台风条件下风应力拖曳系数的参数化方案研究

Parameterization of ocean surface wind stress drag coefficient is an important method to calculate wind stress in atmosphere, ocean and wave prediction model. At present, there are a number of formulas for calculating the wind stress drag coefficient, some of these formulas are only suitable for medium and low wind speeds, although some formulas can get the general law of the drag coefficient at high wind speed, but not considering the influence of the ocean wave. Some formulas can meet the observation characteristics at high wind speed, and also take into account the wave effect, but they are lack of verification by the observation data, especially of the observation under typhoon conditions. The valuable observation data from several offshore wind towers will be used to calculate the sea surface wind stress drag coefficient based on the logarithmic wind profile method and eddy covariance method. Then, the variation characteristics of wind stress drag coefficient at high wind speed will be analyzed, and the existing parameterization method of drag coefficient will be also tested. At the same time, the simultaneous measured wave and current data will be used to analyze the dependence of wind drag coefficient on wind speed, wave, ocean current and water depth comprehensively, and finally fitting out a new drag coefficient parameterization method considering a variety of factors. This study will help to clarify the variation characteristics of wind stress drag coefficient with wind speed, wave and current etc. It is also very important for the forecasting of typhoon, storm surge and waves.

海洋表面风应力拖曳系数的参数化是大气、海洋和波浪预报模式中计算风应力的重要手段。目前已经有多种计算风应力拖曳系数的参数化公式，其中有些公式只适用于中低风速，有些公式虽然能得到高风速下拖曳系数随风速变化的大体规律，但没有考虑海浪等的影响，也有既能大体符合高风速下的观测特征又考虑了波浪影响的计算公式，但非常缺乏实测资料的检验，尤其是台风条件下实测资料的检验。本课题拟基于宝贵的多个海上测风塔资料，分别用对数风速廓线法和涡动相关法计算台风条件下的海面风应力拖曳系数，分析风应力拖曳系数在高风速下的变化特征，并对已有的参数化方案进行检验，同时利用同步测量的波浪和海流数据，综合分析风应力拖曳系数对风速、波浪、海流和水深等的依赖关系，最后拟合出一种考虑各种因素的新的参数化方案。该研究将有利于阐明台风条件下风应力拖曳系数随风速和波浪等条件的变化特征，对于台风、风暴潮和海浪等的预报都具有非常重要的意义。

本项目基于数值模拟和现场观测对海气动量通量进行了研究。在数值模拟方面，基于大气-海浪-海洋耦合模式，通过模拟两次台风过程评估了5种典型风应力拖曳系数（Cd）的参数化方案，这些方案分别考虑了波高、波陡、波长、波龄以及海洋飞沫的影响，选取的两个台风过程分别是一个超级台风和一个普通强度台风。通过对这两个个例的研究可以发现，5种参数化方案计算出的Cd，虽然其在空间分布以及随风速变化曲线方面都有很大不同，但是模拟得到的台风路径和中心气压却相差不大。研究显示，Cd对模拟得到的风速影响明显，而且考虑飞沫对Cd的影响时，对高风速的模拟结果有所提升。此外，海气之间的热通量、海表面温度、混合层深度以及流速等模拟结果，对Cd的参数化方案也比较敏感。该研究回答了在台风过程中，Cd是如何影响大气和海洋模拟结果的，以及影响程度。在现场观测方面，基于海上测风平台在海南东方海域开始进行海气动量通量、海浪和海流同步观测，并对观测数据进行了分析。分析结果显示，在<5米/秒的风速范围内，风应力方向与风向差别明显甚至反向；海平面以上大约20米高度处，海气动量通量观测到了海浪的影响；同时，还基于观测结果对不同海气动量通量参数化方案进行了评估，评估结果显示，不同参数化方案计算结果与实测结果趋势基本一致，但是在大约8-14米/秒的风速区间内，考虑海浪飞沫影响的计算方案与实测结果明显更加接近。这些研究结果都说明了在海气动量通量计算中考虑海浪作用的重要性。总体来说，本项目预期任务已经完成，该研究成果有助于大气和海洋模拟系统准确性的提高，有助于对海气动量通量过程的认识。同时本研究还建成了大气-海浪-海洋耦合模式一套，积累了大量的同步观测数据，这都为更深入的研究打下了很好的基础。