全风速条件下海洋飞沫参数化方案的集合参数估计研究

To improve the air-sea turbulent fluxes model, the sea spray parameterization has been widely studied. Current sea spray parameterization scheme under the full wind speed condition gets rids of the restriction of the wind range and avoids the inconsistency of sea spray source functions as well as induces the sea surface drag coefficient that consists with the characteristic distribution of real observation. However, there are the controversial Charnock relative parameters in this sea spray parameterization scheme, which greatly affects the accuracy of the air-sea turbulent fluxes. Observation-optimized parameter can greatly improve the analysis and forecast quality of the air-sea processes (e.g., typhoon) in synoptic scale. With the ensemble adjustment Kalman filter, this study attempts to estimate the Charnock relative parameter in a self-developed sea spray parameterization scheme under the full wind speed conditions through assimilating observations of ocean upper temperature and current into an ocean model. It is expected that the parameter estimation can not only further improve the assimilation quality of model states but also enhance the precision of air-sea turbulent fluxes, especially for the typhoon passage, which accordingly improves the simulation of temperature and current in the upper ocean.

为了改进海-气湍通量算法模型，海洋飞沫的参数化方案得到广泛的研究。现有的全风速条件下的海洋飞沫参数化方案虽然摆脱了适用风速的范围限制以及避免了海洋飞沫增长函数的不一致性，并能够推算出符合实际观测分布特征的海面拖曳系数，但该海洋飞沫参数化方案仍存在具有争议的Charnock相关参数。而这个参数会显著影响海气湍通量的模拟准确性。利用观测资料对该参数进行估计，可以显著改善天气尺度海气过程（例如台风）的分析和预报精度。本研究拟基于集合调整卡尔曼滤波数据同化方法，将海洋温度和流场的观测数据同化到海洋数值模式中，并对自主研发的全风速条件下飞沫参数化方案中的Charnock相关参数进行估计。该方法预期在进一步改进海洋初始状态场的同时，可以提高海-气湍通量计算精度（特别在台风期间），进而改进海洋上层的温度和流场的数值模拟效果。

本研究将全风速条件下海洋飞沫参数化方案嵌入海洋数值动力模式，并利用集合调整卡尔曼滤波方法和西北太平洋观测资料，建立集合调整卡尔曼滤波海洋数据同化模型。在参数敏感性分析的基础上，利用北太平洋的KEO和PAPA浮标站观测资料，开展了全风速条件下海洋飞沫参数化方案的最优估计。同时，选取西太平洋Haitang、Rammasun、Yagi、和Soulik台风为研究对象，分析了优化后的海洋飞沫参数化方案对海洋上层海洋要素的数值模拟效果的影响。研究结果表明，在孪生试验框架下，中低风速下海表温度能够将海洋飞沫参数化方案关键参数n和m优化至先验值，而高风速条件下优化参数影响至海洋上层，当仅同化海表温度时参数优化需要更长时间达到平衡。在实际框架下，利用KEO站日平均海表温度观测优化海洋飞沫参数化方案的关键参数，消除了海表温度的分析误差的77%。在台风Yagi期间海表温度预报过程中，参数优化延长了3天的预报时效，提高了67%的预报技巧。在Rammasun、Haitang和Soulik台风期间，优化后的飞沫湍通量参数化方案使台风轨迹右侧的海表降温最大增加了0.5℃，得到更符合实际的海洋上层的降温过程，改进了台风条件下海洋模式在海洋上层的模拟效果。本研究发表了研究论文9篇，其中SCI/EI收录7篇。培养2名博士研究生，访问学者1名。