低风速和稳定层结条件下总体通量算法改进及其对蒸发波导数值预报的影响研究

Evaporation duct is the most frequently occurring abnormal refraction structure over the ocean and its existence tends to be permanent or semi-permanent, which has a great impact on the operation of marine radio systems, such as radar. How to improve the calculation accuracy of the evaporation ducts in low winds and stable stratifications is an important scientific problem in the research and forecast applications of evaporation duct. An effective approach to solve this problem is to enhance the applicability of the air-sea surface bulk flux algorithm in low wind and stable conditions. In this project, the physical processes and key factors that dominate the flux calculation and the accurate prediction of evaporation duct are investigate, for low winds and stable stratifications, based on the Air-Sea Interaction Tower (ASIT) data from the Coupled Boundary Layers Air-Sea Transfer field campaign for low wind extreme (CBLAST-LOW). The current air-sea flux parameterizations will be improved and extended, by considering the low wind/swell effects and developing new flux-profile relationships that are more suitable for stable conditions, so as to achieve the purpose of improve the prediction accuracy of the evaporation duct.

蒸发波导是海洋环境中最常出现的一种异常大气折射结构，其存在往往具有永久或半永久性，对海上运作的雷达等无线电系统影响极大。如何提高蒸发波导在低风速和稳定层结条件下的计算精度，是目前蒸发波导研究和预报应用领域重要的科学问题，而提高海气表面总体通量算法在低风速和稳定层结条件下的适用性，是解决这一问题的有效途径。本申请项目将在CBLAST-LOW试验提供的ASIT实测数据基础上，重点研究低风速和稳定层结条件下影响和制约海气表面通量计算以及蒸发波导精细化预报的物理过程和关键要素，通过引入低风速条件下的涌浪效应和发展新的适用于稳定层结的通量廓线关系式来改进和拓展现有的表面通量参数化方法，以期达到提高海上蒸发波导数值预报精度的目的。

蒸发波导是海洋环境中最常出现的一种异常大气折射结构，其存在往往具有永久或半永久性，对海上运作的雷达等无线电系统影响极大。如何提高蒸发波导在低风速和稳定层结条件下的计算精度，是目前蒸发波导研究和预报应用领域重要的科学问题。.本项目创新性地提出了更为普适的蒸发波导（UED）模型，揭示了不同通量廓线关系式（稳定度关系式）、风速粗糙度方案和标量粗糙度方案对蒸发波导模型诊断结果的影响及其相对重要性。利用我国南海海域布设的铁塔平台观测资料、CBLAST-LOW试验提供的ASIT平台实测数据开展了稳定层结条件下（含低风速时的强稳定层结）稳定度关系式的评估和优化，将弱稳定层结时（0≤RiB<0.03）最优的HYQ92关系式和强稳定层结时（RiB≥0.03）最优的SHEBA07关系式共同引入UED模型，采用分段描述稳定度关系式的方法，实现了稳定层结甚至是低风速强稳定层结时蒸发波导模型稳定性和诊断效果的改进。.利用NDBC浮标数据，基于二维谱风涌浪分离方法（2D法）和波龄关系将涌浪分离出来，在此基础上利用量纲分析原则和数据拟合方法，针对U10≤4m/s（弱风追随涌浪）和4m/s<U10≤25m/s（涌浪与风场反向）两种情况分别发展了实用的涌浪参数化方法。涌浪特征量的典型特征可以概括为：弱风时风速区间内的涌浪波高和波周期均值具有明显的定常特性，而在更高风速条件下涌浪的无量纲波高和波周期之间更接近线性关系，而不是经典的Toba3/2幂律。.由于波动边界层内的海浪效应对发生在海洋大气近地层内的蒸发波导结构有较为显著的影响，但这一因素在单一大气模式中无法考虑，因此本项目利用大量NDBC浮标数据，基于数据挖掘技术、量纲分析原则和数据拟合方法，剔除涌浪的影响，发展了一种仅依赖大气模式能够提供的特征量来对有效波高和谱峰周期进行参数化的方法，这为单一大气模式中考虑中高风速条件下的海浪效应对蒸发波导结构的影响奠定了基础。.以WRF中尺度模式为基础，改进模式近地层总体通量参数化方案，单向耦合UED蒸发波导模型建立海上蒸发波导数值预报模式，通过数值对比试验表明改进后的模式能够提高蒸发波导高度和强度的预报效果；利用雷达回波资料和电磁波传播模式输出的电波损耗特征共同验证低风速稳定层结时的模拟结果，进一步证实了本项目建立的海上蒸发波导预报模式能够很好地预报蒸发波导分布和海洋大气近地层内的折射环境。