海浪过程对短期天气模拟的影响分析

邹靖， 占车生， 胡桐， 孙佳， 王中秋

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；2 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

作为重力波的一种，海浪是由海表风引起、沿海气界面传播的表面波现象。受海浪过程影响，海表粗糙度由于海浪波龄的实时变化而改变[1]。与固定的陆地表面不同，海浪过程的参数化过程需要考虑海气界面上的风浪相互作用、海浪耗散、飞沫、底摩擦等因素，对复杂潮流、风场环境下的海表波浪运动有着较为合理的描述。对于数值天气模式而言，完善海气界面的波浪参数化过程，对于提高海气交换与强对流天气活动的模拟能力十分必要[2-3]。

海浪过程通过粗糙度的变化影响海气通量的水分、能量交换。Makin等[4]的研究指出，海表的动量通量很大程度上由波浪传输，而感热、潜热通量取决于扰动扩散过程，并且受海浪过程的间接影响。Moon等[5]提出了一种大风条件下的海气动量通量参数化方案，并通过风浪耦合模拟证明了海面粗糙度与海表风速存在线性增长关系，并直接影响海气通量的计算。

在数值天气模式中增加海浪过程，能够有效提高动态海气界面通量计算的精度，进而影响上层大气。大量前人的工作通过发展海浪-大气耦合模式以改善短期天气模拟的效果[6-8]，例如，Rutgersson等[9]利用区域海浪-大气模拟发现单纯考虑风浪的情况对改变大气模拟效果较为有限，而综合考虑涌浪和风浪将显著改变海表气温和湿度的模拟；关皓等[10]利用中尺度耦合模式针对南海区域进行了短期天气模拟，较好地模拟了两次台风过程的移动路径与强度。

近年来，Warner等[11]开发的中尺度海洋-大气-海浪耦合模式COAWST(coupled ocean-atmosphere-wave-sediment transport)模式在多个海域内拥有良好的模拟效果，为研究大气-海浪相互作用过程提供了模式工具[12-13]。COAWST模式综合考虑了海洋、海浪、大气过程的整体情况，利用该模式在进行物理机制探讨方面有一定的优势。因此，本文拟利用COAWST模式，通过敏感性模拟分析，探讨海浪过程对短期天气模拟的影响。

1 研究方法

1.1 模式介绍

COAWST模式由大气模式(weather research and forecasting model，WRF)、海洋模式(regional ocean modeling system，ROMS)、海浪模式(simulating waves nearshore model，SWAN)以及一个沉积物运移模式(national community sediment-transport model，NCSTM)等分量模式组成。各分量模式通过一个模式耦合器(model coupling toolkit，MCT)进行连接。各分量模式分别独立运行，在每个交换步长内，各分量模式通过耦合器进行变量交换，完成大气、海洋、海浪参数的信息传递。

1.2 试验设计

模拟试验分为两组：一组试验(T1)采用WRF、ROMS与SWAN三个模块进行全耦合模拟；而另一组(T2)仅采用WRF与ROMS进行模拟，波长、波高、波周期等海浪参数以静态参数代替，忽略SWAN模式的动态海浪过程。本文通过比较两组试验的差异，分析动态海浪过程对上层大气运动模拟的影响。

研究区域以我国东海为中心，范围具体为10°N ～ 34°N ，104°E ～ 136°E。模拟时间由2013年5月13日0点至5月16日0点，共72 h。模式网格分辨率为12 km×12 km，WRF、ROMS与SWAN的时间步长分别设为30 s、120 s与120 s。WRF采用欧洲中尺度天气预报中心发布的T799再分析资料作为驱动数据[14]，ROMS的驱动数据为全球海洋模式HYCOM的预报资料[15]，而SWAN分量在COAWST模式内的驱动数据由ROMS与WRF提供，不需要额外的数据输入。新一代的高分辨率再分析数据ERA5[16]被用于简单验证两组试验的模拟能力。

2 结果

2.1 模式验证

表1列出了T1、T2两组试验结果与ERA5再分析资料的平均偏差、标准差与均方根偏差。各统计指标表明，两组试验的偏差并无显著差异，试验结果的均值与再分析资料相比存在一定的系统性偏差，但离散程度基本一致，模拟结果基本可信，能够用于进一步物理机制的探讨。

表1 T1、T2试验与ERA5再分析数据的统计特征Table 1 The statistical indices of T1, T2 test and ERA5 reanalysis data

2.2 敏感性分析

图1 T1与T2试验差异的空间分布情况Fig.1 The spatial distribution of the difference between T1 and T2

图1是考虑海浪过程的T1试验与不考虑海浪过程的T2试验差异的空间分布情况，包括72 h平均的感热通量(SH)、潜热通量(LH)、海表温度(SST)、海平面气压(SLP)、2 m温度(T)、2 m湿度(H)。如图1a所示，在耦合了海浪模块SWAN的情况下，T1试验模拟的感热通量与T2试验相比整体偏高。其中，南海西北部海域以及菲律宾附近海域存在10 ～ 20 W/m2的高值区，且该高值区域与前人研究中受风浪影响较大、波高较高的区域基本一致[17-18]。潜热通量差异的空间分布(图1b)与感热通量极为相似，高值区仍为南海西北部与菲律宾海域。与感热相比，潜热差异更为明显，部分区域差异已超过100 W/m2。感热通量与潜热通量的差异表明，在考虑了海浪动态过程的情况下，海表的热通量模拟呈现明显的提升，这将会造成海气界面水分、能量交换强度的增强，进而影响上层大气。另外，潜热差异与感热差异相比数值更高，这与潜热、感热的量级差异相一致。

