海浪对海气界面风应力影响的研究进展

王 健

（大连市气象服务中心，辽宁 大连 116001）

海面风应力作为上层海洋和下层大气相互作用的关键边界条件，一直是海洋和大气科学研究领域的关键科学问题之一。海洋、大气乃至海气耦合模式的发展均依赖于海气界面物理过程的科学认知程度。动量通量作为关键物理过程之一，其计算方案的准确性很大程度决定了模式的发展。

关于风应力的机理研究虽已逾半个多世纪，但因小尺度湍流脉动过程的复杂性，其准确计算仍存在诸多不确定性。海浪虽由风产生，但由于海浪与小尺度湍流存在尺度重叠（Sun et al, 2015），其又反作用于风场中的湍流，进而调制风应力（Hristov et al, 2003）。波湍相互作用的强非线性，加上对波浪和湍流同步观测的高质量数据严重匮乏，为研究风应力过程带来颇多困难。前期对海面风应力的研究多集中于风应力大小，提出多种形式的拖曳系数参数化方案来计算风应力（Yelland et al, 1996;Guan et al, 2004; 邹仲水等, 2014），但这些方案差异性大且不具备普适性。此外，风应力作为矢量，其方向尤为重要（Ly, 1993），但常常被忽略。风应力的方向往往与风向不一致，多归咎于海浪传播方向与风向存在夹角，该不一致性在中低风速条件下尤为显著（Rieder et al, 1994; Grachev et al, 2003）。对于风应力的研究多基于海上观测。高质量观测数据是研究海气通量的基础。船舶及浮标搭载系统对通量的观测会受海浪影响，其晃动会影响数据准确性，且船体的阻挡导致大部分数据不可用（Miller et al, 2008）。海上固定观测塔的优势得以彰显，塔基观测稳定，无晃动，能获取高质量的观测资料，为研究海气通量提供了新契机。

针对风应力矢量，研究其大小和方向与海浪状态的密切相关性，将有助于对关键物理过程及其相互作用的科学认知。因此，本文重点回顾了海浪对风应力矢量影响方面的研究进展，并梳理了亟需解决的关键科学问题。

1 海气界面风应力的研究现状

风应力的本质是海洋与大气之间水平动量的垂向输送，表征了海洋与大气之间的摩擦拖曳效应，其根源在于大气湍流。因此，海面风应力的研究长期以大气湍流中的Monin-Obukhov相似理论以及常通量层假设为基础框架，并一直沿用至今，但面临挑战（Jiang et al, 2016; Mahrt et al, 2018）。风应力实质上是张量，在水平均一假设前提下，退化为一矢量，其大小和方向被诸多学者分别研究。因此，本文从风应力的量值大小和方向两方面入手，回顾海浪在风应力矢量研究与计算过程中的作用以及研究现状。

1.1 海浪对风应力大小的影响

在假定风应力矢量沿风向的前提下，通常对拖曳系数或粗糙长度来进行参数化，而后通过拖曳系数与风速平方的乘积来计算风应力，并将其作为边界条件应用于海洋与大气数值模式。最初研究表明拖曳系数CD只与风速U10有关（U10为海表面 10 m 高度处的风速），并且在5～25 m/s风速范围内，CD与U10呈线性增加关系。该领域国际著名学者Large 和Pond（1981）、Yelland和Taylor（1996）及国内学者邹仲水等（2014）等都给出了线性关系，然而线性系数各不相同，其受限于不同海区，甚至不同观测数据。并且，在低风速（＜～5 m/s）和高风速（＞～25 m/s）下，拖曳系数并不能准确刻画真实的风应力特征。Drennan等（1999）和邹仲水等（2014）等观测到拖曳系数在低风速下显著分散，Powell等（2003）和Zhao等（2015）基于外海和近岸的通量观测实验发现在风速大于34 m/s和24 m/s时，拖曳系数饱和甚至减小，风速临界值受诸如水深、地形等多种因素影响。

