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。     

基于台风“威马逊”的台风浪数值模拟研究

本文运用ECMWF提供的再分析数据风场,同时加以Jelesnianski-Ⅱ模型生成的风场为驱动风场,建立了一个基于第三代海浪模式SWAN的台风波浪数值模型。以2014年9号台风"威马逊"为例,借助实测的台风期间的波浪要素(波高、波向、周期)数据,与通过SWAN模型的模拟结果作比较,对比结果较好。在此基础上,分析了"威马逊"台风波浪要素的时空分布特征,得出台风移动方向的中心右侧为最大风速区,风速和有效波高均较大,波向基本与风向一致;在台风移动方向的中心左侧,为较小风速区,风速和有效波高比右侧小,并且波向和风向不一致。     

1105号台风“米雷”台风浪模拟研究

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场驱动目前国际先进的第三代近岸海浪模式SWAN (Simulating WAves Nearshore),对1105号台风“米雷”造成的台风浪进行数值模拟,基于浮标观测资料,验证了模拟数据的有效性,并对台风浪场的分布特征进行分析.结果表明:(1)以CCMP风场驱动SWAN模式,可以较好地模拟“米雷”所形成的台风浪场;(2)模拟的有效波高(SWH——Significant Wave Height)与浮标观测SWH在波高变化的走势上具有很好的一致性,模拟数据的走势则较为平缓,观测数据跳跃较为明显,模拟的SWH具有较高精度,仅在数值上略低于观测SWH; (3) SWAN模式对“米雷”所形成的台风近中心大浪区、台风眼、台风尾迹等方面进行了较好地刻画.     

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.     

台湾海峡及厦门湾台风浪场数值模拟

本文利用国际上先进的第三代海浪模式SWAN,在充分考虑风能量输入、白浪效应、水深诱导的波浪破碎、底摩擦、波-波间的非线性相互作用等物理过程。以0604号台风"碧利斯"为例,通过嵌套计算方式,模拟了台湾海峡及厦门湾台风浪场的分布特征。将数值模拟结果与浮标测站实测资料对比分析,结果表明台风浪高模拟值与实际台风资料相符较好,可以为该海域台风浪的模拟提供较好的参考。     

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。     

高分辨率风场对长江口海域波浪场模拟能力的影响研究——以台风“灿都”为例

长江口海域岛屿众多, 地形复杂多变, 对灾害性海浪模拟和预报能力的提升有迫切需求。本研究基于长江口高分辨率非结构网格海浪模式SWAN(Simulating WAve Nearshore), 结合“两洋一海”区域耦合预报系统模拟风场, 以2021年第14号台风“灿都”为例, 研究了台风轨迹、台风移速和台风风场分辨率等对长江口及邻近海域海浪模拟和预报的影响。结果表明: 风场模型水平分辨率增加有利于台风细结构和台风悬臂状结构的模拟。分辨率增加, 风速整体呈减弱趋势, 但在台风中心(小于两倍最大风速半径)和外围悬臂区域风速增加显著。风场分辨率从27 km提升至9 km和3 km, 波浪模拟精度增加显著, 3 km风场驱动的波浪模拟精度最高, 继续提升风场分辨率至1 km对波浪模拟无明显提升。改变风场模型分辨率同时会影响台风路径和移动速度。波浪场的差异反映了台风结构、路径和移动速度的共同影响, 由于波浪的波动传播属性, 台风浪的差异一般比风场差异的范围更大。     

厦门湾台风浪场数值模拟

利用国际上先进的第3代海浪模式SWAN，充分考虑风能量输入、白浪效应、水深诱导的波浪破碎、底摩擦、波一波间的非线性相互作用等物理过程，以0604号“碧利斯”台风为例，模拟了厦门湾台风浪场的分布特征。将数值模拟结果与浮标测站实测资料对比分析，结果表明台风浪高模拟值与实际台风资料相符较好，可以为该海域台风浪的模拟提供较好的参考。     

基于CCMP卫星遥感海面风场数据的渤海风浪模拟研究

CCMP（Cross Calibrated Multi-Platform）风场数据是一种具有较高的时间、空间分辨率和全球海洋覆盖能力的新型卫星遥感资源。在充分分析CCMP海面风场数据可靠性的基础上,以该卫星遥感海面风场数据为强迫输入项,运用第三代浅水波浪模式SWAN对渤海一次风浪过程进行了模拟,将模拟的结果与T/P、Jason卫星高度计观测得到的有效浪高数据进行比较分析,发现两者相关性达到0.78,模拟结果平均偏高0.3 m。试验表明CCMP卫星遥感风场数据能满足海洋浪高预报需求,能在海洋数值预报和海洋环境研究中发挥重要作用。     

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。     

台风浪模拟预报中的风场比较研究

在对模拟台风浪时海浪模式常用的经验模型风场和多重嵌套中尺度气象数值模式风场的结构和时间演变特征进行对比分析的基础上,分别采用这两种风场资料,应用最新版本的第三代海浪模式SWAN对Winnie(1997)引起的台风浪进行了模拟,将模拟的有效波高与TOPEX/POSEIDON和ERS-2卫星高度计资料作了详细的对比分析。结果表明,经验模型风场对实际台风风场的刻画存在诸多缺陷,这些缺陷对于台风浪的准确模拟产生了不可忽视的影响,采用模式风场试验的模拟效果优于采用模型风场的试验。论文提出了在运用海浪模式模拟台风浪时用数值模式模拟风场替代经验模型风场的必要性。     

