纪5 0 年代开始，由于农业、航空、大气污染和军事科学的迫切需要，掀 起了大气边界层研究的高潮。1 9 5 4 年，m o l l i n 和o b u l ( 1 1 0 v 提出了具有划时代意 义的m o n i l l o b u l ( 1 l o v 相似性理论，该理论给出了近底层湍流统计量和平均量之 间的联系，是现代大气边界层的理论基础。b u s i l l g e r 等( 1 9 7 1 ) 利用美国k a n s a s 试验资料得到了m o l l i n o b u l 【l l o v 相似性函数的具体形式，验证了m o n i n o b u l ( 1 l o v 相似性理论；随后d y e r 等( 1 9 8 2 ) 利用1 9 7 6 年澳大利亚国际湍流对比试验( i t c e ) 做了进一步完善工作，使得该理论有了极大的应用价值。m o n i n o b u 【| 出o v 相似性 理论的提出和完善使大气边界层观测资料的分析和通量的计算有了更有效的方 法。同时，也使大气边界层的数值模拟成为了可能。 随着计算机技术的发展和观测资料的日益增多，用数值计算方法模拟大气边 界层已成为研究大气边界层物理变化过程的重要工具。d o r i n 锄( 2 0 0 0 ) 利用美 国海军的海气耦合中尺度预报系统( c o a m p s ) 模拟了1 9 9 6 年夏季6 、7 月份 c a l i f o n l i a 至o r e g o n 地区海洋大气边界层的结构变化特征。高山红等( 2 0 0 1 ) 和 孙兰涛等( 2 0 0 5 ) 利用m m 5 对我国渤海海洋大气边界层结构进行了模拟。李响 等( 2 0 0 8 ) 采用一维高分辨率大气边界层模式( o s u p b l ) 模拟了南海海面低层 大气，并将模拟结果和南海季风试验观测结果和日本气象厅( j m a ) 再分析资料 进行了对比分析，结果表明o s u p b l 模式模拟得到的海面大气边界层风速、温、 湿垂直廓线，以及海表面辐射、感热、潜热通量等与实际观测结果基本一致。近 几十年来，人们将大气和海洋作为独立的地球物理流体系统进行数值模拟取得了 2 北黄海春秋季海气通量的观测研究 不少成果，但对于这两个系统相互影响机制，如海气界面动量、感热和潜热通 量交换等物理过程还存在很多疑问( 郑静等，2 0 0 8 ) 。而海气通量的观测恰可加 深入们对于海气相互作用机制的认识和研究，从而更好的完善模式，并为模拟 提供更准确的参数和初始场。 为了精确地量化海气通量，3 0 多年来国际上进行了大量针对海洋与大气互 相作用的科学试验，如已经进行的“气团变性试验”o 蝴t e 均、“巴巴多斯海洋和 气象试验”( b o m e ) ( ) 、“联合海气相互作用试验”( j a s n 叮e x ) 、“上层海洋低层大 气生物地球化学与物理过程耦合研究”( s o l a s ) 以及目前正在实施的三大海洋 计划即“全球大洋通量联合研究”( j g o f s ) 、“全球海洋生态系统动力学研究 ( g l o b e c ) 、“海洋带陆海相互作用研究”( l o i c z ) 。p o n d 等( 1 9 7 1 ) 利用特别设 计的竖立船( i wf l i p ) 在巴巴多斯岛海域采集数据并分别采用涡动相关法和耗 散法计算海气通量，结果表明这两种方法计算得出的动量通量有很好的一致性， 水汽通量次之，感热通量相差较大；动量通量与平均风速的平方成明显正相关， 水汽通量与平均风速、海气湿度差成正相关，而感热通量与平均风速、海- 气温 差的相关性不明显。我国科学家也积极参与了各科研项目并取得了不少成果。其 中，曲绍厚( 1 9 8 8 ) 结合“t o g a ”计划在菲律宾以东洋面6 个连续站使用小型 系留气艇探测系统得到的大气温度、湿度、气压和风等廓线资料，利用廓线法算 得曳力系数c d 、感热通量和潜热通量。其结果表明，西太平洋热带海域总是将 贮存的热量以感热和潜热的形式输送到大气中，并且以潜热的形式主，使该海域 成为地球上少见的热源；同时作者还指出该海域感热通量无明显日变化，这与陆 地城市有着明显不同。此后，曲绍厚等( 1 9 9 4 ) 对西太平洋热带海域强对流天气、 平稳天气、西风爆发过程中湍流输送特征以及厄尔尼诺和非厄尔尼诺年期间湍流 输送的不同特征进行了详实的分析与研究，得到了极有指导意义的结论：该海域 的动量通量、感热通量和潜热通量以及海表温度和砒c h 羽s o n 数( 黜) 有明显的 年际变化；感热通量和潜热通量与海表温度呈明显正相关；曳力系数与风速、 黜c h 砌s o n 数也有明显相关关系。