上层海洋热力结构对热带气旋的响应过程研究

Tropical cyclones can cause strong three-dimensional thermal response, change local ocean heat budget and temperature structure. This thermal response process can not only change tropical cyclone intensity itself, but may also contribute to global ocean thermal transport, then modulate ocean-atmosphere circulation structure. This research will firstly study oceanic three-dimensional thermal response to different cases of tropical cyclones based on the methods of data analysis and numerical model simulation; then change factors in ideal model simulations, such as tropical cyclone intensity, translation speed, oceanic stratification and ocean depth, to study upper ocean thermal response under different conditions, and summarize the importance and university of key physical mechanisms such as vertical mixing (heat pump effect) and vertical advection (cold suction effect). This research aims to uncover the modulation of tropical cyclones on local upper ocean thermal structure, provide some scientific basis for improvement of the tropical cyclone forecast and understanting the effect of tropical cyclones on global climate system.

热带气旋会引起海洋强烈的三维热力响应，改变局地海洋热力收支和温度结构。这一热力响应过程既能影响热带气旋本身的强度，亦可能影响全球海洋热输送，进而调节海洋-大气环流结构。本研究将首先基于现场观测资料和数值模式模拟研究海洋对多个热带气旋个例的三维热力响应过程；之后，通过调整理想数值试验中热带气旋强度、移速、海洋层结、水深等要素，探究不同情景下上层海洋热力响应结构的异同，总结垂向混合（热泵效应）和垂向输运（冷抽吸效应）等关键物理机制的重要性和普适性。本研究旨在揭示热带气旋对局地上层海洋热结构的调整，为改进热带气旋预报、探讨热带气旋在全球气候系统中的作用提供一定科学依据。

热带气旋是发生和发展于海洋上强烈的天气尺度现象。热带气旋会引起上层海洋强烈的三维热力响应过程，进而改变局地海洋的热收支和温度结构。上层海洋的热力响应既能通过海气反馈过程影响热带气旋本身的变化，也能通过影响局地海洋热力结构调节区域和全球海洋热输送以及海洋-大气环流。本项目首先收集和整理了历年热带气旋期间海洋和大气的现场观测数据，在数据质量控制的基础上挑选了典型的热带气旋个例。之后，采用海洋数值模式针对挑选的热带气旋个例进行模拟，在观测数据验证模拟结果可靠的前提下，研究了热带气旋引起的上层海洋的三维响应过程。通过分析实测数据并分解模式中的物理项，指出垂向混合和垂向输运主要在热带气旋的强迫阶段控制上层海洋热力响应，而海气热通量和水平输运主要在松弛阶段恢复温度异常。进一步的，通过改变模式中热带气旋参数（如大小、移速和强度）和海洋环境参数（如初始温盐结构、水深、纬度等），比对和探讨了不同参数情况下上层海洋的热力响应结构的异同。最后，通过理论分析归纳了影响上层海洋温度响应的无量纲数，并探讨了相应的无量纲参数空间。总之，本项目在研究上层海洋对典型热带气旋热力响应的过程和机制的基础上，指出了垂向混合（热泵效应）和垂向输运（冷抽吸效应）等关键物理机制的重要性和普适性，并进一步探讨和归纳了热带气旋本身要素和海洋环境要素的作用。本项目揭示热带气旋对局地上层海洋热力结构的调整作用，为改进热带气旋预报、海洋环境预报和预测、探讨热带气旋在全球气候系统中的作用提供一定科学依据。