海浪對海氣界面風應力影響的研究進展

王 健

（大連市氣象服務中心，遼寧 大連 116001）

海面風應力作為上層海洋和下層大氣相互作用的關鍵邊界條件，一直是海洋和大氣科學研究領域的關鍵科學問題之一。海洋、大氣乃至海氣耦合模式的發展均依賴于海氣界面物理過程的科學認知程度。動量通量作為關鍵物理過程之一，其計算方案的準確性很大程度決定了模式的發展。

關于風應力的機理研究雖已逾半個多世紀，但因小尺度湍流脈動過程的復雜性，其準確計算仍存在諸多不確定性。海浪雖由風產生，但由于海浪與小尺度湍流存在尺度重疊（Sun et al, 2015），其又反作用于風場中的湍流，進而調制風應力（Hristov et al, 2003）。波湍相互作用的強非線性，加上對波浪和湍流同步觀測的高質量數據嚴重匱乏，為研究風應力過程帶來頗多困難。前期對海面風應力的研究多集中于風應力大小，提出多種形式的拖曳系數參數化方案來計算風應力（Yelland et al, 1996;Guan et al, 2004; 鄒仲水等, 2014），但這些方案差異性大且不具備普適性。此外，風應力作為矢量，其方向尤為重要（Ly, 1993），但常常被忽略。風應力的方向往往與風向不一致，多歸咎于海浪傳播方向與風向存在夾角，該不一致性在中低風速條件下尤為顯著（Rieder et al, 1994; Grachev et al, 2003）。對于風應力的研究多基于海上觀測。高質量觀測數據是研究海氣通量的基礎。船舶及浮標搭載系統對通量的觀測會受海浪影響，其晃動會影響數據準確性，且船體的阻擋導致大部分數據不可用（Miller et al, 2008）。海上固定觀測塔的優勢得以彰顯，塔基觀測穩定，無晃動，能獲取高質量的觀測資料，為研究海氣通量提供了新契機。

針對風應力矢量，研究其大小和方向與海浪狀態的密切相關性，將有助于對關鍵物理過程及其相互作用的科學認知。因此，本文重點回顧了海浪對風應力矢量影響方面的研究進展，并梳理了亟需解決的關鍵科學問題。

1 海氣界面風應力的研究現狀

風應力的本質是海洋與大氣之間水平動量的垂向輸送，表征了海洋與大氣之間的摩擦拖曳效應，其根源在于大氣湍流。因此，海面風應力的研究長期以大氣湍流中的Monin-Obukhov相似理論以及常通量層假設為基礎框架，并一直沿用至今，但面臨挑戰（Jiang et al, 2016; Mahrt et al, 2018）。風應力實質上是張量，在水平均一假設前提下，退化為一矢量，其大小和方向被諸多學者分別研究。因此，本文從風應力的量值大小和方向兩方面入手，回顧海浪在風應力矢量研究與計算過程中的作用以及研究現狀。

1.1 海浪對風應力大小的影響

在假定風應力矢量沿風向的前提下，通常對拖曳系數或粗糙長度來進行參數化，而后通過拖曳系數與風速平方的乘積來計算風應力，并將其作為邊界條件應用于海洋與大氣數值模式。最初研究表明拖曳系數CD只與風速U10有關（U10為海表面 10 m 高度處的風速），并且在5～25 m/s風速范圍內，CD與U10呈線性增加關系。該領域國際著名學者Large 和Pond（1981）、Yelland和Taylor（1996）及國內學者鄒仲水等（2014）等都給出了線性關系，然而線性系數各不相同，其受限于不同海區，甚至不同觀測數據。并且，在低風速（＜～5 m/s）和高風速（＞～25 m/s）下，拖曳系數并不能準確刻畫真實的風應力特征。Drennan等（1999）和鄒仲水等（2014）等觀測到拖曳系數在低風速下顯著分散，Powell等（2003）和Zhao等（2015）基于外海和近岸的通量觀測實驗發現在風速大于34 m/s和24 m/s時，拖曳系數飽和甚至減小，風速臨界值受諸如水深、地形等多種因素影響。

