关于飓风边界层中海浪飞沫的力学和热力学影响

《Atmosphere》：On the Mechanical and Thermodynamic Influences of Ocean Spray in Hurricane Boundary Layers

　　

本研究采用欧拉多流体和混合模型方法，结合E-ε湍流闭合（E-ε turbulence closure），研究了蒸发海浪飞沫对飓风海洋大气边界层（marine atmospheric boundary layer, MABL）结构和动力学的力学与热力学影响。多流体框架将空气和飞沫视为相互渗透的相，能够物理一致地表示控制动量传递、焓交换和湍流调制的空气–液滴相互作用。混合方法基于简化描述，仅捕获部分底层物理，但具有能够提供分析洞察的优势。在力学上，飞沫产生竞争效应：一方面，液滴惯性（droplet inertia）导致风速降低；另一方面，飞沫引发的湍流衰减（turbulence attenuation），主要源于空气–液滴摩擦，导致风增强。分析和数值结果表明，对于典型飞沫液滴尺寸，后者效应占优，导致在飓风风速下风速加速和阻力减小。在热力学上，蒸发液滴重新分配总热通量，有利于其潜热分量，效应强烈依赖于液滴尺寸。小液滴抑制湍流并减少总焓通量，而大液滴则增强它们。此外，飞沫显著增加了总焓–阻力系数比（total enthalpy-to-drag coefficient ratio）随风速的变化，这与现场观测一致。

**研究背景**
飓风强度风速下，海浪飞沫（Ocean Spray, OS）是影响海气耦合的关键因素，但其作用机制尚未充分理解。强风从破碎波中剥离大量飞沫液滴，将其带入海洋大气边界层（Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL）。这些液滴作为海洋与大气之间的中介，改变动量与热量的垂直湍流输送，从而调整边界层的力学与热力学结构。飞沫对动量传输的影响称为力学效应，而对焓交换的调制称为热力学效应。现有研究多采用混合物模型（mixture model），虽能部分描述动力学，但无法一致再现阻力系数（drag coefficient）随风速的非单调变化以及总焓传递系数与阻力系数之比（enthalpy-to-drag coefficient ratio）在飓风风速下的升高现象。为实现更自洽的描述，研究人员引入欧拉多流体模型（Eulerian multifluid model），旨在澄清两种框架的适用范围，并系统解析飞沫的力学与热力学作用。

**研究内容与结论**
研究人员采用耦合E-ε湍流闭合（E-ε turbulence closure）的欧拉多流体模型与混合模型，对水平均匀、垂直热分层的飓风MABL进行数值模拟与理论分析。多流体模型将空气与飞沫视为相互渗透的连续相，各自拥有独立的水平速度（air velocity u_a、spray velocity u_s）、湍流动能（turbulent kinetic energy, TKE E）、耗散率（ε）、比湿（specific humidity q）、位温（potential temperature θ）、液滴温度（droplet temperature θ_s）等场变量；混合模型则假设水平和垂直方向空气与飞沫同速（仅垂直方向考虑终端沉降速度），简化描述。研究表明：力学上，飞沫惯性（spray inertia）导致减速，而湍流衰减（通过空气–液滴滑移（air–droplet slip, DS）和重力润滑（gravity lubrication, GL））导致加速，DS效应占优，使典型液滴（半径 r < 200 μm）在飓风风速下引发风速加速和阻力系数下降；热力学上，蒸发液滴重新分配总焓通量（total enthalpy flux）至潜热分量，小液滴（r ≈ 50 μm）抑制湍流并减少总焓通量，大液滴（r ≈ 200 μm）增强之，且飞沫显著增大总焓–阻力系数比，与现场观测吻合。该论文发表于《Atmosphere》。

**主要关键技术方法**
（1）欧拉多流体模型：将空气与飞沫作为相互渗透的连续相，分别建立水平动量方程（空气与飞沫）、TKE及其耗散率方程（扩展的E-ε模型，包含喷沫源项和液滴–空气耦合项）、连续性方程（喷沫质量、水汽质量）及热力学方程（空气与液滴的焓守恒），可自洽描述液滴惯性、DS湍流衰减及GL效应。
（2）混合模型：作为多流体模型的极限情况，假设水平和垂直方向空气与飞沫同速（仅垂直方向考虑终端沉降），忽略DS效应，但保留GL效应，适用于解析求解及大尺度模拟。
（3）喷沫生成函数：采用指数型（式(16)）、幂律型（式(17)）及风洞数据积分类（式(18)）等多种经验参数化方案，表征喷沫浓度与摩擦风速的关系。样本队列来源：文献[24,26]的现场观测数据（低风速）、文献[25]的现场数据、文献[38]的风洞数据（低风速），均被代数外推至飓风风速范围。

