大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响*

于 洋， 高会旺，2， 史 洁，2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响*

于 洋1， 高会旺1，2， 史 洁1，2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

大气强迫的日变化可以减弱海表温度的水平梯度加强表层与次表层间的垂向混合，从而影响海温的模拟。本文基于区域海洋模式ROMS，利用NCEP/NCAR发布的6 h 1次的10 m风速、短波辐射、海表气压等再分析资料，研究了大气强迫的日变化对东中国海温度模拟的影响。通过与观测资料比对发现，相比于日均大气强迫下的模拟，日变化大气强迫下的模拟与观测更为接近。大气强迫的日变化对东中国海的海-气热通量具有显著影响，能够使东中国海年均海气热通量增加1.4 W/m2，夏季增加13 W/m2，冬季减小10 W/m2。大气强迫的日变化通过海-气界面的热力和动力过程影响水温的垂直结构，加强东中国海的上层混合，使东中国海混合层厚度(MLD)增加约10%；夏季黄海冷水团的平均温度升高0.5 ℃，体积减少约1/3。

大气强迫；日变化；海-气热通量；海洋混合；黄海冷水团

大气强迫的日变化使海洋具有日变化的特征，从而改变海洋的平均状态。近期研究表明，如果在海-气耦合模式中考虑日变化的作用，模式在模拟季节间变化信号方面有更为理想的表现[1]。大气强迫的日变化可以调制海表的感热通量、潜热通量[2-5]以及CO2通量[6-7]，具备调制海洋上层大气的热量、湿度、云组分以及云特征的能力[8-9]，甚至可以影响“厄尔尼诺-南方涛动”(ENSO)这种大尺度的海-气耦合现象[10-13]。大气强迫的日变化可以升高海表的平均温度、增加上混合层的平均深度、减弱海表温度(SST)的水平梯度以及加强混合层和次表层之间的混合[14]。大气强迫的日变化对上层海洋的精确描述以及海-气相互作用具有十分重要的影响。

以往关于大气强迫日变化影响的研究主要集中于热带开阔大洋，这是由于在热带开阔大洋由大气强迫日变化引起的SST的日变化幅度(dSST)通常较大，在晴朗无风时可达到4～5 K[15]。在西太平洋“暖池”区，dSST的变化与季节间变化信号“Maddan-Julian震荡”(MJO)具有很好的对应关系。较大的dSST也可以出现在中纬度的陆架海[16]，如：南波罗的海、日本周边陆架海等[17-18]。中纬度陆架海对全球变暖和气候变化的作用不可忽略[19]。因此，本文将研究的重点转向了中纬度的陆架海，研究了大气强迫的日变化对东中国海海温模拟的影响。

东中国海位于西北太平洋的西侧，就全球地形分布特征而言为全球面积最大的中纬度陆架海，在该区域的研究对进一步了解中纬度陆架海对全球大气环流的作用有着十分重要的意义。东中国海存在许多物理海洋现象和过程可以受到大气强迫日变化的影响，如黄海冷水团(YSCWM)等，以往的研究限于观测手段等因素对大气强迫日变化的影响没有进行考虑。研究大气强迫日变化对这些海洋现象和过程的影响有助于今后进行更为细致的研究工作。

1 模型配置

为了研究大气强迫日变化在东中国海的影响，本文采用ROMS(Regional Ocean Model System)模式进行研究。本文模型的计算区域包括了整个东中国海以及部分日本海区域，模型的空间覆盖范围为，117°E～132°E，24°N～41.3°N，地形资料采用韩国成均馆大学海岸与海洋动力学研究实验室(Laboratoryfor Coastal and Ocean Dynamics Studies, Sung KyunKwan University, Korea)提供的空间分辨率为1′的地形资料(见图1)。模型的水平分辨率设置为110(°)。在垂向分层方面采用了Shchepetkin等[20]提出的“S”坐标转换关系，共分20层。模型以SODA_v2.2.4气候态月均资料为流场边界条件，以WOA09气候态月均资料为模型温、盐场的边界条件。模型输入了TPXO7资料“M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、Mf和Mm”等10个分潮的调和参数实现东中国海潮汐过程的模拟。模型从2005年1月1日开始，连续运行6年，至2011年12月31日达到稳定状态，并以此结果为初始条件进行2011年两个对比模拟实验(Diurnal Case和Daily Case)。其中，Diurnal Case采用6 h 1次的大气强迫资料， Daily Case采用日平均的大气强迫资料。模型采用了COARE 3.0版本的块体公式[3]并结合“冷皮”校正方案[21]来计算风应力和海-气热通量，长波辐射采用Berliand(1952)公式计算。用到的大气强迫资料包括：10 m风速、短波辐射、海表气压、2 m气温、降水量、相对湿度以及云量。

