南中国海台风浪数值模拟研究——以台风“珍珠”为例

以QSCAT/NCEP混合风资料和Myers经验模型风场构造台风风场,并以之作为驱动风场,建立一个基于第三代海浪模式SWAN的两重嵌套台风浪数值模拟模型。以0601号台风珍珠为例,对南中国海至广东的台风浪进行数值模拟研究。将数值模拟结果与台风期间Jason-1卫星高度计观测资料和近岸浮标实测资料(波高、波向和波周期)作了较为详细地比较,并分析台风浪要素的时空分布。结果显示台风浪要素的数值模拟值与实测值吻合良好,表明SWAN模型能够较好地再现大洋和近岸台风浪的时间发展过程和空间分布特征。     

基于WRF-SWAN耦合模式的台风“威马逊”波浪场数值模拟

获取高分辨率的风场数据和气压场数据是精确模拟台风浪的基础,采用经验公式构建台风风场和气压场对海浪模式进行驱动,无法反映台风影响下海气动力过程,难以提供高精度的风场、气压场数据。本文基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting model)和第三代海浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore model),构建了南中国海地区大气—海浪实时双向耦合模式,针对超强台风"威马逊"进行数值模拟。将数值模拟结果与现场观测结果及卫星高度计观测结果进行对比验证,验证结果表明,本文建立的WRF-SWAN耦合模式在对台风"威马逊"影响下的南中国海台风浪的模拟中展现出较高的模拟精度,揭示了台风风场分布和台风浪分布在空间上的"右偏性"不对称分布特征及其形成机制。基于WRF和SWAN建立的大气-海浪实时双向耦合模式能够准确模拟台风动力过程以及台风浪的时空分布特征,可以推广用于南中国海地区台风浪的模拟分析。     

卫星高度计波高资料的同化试验分析

结合经验的台风风场模型和NCEP再分析资料构造了南海台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式的输入模拟了1999年约克(York)台风经过南海时所产生的台风浪场.模拟结果显示,尽管文中构造的南海台风风场比较接近真实的风场,但模拟出的台风浪场相对于TOPEX/Poseidon高度计的观测波高仍有一定差异,因此进而采用了一种简单的最优插值同化方法,开展了波高资料的初步同化试验.试验结果显示,资料同化显著地改进了海浪模式的(后)预报精度,而这种改进在涌浪区更加显著,同化有效维持时间大约是43h.     

非对称风场对台风浪模拟效果的比较研究

分析四象限非对称风场模型与叠加风场模型的优缺点,将模型结果与实测风速进行对比验证;利用上述两种风场模型分别驱动第三代海浪模式SWAN,对发生在南海海域的三场台风浪进行了数值模拟计算。结果显示:四象限非对称模型关于风速的计算值与实测值吻合度更高,尤其是当台风中心距离测站较近时;四象限非对称模型驱动SWAN模拟的台风浪精度优于叠加风场模型,适用于南海台风浪的数值模拟。     

基于台风风场模型的台风浪数值模拟

以CCMP风场资料为背景风场,结合藤田风场模型、Myers风场模型、Jelesnianski风场模型、Holland风场模型,分别构建全新的海面风场.基于非结构三角网格,采用第三代近岸海浪模式SWAN对2011年第5号强热带风暴“米雷”产生的台风浪进行数值模拟.比较SWAN模式模拟的结果和浮标实测数据,发现风场模型能够有效提高台风中心附近3至5倍台风最大风速半径范围内风场和台风浪有效波高的模拟精度.对比4种风场模型对应的台风浪模拟结果,发现Holland风场模型模拟的有效波高与浮标实测值最接近.     

大气-海浪耦合模式及其在理想台风模拟中的应用研究

采用传统的理论模型或者经验公式构建台风动力场驱动海浪模式,无法反映台风影响下海气动力过程,难以为海浪模式提供高精度的台风风场、气压场数据。为解决这一问题,基于中尺度大气模式WRF和第三代海浪模式SWAN,构建大气-海浪实时双向耦合模式,并将其应用于理想台风的模拟之中。建立的WRF-SWAN耦合模式能够成功模拟理想台风影响下的台风浪分布特征,揭示了台风风场和台风浪在空间上的“右偏性”不对称分布特征,该模型可推广用于实际台风浪的模拟分析。     

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据, 使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform, CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data, ERA5)风场资料, 研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon, RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响, 确定了最优模拟参数, 并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明, (1)改进的风场资料与实测结果更为接近, 作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况; (2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。     

