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台风(或飓风)是自然界中发生频率最高,造成危害最为严重的自然灾害之一,一旦在沿海地区登陆,引发的强风、风暴潮、台风浪都会给沿海地区带来极大的威胁。海气动量交换(即风应力)是台风过程中一个非常重要的影响因素,它促使风暴潮和风浪的产生,同时抑制台风强度的持续增长,因此成功的灾害数值预报需要对其做出合理有效的参数化处理。本论文旨在研究极端条件下海气动量交换的变化规律,并系统地分析它对台风强度、风暴潮和波浪数值模拟的影响。本文基于大气波浪边界层的动量和能量守恒方程,建立了适用于台风情况的风应力模型(简称WBLM),模型中充分考虑波浪对气流动量和紊动结构的影响,以及飞沫的密度分层效应导致的额外紊动能耗散等物理过程。模型计算结果显示,风应力系数C_d在低风速范围内随风速单调增加,当风速达到40 m/s时C_d到达极大值,而后开始逐渐减小。这一变化规律与台风过程中的观测结果吻合较好。使用大气-海洋耦合模型WRF-ROMS对飓风Katrina(2005)和Matthew(2016)进行数值预报。相比起非耦合算例,海-气耦合在海温变化、热带气旋强度发展等方面都得到了更为合理的结果。对比不同的风应力计算方案,研究表明台风路径受到C_d的影响较少,而台风所能达到的最大强度水平则很大程度上取决于方案的选择,高风速中较小的C_d值能够产生更强的台风。总体而言,基于WBLM风应力系数计算公式的海-气耦合模型在两个台风案例中能模拟出与实际观测值最为接近的台风强度过程,证实了该公式在台风模拟中具有一定的适用性。使用波浪模型SWAVE对Katrina作用下的风浪进行数值后报。结果显示耦合了WBLM的SWAVE模型模拟出来的有效波高能够与观测值较好地吻合,表明WBLM在台风浪模拟中具有一定的适用性。对比了五种风应力计算方案模拟的深水波高场,发现它们在台风内核区域存在较大差异。而对于浅水区域,波浪的传播与发展主要受水深变浅导致的波浪破碎所控制,对C_d的取值不敏感。使用耦合了SWAVE和WBLM的海洋模型FVCOM对Katrina作用下的风暴潮进行数值后报。结果显示计算值均与实际观测值吻合良好。当考虑波浪对流场的辐射应力之后,模拟的风暴增水在沿海地形变化剧烈的区域有所增大。进一步的研究表明极端风速中C_d的不同取值会对原本产生较大增水的区域造成更为显著的差异,而对遭受风力较弱的区域影响较小。