基于大涡模拟的台风海洋飞沫对海-气界面通量影响的研究

Modeling the dynamic process of sea spray in the air-sea interface involves several areas of ocean research, including air-sea interaction and dynamics of the interface, the physical mechanism and dynamical structure of sea spray production, as well as the characteristics of moist atmosphere. Under the sea state of typhoon, the external factors include not only shear action, but also convection and radiation. The introduction of effects of sea spray makes this issue more complex. In recent years, the presentation of parameterization of sea spray offers modern effective measures for the effects of sea spray upon heat and dynamic transportation at air-sea interface as well as the typhoon on the sea. The combination of observed data and theoretical analysis is drawn up in the project. Through analyzing and synthesizing the parameterization of momentum and heat flux effects, the present research aims to stress the importance of thermodynamic equilibrium of interface scale, the spray-induced flux and wind-dependent thermodynamic feedback on the basis of the physical mechanism, to set up LES model that coupling resolved turbulence model and multi-phase flow and phase transition model, and to enrich the study of the effect of sea spray upon the dynamic procedure in the air-sea interface in a more realistic level. This study will provide theoretical and technical support for a better study for the effect of typhoon on the climate, industry and human lives.

海-气界面通量涉及海洋研究的多个领域，包括海-气相互作用和界面动力学，海洋飞沫产生的物理机理和动力结构，以及热动力学等。在台风海况下，海-气界面作用不仅涉及剪切作用，而且包括对流和辐射。台风海洋飞沫作为影响海-气界面通量的重要因子，在台风的发生、发展过程中扮演着重要角色。在风速较大时，海洋飞沫在海-气界面的体积和流量较大，其作用占主导地位。近年来，海洋飞沫参数化方案的提出为研究海洋飞沫在海-气界面热量和动力传输中的作用及其对海洋上台风的影响提供了新的有效手段。本项目拟结合理论分析，通过对海洋飞沫关于动量和热通量影响参数化的综合，在微物理机制基础上，强调界面尺度热力学平衡、飞沫产生的通量和依赖风的热力学反馈的重要性，建立将可求解湍流模型与多相流和相变耦合的大涡模拟模型，在更真实性的层面丰富海洋飞沫影响海-气界面通量的研究，从而为更好的研究台风对气候和人类生产生活带来的影响提供理论和技术支持。

海-气界面通量研究涉及海洋多个领域。海洋飞沫作为影响海-气界面通量的重要因子，在台风的发生、发展过程中扮演着重要角色。本项目结合观测资料和理论分析，通过对海洋飞沫的参数化的分析和综合，强调界面尺度力学平衡、飞沫产生的通量和依赖风反馈的重要性，建立将可求解湍流模型与多相流和相变耦合的大涡模拟模型，在更真实性的层面丰富海洋飞沫影响海-气界面通量的研究。从而为更好的研究台风对气候和人类生产生活带来的影响提供理理论支撑。具体的，.1）基于观测资料，研究了海洋飞沫的生成机制，以及飞沫生成函数，分析了风海雷诺数描述的飞沫生成函数的可靠性，并将之用于融入飞沫动量通量公式，计算飞沫的动量。.2）给出了高风速下飞沫应力和阻力系数的新公式。新修正公式的计算结果表明，波浪状态对飞沫应力和海面阻力系数有显著影响。经过分析，波龄是另一个用波浪状态描述的阻力系数的重要参数。阻力系数会随着波龄的增加而减小。.3）描述了海洋中海洋飞沫粒子数值模拟的结果。首先，给出了飞沫运动过程。然后利用大涡模拟方法模拟了海面空气流动，用Lagrange法模拟了单个颗粒在流场中的运动，基于流体-颗粒的二向耦合机制，研究了颗粒在流场中的动量弛豫时间、悬浮时间，粒子的速度与风速的关系以及粒子对风速的影响。模型研究表明飞沫粒子对海气动量传输的贡献不可忽视。液滴的存在改变了海-气界面的接触状态。特别是在高风速时，混合层的液滴数和厚度都达到一定的量级，这将改变海洋和大气的摩擦状态。