海表粗糙度对台风稳定边界层结构的影响研究

The stable boundary layer in typhoons as a special structure forms on the cold wake when typhoons cross over ocean. This structure controls the development of convection and changes the influence of cold wake on typhoon intensity. Limited by the difficulties of observation in typhoon boundary layer and the complex features in sea-surface roughness under the high wind speed, the impact of sea-surface roughness on typhoon stable boundary layer is still not clear. Based on the newly accessed observation and the self-developed air-sea coupled model, this project focuses on the dynamic and thermal structures of stable boundary layer in typhoons, the impact of the sea-surface roughness variation on its formation and maintaining mechanism, and the influence of the waves through sea-surface roughness. This project will provide the theoretical basis to improve the numerical forecast skill of typhoon over ocean.

台风稳定边界层是台风移过海洋时在冷尾流上形成的一种特殊边界层结构，通过抑制对流发展，改变了冷尾流对台风强度的影响机制。受制于台风边界层内观测资料的短缺以及海表粗糙度在高风速条件下的复杂特征，导致海表粗糙度对台风稳定边界层结构的影响仍不清晰。本项目利用近年来获取的观测资料结合自主建立的海气耦合模式得到的数值模拟结果，深入研究台风稳定边界层的动力和热力结构特征，探讨海表粗糙度变化对台风稳定边界层生成和维持机制的影响，揭示海浪状况通过海表粗糙度影响台风稳定边界层的物理机制，为提高海上台风数值预报能力提供理论依据。

台风边界层在冷尾流上形成了一种特殊边界层结构，通过抑制对流发展，改变了冷尾流对台风强度的影响机制。受制于台风边界层内观测资料的短缺以及拖曳系数在高风速条件下的复杂特征，导致拖曳系数对台风边界层结构的影响仍不清晰。本项目通过对实况资料和海气耦合模式所得结果的诊断分析，揭示拖曳系数对台风边界层的影响，具体研究内容包括：（1）台风海洋相互作用下的大气边界层动力和热力结构特征分析；（2）海气耦合界面多源卫星资料的中小尺度信息融合；（3）海气耦合条件下海表拖曳系数对海气界面层的影响研究。研究表明，台风Kalmaegi (2014)在海上发展过程中海表热通量受不同拖曳系数方案的影响，耦合模式得到的海表冷却(SSC)较弱，由此产生较大的热通量从而导致台风相对实况偏强。但是与单独的大气模式相比，海气耦合模式更好地模拟了台风路径和强度变化。与以往研究不同的是，对于中等强度台风，海表拖曳系数随风速增大的参数化方案模拟得到的台风强度与观测最为一致。经分析发现，随风速增大的拖曳系数使得更多的动量通量输送到海洋，由此产生了最为显著的SSC。此外，该方案得到的Cq/Ch数值与实况更为一致，由此得到的海表热通量显著降低。由拖曳系数决定的SSC对海表热通量的影响更为显著，而风速变化对海表热通量的影响较小。只有当SSC差异不显著时，热通量与受拖曳系数影响的10 m风速呈弱的正相关。由于拖曳系数决定的海气界面动量输送可驱动深层海水的持续上涌，因此，即使在台风Kalmaegi (2014)通过较长时间后，拖曳系数引起的海表热通量变化也持续发挥重要作用。.上述研究结论为台风快速增强预报提供了一定的理论依据，揭示了台风耦合数值模拟中拖曳系数对台风发展的重要作用。依托上述研究成果，项目负责人牵头建立的区域海气浪耦合模式已在相关项目研究中应用，实现了中尺度海气耦合模式的业务化运行，布设在东部战区空军某部及天津市气象局气象科学研究所。