涌浪调制下的风浪平衡域特征对海气动量通量的影响研究

The air-sea momentum flux is a primary process in the air-sea interaction studies, and it is a key parameter in the multi-scale air-sea dynamics numerical simulations. The ubiquitous swell occurrence in the ocean act to strongly modulate the sea surface aerodynamic roughness and significantly affect the air-sea momentum flux, while the dynamics and characteristic description were still unclear. This study tries the explore the quantitative description of the swell modulation of short wind wave in the equilibrium range using the coincident wind and wave measurements, from which the swell modulation impact on the air-sea momentum flux would be investigated. Comparisons would be made on the swell modulation effect and the swell induced wind stress, from which the dominant contributing process of the swell would be investigated. The results of this project would provide new knowledge on the swell impact on the air-sea boundary dynamics, and provide theoretical and observational foundations for the development of the air-sea momentum flux parameterization.

海气界面动量通量是海气相互作用研究和多尺度海气过程模拟的核心问题，海洋中普遍存在的涌浪可以通过调制海表空气动力学粗糙度显著改变海气动量通量，而相关动力影响过程和特征描述方法仍不清晰。本项目拟基于海上风和海浪的同步观测资料，分析涌浪对风浪平衡域短波的动力调制特征，建立其定量关系，进而给出涌浪调制下风浪平衡域特征变化对海表动力粗糙度和海气动量通量的影响特征描述；拟对比涌浪的平衡域调制机制与气流诱导机制对海气动量通量的相对贡献，探讨涌浪对海气动量通量的主要动力影响过程。本项目有望提供海气边界层动力调制过程更为深入的认识，为进一步发展和优化海气动量参数化方案提供理论支持。

风应力不仅与风浪有关还受涌浪的调制影响。基于平台观测数据分析，检验了传统的以波龄和波陡为参数的风应力模型，研究发现，这些参数化方法的适用性存在一个明显的波陡临界条件，而该临界条件与风浪破碎有关，通过风-浪耦合模型分析，发现了风浪和涌浪间波波非线性相互作用的重要性，涌浪可以吸收风浪能量，抑制风浪破碎，减弱气流分离效应，增强风应力。这一作用与风浪和涌浪的谱峰频率比值相关，引入这一参数可以改进风应力参数化方案。基于模型分析发现，涌浪存在时风应力偏离MOST关系。在低风速条件下，在波浪边界层会呈现一个明显的射流现象。在非中性边界层条件下，浮力的作用非常明显，对风速垂向分布的梯度会产生明显的影响。同时考虑涌浪和浮力的影响，可以给出更为准确的风应力计算结果。上述成果提供了风-浪耦合作用新的机制认识，对改进风应力参数化方案提供了有力参考。