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[摘 要]文章主要利用中尺度大气模式和区域海洋模式构建了中尺度海-气耦合模式，对海-气相互作用对台风结构的影响进行了分析。研究结果表明：一方面，台风引起的海表面温度的降低使得海洋向大气输送的潜热通量大大降低；另一方面，台风强度以及移动速度对海表面降温幅度具有决定性作用。
[关键词]海-气相互作用；台风结构；中尺度；耦合模式
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0568-01
在地球物理系统中，大气、海洋是两个非常重要的组成部分，它们通过海气界面上的热量交换、动量交换以及物质交换彼此之间相互影响。海洋、大气以及海浪三者是通过非常复杂的热力作用、动力作用以及物质交换形成的一个完整系统，而在台风形成过程中，海气的相互作用是最为重要的影响因素，本文拟在构建中尺度海-气耦合模式分析海气相互作用对台风结构的影响，对实际台风过程中大气诱导的海洋变化对大气的效应以及海洋诱导的大气变化对海洋的效应进行综合考虑。
1 中尺度海-气耦合模式
海气相互作用主要表现在两个方面，首先，海洋海面暴风会使上层海洋产生搅动和混合，在很大程度上改变了海洋的热力结构，其次，对于台风发展过程来说，海洋向上热通量是其重要能量来源，并通过海表面温度来体现。所以在耦合模式中，大气模式和海洋模式的耦合必须将海洋温度的变化情况、海洋与大气之间热通量的交换情况考虑进去。
1.1 耦合模式设计
中尺度海气耦合模式主要是由大气、海洋两个分量模式和一个耦合模块组成的，它是将两个独立发展的单个模式分量利用基于UNIX或LINUX操作系统下进程通信技术中的管道通信技术和耦合模块将中尺度大气模式和区域海洋模式进行信息双向同步耦合，这里所指的信息主要是中尺度大气模式地层面以及区域海洋模式表层的相关物理参量，比如海洋风应力、潜热通量、感热通量等。
海洋模式具有显著特征：第一，利用一个二阶湍封闭模型来提供垂直混合系数，第二，水平方向采用的是正交曲线网格和交错C网，通过这两种网格能够实现对海岸边界的准确匹配，第三，垂直方向采用的是α坐标，通过该坐标能够实现对海洋海底地形的拟合，第四，应用显式和隐式作为水平和时间差、垂直差分格式，第五，该模式拥有全套热力学计算方程组，第六，区域海洋模式内外模分开计算，内模态为三维，外模态为二维，内模态计算时间步长相较于外模态计算时间步长较长。在模式中，共有三个预报方程。
运量方程为：
（a）
（b）
连续方程为：
（c）
温盐守恒方程为：
（d）
（e）
式中，V代表的是水平速度矢量，▽为水平梯度算子，p为海水参考密度，km为垂直湍粘性系数，kh为垂直湍扩散系数，f为科氏参数，s为盐度，θ为位温。
1.2 耦合方案
在耦合模式中，除了要考虑海表面温度变化情况和海洋、大气之间热通量交换过程，还要考虑波浪状态。在台风条件下，波浪状态能够在一定程度影响海面粗糙度，进而对整个海洋、大气界面动量、热量通量等带来影响，国外和国内相关研究都表明在真实台风过程中，海洋表面粗糙度会受到波浪状态的影响，所以在模式计算中可利用波龄、波陡这些波浪要素对海面粗糙度进行参数化。
（图1）给出了由中尺度大气模式和海洋模式组成的中尺度海气耦合物理结构框架，并将海表流场对海浪传播的影响考虑了进去。利用LINUX操作系统下的管道通信技术中的信号量技术作为不同模式之间信息数据传输的通道。
2 海-气相互作用对台风结构的影响
進行了耦合实验和未耦合实验模拟，并以研究所台风报文资料作为实况对实验方案进行检验。从两个实验模拟的两个时刻模式最底层风速的分布来看，在6h时，耦合实验和未耦合实验中风速分布形势和大小呈现着相同状态，风速在台风中心右侧，西南象限最小，东北象限最大，研究表明，这个时候台风通常会呈现出一种快速的、偏西的运动特点；18h时，耦合实验和未耦合实验模拟中，风速在台风中心正北象限最大，且在台风内核区都具有较为明显的非对称性特征，另外，相较于未耦合实验，耦合实验的最大风速较小；30h时，耦合实验最大风速与未耦合实验最大风速的差异更为显著，耦合实验最大风速更小，其风场非对称性增强。在本次实验中，耦合作用对台风移动路径的影响非常小。
