利用大涡模拟研究海洋飞沫对热带气旋边界层热量传输的影响

Sea spray is a key process in the exchange between tropical cyclone (TC) and sea. It can influence the development of TC by changing the sea surface roughness and air-sea exchange fluxes. Due to the difficulty in directly simulating the turbulence in TC boundary layer, the role of physical processes (such as rolls, input layer, wind shear and interact between vortexes) in the transport of enthalpy, had rarely been analyzed. In this project, the large eddy simulation is to be used to directly simulate the turbulence in the TC boundary layer. The dynamic processes in TC boundary layer will be analyzed to understand the mechanism of enthalpy transport and the effects of sea spray on enthalpy transport.

海洋飞沫是影响热带气旋（简称TC）与海洋交换的重要物理过程，可通过改变海表面粗糙度以及海气动量通量、热量通量，而进一步影响台风发展。但由于TC边界层湍流性难以被直接模拟，以往研究很少从动力学角度分析TC边界层物理过程（如边界层滚涡、边界层入流、不同尺度湍涡相互作用、边界层风场切变等）影响热量、水汽传输的机理。本项目拟采用大涡模拟，通过对边界层湍流运动直接模拟，从动力学角度对TC边界层热量传输进行诊断分析，理解TC边界层热量传输机理，以及海洋飞沫对TC边界层热量传输的影响，为进一步认识TC边界层并优化TC边界层参数化方案提供科学依据。

研究利用WRF模式结合大涡模拟对海洋飞沫影响热带气旋（Tropical Cyclones，简称TC）边界层热量传输以及相应动力学关系进行分析，主要内容包括：海洋飞沫物理过程的参数化；飞沫对TC边界层强度、温湿结构的影响；飞沫影响TC边界层热量传输的动力学关系。在模式边界层中加入海洋飞沫物理过程，包含飞沫进入大气之后温度由SST降为气温，由气温降为湿球温度以及在湿球温度条件下继续蒸发，并且考虑飞沫通过热交换与蒸发影响周围环境温湿条件的反馈作用。研究采用不同粗糙度方案分析飞沫对TC发展的影响。研究发现，采用不同粗糙度方案飞沫引起的感热潜热通量大小相近，径向分布也基本相似，但是对总通量的影响以及对TC强度的影响却存在差异。使用WRF粗糙度方案，考虑飞沫后TC在快速增强阶段增强速率加快，而使用Donelan粗糙度方案，考虑飞沫后TC增强速率却降低。通过边界层热量传输动力学分析，飞沫进入大气后在不同粗糙度条件下飞沫的传输不同，使用WRF方案飞沫在增强阶段可以进入眼墙从而加热眼墙，利于TC强度增强，但是使用Donelan方案，飞沫在眼墙外堆积，不利于TC强度增强。课题研究非单独考虑飞沫作用，结合粗糙度分析了飞沫进入大气之后对TC边界层热力传输的影响以及动力学关系，为提高TC强度预报提供科学依据。