考慮到海表面存在海浪起伏，海浪狀態會顯著影響海氣界面風應力。Taylor和Yelland（2001）采用波高和波陡因子、Oost等（2002）采用波長及波齡因子來對粗糙長度或拖曳系數進行參數化。兩者作為國際著名的風應力算法，即COARE（Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment）算法沿用至今，但與實際觀測對比發現，COARE算法在準確刻畫風應力時仍存在明顯缺陷，特別是對高風速條件下風應力的計算。Andreas（2004）認為高風速下波浪破碎產生的飛沫會引起拖曳系數的下降，史劍等（2013）基于Andears提出的飛沫動量通量公式，研究表明拖曳系數會受飛沫影響而減小。拖曳系數會受涌浪影響呈現分散特征，Patton 等（2019）通過大渦模擬實驗及現場觀測證實拖曳系數的顯著分散依賴于涌浪傳播與風向的不一致性。

以上研究明確了海浪對拖曳系數或風應力大小的影響是極為顯著的，拖曳系數參數化風應力可通過考慮海浪作用得以改進，但其在定量方面仍存在不足。因此，有必要探索一種包含海浪與湍流物理過程的計算方案來準確合理地計算風應力。在探索風應力計算方案過程中，諸多學者并不從拖曳系數的角度入手，而是通過直接將波浪誘導的應力（波致應力）與風生雷諾應力（湍流應力）相加來計算風應力（Semedo et al, 2009; Zou et al, 2018; Chen et al, 2019; Chen et al, 2023）。風浪和涌浪對風應力的調制效果存在差異。Janssen（1992）指出風浪產生的波致應力對風應力有正反饋，使得風應力增大，Chen等（2023）利用渤海塔基平臺的海浪與風應力的同步觀測資料，揭示了風浪對風應力的增大作用；而Hanley和Belcher（2008）研究表明順風向涌浪致應力為負值，引起總應力減小，甚至會產生負的風應力，Semedo等（2009）、Song等（2015）及Chen等（2020c）也都證實了這一點。已有觀測表明在低風速強涌浪條件下，順風向涌浪會導致動量由海洋向大氣輸送，產生負的風應力（Grachev et al, 2001）。然而，逆風向涌浪會引起風應力的增加（Donelan et al, 1996）。因此，研究風浪和涌浪對風應力的調制機理有助于準確計算風應力。

1.2 海浪對風應力方向的影響

迄今為止，風應力矢量與風向的不一致性常被忽略，然而已有研究已經表明風應力方向往往與風向不一致，兩者夾角對風應力計算有顯著影響。Ly （1993）通過數值實驗總結得出10°～20°的應力偏離風向角度會導致拖曳系數減少10%～20%。

Geernaert（1988）理論推導出風應力矢量偏離風向的角度一般不超過5°，然而，其觀測發現風應力矢量偏離風向能接近30°。Rieder 等（1994）通過外海觀測發現風應力矢量整體集中在風向與波向之間，但其數據有限。Giovanangeli 等（1994）的風浪水槽實驗結果表明，風應力方向依賴于涌浪方向。即使在高風速條件下，風應力也會與風向偏離。Chen等（2013）基于海洋-大氣-海浪耦合數值模式研究了颶風條件下的風應力，發現涌浪會使得風應力偏離風向，角度可達25°。Potter 等（2016）利用臺風Chaba期間的觀測數據發現應力矢量會受涌浪調制而偏離平均風向，最大可達35°，且基本在風向與譜峰波向之間。Hsu等（2017）的觀測表明在風速高達30～45 m/s范圍內，由于橫風向拖曳系數的存在，風應力會偏離風向約20°。他們又用5個熱帶氣旋的觀測數據證實了這一偏離（Hsu et al, 2019），并指出海表面波浪場的空間變異性起著決定作用。Zou 等（2019）通過理論分析定性表明風應力偏離風向角度與涌浪有關。Chen等（2020a）在去除風場的非平穩運動后，分析了涌浪主導情況下的風應力方向問題，表明風應力偏離風向角度很大程度上依賴于涌浪方向，整體上隨著涌浪偏離風向角度的增大而增大。

