在飓风的风力条件下空海一体互动

Yuliya Troitskaya,丹尼尔能够亚历山大Kandaurov和布Kazakov应用物理研究所俄罗斯

1。介绍

的主要特征出现在模型预测海风海水表面的粗糙度取决于风的参数,定量parameterised海边表面阻力系数CD。定义我们引入湍流剪应力或湍流动量通量的海面

p是空气密度,u *是风摩擦速度。风的湍流边界层对数平均速度剖面:

类似于电阻定律壁湍流介绍了海洋表面阻力系数如下:

c = Tturb = u * (3)

CD“U2, U2, (3)

在U10—风速在一个标准气象高度H10 = 10 m与这个系数U10获得通过推广经验数据(Garratt, 1977;大&池塘,1981年,泰勒& Yelland 2002;Fairall et al ., 2003)或通过数值模型(见,例如,詹森,1989;现年1991岁的詹森马金出版社,1994;Hara &贝尔彻,2004)。大量实地测量给风速越来越依赖的CD,其中涉及到增加的浪高风。

海洋表面的气动阻力系数是一个关键参数理论的热带飓风(伊曼纽尔,1995)。为了说明这里我们考虑能量平衡理论的思想提出的热带气旋(伊曼纽尔,1986;1995年伊曼纽尔,伊曼纽尔,2003)。根据这一理论成熟的热带气旋可能是理想化的稳定,轴对称流的能量循环是非常类似于一个理想卡诺热机,高温热源的海洋温度t和低温热源,对流层的温度。的建设和运营的细节提出了热机(伊曼纽尔,1986;1995年伊曼纽尔,伊曼纽尔,2003),但最重要的一个热带气旋的特征,最大表面风速,这决定了它的类别,可以从卡诺定理估计没有细节。根据卡诺定理,最大理想热机的效率取决于的绝对温度冷热水库:

在Qs进入系统从高温热源的热能和W是系统所做的机械功。热能的热带气旋来自的支持(海洋热通量从海面)和机械能量消散在海洋湍流边界层(伊曼纽尔,2003),进入系统的热能的曲面积分热流从海上Fq和机械能量耗散率外交政策:

q = / [Fq + Fp f (5)

机械系统做的功补偿机械能量耗散

热流从海上和机械能耗散率是由大部分公式:

Fq = CkpV (k0 - k) (7)

ko, k是焓在海平面和海洋大气边界层。

Fp = cDPV \ 3 (8)

(7)- (8)Ck(或热交换系数斯坦顿数),光盘表面阻力系数,由方程(3)定义的。

考虑到卡诺定理(4)和估计积分(5)和(6)收益率估计热带气旋的最大表面风速的函数比CD / Ck。

传统的体积公式,导出了泛化实验数据(Garratt, 1977;大&池塘,1981年,泰勒& Yelland 2002;Fairall et al ., 2003)获得了在风速度小于30 m / s,高估了阻力系数下的海面风飓风。(伊曼纽尔,1995)中给出的估计表明,能量耗散由于摩擦证明太高解释观察到的飓风风速度对现实的能源。

解释高风速度在飓风的问题可以解决,如果海平面不会增加的阻力系数与风速增加。解释大量的风速在热带气旋伊曼纽尔,1995建议阻力系数趋于平缓,甚至降低在高风速与直觉的矛盾,因为,它遵循,海面下应该有效地平滑飓风的条件。然而,在90年底这些依赖项观察实验,实验室条件下(鲍威尔等人,2003)。

2。观测的海洋表面减阻

海面下的减阻的影响飓风风发现了(鲍威尔等人,2003)在他们的实验测量的风速分析海洋大气边界层与热带气旋,到331年全球定位系统迭代反演了15个风暴。风摩擦速度u *可以很容易地从方程(2)检索和海洋表面阻力可以从它的定义(3)计算。分析这些测量(鲍威尔等人,2003)表明,海洋表面的阻力系数远小于数据的外推以“普通风”,甚至降低如果风速超过30 m / s(见图1)。据(更准确地说,鲍威尔,2007)表面阻力明显取决于热带气旋的部门,来衡量。

表面阻力系数类似的依赖性对风速测量的洋流中检索由热带气旋安德鲁(Jarosz et al ., 2007)。据报道在(Jarosz et al ., 2007) 2004年9月15日,伊万飓风的中心直接传递过电流和波/潮汐计系泊设备的外大陆架东北部墨西哥湾。分析along-shelf动量平衡水柱,当当前结构摩擦主要是在以下方程:

