高风速下拖曳系数的衰减程度及其对台风浪模拟的影响研究

研究表明，目前海浪模式模拟的台风浪要素值存在偏高的现象，这是由模式中海面拖曳系数在高风速时被高估造成，观测和研究指出海面拖曳系数在高风速时发生不同程度的衰减，且衰减程度与飞沫水滴的生成过程密切相关，因此，需要从飞沫生成函数出发，研究飞沫水滴使高风速下拖曳系数发生衰减的程度，进而分析这种衰减程度对模拟台风浪的影响。本项目旨在通过合理的资料分析和理论推导，完善考虑风和浪共同作用的飞沫生成函数，建立高风速下受飞沫衰减作用的拖曳系数关系式，阐明高风速下飞沫水滴使海面拖曳系数发生衰减的程度，并将该拖曳系数关系式运用于第三代海浪模式WAVEWATCH III (WW3)的风能输入源函数中进行台风浪模拟，揭示拖曳系数的衰减程度对台风浪模拟的影响。这些工作不仅能帮助我们理解极端天气条件下飞沫水滴对海面动量传输的影响，同时也为完善台风浪模拟的研究奠定基础。

本项目考虑海浪状态的影响，推导了由气泡产生的飞沫水滴的生成函数，基于现有理论构建了适用飞沫水滴尺度半径1-500μm的飞沫生成函数，将该飞沫生成函数用在改进的飞沫通量计算公式中进行飞沫动量通量的计算，发现本项目提出的飞沫动量通量计算公式对海浪状态具有较强的敏感性，能够清晰地表达海浪状态对飞沫动量通量的影响，说明本项目提出的飞沫动量通量公式能够运用于各种海浪状态条件下的飞沫动量通量计算。.本项目利用收集到的中等风速下的实验室和外海测量数据，分析海面拖曳系数与四个风浪参数（波龄、波陡、风海雷诺数RB和RH）的关系，通过对比发现风海雷诺数RB能够很好的描述海面拖曳系数的变化。.在提出的中等风速下海面拖曳系数以及飞沫动量通量计算公式的基础之上，得到了新的能够适用于高风速的海面拖曳系数。分析表明，该海面拖曳系数考虑了飞沫水滴、波浪状态的共同影响。通过与实验室和外海观测的高风速下海面拖曳系数值的对比，发现在不同波龄条件下本项目提出的海面拖曳系数关系能够很好的将测量值覆盖，这说明本项目提出的高风速条件下的海面拖曳系数关系式是可靠的。.基于海浪模式WAVEWATCH III，将本项目推导出的高风速下的海面拖曳系数代入其中进行台风浪模拟，并与模式中默认方案的计算结果进行比对，指出拖曳系数对台风浪模拟的影响不可忽视，不仅降低了台风中心附近的有效波高，而且还使得台风中心附近的海浪谱形发生了改变。利用浮标数据对模拟的真实台风浪波高进行验证，结果显示利用本项目提出的高风速下的拖曳系数能够较好的模拟真实台风浪。