**研究结果**
**力学效应（Mechanical Effect of Ocean Spray）**
通过解析解（式(14)分析喷沫惯性）与数值模拟（多流体模型，图1–3）发现：
- 喷沫惯性在波峰高度处引起风速减速，其幅度与喷沫生成率及液滴终端速度正相关；GL效应在低喷沫浓度下弱于惯性，故单独GL无法逆转减速。
- DS效应（来自空气–液滴摩擦耗散TKE）显著强于GL，导致湍流抑制和风速加速，特别对于小液滴（r = 50 μm），其体积浓度更高、DS效应更强，风速加速更大（图1）。
- 阻力系数（drag coefficient C_D）在10 m高度随风速先增后减，小液滴使最大峰值出现在更低风速（图3a,d,g）；该非单调行为与现场观测（如文献[28]）一致。
- 阻力系数的垂直变化显著：较高高度（50 m、100 m）的DS积分效应更强，使C_D50、C_D100明显低于10 m高度，且小液滴降幅更大（图3b,e,h）。

**热力学效应（Thermodynamic Effect of Ocean Spray）**
通过多流体模型数值模拟（图4–5）发现：
- 蒸发液滴将总焓通量重新分配，潜热通量（latent heat flux H_L）增加，感热通量（sensible heat flux H_S）减少，总焓通量在波峰以上保持守恒（图4d）。
- 固定喷沫源强度I下，大液滴（r = 200 μm）因终端速度大、近表面集中，产生更陡的湿度梯度和更弱的湍流抑制，潜热通量及总焓通量均更大；小液滴（r = 50 μm）则相反（图4c,d）。
- 多流体模型（考虑DS）与混合模型（忽略DS）对比显示：固定喷沫生成率Q时，多流体模型预测总焓通量随液滴半径减小而急剧下降（因小液滴DS抑制强），而混合模型预测H_total近似正比于半径（图5）。
- 总焓传递系数（C_k）对液滴尺寸敏感：小液滴使C_k在45–50 m s^?1达峰后下降，大液滴使C_k单调增长；总焓–阻力系数比（C_k/C_D）在高风速下上升至约1.5–2，与热带风暴风速下的观测值（接近1.4）吻合（图3c,f,i）。

**总结讨论与结论**
讨论部分强调，喷沫的力学与热力学效应通过湍流衰减相互耦合：DS引起的动量传输削弱同时减少热通量，而热分层改变对TKE的影响较弱，允许两者部分解耦。研究指出，当前DS模型（源自工业两相流）是唯一广泛成功应用的湍流调制公式，其验证仍需精心设计的实验；喷沫生成函数存在巨大不确定性（文献值相差6个数量级），但模型仍稳健预测出阻力系数及C_k/C_D比的定性趋势。

**结论**（翻译原文Section 5）：
本研究聚焦于使用欧拉多流体和混合方法（结合E-ε湍流闭合）对满载蒸发海浪飞沫的湍流海洋大气边界层进行建模。多流体框架将空气和飞沫视为相互渗透的连续相，提供了比混合框架（视为单相系统）更详细且物理自洽的描述；它捕获了控制动量传输、焓交换和湍流动力学的基本空气–液滴相互作用，能够在飓风边界层中一致地表示飞沫介导的热量和动量交换。混合方法通过将多相系统视为具有可变属性的单一介质来降低复杂性；尽管它无法充分描述某些重要的相间相互作用，但能准确捕捉多相流的平均特性，其主要优势在于简洁性：更少的控制方程便于数值分析，并常能发展解析解和可靠的定量估计以刻画底层物理过程。
飞沫通过力学和热力学效应影响飓风边界层。力学贡献包含两种竞争效应：喷沫惯性导致的减速和喷沫引起的湍流衰减（由DS和GL两种机制驱动）导致的加速。本文给出了喷沫惯性和GL效应的解析描述；后者在简化的混合框架中建模，分析表明喷沫惯性引起的减速超过GL效应引起的加速。数值结果表明，仅在更复杂的多流体框架中才能自洽描述的DS效应，克服了液滴惯性的影响，对典型半径小于200 μm的液滴导致风速加速，从而使飓风风速下的阻力系数减小（现场观测已探测到）。此外，喷沫引发阻力系数的垂直变化，主要由高度依赖的湍流抑制驱动，而液滴惯性效应主要局限于近表面区域。因此，文献中有时提及的单高度阻力系数估计值是不充分的，忽略喷沫效应会导致现场测量向下外推时低估阻力。
海浪飞沫对飓风边界层产生耦合的热力学–力学影响，将总热通量重新分配至其潜热和感热分量。即使少量蒸发液滴也能显著增加总热通量中的潜热份额，减少感热份额；该效应强烈依赖于液滴尺寸：小液滴在较厚层内抑制湍流，减少潜热和总热传输，而大液滴的影响局限于近表面区域，并增强其中的潜热和总热通量。模拟表明，海浪飞沫逆转了总焓–海气阻力系数比随风速增加的下降趋势，产生与现场观测一致的值，表明喷沫是导致高风速下该比值增加的主要原因。