[发明专利]一种定量计算降雨致海面应力的方法

说明书

本发明属于海洋环境数值模拟和海洋预报技术领域，还可以应用于海洋工程领域的灾害风险评估，具体涉及一种降雨致海面应力的计算方法；该方法通过考虑大气层结、风速、海面粗糙度、降雨率、雨滴粒径分布等多种因素，建立雨滴在大气湍流边界层内的三维运动方程，通过数值积分，求得降雨致海面应力的数值解，对海洋业务化预报、海洋工程和土壤流失评估有重要的参考价值，具有重要的科学和实际意义；同时，本发明提供的方法可以作为地球系统模式的一个物理过程选项，实现降雨向海洋能量输送这一网格物理过程的参数化，为科学研究提供依据，从而加深气界面之间动量交换过程的认知和理解。

技术领域

本发明属于海洋环境数值模拟和海洋预报技术领域，还可以应用于海洋工程领域的灾害风险评估，具体涉及一种降雨致海面应力的计算方法。

背景技术

降雨作为大气中重要的物理过程，对全球尺度的大气循环、水循环和局部天气都有非常重要的影响，然而关于降雨对海洋动量通量影响的认识却仍不够清晰。

一方面，在海洋数值预报和地球系统模式领域，风能是海洋的主要机械能来源已经取得了广泛共识，然而，可与风能同量级的降雨动能却因其作用过程复杂而被忽略，在海洋数值预报和地球系统模式领域，基本所有开源的海洋环流模式(除ROMS外)，均未考虑降雨致海面应力项。ROMS模式中，水平方向的降雨致海面应力由τ_R＝0.85IU_a简单经验公式计算，降雨致海面应力与风速和降雨强度有关，但该式只在某一特定风速和降雨强度的条件下成立，不具备普适性，因此不适合应用于实际海洋预报和地球系统模式。

另一方面，在地理学和工程领域，主要关注降雨对土壤侵蚀的潜在能力，使用降雨侵蚀力作为衡量指标，它与降雨的动能和强度有关，传统方法通常将降雨侵蚀力拟合为降雨强度的函数，随着认识的不断深入，开始用降雨的垂向动能计算降雨侵蚀力，并忽略降雨的水平动能。这种做法对于平原地区尚可接受，但是对于山区，由于有地形倾角，水平动能可能对降雨侵蚀力占主导地位，显然该处理方式是不合适的。而在计算雨滴的垂向动能时，假定雨滴达到终极速度后匀速下落，未考虑降雨在边界层内的能量损耗。因此，传统计算降雨侵蚀力的方法同样不具备普适性，对于如何计算降雨致海面应力无借鉴意义。

目前降雨对海洋能量输送的研究主要分为两个方向，分别为降雨的垂向和水平动量输送对海洋的影响。关于降雨的垂向动量对海洋的影响，国内外学者已经取得了大量丰富而有意义的成果，普遍认为：低风速的条件下，在所有的频率范围内风浪成长都是被降雨所抑制的，而在高风速条件下，降雨对风浪成长起到促进作用；降雨会使海面粗糙度增大；由于缺少实验室和外海观测数据支持，关于降雨向海面的水平动量输送研究进展缓慢。早期研究者通过分析较大粒径的雨滴运动方程，提出只有强降雨产生的应力才可能与风应力量级相当，之后该结论被学者们广泛接受。但是，随着认识的不断深入，有学者指出这严重降低了降雨致应力的作用，并通过建立简单的受力分析模型，表明当降雨量较小时，如果风速较大，那么降雨致应力也会显著增加，有的学者甚至给出了在特定条件下降雨致应力与风应力之比为8.4％的定性结论。

到目前为止，尚未有研究给出一种降雨致海面应力的定量计算方法。因此，当前的绝大多数海浪和环流数值模式中均未考虑降雨致海面应力项，忽略了降雨向海面的水平动能输入，如何定量给出降雨致海面应力是海洋环境数值模拟和海洋预报技术领域中亟待解决的问题之一，对海洋业务化预报、海洋工程和土壤流失评估有重要的参考价值，具有重要的科学和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种定量计算降雨致海面应力的方法和步骤，该方法通过考虑大气层结、风速、海面粗糙度、降雨率、雨滴粒径分布等多种因素，建立雨滴在大气湍流边界层内的三维运动方程，通过数值积分，求得降雨致海面应力的数值解，对海洋业务化预报、海洋工程和土壤流失评估有重要的参考价值，具有重要的科学和实际意义；同时，定量给出降雨致海面应力的计算方法，可以作为地球系统模式或海洋模式的一个物理过程选项，实现降雨向海洋能量输送这一次网格物理过程的参数化，为科学研究提供依据，从而加深海气界面之间动量交换过程的认知和理解。