第三讲 风应力 , 热通量 淡水通量

1. 第三讲风应力, 热通量淡水通量 张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn)

2. Sun .008916 9 .074074 7 .188615 Atmosphere .336077 5 .500000 .663923 .811385 3 .925926 1 .991084 1 Sea Ice 2 3 25 75 125 180 255 360 1 3 5 Ocean Land 7 500 680 900 9 1160 1455 1775 2115 2475 2850 3235 3625 4015 4405 4800 11 13 15 17 19 这些交换是通过海表面附近边界层的湍流过程实现的. 动量 水分 热量 LASG全球海洋-大气-陆面（GOALS）耦合模式

3. 主 要 内 容 • 风应力及其参数化 • 湍流热通量和辐射热通量 • 盐度和淡水通量

4. 动量方程和位温方程

5. 垂直“扩散”和海表通量 扩散项及其边界条件是如何导出的?

6. 风和风应力

7. 太平洋年平均风应力

8. 极地东风带 西风带 信 风 赤道无风带 (Continued) (c) viewed from above. (From Tomczak and Godfrey, 2001)

9. The meridional air pressure distribution and associated air movement (a) on a non-rotating earth, (b) on a rotating earth without continents.

10. 风应力的定义 和 参数化表示

11. 大气边界层, 近地层(常通量层) ZB 1000m Atmospheric boundary layer ZS 0.1ZB Surface layer(constant flux layer) Z0 1mm 大气模式一般不能分辨常通量层.

12. 近地面层(常通量层) ： • 高度为50~100米; • 湍流应力远超过分子粘性力； • 科氏力和气压梯度力可忽略； • 动量、热量和水汽的湍流垂直输送随高度的变化很小。 （周秀骥等：高等大气物理学）

13. 平均流和湍流 (以u-方程为例，讨论湍流对平均流的贡献)

14. 湍流分量及其垂直输送 Ensemble average

15. 湍流输送通量 平均输送通量

16. 大气动量方程, Reynolds应力 Fu= Nm-2 dyncm-2

17. (第五讲) 大气常通量层 海表面边界层 风应力是向下的湍流水平动量输送通量.

18. 小 结 • 气候模式只描写平均量的变化. • 湍流量对平均量的贡献总是表现为湍流输送通量(Reynolds应力)的辐合, 来源于非线性平流项. • 利用大气常通量层的Reynolds应力来定义风应力.

19. 风应力的参数化, 平均风速廓线 Constant flux layer u= u(z) Ocean boundary layer

20. 海面边界层理论和风应力参数化 •雷诺应力√ • 常通量层√、混合长理论 • 相似理论→平均风梯度 • 平均风廓线和风应力公式√ •拖曳系数和稳定度参数 (可参看 da Silva et el., 1994)

21. 风应力和拖曳系数 稳定度

22. 风应力的物理意义 Wind stress is the friction due to wind blowing across the sea surface. It transfers horizontal momentum to the sea, creating currents. (Stewart，2004) . . . . . .

23. Zonal wind stress

24. Meridional wind stress ITCZ SPCZ

25. 风和风应力的数量关系 a= 1.23 kg m-3；|v10|=10ms-1 CD=1.210-3

26. 风应力产品 Hellerman & Rosenstein (1983) UWM/COADS (1994) FSU pseudo-stress (1997, 2001) NCEP Reanalysis (2001) ECMWF Reanalysis (ERA, 1999, 2000) European Remote Sensing (ERS, 2001)

27. Taux (160E-150W, 5S-5N) From Wittenberg (2003)

29. 湍流热通量

30. Reynolds应力概念的推广 大气常通量层 海表面边界层 向下的湍流感热通量

31. 近地层湍流热通量 acp aLE

32. 湍流热通量的参数化 CT~ 1.0 10-3 — Stanton number CE~ 1.2 10-3 — Dalton number

33. 小结 : 湍流通量的Bulk formula O(CD, CT, CE) = 10-3

34. 大气定压比热和蒸发潜热系数 Cp = 1004 J Kg-1 K-1 LE ~ 2494103 J Kg-1

35. 太平洋年平均(向上的)感热通量

36. 太平洋年平均(向上的)潜热通量

37. 辐射热通量

38. Annual Global Mean Energy Balance 390-324=66

39. 短波辐射 长波辐射 3.5 0.4 0.7 λ(µm)

40. 计算净短波辐射通量的经验公式 (λ,φ, t , . . .) (Based on da Silva et al., 1994 —UWM/COADS)

41. 太平洋年平均总云量 第6讲

42. 太平洋年平均短波辐射通量

43. 计算净长波辐射通量的经验公式 (Based on da Silva et al., 1994 —UWM/COADS)

44. 太平洋年平均(向上的)长波辐射通量

45. 小 结 • 影响潜热和感热通量的主要因子. • 影响短波和长波辐射通量的主要因子. • 热带海洋上潜热、感热、短波和长波辐射通量的数量概念. • 海表热通量中包含的反馈过程.

46. 热带太平洋年平均海表热通量分布

47. 2001005010 热带海洋净向下的热通量 潜 热 长波 感热 0 短 波

48. Annual meanSST, F(Wm-2)andDTC(m) averaged over110-150W, 2S-2N (ECT) and 160-180E, 2S-2N (EWP) DTC: Depth of ThermoCline, estimated based on 20C isotherm

49. 第一讲关于冷舌和暖池的讨论 • 热带太平洋 SST 是海表热通量的加热作用和海洋动力过程的冷却作用相互平衡的结果. • 在冷舌区，海洋环流所产生的冷却作用处于支配地位. • 问题: 为什么暖池区海温很高而净的海表热通量很小？

50. 太平洋年平均净海表热通量