考虑到海表面存在海浪起伏，海浪状态会显著影响海气界面风应力。Taylor和Yelland（2001）采用波高和波陡因子、Oost等（2002）采用波长及波龄因子来对粗糙长度或拖曳系数进行参数化。两者作为国际著名的风应力算法，即COARE（Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment）算法沿用至今，但与实际观测对比发现，COARE算法在准确刻画风应力时仍存在明显缺陷，特别是对高风速条件下风应力的计算。Andreas（2004）认为高风速下波浪破碎产生的飞沫会引起拖曳系数的下降，史剑等（2013）基于Andears提出的飞沫动量通量公式，研究表明拖曳系数会受飞沫影响而减小。拖曳系数会受涌浪影响呈现分散特征，Patton 等（2019）通过大涡模拟实验及现场观测证实拖曳系数的显著分散依赖于涌浪传播与风向的不一致性。

以上研究明确了海浪对拖曳系数或风应力大小的影响是极为显著的，拖曳系数参数化风应力可通过考虑海浪作用得以改进，但其在定量方面仍存在不足。因此，有必要探索一种包含海浪与湍流物理过程的计算方案来准确合理地计算风应力。在探索风应力计算方案过程中，诸多学者并不从拖曳系数的角度入手，而是通过直接将波浪诱导的应力（波致应力）与风生雷诺应力（湍流应力）相加来计算风应力（Semedo et al, 2009; Zou et al, 2018; Chen et al, 2019; Chen et al, 2023）。风浪和涌浪对风应力的调制效果存在差异。Janssen（1992）指出风浪产生的波致应力对风应力有正反馈，使得风应力增大，Chen等（2023）利用渤海塔基平台的海浪与风应力的同步观测资料，揭示了风浪对风应力的增大作用；而Hanley和Belcher（2008）研究表明顺风向涌浪致应力为负值，引起总应力减小，甚至会产生负的风应力，Semedo等（2009）、Song等（2015）及Chen等（2020c）也都证实了这一点。已有观测表明在低风速强涌浪条件下，顺风向涌浪会导致动量由海洋向大气输送，产生负的风应力（Grachev et al, 2001）。然而，逆风向涌浪会引起风应力的增加（Donelan et al, 1996）。因此，研究风浪和涌浪对风应力的调制机理有助于准确计算风应力。

1.2 海浪对风应力方向的影响

迄今为止，风应力矢量与风向的不一致性常被忽略，然而已有研究已经表明风应力方向往往与风向不一致，两者夹角对风应力计算有显著影响。Ly （1993）通过数值实验总结得出10°～20°的应力偏离风向角度会导致拖曳系数减少10%～20%。

Geernaert（1988）理论推导出风应力矢量偏离风向的角度一般不超过5°，然而，其观测发现风应力矢量偏离风向能接近30°。Rieder 等（1994）通过外海观测发现风应力矢量整体集中在风向与波向之间，但其数据有限。Giovanangeli 等（1994）的风浪水槽实验结果表明，风应力方向依赖于涌浪方向。即使在高风速条件下，风应力也会与风向偏离。Chen等（2013）基于海洋-大气-海浪耦合数值模式研究了飓风条件下的风应力，发现涌浪会使得风应力偏离风向，角度可达25°。Potter 等（2016）利用台风Chaba期间的观测数据发现应力矢量会受涌浪调制而偏离平均风向，最大可达35°，且基本在风向与谱峰波向之间。Hsu等（2017）的观测表明在风速高达30～45 m/s范围内，由于横风向拖曳系数的存在，风应力会偏离风向约20°。他们又用5个热带气旋的观测数据证实了这一偏离（Hsu et al, 2019），并指出海表面波浪场的空间变异性起着决定作用。Zou 等（2019）通过理论分析定性表明风应力偏离风向角度与涌浪有关。Chen等（2020a）在去除风场的非平稳运动后，分析了涌浪主导情况下的风应力方向问题，表明风应力偏离风向角度很大程度上依赖于涌浪方向，整体上随着涌浪偏离风向角度的增大而增大。

