近海层湍流输送系数和海面空气动力粗糙度参数化方案研究

海－气耦合中尺度数值模式的预报结果对其中大气模块的近海层湍流通量参数化方案极其敏感。在综合分析现有的典型参数化方案和利用国内外已有的近海层实地观测资料的基础之上，通过敏感性试验和量纲分析方法，重点研究近海层湍流输送系数的参数化方法和海面空气动力粗糙度的参数化方法。包括（1）进一步研究动量、热量和水汽通量输送系数的参数化方案；（2）深入研究湍流交换系数对海面粗糙度、近海层大气层结稳定度的依赖关系；（3）利用波参数之间的关系、波参数和大气参数之间的无量纲关系，推导新的海面空气动力粗糙度的参数化公式，并用观测试验资料验证我们的方案是否优于前人的工作。该项研究工作可望提出可直接应用于气候和中尺度数值模式的近海层湍流通量输送系数的参数化方案。

本课题主要完成以下四部分内容：（1）利用中国气象局广州热带海洋气象研究所在广东茂名博贺港(离岸6.5 km，平均水深14 m)的近海海洋气象观测平台上的两层涡动相关和五层慢响应风温湿观测数据，研究了不稳定条件下温度和比湿的无量纲廓线函数(ϕT和ϕq)，提出的无量纲廓线函数形式ϕT和ϕq，是Businger-Dyer公式和自由对流公式的插值，包含了不稳定度范围内的两个标度率“-1/2”和“-1/3”。涵盖了比较大的不稳定度范围：稳定度参数ζ 在-0.1到-50之间。COARE3.0方案估算的ϕq与观测值结果相近，而ϕT高于观测结果。在不稳定时，ϕq比ϕT大，ϕq和ϕT的比值随-ζ的增加而增加。对于ζ <-10，ϕq和ϕT的比值为常数2.5。ϕq和ϕT的比值及其热量和水汽湍流传输效率比值(RwT/Rwq)都显示，在不稳定条件下热量传输比水汽传输活跃。（2）利用博贺海洋气象观测平台获取的台风“黑格比”和“灿都”数据，采用涡动相关法和通量梯度法计算分析高风速条件下海面摩擦速度、拖曳系数和海面空气动力粗糙长度随10米高度风速变化特征。结果显示拖曳系数的饱和风速为27 ms-1，饱和值为0.0025。饱和风速比以往研究结果略小。其原因可能是资料观测处理方法不同以及浅水效应导致饱和风速相对小。本研究是国际上首次利用塔基观测资料研究该问题。（3）对Gao et al.(2006)研发的湍流通量参数化方案进行扩展，用无量纲波高 （或 ）代替波龄 （或 ），推导用无量纲波高表达的新的参数化方案，并用另外独立的数据集FPN(the NorthSea Platform experiment)进行验证。（4）研发了一套无需循环迭代的湍流传输系数参数化方案，新方案与传统的迭代方案计算结果相近。新的参数化方案无需迭代，节省机时，允许动量和热力粗糙长度比值大。