(那里的人depth-integrated U和V -和cross-shelf当前的速度组件、f是科氏参数p水的密度Tsx along-shelf风应力分量,H是水深,r是恒定阻力系数在海底)。方程(10)使一个检索风应力Tsx和估计海面毕业生系数的方程(3)使用独立测量风速。评估的结果中给出这个过程(Jarosz et al ., 2007)显示一个下降趋势的CD风速大于32 m s - 1(见fig.lb)。所以实地测量风的压力来自大气和海洋的海气界面显示,海洋表面阻力系数的显著降低飓风风速相比,获得的实验数据外推的“正常”的风速,甚至降低U10超过35米/秒。类似的影响在实验室实验在海气界面交互设备迈阿密大学(Donelan et al ., 2004)。在这个实验

图1所示。海洋表面阻力系数通过十米级风速:(a)——从鲍威尔出版社,2003,(b)——从科学,2007。

图1所示。海洋表面阻力系数通过十米级风速:(a)——从鲍威尔出版社,2003,(b)——从科学,2007。

水面的空气动力阻力是由三种不同的测量方法:使用配置文件的方法(平均水平速度的垂直梯度与表面应力),雷诺应力的方法,和动量方法基于动量分析预算的水柱的坦克(Donelan et al ., 2004)。与其他两个相比,后一种方法是对水滴悬浮在气流高风速。30厘米高度的风速测量槽和外推到10米的标准气象高度使用的对数依赖高度(Donelan et al ., 2004)。所有的方法都是在良好的协议,和动量预算方法启用Donelan et al 2004测量风应力和水面的空气动力阻力系数相当于十米级风速约60 m / s。图2 (Donelan et al ., 2004)

图2所示。实验室测量的中性稳定阻力系数(切割从Donelan复制等,2004)

演示了一个阻力系数的显著水准的十米级风速超过33米/秒。CD依赖于风速之间的区别在现场和实验室实验讨论了(Donelan et al ., 2004)。可能是由于强inhomogenity和non-stationarity飓风的风眼墙,在恒定应力概念来源于边界层Reynolds方程没有得到证实。

所以它可以从现场和实验室数据,得出两个增长的水面的空气动力学粗糙度与风速显著降低以极高的风尽管增加表面波的高度。提出了一些理论模型解释的经验事实。

3所示。海洋表面减阻的可能机制极端风速

在许多可能的理论机制提出的解释海洋表面减阻的效果在飓风风可以指定两组模型。首先,(Kudryavtsev &马金,2007)和(Kukulka et al ., 2007)解释海洋表面减阻特性的气流在碎波,确定形成海洋表面的阻力。例如,在(Donelan et al ., 2004),在飓风风阻力系数的稳定定性解释为改变形状的表面高程在主导波风速度高于35米/秒,这是伴随着大幅领先的发生。在这种情况下,发生流动分离的波峰波。这种假设是基于实验室的实验(勒尔et al ., 1999),观察气流分离在碎波的波峰PIV方法。2004年根据Donelan假说等,存在的气流被困在分离区跳过水面的部分的槽波,因此,在连续条件破坏最大的海浪表面的空气动力学粗糙度是有限的。此外,一代的小规模的粗糙度降低分离区内由于避难,这也可以降低表面电阻。这种效应预计将占主导地位的情况下年轻的海(或在实验室条件下(Donelan et al ., 2004),当波破坏事件并不罕见甚至能源包含表面波频谱的一部分。另一种方法更适合条件的海洋开发利用海洋的影响下降和喷雾风浪动量交换(Andreas Andreas &伊曼纽尔,2001年,2004年,马金,2005年,Kudryavtsev, 2006)。(Andreas &伊曼纽尔,2001)和(Andreas, 2004)估计海滴和气流的动量交换,而(马金,2005)和(Kudryavtsev, 2006)关注的影响海滴海气边界层相似模型的分层的湍流边界层悬浮粒子(Barenblatt & Golitsyn 1974)。悬重粒子(下降)在海洋湍流边界层创建稳定的分层抑制湍流,然后减少的有效粘度湍流和空气动力阻力。同时,还有一个海效果下降,水面的粒子注入应该加速,然后它们消耗一些气流的动量通量,提高表面湍流边界层阻力。

