【摘要】： 探尋海氣界面的動(dòng)量、熱量及物質(zhì)交換過(guò)程及其影響機(jī)制是海氣相互作用研究的核心問(wèn)題,長(zhǎng)期以來(lái)都是大氣、海洋科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。海浪作為海氣界面普遍存在的現(xiàn)象,一方面通過(guò)海浪狀態(tài)對(duì)海氣之間的動(dòng)量、熱量以及物質(zhì)交換產(chǎn)生重要影響,另一方面海浪的破碎及海面風(fēng)切削波峰等生成的海面飛沫在海面形成水滴蒸發(fā)層,直接或間接地影響著海氣界面的動(dòng)量、熱量及水汽通量。準(zhǔn)確地理解和參數(shù)化海浪狀態(tài)和海面飛沫對(duì)海氣間動(dòng)量和熱量通量的影響,是海氣相互作用研究的重要課題,是建立大氣-海浪耦合模式的基礎(chǔ)。 基于前人的研究與觀測(cè),本文給出了一個(gè)同時(shí)考慮波浪狀態(tài)和海面飛沫影響的、適用于從中低風(fēng)速到極端高風(fēng)速條件的無(wú)量綱海面動(dòng)力學(xué)粗糙度與波齡的關(guān)系。新提出關(guān)系對(duì)應(yīng)的海面拖曳系數(shù)與海面10-m風(fēng)速的關(guān)系同已有的外海和實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。此關(guān)系表明:在中低風(fēng)速可以忽略飛沫影響時(shí),無(wú)量綱的海面粗糙度與波齡并非單調(diào)的增減關(guān)系,而是隨波齡先增大后減小;而在高風(fēng)速下,飛沫的影響使得海面拖曳系數(shù)隨風(fēng)速的增大而不再增大,反而減小;不同波齡對(duì)應(yīng)的海面拖曳系數(shù)在風(fēng)速為25-33 m/s范圍時(shí)出現(xiàn)極大值。 本文還回顧了中低風(fēng)速下海面標(biāo)量粗糙度的參數(shù)化方法,討論了大氣底層耗散加熱效應(yīng)以及海面飛沫對(duì)海氣熱通量的影響。通過(guò)考慮波浪狀態(tài)對(duì)白冠覆蓋率的影響給出了適用于氣泡生成沫滴的飛沫生成函數(shù),將其同Zhao et al.(2006)受波浪狀態(tài)影響、適用于飛滴的生成函數(shù)連接起來(lái)得到了受波浪狀態(tài)影響、適用于各種半徑的飛沫生成函數(shù)。進(jìn)一步將得到的飛沫生成函數(shù)應(yīng)用于Andreas(1992)估計(jì)飛沫熱通量的方法,同時(shí)考慮海面飛沫熱力學(xué)過(guò)程的反饋效應(yīng),進(jìn)而得到了考慮波浪狀態(tài)影響的飛沫感熱和潛熱通量的估計(jì)方法。由此方法估計(jì)的飛沫感熱和潛熱通量在給定的大氣、海面環(huán)境條件下,一方面隨風(fēng)速的增大而增大,另一方面相同風(fēng)速條件下,隨波齡和風(fēng)海雷諾數(shù)的增大而增大。 基于對(duì)大氣-海浪模式耦合基礎(chǔ)的討論,本文將新一代天氣研究與預(yù)報(bào)WRF模式和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ耦合起來(lái),建立了一個(gè)大氣-海浪耦合系統(tǒng)。將耦合系統(tǒng)應(yīng)用于一個(gè)理想臺(tái)風(fēng)的模擬中,通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案模擬結(jié)果的分析與對(duì)比,研究了不同海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案、大氣底層耗散加熱以及海面飛沫熱通量對(duì)臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)的影響。波浪狀態(tài)對(duì)海面粗糙度的影響增大了海面摩擦,減弱了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,減小了臺(tái)風(fēng)浪的有效波高,但不同海面粗糙度參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑及海氣熱通量影響不大;應(yīng)用本文新提出的海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化方案時(shí),模擬的理想臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度相對(duì)非耦合的控制試驗(yàn)減弱約5%,最大有效波高減小約6%。大氣底層耗散加熱效應(yīng)能增大海氣界面總熱通量,增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度,使臺(tái)風(fēng)的中心海平面氣壓加深8-10%,最大海面10 m風(fēng)速增大6-10%,最大有效波高增大10-15%。海面飛沫熱通量能顯著地增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,增大海面風(fēng)速和海面動(dòng)量通量以及海面波高;同時(shí)海面飛沫熱通量直接影響著海氣界面的總熱量和水汽通量,顯著地增大海氣界面的潛熱和水汽通量。此外,海面狀態(tài)影響的海面動(dòng)力學(xué)粗糙度、大氣底層耗散加熱效應(yīng)以及海面飛沫熱通量三者對(duì)臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)的影響并不是孤立的,而是互相影響的。同時(shí)考慮以上三種效應(yīng)時(shí),模擬的臺(tái)風(fēng)最低中心海平面氣壓相對(duì)于控制試驗(yàn)加深了10.7 hPa,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)14%,最大海面10-m風(fēng)速和最大有效波高相對(duì)于控制試驗(yàn)也分別增大了18%和4%;海氣之間總的熱通量相對(duì)于控制試驗(yàn)增大約10%,而海氣間總潛熱通量增大得更為顯著(約18%)。 本文還將大氣-海浪耦合系統(tǒng)應(yīng)用于200509號(hào)臺(tái)風(fēng)Matsa個(gè)例的模擬,并通過(guò)對(duì)耦合試驗(yàn)與非耦合的控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的分析與對(duì)比研究了大氣-海浪模式的耦合對(duì)Matsa臺(tái)風(fēng)的影響。結(jié)果表明:考慮了海浪狀態(tài)、大氣底層耗散加熱以及海面飛沫對(duì)海氣動(dòng)量和熱量通量的影響,大氣-海浪模式的耦合增大了海面動(dòng)力學(xué)粗糙度及海氣熱量和水汽通量;同非耦合的控制試驗(yàn)相比,耦合試驗(yàn)?zāi)M的Matsa臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有所增強(qiáng),中心氣壓及表面最大風(fēng)速同最佳路徑資料符合得更好;對(duì)于Matsa臺(tái)風(fēng)浪的模擬,同衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)資料的對(duì)比也表明耦合試驗(yàn)?zāi)M的有效波高同觀測(cè)資料更為接近。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號(hào)】：P731.22
【圖文】：

