波浪和海洋飞沫影响下的海-气通量特征及其参数化

During the last quarter-century, storm intensity prediction has seen little progress (Rogers el al., 2013), and poorly parameterized or missing physics are the weakest component in tropical cyclone prediction systems (Soloviev et al., 2014). The related research is significantly impeded by the lack of observations in the high winds, and a widely-accepted parameterization of air-sea fluxes for typhoon conditions is still not found. This project is designed to resolve the mechanisms of air-sea fluxes under high winds. Firstly, to gather the fluxes observation data under the high wind condition, we will conduct comprehensive experiments during typhoon periods with Bohe observation platform in Maoming, Guangdong province, which is the only domestic offshore fluxes observation platform. Secondly, based on these new observation data, and together with the history data at this platform during typhoons from 2008 to 2015, and also the measurements from buoys, we will investigate the relationship between air-sea fluxes, wind, wave state and sea spray with various mathematical and physical techniques such as the method of dimensionality analysis. Finally, we will construct a new parameterization scheme of air-sea momentum and heat fluxes, and the new scheme will be tested both online and offline.

近25年台风模式对台风强度预报能力提升很小(Rogers et al., 2013)，台风模式中次网格尺度物理过程没有被正确参数化是台风模式强度预报的薄弱环节(Soloviev et al., 2014)。到目前为止台风条件下海-气通量没有公认的参数化方案，观测资料的匮乏影响了该领域研究进展。本项目拟：1）利用申报单位在广东茂名博贺建设的国内唯一一个离岸海上观测平台进行台风影响期间的外场综合观测试验，获取台风影响期间的包括海-气通量、飞沫、海况、常规气象要素等多要素综合观测资料。2）利用新观测的资料，结合已有的2008-2015年期间平台上观测的多个例台风资料及国内外浮标资料，利用量纲分析等各种数学物理分析方法寻找海-气通量和气象要素、波参数、海洋飞沫之间的可能关系，3）研建适用于台风条件下的海-气动量通量和焓通量通量参数化方案，并进行离线和在线测试。

利用申报单位在广东博贺建设的国内唯一一个离岸海上观测平台，在台风季开展外场综合观测试验。结合历史资料，在对湍流数据进行充分质量控制基础上，分析了南海近海海-气动量通量和焓通量传输系数特征并评估了飞沫通量贡献。给出参数化公式，进行了离线和在线测试，成果可应用于数值模式中。（1）在台风季开展外场综合观测试验，获得一批宝贵的观测资料。（2）针对塔基近海海上观测平台高风速条件下的湍流观测数据的处理，给出质量控制流程和方法，评估了不同修正项对湍流通量的影响。（3）基于2015年3-6月的涡动相关系统、海浪和气象要素观测数据，对9种海-气动量通量参数化方案进行评估，结果显示风速大于8米/秒时所有方案都高估了摩擦速度。在Charnock公式的基础上，探究波龄与Charnock参数的关系，参考有限水深频散关系式，对风速大于8米/秒参数化方案进行了改进，用2012年2-6月数据检验新方案，结果显示均方根误差明显减小。（4）整理分析了共22个台风个例涡动相关系统观测数据，给出了拖曳系数随风速变化的参数化公式，利用热带所发展的台风模式和业务运行的风暴潮模式对2017年和2018年台风个例进行回报检验，发现新方案对台风强度预报和风暴增水预报有改进。（5）基于2011年热带风暴海马期间涡动相关系统和海温观测资料，分析了感热、潜热和焓通量交换系数（C_H, C_E和 C_K）与风速的关系。结果显示，类似于以前的结果，C_H=C_E=C_K并且几乎不随风速变化，但是C_E比以前的研究结果小25~30%。利用Andreas (2008)的飞沫模式评估显示，飞沫通量在总通量中比率随风速增加而增加，在17米/秒时飞沫焓（动量）通量占总焓（动量）通量比率达30%（3%）。（6）基于台风影响期间沿海近海不同水深处4个铁塔观测数据、飞机观测数据和海岛观测数据，研究了动量通量特征，加深了对海-气通量传输过程的认识。