考虑海气耦合的海洋风环境中-微尺度数值模拟OA

独立中尺度数值天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式在输出风速特征时,忽略了波浪传播和海流演变引起的海表变形对三维风场湍流结构的调制作用,无法输出秒级分辨率的脉动风速。针对这一问题,本文构建了一种基于WRF模式、近岸波浪模拟(simulating waves nearshore,SWAN)模型、区域海洋模式系统(regional ocean modeling system,ROMS)和大涡模拟(large eddy simulation,LES)耦合的中-微尺度多层嵌套风-浪-流数值模拟方法(WRF-SWAN-ROMS-LES),并开发了中尺度强迫源驱动的中-微尺度耦合软件框架Marine_CFD。利用该方法,对比分析了中尺度海气耦合的大气模式(coupled ocean-atmosphere-wave-sediment transport,COAWST)与独立大气模式(WRF和WRF_SST)在风速模拟上的差异,并验证了微尺度大涡模拟在再现湍流脉动方面的有效性。结果表明,风-浪-流耦合模型对海上风速演变过程的刻画具有更高的精度:在38 m高度处,COAWST模式的皮尔逊相关系数为0.789,高于WRF的0.733和WRF_SST模式的0.735,说明COAWST模式对海洋风速演变模拟更具优势。在微尺度模拟中,通过引入中尺度大气场的速度和位温等三维时空分布信息,驱动微尺度大涡模拟,其输出风速序列整体位于LES脉动风速曲线的中间区域,并且能够有效保持秒级的高频脉动特征。