海洋表面波对海洋大气边界层的影响

Air-sea boundary layer is a bridge for matter, momentum and energy exchange between the ocean and the atmosphere. Accurately understanding the physical processes occurring in the air-sea boundary layer plays a very important role in the study of air-sea interaction, oceanic and atmospheric dynamics. Research shows that ocean surface waves play a very important role in the dynamics and kinematics of the marine atmospheric boundary layer, but accurately describing this role is a very challenging task. Through the analysis of historical data, theoretical research and numerical simulations, this project will study the effects of surface waves and various other factors on the temporal and spatial variations and dynamics of marine atmospheric boundary layer under different sea and meteorological background conditions. These studies will reveal the independent and combined effects of ocean surface waves, Coriolis force, unsteady forcing and atmospheric stability on the evolution of the marine atmospheric boundary layer; clarify the main controlling factor of its structure under different conditions, and quantify the effects of the surface waves; establish and develop a more accurate and applicable simple formalism for the marine atmospheric boundary layer which will include surface waves and other important factors; validate the model by large eddy simulation and measured data; study the ability of the new model to describe the boundary layer evolution mechanism and its application in the air-sea boundary layer model and coupled ocean atmosphere model, and provide the scientific basis for the development of air-sea boundary layer model and coupled ocean atmosphere model.

海气边界层是海洋和大气物质、动量、能量交换的桥梁，准确理解其内在的物理过程对海气相互作用、海洋和大气动力学等具有十分重要的作用。研究表明，发生在海气界面的海洋表面波对海洋大气边界层运动学和动力学有非常重要的作用，但如何准确刻画这一作用是一项极具挑战性的工作。该项目拟通过历史资料分析、理论研究和数值模拟，研究不同海况和气象背景条件下表面波等多因素影响的海洋大气边界层的时空变化特征及其动力机制，揭示表面波、科氏力、非定常强迫、大气稳定度等在其演变中的单个和综合作用；明确不同条件下海洋大气边界层结构的主要控制因子，量化表面波对其的影响；建立和发展形式简单且更为合理和应用广泛的包含表面波等重要影响因素的海洋大气边界层理论模型，并利用大涡模拟及实测数据对模型进行检验，探讨新模型对边界层演变机制的刻画能力及其在海气边界层模式或海气耦合模式中的应用效果，为海气边界层模式及海气耦合模式发展提供科学依据。

海气边界层是海洋和大气物质、动量、能量交换的桥梁，准确理解其内在的物理过程对海气相互作用、海洋和大气动力学等具有十分重要的作用。发生在海气界面的海洋表面波直接调控和影响着海气边界层运动学和动力学结构，是影响海气边界层演变、海气通量交换等的重要因子。该项目通过理论研究、历史资料分析和数值模拟，分别研究了表面波和海洋飞沫对海表面拖曳系数和近海面风速廓线的影响，波致应力的近似求解及其太平洋特征，拖曳系数参数化方案及积云参数化方案对台风模拟的影响；不同风场模型和海气边界层模块在台风浪模拟中的应用，波致漂流统计分布及其近似公式对海表流场估算的影响；海气通量涡相关计算中的截断时间尺度确定方法；畸形波电磁散射特性分析及其特征识别标识，南海台风浪的观测和模拟特征，东中国海气候与海浪极值等。取得的主要成果有：提出了更为合理的包含表面波等重要影响因素的海洋大气边界层理论模型，揭示了不同海况和气象背景条件下表面波、海洋飞沫、科氏力等多因素影响的海洋大气边界层的时空变化特征及其动力机制，阐释了这些因素在海洋大气边界层演变中的单个和综合作用，量化了表面波对海洋大气边界层结构的影响；展示了包含波浪影响的波浪边界层模型以及海气动量交换（拖曳系数）参数化方案等对表层流估算、海气边界层湍流结构参数化和台风、台风浪等数值模拟能力的改进效果及其潜在应用前景。这些成果对人们理解表面波对海洋大气边界层的影响，改进和发展海气边界层模式及海气耦合模式等具有重要的参考价值和潜在应用价值。同时，对人们准确刻画复杂的海气边界层结构及其演变规律具有重要的科学意义。