飞沫作用下的海浪边界层模型及其对台风模拟的影响研究

Momentum flux is one of the most important factors in air-sea interactions. In typhoon conditions, the sea surface is covered with sea spray that is produced by frequent wave breaking, which significantly affects the air-sea momentum exchange rate. The applicant of this project developed a wave boundary layer model, based on the mechanism of the generation of ocean surface waves and the momentum and kinetic energy conservation across the air-sea interface, for wave simulation and momentum flux estimation. However, the “sea-spray” effect is not included in the established wave boundary layer model, so it is not appropriate to be used for typhoon simulations. This project aims at adding the “sea-spray” effect in the established wave boundary layer model for wave simulation and momentum flux estimation in typhoon conditions. The new wave boundary layer model will be applied in an atmosphere-wave-ocean coupling system. It is expected that the new coupling system improves the model performance in wind, wave, and current simulations during typhoon simulations.

动量通量是海气界面间能量交换的关键因子之一。在台风条件下，由于波浪的破碎，在海气界面间存在着大量的海浪飞沫，从而显著影响海气界面间的动量交换。申请人从风浪的成长机制出发，基于海气界面间动量和动能守恒原则建立了一个海浪边界层模型用于海浪模拟和动量通量计算。而目前该模型尚未考虑海浪飞沫的作用，因此不适用于台风模拟。本项目拟在现有的海浪边界层模型基础上加入海浪飞沫对动量通量的影响，从而建立一个同时适用于台风条件下海浪模拟和动量通量计算的新的海浪边界层模型。并最终将该模型应用于大气-海洋耦合模拟系统中，综合提高耦合模拟系统在台风条件下对于风、浪、流的模拟能力。

动量通量是海气界面间能量交换的关键因子，在台风条件下波浪破碎产生大量的海浪飞沫，从而显著影响海气界面间的动量交换。如何在中尺度数值模式中考虑飞沫作用，从而提高高风速下的动量通量计算精度是当前海气相互作用研究和大气海洋耦合数值模式发展的前沿问题。本项目从风浪的成长机制出发，基于海气界面间动量和动能守恒原则，考虑了海浪飞沫对动量通量的影响建立了一个同时适用于台风条件下海浪模拟和动量通量计算的新的海浪边界层模型，通过模块化编程实现了该模型的稳定和高效运行，并最终将该模型应用于与其同步开发的大气-海浪-海流耦合模拟系统中。该模型以及与其同步开发的耦合模拟系统有助于提高当前中尺度数值模式对于台风等海上极端天气的模拟和预报能力。