以上研究表明风应力矢量会受到海浪的调制偏离平均风向。然而，关于风应力方向仍没有形成较为系统的科学认知，特别是风应力方向与风、浪的关系仍不明确。因此，需要利用高质量、可覆盖多种海况的观测数据，结合物理过程分析来系统性地研究不同风场、不同状态下的海浪对风应力方向的调制作用，进而将方向因子纳入风应力计算方案中。

2 亟待解决的关键科学问题

海浪对海面风应力的影响受到越来越多关注，国内外学者在这方面也取得了卓有成效的研究成果。但截至目前，风应力的参数化方案仍存在局限性，特别是在高风速、高海况条件下。因此，笔者认为在海气界面风应力这一研究方向存在以下2个亟待解决的关键科学问题或面临的主要挑战。

2.1 高风速下海浪对风应力的调制机理

高风速条件下风应力系数（拖曳系数）CD饱和甚至衰减的特征自发现以来，诸多学者开始探索其背后的物理机制，其中大多通过拟合观测来解释（Chen et al, 2013; 史剑等, 2013; 陈英健等, 2017; Chen et al, 2020d），并猜测波浪破碎、涌浪及水深等起着重要作用。Chen等（2020b）总结出近岸与外海拖曳系数饱和衰减的临界风速有明显差别，统计结果表明临界风速值在近岸偏小，约20 m/s；而在外海偏大，约30 m/s。并且，他们分析湍流观测资料发现拖曳系数在台风不同象限内呈现出不对称特性，尽管通过海浪的再分析资料分析表明海浪状态在这一不对称性中起到了关键作用，但由于缺乏海浪的同步实测资料，尚不能揭示海浪在这一过程中的内在机理。此外，高风速条件下，海浪会破碎，产生的飞沫也会对风应力产生显著影响（Andreas, 2004; 赵栋梁, 2012）。因此，需要更高质量的海浪包括飞沫与海气动量通量的同步实测资料，结合数值模拟手段来确定高风速下海浪对风应力的调制机理。

2.2 各种海况通用的风应力参数化方案

风应力的参数化方案制约着海洋、大气及海气耦合模式的发展与完善，特别是数值模式的分辨率越来越高，更需要对风应力进行准确定量表达。此外，目前的台风模式中应用的风应力算法是中低风速下算法的延伸，尽管已建立了多种高风速下的风应力系数参数化方案，但由于缺乏实地高频湍流通量的观测，特别是缺乏海浪、海洋飞沫的同步观测，关键物理过程对风应力的影响机制和调制程度仍不明晰，与实际观测存在一定偏差的现有参数化方案仍亟待改进。因此，需要研制可以匹配高分辨率数值模式的、新型的、适合各种海况的、基于物理的通用风应力参数化方案，为高分辨率数值模式、台风模式的发展与完善提供支持。

3 结语

海气界面通量交换的研究一直是海洋及大气科学领域的热点和难点之一，国内外众多学者在这一方向进行了长期且卓有成效的研究，并认识到了海浪在海气通量交换过程中的关键作用。针对海气动量通量（风应力），本文回顾了海浪对风应力矢量影响的研究现状，重点梳理了国内外在风应力研究中的核心研究成果，最后针对性地提出了未来亟待解决的关键科学问题及需要攻关的方向。

现阶段海浪与海气动量通量的同步观测资料仍存在不足，特别是在高风速、高海况条件下，这制约着对海浪在风应力中的重要调制作用的进一步认识与深刻理解，进而限制了风应力参数化方案的改进。高质量的精细化观测资料是揭示海气动量通量内在机理的关键，这需要海上塔基观测平台的支持。因此，在不同海区建设适合开展海洋-大气综合立体观测塔基平台，积累不同海区、各种海况条件的实测资料，将为研究海气通量并建立普适的海气动量通量参数化方案提供强有力的支持。