以上研究表明風應力矢量會受到海浪的調制偏離平均風向。然而，關于風應力方向仍沒有形成較為系統的科學認知，特別是風應力方向與風、浪的關系仍不明確。因此，需要利用高質量、可覆蓋多種海況的觀測數據，結合物理過程分析來系統性地研究不同風場、不同狀態下的海浪對風應力方向的調制作用，進而將方向因子納入風應力計算方案中。

2 亟待解決的關鍵科學問題

海浪對海面風應力的影響受到越來越多關注，國內外學者在這方面也取得了卓有成效的研究成果。但截至目前，風應力的參數化方案仍存在局限性，特別是在高風速、高海況條件下。因此，筆者認為在海氣界面風應力這一研究方向存在以下2個亟待解決的關鍵科學問題或面臨的主要挑戰。

2.1 高風速下海浪對風應力的調制機理

高風速條件下風應力系數（拖曳系數）CD飽和甚至衰減的特征自發現以來，諸多學者開始探索其背后的物理機制，其中大多通過擬合觀測來解釋（Chen et al, 2013; 史劍等, 2013; 陳英健等, 2017; Chen et al, 2020d），并猜測波浪破碎、涌浪及水深等起著重要作用。Chen等（2020b）總結出近岸與外海拖曳系數飽和衰減的臨界風速有明顯差別，統計結果表明臨界風速值在近岸偏小，約20 m/s；而在外海偏大，約30 m/s。并且，他們分析湍流觀測資料發現拖曳系數在臺風不同象限內呈現出不對稱特性，盡管通過海浪的再分析資料分析表明海浪狀態在這一不對稱性中起到了關鍵作用，但由于缺乏海浪的同步實測資料，尚不能揭示海浪在這一過程中的內在機理。此外，高風速條件下，海浪會破碎，產生的飛沫也會對風應力產生顯著影響（Andreas, 2004; 趙棟梁, 2012）。因此，需要更高質量的海浪包括飛沫與海氣動量通量的同步實測資料，結合數值模擬手段來確定高風速下海浪對風應力的調制機理。

2.2 各種海況通用的風應力參數化方案

風應力的參數化方案制約著海洋、大氣及海氣耦合模式的發展與完善，特別是數值模式的分辨率越來越高，更需要對風應力進行準確定量表達。此外，目前的臺風模式中應用的風應力算法是中低風速下算法的延伸，盡管已建立了多種高風速下的風應力系數參數化方案，但由于缺乏實地高頻湍流通量的觀測，特別是缺乏海浪、海洋飛沫的同步觀測，關鍵物理過程對風應力的影響機制和調制程度仍不明晰，與實際觀測存在一定偏差的現有參數化方案仍亟待改進。因此，需要研制可以匹配高分辨率數值模式的、新型的、適合各種海況的、基于物理的通用風應力參數化方案，為高分辨率數值模式、臺風模式的發展與完善提供支持。

3 結語

海氣界面通量交換的研究一直是海洋及大氣科學領域的熱點和難點之一，國內外眾多學者在這一方向進行了長期且卓有成效的研究，并認識到了海浪在海氣通量交換過程中的關鍵作用。針對海氣動量通量（風應力），本文回顧了海浪對風應力矢量影響的研究現狀，重點梳理了國內外在風應力研究中的核心研究成果，最后針對性地提出了未來亟待解決的關鍵科學問題及需要攻關的方向。

現階段海浪與海氣動量通量的同步觀測資料仍存在不足，特別是在高風速、高海況條件下，這制約著對海浪在風應力中的重要調制作用的進一步認識與深刻理解，進而限制了風應力參數化方案的改進。高質量的精細化觀測資料是揭示海氣動量通量內在機理的關鍵，這需要海上塔基觀測平臺的支持。因此，在不同海區建設適合開展海洋-大氣綜合立體觀測塔基平臺，積累不同海區、各種海況條件的實測資料，將為研究海氣通量并建立普適的海氣動量通量參數化方案提供強有力的支持。