Collaborative Research: Understanding the Turbulent Dynamics of Convective Bursts and Tropical Cyclone Intensification Using Large Eddy Simulations and High-Order Numerics

合作研究:利用大涡模拟和高阶数值了解对流爆发和热带气旋增强的湍流动力学

基本信息

  • 批准号:
    2121367
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-08-01 至 2024-11-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Hurricane intensity changes are governed by a number of complex and competing processes that are difficult to simulate. This project will address one of the key uncertainties in hurricane intensity, the turbulent mixing of air and moisture in the inner core of a hurricane. In particular, the study will focus on convective bursts, which are roughly equivalent to large thunderstorms near the hurricane’s eyewall, and how they influence the intensification cycle. Rapid intensification changes have occurred in many recent high-impact storms and while forecasters know the general conditions that may lead to rapid intensification, the exact timing and magnitude of those changes are difficult to predict. This research will provide additional information to the scientific community which may result in improved numerical modeling of these storms. The project will also provide training and outreach opportunities to several students, thereby training the next generation of scientists.The goal of the project is to understand the fundamental physics of tropical cyclone intensification with an emphasis on the role of turbulent dynamics. The researchers aim to 1) understand the turbulent nature of the convective burst cycle from formation to maturation and decay during intensification, and 2) identify the roles of axisymmetric and asymmetric dynamics in the intensification of tropical cyclones in a fully turbulent regime characterized by a wide range of energetic length scales with a minimally dissipative dynamic core. To address these aims, the researchers plan to conduct very high-resolution Large Eddy Simulations (LES) of tropical cyclones at 50m horizontal and vertical grid spacing using the newly developed ClimateMachine community model. The model output will be analyzed using diagnostic budget calculations for angular momentum, kinetic energy, and thermal energy equations in a Eulerian and Lagrangian reference from to enable improved physical insight.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
飓风强度的变化受许多难以模拟的复杂和竞争过程的控制。该项目将解决飓风强度的关键不确定性之一,在飓风内部核心中空气和水分的动荡混合。特别是,该研究将集中在对流爆发上,对流爆发大致等于飓风的眼墙附近的大雷暴,以及它们如何影响强化周期。在许多最近的高影响力风暴中发生了快速的强化变化,而预报员知道一般条件可能会导致快速加强,但这些变化的确切时机和幅度很难预测。这项研究将为科学界提供其他信息,这可能会改善这些风暴的数值建模。该项目还将为几个学生提供培训和推广机会,从而培训下一代科学家。该项目的目的是了解热带气旋加强的基本物理学,并强调动荡动态的作用。研究人员的目的是1)了解对流爆发周期的湍流性质,从形成,在强化过程中​​成熟和衰减,以及2)确定轴心和非对称动力学在热带旋风构成在完全湍流方面的强化中的作用,其特征在于以极大的能量长度尺度,具有极小消散的动力学范围。为了解决这些目标,研究人员计划使用新开发的Climatemachine社区模型在50m水平和垂直网格间距上对热带气旋进行非常高分辨率的大型涡流模拟(LES)。该模型的输出将使用欧拉和拉格朗日参考中的角动量,动能和热能方程的诊断预算计算,从启用改进的物理见解。这一奖项反映了NSF的法定任务,并通过使用该基金会的智力功能和广泛的影响来评估NSF的法定任务,并被认为是珍贵的。

项目成果

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