基隆港台风浪特征分布数值模拟分析

基于修正的Holland台风模型风场,在同化QuikScat/NCEP混合风场基础上,结合高分辨率水深和高精度岸线资料,采用第三代近岸海浪模式SWAN,对影响基隆港邻近海域的两类典型台风过程引起的台风浪进行了数值模拟分析。模拟的两次台风过程中,西北型台风0715号和转向型台风0424号的有效波高与同一时段T/P卫星高度计资料波高的平均相对误差分别为6.5%和5.6%,相关系数分别达到0.972和0.902,台风浪个例模拟精度较高,可为基隆港及其邻近海域台风浪模拟与预报提供一种有效的方法。     

西北太平洋三台风影响下海浪的数值模拟研究

采用NCEP-FNL(Final Operational Global Analysis)再分析风场资料及WW3(WAVEWATCH Ⅲ)海浪模式对2015年连续发生的1509号台风"灿鸿"、1510号台风"莲花"和1511号台风"浪卡"进行数值模拟。通过与卫星高度计资料和浮标观测资料对比,验证了模拟结果的有效性,并分析台风浪的特征。结果表明:采用再分析风场资料驱动WW3海浪模式,较好地模拟了3个台风影响下西北太平洋海浪场的分布和演变特征;模拟波高与遥感的轨道波高资料相关性超过0.7,平均相对误差小于0.23,风速误差是造成模拟误差的主要原因;台风浪的大小不仅取决于台风强度,还受海域的影响。近海海域由于海岸与岛屿的阻碍,波浪能量频散受到抑制,易产生局地巨浪;而深海大洋开阔海域,易于台风浪能量传播。本文相关结论为台风浪的定量预报及防灾减灾提供有益参考。     

台湾岛邻近海域台风浪的模拟研究

基于目前国际上较为先进的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Near-shore)。在充分考虑相关物理过程（风生浪，底摩擦，白帽耗散，深度诱导波破碎，非线性波－波相互作用）基础上，以较高的分辨率对影响台湾岛邻近海域的9015号台风浪过程进行了模拟研究。模式所需风场由藤田台风风场模型同化相应台风资料后提供；用自嵌套方式提供模式波谱边界条件。模拟结果与实际台风浪资料相符较好。台风过程模拟结果表明；台风中心位于台湾岛邻近海域的不同位置，台风浪有效波高的分布特征和传播方向都有着较大的差异。可以为整个台湾岛邻近海域台风浪分布特征的了解与认识提供较好的参考。     

非结构网格模型在闽东沿海台风浪模拟中的应用

基于加密的非结构三角网格，以Holland模型风场叠加美国国家环境预报中心（NCEP）海面风场构造的合成风场驱动第三代浅水波浪数值模型（SWAN）对2017年影响闽东海域的“纳沙”和“泰利”台风过程进行数值模拟，并运用浮标站的实测数据对模拟结果进行验证.结果表明，模型计算的风速、有效波高与实测值符合较好，合成风场能较好地模拟台风期间的风速变化过程，SWAN模式能够合理地再现闽东沿海台风浪的时空分布特征.由模拟结果可见：台风“纳沙”中心越过台湾岛进入台湾海峡北部海面，受海峡地形的约束，其波浪场呈NE—SW向椭圆状分布，北部海域的浪高大于南部，闽东沿海遍布大范围的巨浪到狂浪；超强台风“泰利”未登陆闽东，当其台风中心与大陆的距离最近时，海面波浪场分布与台风风场结构一致，台风中心附近海域为14 m以上的怒涛区，巨浪遍布于闽东沿海.研究结果可为闽东沿海台风浪灾害预警和应急管理提供技术支撑和参考依据.     

Numerical investigation of ocean waves generated by three typhoons in offshore China

The influences of the three types of reanalysis wind fields on the simulation of three typhoon waves occurred in 2015 in offshore China were numerically investigated. The typhoon wave model was based on the simulating waves nearshore model (SWAN), in which the wind fields for driving waves were derived from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Re-Analysis-Interim (ERA-interim), the National Centers for Environmental Prediction climate forecast system version 2 (CFSv2) and cross-calibrated multi-platform (CCMP) datasets. Firstly, the typhoon waves generated during the occurrence of typhoons Chan-hom (1509), Linfa (1510) and Nangka (1511) in 2015 were simulated by using the wave model driven by ERA-interim, CFSv2 and CCMP datasets. The numerical results were validated using buoy data and satellite observation data, and the simulation results under the three types of wind fields were in good agreement with the observed data. The numerical results showed that the CCMP wind data was the best in simulating waves overall, and the wind speeds pertaining to ERA-Interim and CCMP were notably smaller than those observed near the typhoon centre. To correct the accuracy of the wind fields, the Holland theoretical wind model was used to revise and optimize the wind speed pertaining to the CCMP near the typhoon centre. The results indicated that the CCMP wind-driven SWAN model could appropriately simulate the typhoon waves generated by three typhoons in offshore China, and the use of the CCMP/Holland blended wind field could effectively improve the accuracy of typhoon wave simulations.     