2 结果与分析

2.1 模型验证

用来进行模型验证的资料来自于中国海洋大学2011年夏季和冬季的两次东中国海大面观测，Quan等[22]曾对这套资料进行过较为详细的描述。其中夏季航次的时间范围为2011年7月5—25日，冬季航次的时间范围为2011年12月20日—2012年1月12日。

图2为Diurnal Case以及Daily Case的夏季模拟结果与夏季航次观测结果的比较，图中黑点为夏季航次的观测站点。从图2中看出，无论是Diurnal Case还是Daily Case，模拟的夏季海温的空间分布与观测相比都较为一致，但Diurnal Case模拟的夏季黄海10 m深海温的水平差异要小于Daily Case，与观测更为接近。图3与图2类似，为Diurnal Case以及Daily Case的冬季模拟结果与冬季航次观测结果的比较，图中黑点为冬季航次的观测站点。从图3中看出，与夏季的情况一样，无论是Diurnal Case还是Daily Case，模拟的冬季海温的空间分布与观测相比较为一致，但冬季Diurnal Case模拟的黄海中部50 m深海温高于Daily Case，更为接近观测。

为了更清楚的展示大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响，图4给出了夏季和冬季Diurnal Case以及Daily Case的海温模拟结果与观测间的绝对偏差分布，图中的横轴为Daily Case的结果与观测间的绝对偏差，纵轴为Diurnal Case的结果与观测间的绝对偏差。在去除图中灰色区(误差范围1)内的模型系统误差影响后，对剩余的数据点进行回归分析发现，得到的夏季和冬季的误差回归直线的斜率分别为0.56和0.57，都小于1，说明大气强迫的日变化具有改善东中国海海温模拟效果的作用。

2.2 大气强迫日变化的影响

2.2.1 大气强迫日变化对海-气热通量的影响 大气强迫的日变化可以改变东中国海海-气热通量的状态，影响东中国海的温度分布, 从而对东中国海海温的季节变化模拟产生影响。图5为Diurnal Case与Daily Case的净热通量差的季节分布图(负值表示Diurnal Case相对于Daily Case海洋向大气中释放更多热量)。从图5看出，大气强迫的日变化对东中国海的海-气热通量的影响呈季节循环，在夏季可以加强东中国海的热量吸收，造成东中国海净热通量增加13 W/m2，在秋季可以加强东中国海的热量释放，造成秋季净热通量减小10 W/m2。大气强迫日变化的这种季节性影响。主要是通过改变潜热通量的状态实现的。就年平均效果而言，大气强迫的日变化可以使东中国海的净热通量增加约1.4 W/m2，其中感热通量减小1.2 W/m2，长波辐射增加2.4 W/m2，感热通量增加0.2 W/m2。

图6为Diurnal Case与Daily Case春、夏、秋、冬四季净热通量差的空间分布。从图6看出，在东中国海的春季、夏季和秋季，黄海是净热通量改变较大的区域。大气强迫的日变化使黄海在春季和夏季从大气中吸收更多热量，造成黄海春季和夏季净热通量分别增加约22和31 W/m2；在秋季使黄海向大气释放更多的热量，造成黄海净热通量分别减小约18 W/m2。从而影响黄海的温度状态，使模拟结果更接近于观测。