大氣-海浪耦合模式的物理基礎(chǔ)及數(shù)值研究51圖2.1 海氣界面物理過(guò)程示意圖圖2.2 SCOR 101工作組報(bào)告給出的無(wú)量綱的粗糙度與波齡倒數(shù)的關(guān)系及其同實(shí)驗(yàn)室和外海觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)照（from Toba et al.，2006）

51圖2.2 SCOR 101工作組報(bào)告給出的無(wú)量綱的粗糙度與波齡倒數(shù)的關(guān)系及其同實(shí)驗(yàn)室和外海觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)照（from Toba et al.，2006）

中國(guó)海洋大學(xué)博士論文52圖2.3 由Makin（2005）考慮飛沫影響的海面動(dòng)力學(xué)粗糙度關(guān)系給出的拖曳系數(shù)（a）和摩擦速度（b）同海面10-m風(fēng)速的關(guān)系。虛線為Charnock常數(shù)取0.01時(shí)，經(jīng)典的Charnock關(guān)系對(duì)應(yīng)的拖曳系數(shù)和摩擦速度同海面10-m風(fēng)速的關(guān)系。圖中還給出了Powell et al.（2003）的外海觀測(cè)結(jié)果（from Makin，2005）0 10 20 30 40 50 600123456U10(m s 1)0C1dβ=0.04β=0.10β=0.16β=0.22β=0.28β=0.34β=0.400 10 20 30 40 50 600123456U10(m s 1)0C1dβ=0.40β=0.60β=0.80β=1.00β=1.20β=1.40β=1.60β=1.80圖2.4 不同波齡（β ）對(duì)應(yīng)的拖曳系數(shù)dC 隨海面10-m風(fēng)速10U 的變化關(guān)系。（a）波齡β ≤ 0.4；（b）波齡 β ≥0.4(a)(b)

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本文編號(hào)：2772350