台风的发生和发展过程中，感热通量、潜热通量的海气交换和动量对其影响也非常显著，特别是潜热通量作为成熟台风发展的能量来源，其作用更为突出，潜热释放中有15%左右的能量来自于下垫面海洋水汽，通过边界层，水汽在辐合上升中会释放出大量的能够维持成熟台风发展的终结潜热，进而影响台风强度。试验还表明，台风强度和移动速度对海洋表面温度的降幅具有决定性作用，当台风引起的海洋表面温度降低，反馈到台风使台风结构非对称性加强。数值研究表明，由海洋向大气输送的潜热通量会因台风引起的海洋表面温度的降低而大大降低，而此时，感热通量则向下向海洋传递。
3 结语
本文主要利用中尺度大气模式和区域海洋模式构建了中尺度海-气耦合模式，利用该耦合模式对海-气相互作用对台风结构的影响进行了模拟分析，分析结果表明：（1）海气相互作用能够在一定程度上改进台风路径和强度预报，但对台风强度的影响更为显著，台风引起的海面温度降低使得由海洋向大气输送的潜热通量大大降低并使感热通量向海洋传递，减弱了台风强度；（2）海面温度的降幅由台风强度和台风移动速度决定，降幅最大的时候可达4℃甚至以上，但海面温度降低对大气的响应则具有一定滞后性；（3）海面温度出现变化，海洋热通量输送也会出现变化，而当海面温度处于稳定，影响热通量的输送和分布主要来自于近地面层的风速；（4）台风结构与上升对流运动密切相关，当控制对流活动的因素出现较小的变化，台风结构就会受到很大影响，进而对台风强度带来影响；（5）台风作用引起海面温度降低，进而向台风反馈，使台风结构内部非对称性增加，并减弱了台风中心涡度向高层扩展的趋势。
中尺度海气相互作用耦合模式受到计算资源方面的限制，实现过程具有一定难度，而真实台风情况也非常复杂，所以耦合模式相关结论的普适性仍然需要进一步验证，这就需要我们加大研究力度。但不可否认的是海气相互作用对台风结构的确能产生很大影响。
参考文献
[1] 蒋小平，刘春霞，莫海涛，汪宇翔.海气相互作用对台风结构的影响[J].热带气象学报.2010.
[2] 刘磊，费建芳，林霄沛，章立标，令聪倩，黄小刚，程小平.海气相互作用对"格美"台风发展的影响研究[J].大气科学.2011.
[关键词]海-气相互作用；台风结构；中尺度；耦合模式
中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0568-01
在地球物理系统中，大气、海洋是两个非常重要的组成部分，它们通过海气界面上的热量交换、动量交换以及物质交换彼此之间相互影响。海洋、大气以及海浪三者是通过非常复杂的热力作用、动力作用以及物质交换形成的一个完整系统，而在台风形成过程中，海气的相互作用是最为重要的影响因素，本文拟在构建中尺度海-气耦合模式分析海气相互作用对台风结构的影响，对实际台风过程中大气诱导的海洋变化对大气的效应以及海洋诱导的大气变化对海洋的效应进行综合考虑。
1 中尺度海-气耦合模式
海气相互作用主要表现在两个方面，首先，海洋海面暴风会使上层海洋产生搅动和混合，在很大程度上改变了海洋的热力结构，其次，对于台风发展过程来说，海洋向上热通量是其重要能量来源，并通过海表面温度来体现。所以在耦合模式中，大气模式和海洋模式的耦合必须将海洋温度的变化情况、海洋与大气之间热通量的交换情况考虑进去。
1.1 耦合模式设计
中尺度海气耦合模式主要是由大气、海洋两个分量模式和一个耦合模块组成的，它是将两个独立发展的单个模式分量利用基于UNIX或LINUX操作系统下进程通信技术中的管道通信技术和耦合模块将中尺度大气模式和区域海洋模式进行信息双向同步耦合，这里所指的信息主要是中尺度大气模式地层面以及区域海洋模式表层的相关物理参量，比如海洋风应力、潜热通量、感热通量等。
海洋模式具有显著特征：第一，利用一个二阶湍封闭模型来提供垂直混合系数，第二，水平方向采用的是正交曲线网格和交错C网，通过这两种网格能够实现对海岸边界的准确匹配，第三，垂直方向采用的是α坐标，通过该坐标能够实现对海洋海底地形的拟合，第四，应用显式和隐式作为水平和时间差、垂直差分格式，第五，该模式拥有全套热力学计算方程组，第六，区域海洋模式内外模分开计算，内模态为三维，外模态为二维，内模态计算时间步长相较于外模态计算时间步长较长。在模式中，共有三个预报方程。