2.2.2 大气强迫日变化对夏季温度垂直结构的影响 大气强迫日变化不仅可以通过改变海-气热通量来影响东中国海的上层温度模拟，还可以通过加强上层混合的方式来影响东中国海的中层和底层温度状态。图7给出了Diurnal Case和Daily Case模拟的东中国海夏季(6—8月)平均混合层厚度(MLD)，本文中的MLD定义为季节性跃层的上界，即垂直方向温度梯度大于或等于0.2 ℃/m的最小的深度。图7(c)为Diurnal Case相对于Daily Case夏季MLD变化的百分比。从图中看出，大气强迫的日变化可以加强东中国海夏季的上层混合，使东海MLD增加约1.3 m，南黄海MLD增加约0.7 m，北黄海MLD增加约0.2 m，渤海MLD增加约0.1 m，东中国海MLD平均增加约10%。

图8为夏季(8月)Diurnal Case和Daily Case的黄海35°N和36°N断面的温度分布。从图中看出，夏季Diurnal Case相比于Daily Case在黄海的上层具有更低的温度。虽然在夏季Diurnal Case相比于Daily Case的黄海会多吸收的热量，但多吸收的这部分热量主要由湍混合作用向下输送到了黄海的中层。从而使模拟的黄海夏季的季节性跃层减弱，加强夏季黄海冷水团(YSCWM)与冷水团外部水体的热量交换，改变冷水团的平均状态。

图9给出了Diurnal Case和Daily Case以8 ℃等温线定义的黄海冷水团的月平均状态。从图中看出，大气强迫的日变化可以改变黄海冷水团的平均状态。在黄海冷水团特征较为明显的5—11月，大气强迫的日变化使黄海冷水团的平均温度升高约0.5 ℃，体积减小约1/3。其中，在黄海冷水团特征最为明显的8月，大气强迫的日变化可以使冷水团的平均温度升高0.5 ℃，体积减小7.24×1011m3。大气强迫日变化造成的黄海冷水团状态的改变基本与黄海冷水团状态年际变化的量级相当。

3 讨论

大气强迫的日变化使海洋的表层具有日变化的特征，从而影响海-气界面以及海洋内部的平均状态。在东中国海，在大气强迫的日变化特征中，风场日变化作用是十分重要的。图10为Diurnal Case与Daily Case春、夏、秋、冬四季风速平方差的空间分布。由于风应力的大小正比于风速的二次方，从图中看出，在东中国海，风场的日变化使得Diurnal Case相比于Daily Case风应力增大，从而加强东中国海的上层混合，造成东中国海MLD增加。风场平均状态的改变会改变海-气热通量的状态。但与风场变化造成风应力的变化不同，以湍动通量形式存在的潜热通量和感热通量在中低风速情况下与风速呈线性关系，风场的日变化通过加强海洋的上层混合改变海表温度的平均状态这种间接方式来影响东中国海的海-气热通量。在夏季，风场的日变化加强东中国海的上层混合，使得海洋上层更多的热量通过湍扩散作用向深层传输，降低海表的平均温度，造成海表温度下的饱和蒸汽压的降低，减少海洋表层的蒸发作用，增加海表潜热通量形式的热量吸收。海表温度的平均状态直接影响海表的感热通量和长波辐射，感热通量的大小正比于海表温度而长波辐射的大小正比于海表温度的4次方，海表温度的降低增加了海表以感热通量和长波辐射形式的热量吸收。

(a)Diurnal Case夏季(6—8月)平均MLD；(b)Daily Case夏季(6—8月)平均MLD:(c)Diurnal Case相对于Daily Case夏季(6—8月)平均MLD的变化。

(a)Mean MLD of the Diurnal Case in the summer season(from Jun to Aug); (b)Mean MLD of the Daily Case in the summer season(from Jun to Aug); (c)Difference of the MLD between the Diurnal Case and the Daily Case in the summer season(from Jun to Aug.)

图7 东中国海夏季MLD的空间分布(6—8月)

Fig.7 MLD in the summer season from Jun to Aug

虽然日变化风场的作用使东中国海在夏季从大气环境中吸收更多的热量，但由于海表多吸收的这部分热量是通过海表的平均温度改变这种间接方式获得，从而决定了多吸收的这部分热量一定不多于风应力加强湍混合作用向海洋深层多输送的热量。所以即使Diurnal Case相对于Daily Case会在夏季从大气吸收更多的热量，Diurnal Case仍旧比Daily Case具有更低

