海面氣層湍流輸送
正文
大氣物理屬性在海面以上厚約數十米的大氣層中因湍流而引起的鉛直輸送。它直接體現了海洋和大氣之間的相互作用。湍流輸送通過由小到大的海洋湍渦或大氣湍渦的相互傳遞，分別影響到各自的大尺度現象。因而，海面氣層的湍流輸送是深入研究海洋和大氣的關係的重要問題。海面大氣層的湍流輸送主要有三方面：①湍流的動量和動能的傳輸，例如風的湍流對海浪、海水錶層湍流和海面漂流的動量和能量的傳遞;②湍流的熱量輸送,例如海面的水以感熱和潛熱等方式向大氣的能量輸送；③物質輸送，例如海洋的水分、鹽類和氣體等向大氣的湍流輸送。湍流輸送的結果,必然反映在海-氣界面上下的海洋要素和氣象要素之中，同時影響海洋和大氣的物理現象。
海面大氣層中，除了緊貼海面的區域以外，湍流得到充分的發展。海洋和大氣間的各種物理量的交換是大氣在鉛直方向產生湍流擴散和混合的結果。在恆定和勻速的風所作用下，海面氣層內的湍流動量、感熱和水汽的鉛直通量不隨高度改變，因而在該層內不同高度處的鉛直通量，可以代表貼近海面處的海-氣交換量。
海面氣層內的各種物理量的湍流鉛直通量，是難以用常規的手段測量的。1936年，H.U.斯韋爾德魯普首先對海面氣層的某些屬性的湍流鉛直通量作了理論計算，但直到1954年，A.C.莫寧和A.M.奧布霍夫提出近地面大氣層的相似理論以後，對海面氣層的湍流鉛直通量，才有了大量的研究。
直接測定法 湍流動量(τ)、感熱(H)和水汽的鉛直通量（E）可分別表示成
梯度觀測法 湍流交換係數包括湍流動量交換係數KM、感熱交換係數KH和水汽交換係數KE。 式中 k是卡門數;Prt是湍流普朗特數;Sct是湍流斯密特數;φM、φH和φE分別是相應屬性的穩定度函式。在中性層結穩定度時,φM＝φH＝φE＝1，由上列三式的積分,可求得海面大氣層中的風速、位溫和比濕的廓線： 式中下標s表示海面的量;z0、zθ和zq是相應屬性的參量(z0稱為海面粗糙度參數),它們分別表示海面的摩擦、傳導和擴散的影響,通常可取к＝0.4, Prt/к＝Sct/к＝2.2。然後,根據風速、位溫和比濕在不同高度上的梯度的觀測值,分別擬合上列三式，從而可確定u*、θ*、q*、z0、zθ和zq,並且得到相應的鉛直通量值。應該指出,在非中性穩定度的條件下,必須考慮浮力脈動的影響,這時穩定度函式不等於1。
參數化確定法 為了實際套用簡便起見，各鉛直通量可表示為： 式中CD、St和Dɑ分別是阻滯係數、斯坦頓數和道爾頓數。如果根據海面上 10米高度和海面處的觀測值，同時取CD埄St埄Dɑ＝1.5×10-3，即可算出上述湍流通量。
以上各通量的估算是在天氣變化不顯著而風速較低的情況下獲得。如果處在風暴天氣和高風速的條件下，則上述結果必須作適當的修正。 這是因為海-氣界面在氣流的激發下，產生風浪，從而使波峰倒塌並出現氣泡。當氣泡沉入水中時，其內腔空氣與腔壁水間發生感熱和水汽的交換。當氣泡浮升至水面時即自行破裂，這時腔內空氣進入大氣。這樣，就通過氣泡內的空氣,在海-氣之間進行動量、感熱和水汽的交換。另一方面，除了風切削波峰和波峰上的空氣動力學吸引而在大氣中產生水滴以外，海面氣泡破碎時，產生的膜滴和噴滴濺入大氣中。膜滴細小，是由突出水面的氣泡膜分裂而成；噴滴較大，是由氣泡底部凹面水向上噴射而成。這種噴滴在海面上形成了大量的浪沫，當其脫離海面，在飛行和重新落入海面的過程中，不斷和周圍的空氣發生動量、感熱和水汽的交換。沫滴的動量、感熱和水汽等的鉛直通量，主要取決於沫滴濃度、滴徑分布、飛行軌跡，以及與周圍環境的速度、溫度和濕度等的差值大小。
參考書目
鳥羽良明：《海面境界過程》，《海洋物理》Ⅰ，東海大學出版會，東京，1970。