在论文(Troitskaya & Rybushkina, 2008)飓风风速的海洋表面减阻是解释通过减少风浪动量交换的效率在飓风条件由于避难,但无分离庇护。这种假设是出于强大的海洋风暴的目击者的报告,证实,大海在飓风风竟然顺利和波浪是相对罕见的事件(见参考资料(Andreas, 2004)。相对平滑的水面呈现影片拍摄于董事会的研究船“维克多Buinitsky”,当它经过一个极性lo拉普捷夫海和喀拉海2007年10月(项目捺钵内巡航- Dr.Irina Repina私人通信)。这些视觉观察也证实了仪器测量(多恩et al ., 1999),观察到饱和的c波段和ku波段的雷达截面(nrc)风速高于25 - 30 m / s。在实验室里观察到类似的减少nrc槽的实验(Donelan et al ., 2004)。从水面微波功率分布是由我)短的布拉格散射波和二世)的反射波,即nrc减少支持的证据平滑的减少短波粗糙度和表面波破坏事件。不同寻常的海面平滑机制是未知的。(Andreas, 2004)提出了两种可能的解释的效果。一个认为泡沫对表面张力的影响。另一个可能的解释利用泡沫的影响下降从海浪波峰被风撕裂,然后回落作为一种强雨,导致表面波的有效阻尼根据大量的实验(见例。(Tsimplis &索普,1975)。

尽管一些理论假设的问题解释的影响表面减阻在飓风风不是解决主要是由于缺乏实验数据。

4所示。实验室模拟飓风风下的海气相互作用

在本节中,我们描述新实验室实验的结果用于建模的海气相互作用极强的风。

4.1实验装置和仪器

实验进行的风浪水槽内建大型Thermostratified坦克应用物理研究所的。的离心风机配备电子变频器来控制气流产生的放电率连续气流在水槽部分10 m。操作的横截面气流是40 * 40厘米2,胎侧而淹没在30厘米的深度。波阻尼海滩制成的细孔放置在气流出口的水槽。水面的空气动力阻力测量剖面方法从出口7米的距离。风速资料被l型皮托管测量用于测量流速度20米/秒(轴水槽25米/秒的速度大约相当于U10 = 50 - 60 m / s)。同时与气流速度测量,三路弦波计测量电波在水面。实验是伴随着视频拍摄水面的顶视图。

4.2特性剖面方法测量表面阻力系数的气动隧道

的经典分析方法测量表面阻力系数是基于稳定的财产保护切向壁湍流边界层湍流压力u»2,然后平均流速是对数风摩擦速度u *(2)可以很容易地确定,如果速度剖面测量。然而发展中湍流边界层的典型气动管和风槽,然后三个子层在不同距离的水可以指定:粘性子层,层常数通量和“唤醒”部分(见图3)。粘性子层,粘滞效应是至关重要的,在水动力地存在光滑表面的距离小于20 ^ 30 v / u * (v是运动粘度),对温和的风则是约1毫米。“醒来”的外层部分是湍流边界层,边界层流动的凌日在管外流动。其厚度8线性增加出口的水槽。的扩展常数通量层粘性子层的上边界大约0.158。只有在常数通量流速剖面的层是对数,可以外推到标准气象H10高度。通常在风槽不断层厚度小于10厘米。测量风速资料的不到10厘米的距离水面波浪在强风是一个困难的问题主要是由于喷吹波的波峰的影响。幸运的是,参数层的常数通量可以从测量数据中检索“唤醒”湍流边界层的一部分,因为在发展中湍流边界层速度分布的自相似“后法”(看到Hinze, 1959)。 The self-similar variables for the velocity profile and vertical coordinates are z/8 and (Umax-U(z))/u*., where Umax is the maximum velocity in the turbulent boundary layer. The self-similar velocity profile can be approximated by the following simple equations (see Hinze, 1959):

——在常数通量的层

Umax - U (z) = U * ln (z / 5) + -2.5 (a)、(11)

图3所示。气流速度概要文件在空气动力学在波浪水槽不同的气流速度(a);冲曲线对数近似常数通量层。我——常数通量的层,二世——“唤醒”部分。气流速度概要文件在不同的风速测量在自相似波变量(b)。

图3所示。气流速度概要文件在空气动力学在波浪水槽不同的气流速度(a);冲曲线对数近似常数通量层。我——常数通量的层,二世——“唤醒”部分。气流速度概要文件在不同的风速测量在自相似波变量(b)。

o“唤醒”部分

Umax - U (z) = f3u。(1 - z / S) 2。(12)

崩溃的实验分在一个曲线自相似变量发生在我们的实验(见fig.3b)。参数方程(11)(12)的最佳拟合得到的实验数据:= 1.5,P = 8.5。

对数边界层的参数可以从测量数据中检索后湍流边界层的一部分,首先,检索参数湍流边界层(Umax和SS)由方程(12)拟合实验数据,然后计算参数的对数边界层通过以下表达式:

在哪里

z0 = S exp (“KUma * / M + aK)。(14)

通过测量参数u *表达式CD, Umax和S遵循从方程(13 - 14日):

继续阅读:D u ud dd

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