台风海面风场动力诊断模式的建立与模拟计算

本文总结和归纳了已有的台风海面风场模式，按照风场模式物理背景的不同进行了分类．在此基础上，本文选择并建立了一种新的台风海面风场动力诊断模式．首先，利用台风影响范围内某条具有代表性的闭合等压线的拟合方程表示出台风海面气压场，并利用改进的气压场模式和修正的梯度风方程求得台风系统风场，同时还利用宫崎正卫的热带气旋合成风假设建立移行台风风场．然后将两者作权重订正后进行迭加，即得到台风模型风场．该模式考虑了包括台风气压场的非对称性、边界层摩擦效用、气压梯度的切向变化及台风中心移动的影响等多种因素．经过对0519号“龙王”台风的模拟，结果表明本文所建立的台风风场模式可以比较准确的模拟出非圆对称的台风海面气压场和海面风场，较为真实地反映实际台风风场的特征．     

基于多致灾因子相似的热带气旋检索方法研究:以风暴潮-海浪灾害预评估为例

热带气旋引起的风暴潮-海浪灾害成灾频率高、致灾强度大,对我国沿海地区造成的人员和经济损失惨重。预评估阶段需要在灾前对研究区可能造成的损失等进行快速的综合判定。从历史热带气旋中检索出与目标热带气旋位置及各种致灾因子强度相似的热带气旋是快速、准确地预评估风暴潮-海浪灾害的重要方法。面向风暴潮-海浪灾害预评估,提出了一种基于多致灾因子的相似热带气旋检索方法。用于相似检索的致灾因子数据包括:从中国气象局西北太平洋热带气旋最佳路径数据集中提取并经处理得到的1949~2013年影响湛江市的112场热带气旋的路径中心点位置、中心气压、最大风速、最大风速半径及移动速度数据,112场热带气旋的模拟风场、风暴潮及海浪数据。首先,利用相似离度方法对热带气旋进行路径相似性检索;其次,利用最优相似系数方法计算中心气压、最大风速半径、最大风速、移动速度、风场、风暴潮及海浪强度指标的相似系数进行一次检索;然后,根据风场、风暴潮及海浪模拟数据的获取情况,分别基于路径-强度及风场-风暴潮-海浪综合相似性指标进行二次检索;最终给出历史热带气旋的综合相似排序。以2013年尤特热带气旋为例,利用上述方法检索了与其最为相似的5场历史热带气旋。该方法综合考虑了热带气旋路径及多种致灾因子的相似,兼顾了检索的速度及质量,是进行快速、准确的风暴潮-海浪灾害预评估的重要基础。     

台风浪数值模拟方法比较——以1513号台风“苏迪罗”为例

为减少复杂地形对台风浪数值模拟的干扰,有效优化模拟精度和效果,充分发挥台风浪数值模式在防灾减灾中的作用,文章利用ERA-interim风场驱动模式,以1513号台风"苏迪罗"为例,采用2种方案对其形成的台风浪进行数值模拟,并对二者进行比较。其中,方案(1)为采用WW3模式,方案(2)为采用WW3模式和SWAN模式嵌套。研究结果表明:选取有效波高的模拟值和观测值,根据对散点分布的定性分析以及对相关系数、偏差和均方根误差的定量计算,采用方案(2)的模拟精度更高;通过绘制台风浪场分布图,采用方案(2)对有效波高的动态数值模拟更加明显和准确,尤其对于复杂地形海域的模拟效果更优。因此,在未来的海浪数值模拟中,可参照采用方案(2),即在大区域采用WW3模式,在复杂地形海域嵌套SWAN模式。     

热带气旋下海浪对大气向海洋输入的动量和能量的影响

海浪不仅决定着海洋表面的粗糙度,由热带气旋引起的海浪,还通过其发展演化控制着大部分的海气之间的动量和能量传递。本文采用热带气旋观测数据IBTrACS和海浪模式WW III的模拟结果探究了热带气旋下海浪对大气向海洋输入的动量和能量的影响。结果发现,近30 a热带气旋的强度约每10 a增加 1 m/s,但移速没有明显变化。热带气旋的强度越大,从大气输入到海浪和从海浪输入到海流中的动量之差和能量之差也越大。由于热带气旋的风场和海浪场都有较强的不对称性,海气动量差和能量差也表现出非均匀分布:动量差较大的区域在热带气旋移动方向的后方,能量差的最大值则分布在右后象限,且二者均为左前方比较小。逆波龄与动量差和能量差呈高度正相关,相关系数约为0.95,说明波越年轻吸收的动量和能量越多。气旋移速越快逆波龄越大,且热带气旋移动速度与动量差和能量差呈正相关,相关系数在0.8以上。因此,海浪影响着大气向海洋输入的动量和能量的分布和大小,在以后关于海洋边界动力学和热力学的研究中,考虑海浪的演化可能会使结果更加准确。