运量方程为：
（a）
（b）
连续方程为：
（c）
温盐守恒方程为：
（d）
（e）
式中，V代表的是水平速度矢量，▽为水平梯度算子，p为海水参考密度，km为垂直湍粘性系数，kh为垂直湍扩散系数，f为科氏参数，s为盐度，θ为位温。
1.2 耦合方案
在耦合模式中，除了要考虑海表面温度变化情况和海洋、大气之间热通量交换过程，还要考虑波浪状态。在台风条件下，波浪状态能够在一定程度影响海面粗糙度，进而对整个海洋、大气界面动量、热量通量等带来影响，国外和国内相关研究都表明在真实台风过程中，海洋表面粗糙度会受到波浪状态的影响，所以在模式计算中可利用波龄、波陡这些波浪要素对海面粗糙度进行参数化。
（图1）给出了由中尺度大气模式和海洋模式组成的中尺度海气耦合物理结构框架，并将海表流场对海浪传播的影响考虑了进去。利用LINUX操作系统下的管道通信技术中的信号量技术作为不同模式之间信息数据传输的通道。
2 海-气相互作用对台风结构的影响
進行了耦合实验和未耦合实验模拟，并以研究所台风报文资料作为实况对实验方案进行检验。从两个实验模拟的两个时刻模式最底层风速的分布来看，在6h时，耦合实验和未耦合实验中风速分布形势和大小呈现着相同状态，风速在台风中心右侧，西南象限最小，东北象限最大，研究表明，这个时候台风通常会呈现出一种快速的、偏西的运动特点；18h时，耦合实验和未耦合实验模拟中，风速在台风中心正北象限最大，且在台风内核区都具有较为明显的非对称性特征，另外，相较于未耦合实验，耦合实验的最大风速较小；30h时，耦合实验最大风速与未耦合实验最大风速的差异更为显著，耦合实验最大风速更小，其风场非对称性增强。在本次实验中，耦合作用对台风移动路径的影响非常小。
台风的发生和发展过程中，感热通量、潜热通量的海气交换和动量对其影响也非常显著，特别是潜热通量作为成熟台风发展的能量来源，其作用更为突出，潜热释放中有15%左右的能量来自于下垫面海洋水汽，通过边界层，水汽在辐合上升中会释放出大量的能够维持成熟台风发展的终结潜热，进而影响台风强度。试验还表明，台风强度和移动速度对海洋表面温度的降幅具有决定性作用，当台风引起的海洋表面温度降低，反馈到台风使台风结构非对称性加强。数值研究表明，由海洋向大气输送的潜热通量会因台风引起的海洋表面温度的降低而大大降低，而此时，感热通量则向下向海洋传递。
3 结语
本文主要利用中尺度大气模式和区域海洋模式构建了中尺度海-气耦合模式，利用该耦合模式对海-气相互作用对台风结构的影响进行了模拟分析，分析结果表明：（1）海气相互作用能够在一定程度上改进台风路径和强度预报，但对台风强度的影响更为显著，台风引起的海面温度降低使得由海洋向大气输送的潜热通量大大降低并使感热通量向海洋传递，减弱了台风强度；（2）海面温度的降幅由台风强度和台风移动速度决定，降幅最大的时候可达4℃甚至以上，但海面温度降低对大气的响应则具有一定滞后性；（3）海面温度出现变化，海洋热通量输送也会出现变化，而当海面温度处于稳定，影响热通量的输送和分布主要来自于近地面层的风速；（4）台风结构与上升对流运动密切相关，当控制对流活动的因素出现较小的变化，台风结构就会受到很大影响，进而对台风强度带来影响；（5）台风作用引起海面温度降低，进而向台风反馈，使台风结构内部非对称性增加，并减弱了台风中心涡度向高层扩展的趋势。
中尺度海气相互作用耦合模式受到计算资源方面的限制，实现过程具有一定难度，而真实台风情况也非常复杂，所以耦合模式相关结论的普适性仍然需要进一步验证，这就需要我们加大研究力度。但不可否认的是海气相互作用对台风结构的确能产生很大影响。
参考文献
[1] 蒋小平，刘春霞，莫海涛，汪宇翔.海气相互作用对台风结构的影响[J].热带气象学报.2010.
[2] 刘磊，费建芳，林霄沛，章立标，令聪倩，黄小刚，程小平.海气相互作用对"格美"台风发展的影响研究[J].大气科学.2011.