的海表温度，更接近于真实海洋的状况。在夏季，海洋中的季节性跃层会通过浮力的作用极大的减弱海洋中物质和能量的垂向输运，导致Diurnal Case向深层多输运的这部分热量主要被集中于东中国海的季节性跃层中，从而减弱季节性跃层的强度，使黄海的季节性跃层成为大气强迫日变化影响下温度变化最大的地方。季节性跃层强度的减弱会一定程度上加强热能量的垂向输运，从而使夏季的深层海洋具有更多的热量，改变了黄海冷水团的平均状态。

在夏季，大气强迫的日变化加强了海洋的上层混合，增加了东中国海的热量吸收，影响黄海冷水团等深层海洋现象。在冬季，大气强迫日变化对东中国海的影响与夏季类似，只是由于冬季海洋的温度高于大气的温度，海洋更多的是向大气释放热量，大气强迫的日变化通过加强湍混合作用使海洋深层更多的热量被输运到海洋上层，从而加强了东中国海的热量释放。大气强迫的日变化在夏季和冬季对东中国海的海-气热通量具有不同的影响，从而使具有季节循环的特征。

4 结论与展望

本文研究了大气强迫的日变化对东中国海海温模拟的影响，研究发现，相比于日均大气强迫下的模拟，日变化大气强迫下的模拟与观测更为接近。大气强迫的日变化可以影响东中国海的海-气热通量，使东中国海年均海气热通量增加1.4 W/m2，夏季增加13 W/m2，冬季减小10 W/m2，并呈季节循环。大气强迫的日变化可以通过加强东中国海的上层混合来改变水温的垂直结构，造成东中国海MLD增加约10%，减弱黄海夏季季节跃层的强度，使夏季黄海冷水团的平均温度升高0.5 ℃，体积减少约1/3。大气强迫日变化造成的黄海冷水团状态的改变基本与黄海冷水团状态年际变化的量级相当。在研究东中国海的温度变化过程中大气强迫日变化的作用不可忽略。同时，Bernie[23]曾指出，由于时区划分的影响，采用6 h 1次的大气强迫进项模拟，模型仅能模拟出60%～90%对于日变幅度，更高频率的大气强迫将对模拟结果有更进一步的改进。因此，在后续研究中将考虑更高频率的大气强迫资料以研究大气强迫日变化的影响。

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责任编辑 庞 旻

Impacts of Diurnal Forcing on Temperature Simulation in the Shelf Seas of China

YU Yang1, GAO Hui-Wang1,2, SHI Jie1,2

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.The Key Lab of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China )

The diurnalatmosphericforcing has ability to change the horizontal gradient of sea surface temperature (SST) and enhance the vertical mixing between the surface and subsurface.Itis non-ignorable for the precise description of the upper ocean. In this study, the Regional Ocean Modeling System (ROMS) Model with the 4 times a day NCEP/NCAR forcing data has been used to investigate these kinds of impacts on the temperature simulation in the shelf seas of China. Comparing with the daily mean forcing,the diurnal forcing makes the model havea betterperformance. The diurnal forcing causes a decrease in net surface heat flux from the ocean about 13 W·m-2in summer and an increase of it about 10 W·m-2in winter, increasingthe temporal mean heat absorption in the shelf seas of China about 1.4. The high frequency diurnal forcinginfluences the vertical structure of the sea temperatureby the thermal and dynamic processes of the sea air interface.It leads to an increase of the mixed layer depth (MLD) about 10%, an increase of the mean temperature of the Yellow Sea Cold Water Mass (YSCWM) about 0.5 ℃ and a decrease of the meanvolume of the YSCWM about 1/3.

atmospheric forcing; diurnal variation; air-sea heat flux; ocean mixing;the Yellow Sea cold water mass

国家重大科学研究计划项目(2014CB953700)；国家自然科学基金项目(41305087)资助

2016-04-20；

2016-05-17

于 洋(1991-)男，硕士生。E-mail:clarkyuchina@live.com

P732.6

A

1672-5174(2017)04-106-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160138

于洋， 高会旺， 史洁. 大气强迫日变化对东中国海海温模拟的影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(4): 106-113.

YU Yang, GAO Hui-Wang, SHI Jie. Impacts of diurnal forcing on temperature simulation in the shelf seas of China[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(4): 106-113.

Supported by National Key Basic Research Program of China (2014CB953700); National Natural Science Foundation of China (41305087)