近岸海浪模式在中国东海台风浪模拟中的应用--数值模拟及物理过程研究

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Nearshore）及其包含的物理过程（风生浪、底摩擦、白浪耗散、深度诱导波破碎、非线性波－波相作用等），并利用该模式对影响杭州湾－长江口沿岸海域的一次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嵌入对应台风特征等压线，并对相应时段的NCAR／NCEPT资料、单站资料进行同化后提供；利用自嵌套的方式提供波谱边界条件；模式模拟的结果与实际海浪观测资料相符较好，在此基础上，研究了底摩擦、深度诱导波破碎、三波相互作用等物理过程联合对近岸台风浪的影响，初步认识了它们在近岸台风浪生成、传播过程中的重要作用。     

南海北部一次台风浪过程的数值模拟

采用Holland 模型将2009 年6 号台风莫拉菲参数化, 并通过一个权重系数将模型风场和背景风场叠加起来, 构造了南海北部台风过境时的风场。随后通过时空插值, 将该风场以空间分辨率5′×5′、时间步长1 h 的精度输入到SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式中, 模拟了莫拉菲台风通过时南海北部的海浪场。然后使用Jason-2 卫星波高数据对模式进行了验证, 结果表明模式结果与实测值吻合良好。利用模式结果我们分析了台风中心和海浪场的最大有效波高中心的位置关系, 以及台风风场结构和海浪场结构的关系。最后, 通过计算海浪场的能量并将其与风要素和浪要素对比, 我们研究了台风过境期间海浪场的动力机制。     

潮汐和潮流作用下1323号台风“菲特”台风浪数值模拟

利用第三代近岸海浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore)建立了基于非结构网格的台湾海峡台风浪数值模型,并以WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)计算得到的高分辨率台风风场作为驱动,模拟了1323号台风"菲特"影响期间台湾海峡波浪场的演变过程。以实测资料进行验证的结果表明:整个模拟过程风速的平均绝对误差为1.60 m/s,有效波高的平均绝对误差为0.42 m,计算结果较好地再现了"菲特"台风影响下海峡内波浪运动过程。通过对比数值实验分析了潮汐、潮流对台湾海峡台风浪的影响,分析表明:海峡内近岸浅水区域潮汐和潮流对波浪计算的影响显著,在考虑水位和流场后,计算得到的有效波高分布曲线呈现周期性振荡,且与潮汐周期变化一致,计算得到的有效波高绝对误差下降14%,近岸波浪数值模拟的精度得到了改善。     

三种典型路径下的台湾海峡台风浪特征研究

以WRF风场驱动SWAN波浪模式,模拟分析了北路、中路、南路3种典型台风路径下,台湾海峡及周边海域的台风浪的特征。结果发现:(1)数值模拟与浮标实测情况基本一致,并模拟出台风浪场右半圆大于左半圆、前进象限以涌浪为主、主波方向辐射向前传播、台风的正后方向的主波向混乱等特征;(2)在中路和南路台风影响时,台湾海峡较早出现15 m/s的风速等值线,但是海峡内风场与台风风场被台湾岛地形分割致使海浪成长风区变短,而且远海涌浪无法传播到海峡内部,使得海峡内海浪没有达到远海同样风速区域的6 m左右的高度;(3)中路台风影响下,台湾海峡的浪场受台湾岛的影响出现异常明显的不对称性结构,台湾海峡北部混合浪和涌浪高出海峡南部很多;(4)台湾海峡海浪能量谱方向与局地风向之间角度较大,在北路台风影响下北部有明显的自东向西的周期大于15 s的涌浪谱,在南路台风西行时出现两股明显的成直角的风浪谱和涌浪谱。这些特征对船舶航行安全有潜在危险。     

一种普适性的加权热带气旋风场重构方法

台风浪模拟是海洋和海岸工程中开展重现期波浪推算的关键环节。本文在系统分析历史热带气旋近中心最大风速、大风风圈以及CCMP风场特征的基础上,提出了一种热带气旋影响范围计算方案,改进了加权热带气旋风场重构方法。以该方法重构的热带气旋风场为驱动,采用WAVEWATCH Ⅲ模型模拟了南海28次台风浪过程,并用南海北部88个站次的风、浪观测资料对重构后的风场及模拟浪高进行检验。检验结果显示:风速(台风浪高)的重构值(模拟值)与观测值吻合良好,改进后的加权热带气旋风场重构方法有较强的普适性。     

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.     

广义帕雷托分布在波浪极值推算中的应用

以CCMP风场(1988年1月~2010年12月)为驱动,本文采用第三代海浪数值模式SWAN对中国海海区进行风浪场的数值模拟,并利用浮标资料对驱动风场和计算有效波高进行验证。根据模拟的结果分别采用广义帕雷托分布(GPD)和常用的广义极值分布(GEV)拟合累积频率曲线并进行效果检验,进而分析和比较2种分布的优缺点,并运用广义帕雷托分布(GPD)模型进行重现期波要素的推算,分析GPD模型的应用前景。     

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.     

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。