热带气旋中的水平湍流混合及其参数化研究

To improve the numerical prediction of tropical cyclones (TCs) in terms of intensity and structure, an in-depth understanding of the governing physics of TCs are essential. Among the many relevant physical processes, horizontal turbulent mixing has long been ignored. Its basic dynamical characteristics and potential effects on TCs are still uncertain. In the past decade, limited observations and few numerical studies unanimously reveal the key role of horizontal turbulent mixing in controlling the intensity and structure of TCs. This project proposes to explore the physical links between horizontal turbulent mixing and TCs. High-resolution, turbulence-resolving large-eddy simulation (LES) of idealized TCs will be performed. Based on the LES-simulated TC, we seek an improved understanding of the basic characteristics of horizontal turbulence, including its role in the horizontal transport of momentum, heat and moisture, and the environmental factors and related physical processes that govern horizontal turbulent fluxes. Using LES results as benchmark, the classical 2D Smagorinsky scheme for parameterizing horizontal turbulent mixing will be examined. Physically based new parameterizations will be processed based on a priori analysis. The new schemes will be used to improve the representation of horizontal turbulent mixing in numerical weather prediction models, and subsequently improve the overall forecasts of TCs.

要改进数值模式对热带气旋强度和结构的预报能力，必须首先了解控制热带气旋强度和结构的物理过程。在众多物理过程中，水平湍流混合对热带气旋的影响被长期忽略，其基本物理特征以及对TC的作用尚不明确。近十年来，有限的观测和少数的数值模式研究皆指出水平湍流混合是控制热带气旋强度和结构的关键物理过程之一。本项目以此为切入点，探索水平湍流混合与热带气旋间的物理关联。本项目拟对理想热带气旋个例开展高时空精度、湍流可分辨的大涡模拟。以模拟结果为主要研究资料，深刻认识热带气旋边界层水平湍流的物理特征，对动量、热量和水汽的输送作用，以及影响水平湍流通量的环境因素和物理过程。利用大涡模拟结果，检验传统水平湍流参数化模型，改良并建立具有物理意义的新模型。以此为基础，改进数值预报模式中对水平湍流混合的物理参数化，为提高热带气旋的数值预报能力提供理论基础和技术支撑。

项目围绕热带气旋中的水平湍流混合及其参数化，开展了系统的研究工作。基于对热带气旋的理想大涡模拟和实际个例对流可分辨尺度模拟的分析研究，增进了对热带气旋水平湍流的基本特征，及其对物质和能量的水平输送作用的了解，深刻认识了水平湍流对热带气旋路径、结构、强度和降水的影响，评估优化了传统水平湍流参数化模型，并提出了更为合理的非线性湍流模型以参数化热带气旋水平湍流通量，为提高我国热带气旋数值预报能力提供理论基础和技术支撑。. 项目基于热带气旋真实个例的对流可分辨尺度模拟，认识水平湍流对热带气旋路径、结构、强度和降水的影响，发现水平湍流混合对于台风路径模拟的影响较小，但对台风的强度、结构和降水都有显著影响。对传统热带气旋水平湍流参数化模型开展系统性评估，进行方案优化，改善热带气旋的对流可分辨尺度模拟。而后项目构建理想热带气旋个例的高分辨率大涡模拟，基于模拟资料，系统分析了热带气旋中的水平湍流通量，认识了热带气旋中的水平混合不仅有小尺度湍流的作用，还源自热带气旋背景环流的湍流输送。以大涡模拟为参照真值，系统评估了基于尺度相似理论的非线性水平湍流模型对热带气旋水平湍流通量的参数化，发现非线性模型不仅能够复现由热带气旋尺度环流引起的通量，对非对称水平湍流通量也有较好的模拟效果，对热带气旋水平湍流结构的模拟也优于传统模型。因此提出了基于非线性模型的热带气旋水平湍流参数化方案。基于热带气旋水平湍流混合的物理认识，还研发了包含水平湍流混合的三维尺度自适应边界层方案，对理想和实际个例的模拟效果皆优于传统边界层方案，为提升热带气旋精细化数值预报能力提供参数化方案。