基于海上观测平台的海气边界层动量通量同步观测研究

Surface waves play an important role in both oceanic and atmospheric boundary layers. Previous studies focused usually on effects of surface waves on the oceanic turbulence dissipation rate and exchange processes at the sea-air interface. Influences of surface waves on the oceanic vertical momentum flux have been ignored for a long time. In fact, surface waves can regulate and redistribute the oceanic momentum flux inputted from winds in temporal and spatial scales. They are significant “source” and “sink” for the budget of momentum flux in the oceanic boundary layer. On the one hand, surface waves can indirectly affect oceanic momentum flux through enhancing turbulence. On the other hand, surface waves can directly affect it through the wave-induced stress associated with wave-turbulence interaction. Therefore, the momentum flux in the ocean is not totally dependent on the local instantaneous wind stress.. This project conducts high-frequent and synchronous measurements to sea water velocity in the oceanic boundary layer and wind velocity in the atmospheric boundary layer, relying on a marine observation platform. A new wave-turbulence separation method will be developed to calculate accurately the momentum flux in the oceanic boundary layer. This flux will be compared with local wind stress. From this comparison, we attempt to examine the distribution and evolution of oceanic vertical momentum flux under different sea states, and then understand the regulation and redistribution of surface waves to the oceanic momentum flux in temporal and spatial scales. This study can help to close the parameterization of the oceanic mixing in mechanism, and improve the ability of numerical models to simulate surface waves and oceanic currents.

波浪对海洋和大气边界层有重要影响，过去的研究通常集中在波浪对海洋湍流耗散率和海-气界面过程的作用方面，波浪对海洋垂向动量通量的影响长期以来被忽略。事实上，波浪对风输入到海洋中的动量通量在时空尺度上有重要的调制和再分配作用，是局地海洋动量通量不可忽略的“源”和“汇”。一方面，波浪通过湍流间接影响动量通量；另一方面，在波-湍相互作用框架下，波浪诱发的波致应力直接影响动量通量。在波浪作用下，海面下的动量通量不再完全取决于局地的海面风应力。. 本项目依托海上观测平台，对海洋边界层中的海水流速和大气边界层中的风速进行同步高频观测，发展有效的波-湍分离方法，准确计算海洋边界层中的动量通量，并分析它与局地海面风应力的关系，了解不同海况条件下海洋上层垂向动量通量的分布和演化规律，明确波浪对海洋动量通量的调制和再分配作用，从机理上完善海洋混合参数化方案，提高数值模式对海浪和海流的模拟能力。

由于观测和计算困难，传统的边界层理论通常假定海洋边界层中的湍动Reynolds应力(动量通量)等于或小于海面风应力。该项目基于观测定量比较了海洋边界层中的湍动Reynolds应力和海面风应力之间的关系。项目设计并进行了三次海气边界层动量通量同步观测实验，基于海上固定观测平台利用声学仪器对海面下的海流和海面上的风进行了精确的高频观测；并改进了基于同步挤压小波变换的波-湍分离方法，发现滑动平均可以部分校正原方法中的湍流能量泄露问题；发展了海洋湍流数据噪音消除方法，揭示了Kalman滤波和自回归滑动平均模型（ARMA）对声学多普勒流速仪（ADV）观测数据良好的去噪能力。项目利用涡动相关方法直接计算了海气边界层中的动量通量，在国内外首次发现海洋边界层中的湍动Reynolds应力可以显著大于海面风应力，这颠覆了传统的边界层理论假设，深化了对海洋边界层的科学认知。. 项目进行了高质量的海面太阳辐射观测实验，首次明确了海面反照率与海面风速及水汽压等之间的关系，建立了适用于各种天空情况的海面太阳辐射反照率参数化方案，相关研究可以改进海洋上层热量的收支和平衡问题，提高海洋耦合模式的模拟能力；还研究了南海三沙永乐蓝洞内海水的物理特征，在洞内发现了目前全球海洋中年龄最古老的海水，并利用海水的湍流特征揭示了这些海水的形成和演化特征，相关研究对研究古海洋和气候演变等具有重要科学意义。