台风期间海洋飞沫热通量的数值模拟研究

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海洋-大气界面上的热量交换过程对台风的发展与维持有极其重要的作用。然而目前对于台风期间海气界面热通量的刻画还存在很多不确定性,是影响台风强度模拟能力的重要原因之一。研究表明,受高风速影响,海洋表面波浪破碎产生大量的海洋飞沫。这些飞沫通过一系列物理过程影响着海气界面的热量交换过程,间接地为台风的发展和维持贡献能量。因此,在数值模式中正确描述海洋飞沫对海气界面热通量交换过程的贡献及其对台风强度和结构的影响具有重要的科学意义和实用价值。本文首先从强风条件下海洋飞沫对海气间热通量的贡献出发,将Andreas等发展的海洋飞沫参数化方案与中尺度大气模式WRF中的近地层参数化方案相结合,完成了基于WRF的海洋飞沫参数化方案的实现。其次,以嵌入海洋飞沫参数化模块的WRF模式为平台,以2010年超强台风“鲇鱼”为个例,通过对比试验研究海洋飞沫对台风路径、强度和结构的影响。实验结果显示:海洋飞沫的存在对台风“鲇鱼”移动路径的影响总体较小,但在加入飞沫作用后,台风强度明显增强。这是因为海洋飞沫作用使得台风整体风速得到明显提升,垂向涡度增大,促进垂直对流。垂直方向高涡度区域向高空延伸,同时将水汽带入高空,水汽蒸发增加了海气界面的感热和潜热通量的交换过程。此外,通过对不同大风区海气热量传递的分析可发现,在高风速区海洋飞沫的蒸发潜热作用明显增强。最后,本文对海洋飞沫热通量参数化方案中常用参数的不同取值方法进行对比,提出飞沫通量模拟过程中的敏感参数,为下一步方案的改进提供有效依据。实验结果显示:对于台风“鲇鱼”,海洋飞沫对不同动力学粗糙度参数化方案非常敏感,采用不同的动力学粗糙度参数化方案可以使得台风区域内平均潜热通量变化超过15%,感热通量变化超过50%。但飞沫热通量对不同的海表热力学粗糙度方案并不敏感。此外,从海浪的角度来看,有效波高对海洋飞沫潜热通量的影响非常显著,两种常用的有效波高方案得到的飞沫潜热通量差异达到20%以上。
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