陈陟等( 1 9 9 7 ) 从理论上讨论证明了船体的简 谐震荡影响在热通量计算中可被忽略，并利用t o g a c o a r ei o p 期间船载观测 资料对垂直风速、温度和湿度湍流脉动观测数据进行谱分析，结果表明它们在高 频区基本满足“2 3 次方定律 。 北黄海春秋季海气通量的观测研究 9 0 年代以来，我国学者对南海海气通量的研究较多。1 9 9 4 年9 月南沙科学 考察曾在渚碧礁上进行过短期湍流测量。1 9 9 7 年冬季在南海南部海区进行了短 期感热和潜热通量的梯度测量。1 9 9 8 年“南海季风试验”开始实施较大规模的 海气通量观测计划，设计了通量观测阵、观测塔、观测船进行同步通量观测， 至今已开展4 次( 1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 2 年、2 0 0 8 年) 西沙通量试验。高志球 等( 2 0 0 0 ) 利用南沙群岛海域近海面大气湍流观测实验资料，分别计算了该海域 光滑海面和粗糙海面上的空气动力粗糙度、中性曳力系数，并分析了它们关于水 平风速u 分量的分布。马耀明等( 1 9 9 7 ) 采用涡动相关法计算南沙海域的曳力系 数、动量通量、感热通量和潜热通量，并与1 i o g 认和b o m e x 海气交换试验 及h e i f e 的结果进行了比较，发现该海区无论白天还是晚上都是将其贮存的热 量以潜热或感热的形式输送到大气中，其中潜热输送占主导地位；感热和潜热输 送的日变化不如陆地上明显，感热输送的日均值远小于陆地上的，而潜热输送的 日均值却比戈壁沙漠上的大得多，但与绿洲相近。曲绍厚等( 2 0 0 0 ) 利用船载自 动观测系统获得的海洋气象资料，采用考虑风速和大气层结影响的整体输送公式 计算了海气间的湍流通量，并分析了南海夏季风期间海面气象特征和海温日均 值的逐日变化、海洋向大气输送的潜热通量和感热通量以及大气向海洋输送的动 量通量。闫俊岳等( 2 0 0 0 ) 利用1 9 9 8 年在西沙永兴岛近海铁塔上观测的海气通 量数据，分别用涡动相关法和廓线法计算了曳力系数、动量、感热、潜热通量及 湍流强度等一些统计量分布。闰俊岳等( 2 0 0 6 ) 利用2 0 0 2 年第3 次南海海气通 量观测试验资料，使用涡旋相关法和t o g ac o a i 也2 5 b 版本通量计算方案， 计算了西南季风爆发前后海气界面动量、感热通量、潜热通量的湍流交换系数， 讨论了各通量交换系数的变化特征及其与气象要素变化的关系。另外，吴迪生 ( 2 0 0 1 ) 、闫俊岳( 2 0 0 3 ，2 0 0 5 ) 、蒋国荣( 2 0 0 4 ) 、陈奕德( 2 0 0 5 ) 等对南海季风爆发 期间海- 气界面感热和潜热通量的研究中发现感热和潜热通量在季风爆发前较为 平稳，季风爆发后振荡加剧，并且海气通量的变化受海气温差的影响较为显著。 除了热带海洋大气边界层的研究外，我国也积极的开展了极地海域大气边界 层的研究。张雅斌等( 2 0 0 0 ) 利用中国首次北极考察获得的大气近地层温度、湿 度、风速廓线和辐射等数据分析了北冰洋无冰海面和冰面上热平衡参数的变化特 征，结果表明在北球洋夏季无冰海面有大量的水汽向大气输送，这对研究北冰洋 4 北黄海春秋季海气通量的观测研究 地区大气边界层的季节变化过程是至关重要的。曲绍厚等( 2 0 0 2 ) 对北冰洋及其 邻近海域大气边界层进行了观测，根据比湿廓线的多层逆湿结构，风向、风速廓 线的切变和强逆温结构，提出了对该海域大气海冰海洋间湍流通量交换以及热 量平衡有重要影响的大气逆温屏障过程。这为研究北极地区对全球气候影响、模 拟北极地区气候变化等提供一条新的思路。 而目前关于我国黄海海域海气通量的实测研究则相对较少。赵永平等( 1 9 9 1 ) 用1 9 5 8 1 9 6 7 年海上调查和船舶水文气象资料，计算了渤、黄、东海海面热量平 衡各分量及其总和的年平均状况，分析了各热量分量的平面分布，估计了各分量 的量级，讨论了海面热量平衡与水团分布和海洋环流的关系。马艳和汤毓祥 ( 1 9 9 8 ) 选用两种整体参数化公式分析了春季南黄海海气湍流通量交换特征，发 现在平稳天气条件下，各通量具有日变化特征，而强风条件下的感热、潜热和动 量通量分别是平稳天气条件下的5 7 倍、6 6 倍和7 倍。 1 3 论文研究内容 本文选用“9 0 8 专项”中通量数据质量相对较好的春季和秋季航次海洋气象 和边界层数据资料，针对如何去除船体摆动引起的涡动相关系统观测误差进行了 研究。