海表温度差异的空间分布见图1c。如图所示，T1试验模拟的海表温度整体较高，高值区域基本与热通量差异保持一致，且极值中心出现在东海北部海域，差异可达4 K左右。较暖的海温模拟在一定程度上增强了海气交换强度与热通量的计算。海平面气压差异的空间分布(图1d)与温度差异的分布较为一致，在海表温度较高的区域，海平面气压呈现偏低的差异。在广东沿海海域内，海平面气压差异可达0.9 hPa左右。这一微弱的低压差异将进一步增强上升气流和暖偏差，有利于热通量向上层大气传导。

2 m气温与湿度差异见图1e与1f。需要说明的是，本文统一采用比湿(水汽质量与空气总质量的比值)表示湿度。如图1e所示，2 m气温与海表温度差异的空间分布相一致，仅在数值上有所降低，东海北部极值区约3.2 K左右。2 m湿度差异的空间分布极为相似，极值中心约3 g/kg左右。2 m气温与湿度差异表明，在考虑了动态海浪过程的情况下，底层大气接收来自海洋下垫面的热量、水分输送均有一定程度的增强，形成暖湿差异。

图2 不同高度风场差异的空间分布情况Fig. 2 The spatial distribution of wind field difference at different heights

为了进一步探讨海浪过程对大气流场的影响，图2给出了两组试验在10 m、850 hPa、700 hPa与500 hPa的不同高度的风场差异。如图2a所示，在南海西北部及菲律宾海域等地，10 m高度的风速差异明显较大，基本与温、湿差异的极值区域相对应。在南海西北部区域，风场差异以南风为主，基本与盛行风向保持一致。南风的增强将在一定程度上提高局地气温。在海表10 m高度上，广东沿海及菲律宾群岛均呈现气旋性差异，为该区域的低压差异提供正反馈。

随着高度的增加，风场差异逐渐减弱。如图2b所示，气压为850 hPa的高度上广东沿海由台湾海峡向南的南风差异基本减弱明显，而菲律宾海域以吕宋岛南部为中心仍呈现明显的气旋差异。在700 hPa的高度(图2c)，差异风速进一步减弱，吕宋岛海域附近的气旋差异逐渐消散。至500 hPa的高度(图2d)，差异风场反转，吕宋岛东北部呈现微弱的反气旋差异。

除空间分布差异以外，本文也给出了由动态海浪过程引起的大气温、湿廓线差异。为了突出该差异，廓线差异选择广东沿海区域(20°N～22°N，102°E～108°E)作为典型区域以代替全区域进行区域平均分析，该区域基本与图1中的低压高温差异中心保持一致。图3给出了该典型区域平均的大气温、湿垂直廓线的差异。如图3a所示，在海表1 000 hPa的高度上，考虑海浪过程的T1试验在区域内约有1.14 K的温度差异，随着高度增加，这一暖差异迅速减弱，在900 hPa的高度该差异已减弱至0.6 K左右，至500 hPa的对流层顶高度时该暖差异基本消失。图3b显示的是大气湿度差异的垂直廓线。与大气温度相似，湿度差异廓线同样随高度迅速减弱，由于大气含水量源自下垫面输入，在400 hPa以上的高度时，湿度差异基本消失。值得注意的是，在500～700 hPa的高度上，偏湿差异相比下层大气有所增强。这一现象与图2中该高度上的南风差异有关。广东沿海在500～700 hPa的高度上盛行来自海洋的南风差异，较湿的空气输入在一定程度上增强了该区域局地的偏湿差异。

图3 典型区域平均的大气温度、湿度差异廓线Fig. 3 The difference profile of air temperature and humidity averaged over the typical domain

3 结论

本文利用海洋-大气-海浪耦合模式COAWST，以东海区域为中心进行了72 h的短期天气模拟。模拟设置了耦合海浪模式SWAN的试验T1与未耦合海浪模式的试验T2，通过比较两组试验的差异，分析动态海浪过程对短期天气模拟的影响。比较结果表明，在考虑了海浪动态过程的情况下，模式在海表感热、潜热通量的模拟明显增强。在南海西北部与菲律宾群岛海域等区域，热通量增强程度明显，其中感热通量可增强10～20 W/m2，而潜热通量在该区域增强更加明显，可增强60～100 W/m2。较强的感热、潜热通量导致海气间能量、水分传输增强。在热通量较高的区域，2 m气温与2 m湿度(比湿)同样偏高，呈现偏暖偏湿的差异。这一冷干差异有利于促进大气垂直运动的发展，在我国广东沿海区域附近，海平面气压呈现偏低差异，并引起了大气流场的变化。在海表10 m高度上，南海西北部呈现明显的由越南南部沿海吹向台湾海峡的南风差异，而菲律宾群岛附近呈现气旋性差异。风速差异随着高度的上升逐渐减弱，至500 hPa的高度时，这一差异基本消失，并在吕宋岛东北部翻转为微弱的反气旋性差异。低层大气中气旋性上升气流的差异与南风差异将进一步增强局地的暖湿差异，引起海表温度的升高，形成正反馈。另外，由于耦合动态海浪过程所引起的暖湿差异随高度逐渐减弱，至500 hPa的高度上该差异基本消失。