台风边界层风场半解析模型及其在海陆转换中的应用

作     者：裴正南 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李孙伟

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：气象灾害 台风风场模型 海陆转换 风速剖线 

摘      要：台风边界层是海面和上部梯度风场的过渡区域,该区域中的湍流运动起着热量、水汽的输送和传递的作用,在台风风场发展的物理过程中扮演着极其关键的角色。此外,边界层是人类活动的主要区域,绝大多数的建筑结构和基础设施也集中在这一区域,台风及其引发的地表强风、暴雨和风暴潮等往往会引起沿海地区建筑结构破坏、经济损失和人员伤亡,因此对于台风边界层的研究具有重要的工程应用背景和科研价值。由于海岸线两侧下垫面性质的突变,台风在靠近海岸或登陆过程中边界层风场存在海陆转换过程,造成了台风海陆转换区独特的风场环境。针对台风风场的数值模拟技术被广泛运用在台风极值风速、巨浪预报以及与之相关的灾害评估研究中,然而目前针对台风风场海陆转换进行的研究工作却为数不多。本研究针对台风风场登陆这一统一自然过程,借助理论模型对下垫面条件引起的台风边界层风场的海陆转换过程进行描述。研究主要可以分为四点内容:1.在Kepert所提出线性高度解析模型的基础上,引入沿高度变化的湍流扩散系数模型和与风速相关的海面拖曳系数模型,提出一个改进的线性高度半解析模型。并借助台风风场实测数据对改进模型的准确性进行了验证。以该改进模型为工具,开展了模型计算结果对于不同的湍流扩散系数以及拖曳系数参数化方案的敏感性分析,并发现引入更符合物理意义的参数化方案可以明显提高模型的预算结果。2.系统地对比Kepert所提出的台风风场线性解析模型和Foster提出的基于相似理论求解的半解析简化理论模型和本研究提出的新模型。利用上述不同的理论模型对实测海上台风表面风场进行模拟,并与H*wind风场数据进行比较,验证不同模型之间的差别,并定量分析不同模型对台风表面风场特性的模拟能力。3.以改进理论模型为工具,从平衡方程的角度探讨引起台风风速剖线相较于经典对数律风速剖线偏差的物理机制,同时借助模拟的台风风场算例,对偏差项的空间分布特性进行了讨论。4.以改进模型分别对海上和陆上的台风风速剖线进行计算,并以此作为海陆转化起始（终止）的平衡风剖线,借助内生边界层理论模型提出用于描述台风边界层海陆转换的模型框架。