为探究海洋大气边界层与陆地大气边界层中湍流结构和强度的异同，定量 给出北黄海海域海气间的热通量以及海面能量收支，本文做了以下工作： ( 1 ) 分析涡动相关系统观测资料的预处理和质量控制方法： ( 2 ) 统计分析海样气象的主要气象要素和辐射数据，并尝试着解释典型天 气条件下太阳辐射的变化特征； ( 3 ) 分析海洋下垫面湍流强度在不同稳定度和风速下的变化规律； ( 4 ) 定量计算海气间能量交换及海面能量收支。 北黄海春秋季海气通量的观测研究 2 观测站点及仪器、方法简介 2 1 观测站点 春季航次于2 0 0 7 年4 月2 2 日开始，至5 月4 日结束，历时1 4 天。共获得 2 0 组边界层站位数据，1 个2 5 小时连续站( c 5 0 7 ) 数据和全程走航气象数据。 春季航次期间以晴好天气为主，间或有雾和阴雨天气。整个航次共经历2 次降水 过程，分别发生于4 月3 0 日和5 月3 日。春季航次站点位置及观测时间详见图 2 1 、表2 1 。 秋季航次于2 0 0 7 年1 0 月1 3 日开始，至1 0 月2 6 日结束，历时1 4 天。共获 得2 0 组边界层站位数据，1 个2 5 小时连续站( c 5 0 7 ) 数据和全程走航气象数据。 秋季航次期间以晴好天气为主，间或有雾和阴雨大风。整个航次共经历4 次降水 过程，分别发生在1 0 月的1 4 日、1 8 日、1 9 日和2 5 日。其中1 9 日降水天气伴 有大风，风向偏北最大风速达1 8 3i i l s 。秋季航次站点位置及观测时间详见图2 2 、 表2 2 。 图2 - l 春季航次北黄海调查站位( 大面站，边界层站) f i g 2 ls t a t i o n sf o ri n v e s t i g a t i o ni nt h en o r t hy b o ws e ad u r i n gs p r i n gc r u i s e ( 一n o r m a is 协t i o n s b o 帅d a r yl a y e rs t a t i o n s ) 6 北黄海春秋季海气通量的观测研究 图2 - 2 秋季航次北黄海调查站位( 大面站，边界层站) f i g 2 ls t a t i o n sf o rj n v e s t i g a t i o ni nt h en o r t hy 毫n o w s e ad u r i n ga u t u m nc r u i s e ( r m a is 纽t i o n s ，- b o u n d a r yi a y e rs t a t j o n s ) 表2 1 春季航次边界层站位和观测时间 t a b i e2 - lb o u n d a r yl a y s t a t i o n s 彻do b s e r y e dt i m e d u r i n gs p r i n gc r u i s e 7 表2 2 秋季航次边界层站位和观测时间 t l b l e2 - 2b o 蛐d a d ，l 丑y s 切t i 仰s 矗n do b s e r v e dt j m e d u r i n ga u t u m nc r u i s ec r u i s e 北黄海春秋季海气通量的观测研究 2 2 观测仪器和方法简介 2 2 1 观测仪器介绍 海气边界层通量中的三分量风速、温度、水汽和c 0 2 的脉动浓度由快速响 应设备获得。仪器安置于“东方红2 号”考察船前桅杆距水面1 6 m 处，采样频 率为1 0 h z 。辐射观测仪器包括短波辐射表和长波辐射表各两支，安装于船右舷， 仪器支架伸出船体5 m ，仪器距海面1 0 m ，采样周期为1 0 n l i n ，进行全天2 4 小时 连续观测。气象数据由船载常规气象观测仪获得，仪器位于船左舷，距离海面 1 6 m 。仪器具体信息见表2 3 。 表2 3主要观测仪器的技术指标 1 r a b l e2 3t b c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a l no b s e n 7 a t i o ni n s t r u m e n t s 2 2 2 海气通量计算方法 目前应用于海气界面通量计算的方法主要有四种，即梯度法( 廓线法) 、整 体空气动力学法( 整体输送法) 、遥感法及直接观测法( 涡动相关法) 。 