南沙海域大气边界层风场结构特征的观测和数值模拟研究

As the important geographical position of the Nansha Sea Area, studying the wind structure of the atmospheric boundary layer above this area is very important to the marine environment guarantee service needed by social economic and military activities. The wind structure in the sea-atmospheric boundary layer is largely affected by the sea surface roughness. In this project, based on the turbulent observations in the surface layer above one of the Nansha Islands obtained by the eddy covariance (E-C) method, the sea surface friction velocity and drag coefficient under high wind speed will be calculated and analyzed, and then, a new parameterization of sea surface roughness suitable for different wind speeds will be constructed and coupled with the global atmospheric spectral model (YHGSM). Then, based on the observations from E-C method and a boundary layer wind profiler radar, combined with satellite data and numerical simulation, the characteristics of turbulence structures in the lower boundary layer, the mean wind structure and turbulence intensity in the upper boundary layer, and sea surface wind fields will be studied.

南沙海域地理位置十分重要，研究这一海域的边界层风场结构对于提高社会经济和军事活动所需的海上气象环境保障能力具有重要意义。海-气边界层风场结构受到海面动力粗糙度的重要影响。因此，本项目首先基于涡动相关系统提供的观测资料，分析研究南沙海域高风速条件下海面摩擦速度和曳力系数等参数随风速的变化特征，建立适合于该海域不同风速条件下的海面粗糙度参数化方案并与全球大气谱模式（YHGSM）耦合，以提高模式对海－气湍流通量交换和边界层风场的预报精度。同时，以近海面层涡动相关系统和边界层风廓线雷达所提供的风场观测资料为基础，结合卫星遥感资料和数值模式，进一步分析南沙海域近海面层湍流结构、边界层平均风场结构和晴空湍流以及海面风场等要素的时空变化规律及其物理机制。

南沙海域处于十分重要的战略位置，研究该海域大气边界层结构特征具有非常重要的科研价值和实际应用价值。正确地认识南沙海域的海面风、浪特征及其相互关系，发展更适合于南沙海域的海-气通量参数化方案，将有效地提高大气模式对海气边界层结构的模拟能力和相应的环境保障能力。本文以南沙海域为研究区域，基于ERA-Interim 高分辨率再分析资料，结合数值模拟方法完成了以下三方面工作： .（1）南沙海域海面风、浪场时空分布特征分析。基于ERA-Interim 0.125°分辨率的再分析资料，统计分析南沙海域的风、浪场结构特征及其时空变化规律。统计分析结果表明：在季风盛行期间，南沙海域的月平均有效波高与风场有良好的对应关系，风速和有效波高的大值中心均出现于中南半岛的东南部，且冬季强于夏季，中心位置随季节转换稍向下风向移动；南沙海域全年以4级以内风力和3级以内海浪出现的频率最高，较强的风速和海浪主要出现在冬季风期间；受台风影响，全年最大风速和浪高出现在10~11月；最小的时期是4~5月。.（2）建立海表动力学粗糙度参数化方案。利用ERA-Interim再分析资料建立南沙海域风浪关系模型，结合Gao等2012年提出的海表动力学粗糙度方案，建立适合南沙海域的海表动力学粗糙度参数化方案，以改进海气界面动量通量模拟能力。结果表明：在中低风速条件下，新方案对风场的模拟效果更好，也更适用于全年平均风速较低的南沙海域。.（3）利用改进后的数值模拟平台分析给出南沙海域不同时期（季风期和季风转换期）的海气边界层典型结构特征。结果表明：在季风盛行期间，边界层高度较为稳定，受背景风场和海表温度的影响明显。冬季风时期的边界层高度最高在1000m左右，夏季风时期次之，季风过渡期的边界层高度最低，平均高度在600m以下。湍流动能的季节变化特征较为显著，冬季风盛行期间湍流动能最大，夏季风次之，季风转换期最小。但是湍流动能的日变化与陆地表面有显著差异，最大值并非出现在午后。