海洋冷尾流引起的感热通量变化对台风边界层结构的影响研究

The transfer of sensible heat fluxes and the latent heat fluxes at the air-sea interface is the energy source for the maintenance and intensification of typhoons. When a typhoon passes over the ocean surface, the intense surface winds associated with the typhoon usually lead to asymmetric decrease of the sea surface temperature, the so called "cold wake". The response of sea surface temperature can induce the changes in amounts and distributions of sensible heat fluxes and latent heat fluxes, thereby being influential for the evolution of typhoon intensity as well as structures. The boundary layer is directly influenced by the presence of the earth’s surface, and is therefore a crucial part that constrains the energy transport processes between the typhoon and the underlying surface. To investigate the feedback effects of the cold wake on typhoons and the contributions of sea surface sensible heat fluxes to typhoon development, this project plans to conduct a series of numerical experiments on the basis of an atmosphere-ocean coupling model developed by our group. The feedback of cold wake on the structures of typhoon boundary layer, especially the cold wake-induced changes in the sensible heat fluxes on the boundary layer structures in terms of thermodynamic structures, boundary layer depth, stability, etc, will be explored in this subject. It is expected that this project will provide scientific guidelines for understanding the physical mechanisms that the cold wake influences the typhoon.

海气间的感热通量和潜热通量输送是台风得以维持和发展的能量来源。台风所伴随的大风往往会造成海表面温度的非对称降低，即“冷尾流”，从而改变了感热通量和潜热通量的分布，并对台风的强度和结构起到明显的反馈作用。边界层直接受到海洋下垫面的影响，是控制台风与海洋能量交换的重要部分。为深入研究海洋冷尾流影响台风的物理机制以及洋面感热通量对台风发展的贡献，本项目拟采用项目组自主建立的大气-海洋耦合模式系统开展数值试验，研究海洋冷尾流对台风边界层结构的影响，特别是海洋冷尾流引起的感热通量变化对台风边界层热力结构、边界层高度、边界层稳定性等特征的影响，为进一步认识海气相互作用对台风结构和强度的影响机制提供科学依据。

海气相互作用是影响台风发生发展的最为重要的物理过程之一。台风的近地层强风场形成的海洋冷尾流通过改变海气间的潜热通量和感热通量输送，从而对台风的强度起到不可忽视的反馈效应。本项目着眼于洋面感热通量对台风发生发展的影响，主要围绕三个科学问题开展研究：（1）海洋响应对台风强度和结构的影响机制，（2）洋面感热通量对台风强度贡献的物理机理，和（3）台风强度增强率对边界层模拟的敏感性。项目的研究经历和取得成果有助于加深海洋响应对台风边界层影响的理解。.项目利用大气-海洋耦合模式研究了台风引起的海洋冷尾流产生的洋面感热通量变化及其对台风边界层结构的影响，研究发现海洋冷尾流使得洋面感热通量在台风右后象限减少，削减的洋面感热通量对边界层起到了冷却效应，使得在边界层附件及下风方向呈现层结稳定现象，还使得热力边界层高度在台风的右后象限变薄，台风边界层结构非对称性增加等。在海洋冷尾流的影响下，台风的切向风场和径向风场的水平分布发生了明显的改变，其中径向入流发生了逆时针的偏转现象。洋面感热通量削减产生的稳定边界层结构使得入流气块在边界层停留了更长的时间，径向传输至眼墙对流区的气块比例增加。总体而言海洋冷尾流引起的洋面感热通量的变化对台风强度的贡献较小，却使得台风的螺旋雨带活动受到一定程度的抑制，从而导致台风的尺度有所减小。洋面感热通量对台风的加热效应仅存在于边界层的下层。通过开展平衡动力学分析，发现非绝热加热的径向梯度对次级风场的强迫效应要远大于垂直梯度。然而，洋面感热通量所造成的非绝热加热垂直梯度大，径向梯度小，因此对次级环流的贡献效率非常低，从而导致了对台风强度变化的贡献很小。这些结论对深入理解洋面焓通量影响台风发生发展有重要的科学意义和应用价值。