梯度法是利用两个或两个以上高度测定的风速、气温、湿度以及气体物质浓 度之差求算湍流通量，即需要在高塔上进行多层观测，这就使得梯度法的应用范 围收到了限制。比如，无法应用于海面上的船舶仪器观测。 3 北黄海春秋季海气通量的观测研究 基于空气动力学原理的梯度法将两个观测高度中的一个高度确定为地面的 通量计算方法即为整体输送法。由于这种方法只需观测一个高度的气象要素即可 计算通量，减少了不同仪器间的测定误差，并且当观测下垫面为水体或者雪面时， 其水汽压为饱和水汽压，可直接利用温度推算。因此，该方法在海面与湖面等水 体大气间通量研究中得到了广泛应用( 于贵瑞等，2 0 0 6 ) 。其计算公式如下： 动量通量：f = 鹏醒 ( 2 1 ) 感热通量：绋= 解c ( 见一幺) 虬 ( 2 - 2 ) 潜热通量：骁= 以( 吼一吼) 配 ( 2 3 ) 其中，虬为在z 高度处的风速，c p 为干空气定压比热。q 、c 和e 分别 为动量、感热、潜热通量交换系数。各通量交换系数由参数化方案算得，而不同 的参数化方案所用的经验公式也有所不同。因此，整体输送法受不同经验公式的 不确定性影响( b l a i l l 【，1 9 8 5 ：w - e a r e ，1 9 8 9 ；n l y l o r ，1 9 8 4 ) 。 遥感法是利用卫星资料反演的算法。可以提供较高时空分辨率的全球资料， 从而可以为缺乏实测资料的海区提供数据，使研究海气通量的全球分布成为了可 能。但遥感反演精确度欠佳，有时并不能满足边界层研究的需要。 涡动相关法是以声学原理来测量大气运动，根据通量定义将测定物理量( 如 温度、c 0 2 、h 2 0 等) 的脉动量，计算其二阶矩阵而得出，在其观测和求算通量 的过程中几乎没有假设，具有坚实的理论基础，从而被认为是最可靠的方法( 陈 陟等，1 9 9 7 ) ，并且涡动相关系统对湍流通量测量的有效性和精确性已经在很多 的试验中得了论证( 硒ma n dv e 肌a ，1 9 9 0 ；h 黜a z o n 0e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。另外，涡动 相关系统没有任何动力响应元件，因而不存在风杯和螺旋桨风速仪所固有的非线 性效应、惯性滞后等缺点。现在该技术已在局部尺度的生物圈与大气间的痕量气 体通量的测定中得到了广泛的认可和应用( b a l d o c c l l ia n dm e y e r s ，1 9 8 8 ；b a l d o c c h i e ta 1 ，1 9 9 6 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ；j 蛐i n e t ，2 0 0 0 ) 。但该仪器精细复杂，对环境格外敏 感( k a i m a le ta 1 ，1 9 9 0 ) 。因此，在使用超声资料前必须对数据资料进行质量控 制和评估，包括通过方差检验剔除异常值和噪音，通过坐标轴旋转以减小地形倾 斜对垂直速度的影响( w i l c z a ke ta 1 ，2 0 0 l ；f i 皿i g a ne ta 1 ，2 0 0 3 ) ，通过分析湍 流谱对数据质量做出评价等环节。随着涡动相关技术的发展，涡动相关仪器固有 9 北黄海春秋季海气通量的观测研究 缺陷也将得到逐步的完善。近年来国外许多科学家( b r a d l e y ，1 9 9 1 ：f a 油l l ，1 9 9 7 ； e d s o n ，1 9 9 8 ) 将涡动相关系统应用于海上船基观测，并做了不少研究工作。基 手涡动相关法的诸多优点以及该方法应用于海上船基观测的可行性，本文通过设 计滤波器滤掉船体摆动影响，而后计算湍流特征量和海气通量。 l o 北黄海春秋季海气通量的观测研究 3 数据预处理与质量控制。 3 1 数据预处理过程 涡动相关系统可较准确地直接测量海一气间能量交换，现已广泛应用于陆地 观测研究。它最初应用于较理想的条件下( 如地表水平均一，气象条件适宜且变 化平稳等环境条件) 获得的湍流通量数据是比较值得信赖的。而实际观测中下垫 面并不均一，比如麦田、玉米、森林及海洋下垫面会不断的发生变化，经常不能 满足涡动相关仪测量的理论要求。因此，在应用涡动相关仪器数据时，就有必要 对数据进行预处理。 3 1 1 异常值剔除 涡动相关系统中自带一套故障诊断方法。当任一部件在响应和传输过程中由 于短暂故障而带来信号错误时，系统将输出故障诊断信息，凡诊断信息判断为有 误记录，本文均不用于计算。此外，由于水汽二氧化碳分析仪在高湿条件下无法 正常工作。因此，