北■海域台风浪数值预报模式的应用和发展

北海域位于东海南部,为灾害性台风浪的频发海域,直接影响本海域的台风,平均每年为３次,给社会经济带来了很大的危害。本文主要是在应用“八五”攻关成果的基础上,利用历史资料,筛选出一套适合于北海域的台风浪数值预报模式,并试图对它进行优化和发展：①在计算时,将采用（１／４）°×（１／４）°的细网格;②在边界条件的处理上,将扩大计算区域,把大区域得到的结果作为本海域的边界条件;③优化海上风的预报模式,以提高风场的预报精度,进而提高浪场的预报精度;④调整地形信息场,预报海浪数值预报模式调用。经过对９７年影响本海域的两次台风过程的试预报,预报效果令人满意,模式的运行也很稳定。海浪数值预报模式得出的结果,可以为防台减灾提供科学的依据,也可供海浪经验预报和海洋工程作参考。     

海面风场的数值预报业务模式

海面风场的业务数值预报，经过六年的运行和不断改进，目前已建立了包括资料处理、客观分析、大气模式和边界展模式在内的数值预报业务化系统，它能提供１５°～４５°Ｎ、１ｈ５°～１４１°Ｅ海域内１°×１°经纬网格点上的７２小时的预报风场，该风场除为日常业务预报提供参考外，还为海浪和海冰业务模式提供强迫场。本文主要介绍大气模式和边界层模式的概况以及系统的运行结果。     

两种海面风场的对比及对海浪模拟的影响

海面风场在海浪模拟研究和预报中起着关键性的作用,再分析风场数据可为海浪模式提供长时间的大范围、高时空分辨率海面风场。利用日本浮标站资料和卫星高度计资料对再分析风场QuickSCAT/NCEP(Q/N)混合风场和ERA风场进行验证分析,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续12个月的数值模拟试验。对比风场和计算得到的海浪场得出结论:在风速较小的时候,ERA和Q/N风场较实测风场大,在风速较大的时候,ERA和Q/N风场较实测风场小;ERA风场模拟浪高较浮标观测波高偏小;Q/N混合风场模拟的浪高更接近实测浪高。     

SWAN模式对黄渤海海域浪高的模拟能力试验

SWAN模式即第三代浅水波浪数值预报模式,不仅能仔细考虑能量平衡方程式中的各项源函数,而且对近海海域(浅水)以及复杂地形海域的浪高有很好的模拟能力。本文在简述我们从青岛海洋大学“九.五”国家重点科技攻关项目中引进的SWAN模式的基础上,详细论述了T213和MM5两种风场资料在SWAN模式中的应用及对比验证。发现MM5海平面上空10m处风场资料优于T213的1000hPa风场资料,用在SWAN模式对黄渤海海域浪高模拟中预报结果较好。     

一种台风浪的数值预报方法

本文介绍由台风实时预报气压场资料、海上风的数值模式和台风浪数值模式三者构成的一种台风浪数值预报方法.在西北太平洋-中国近海20m以上深水区采用1°×1°网格“新型混合型海浪数值模式”[1,2],而在南海和东海近海台风浪多发区内(含浅水区),分成若干小区块,采用(1/4)°×(1/4)°细网格,分别嵌套浅水WAM模式[3].小区域的边界条件由大区域得到的计算结果提供.该方法经过1990、1991、1992年的试报[4]、改进和完善后,于1993年6月开始进入国家海洋预报台的海浪预报业务.已对22个台风过程的台风浪进行模式跟踪预报,即准业务化预报.该方法运行稳定、预报结果也令人满意.1994年7月10日该方法的数值预报产品已在中央电视台午间新闻播出.     

太湖风浪场的计算与比较

首先探讨了浅水风浪数值模型—SWAN模型应用于模拟内陆湖泊风浪生成和传播变形时的特点。该模型存在不能有效地模拟近固壁边界处风浪场的缺点,以能正确地模拟湖区的风浪场和节约计算时间为原则,确定了计算范围。对太湖进行了风场和风浪场的现场观测。分别利用规范公式和SWAN模型两种方法、根据观测和预报的风场计算了湖区的有效波高,并将计算结果和现场观测值进行了详细比较。结果表明基于观测的风场,利用两种方法所计算的太湖风浪场的精度基本相当;在根据观测的风场、利用SWAN模型计算内陆湖泊的风浪场时,需要精心选择恰当的风场;在根据预报的风场预报湖区风浪场时,SWAN模型的精度要高于规范公式的精度。     

基于WRF模式同化QuikSCAT风场资料的初步试验

利用美国最新推出的中尺度区域模式WRF(Weatherand Research Forecasting model)和中国数值预报创新基地开发的三维变分同化系统GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,1．0版本),以2002年台风“黄蜂”为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了散射计风场资料同化对台风“黄蜂”三维结构分析和预报的影响。初步的结果显示,同化散射计风场资料对台风的大风风场分析、台风中心位置和海面气压场等都有明显的正效应,而对于预报场的改进相对有限。     

太平洋西部赤道区域海流、温度、盐度的分布和变化

本文主要根据“第一次全球大气试验”(FGGE)期间“向阳红09”和“实践”号海洋调查船两个航次观测的海面风、海流、温度和盐度资料,讨论调查海区(5°N—5°S,160°—175°E)表层流同风场的关系,分析温度、盐度水平分布特征及其与海流的关系。     

北大西洋风场和海浪场特点分析

根据1950～1995年共46a的北大西洋气象船舶报资料,对按5°×5°网格统计的风、浪要素进行分析研究,阐明了北大西洋风、浪、涌的特点及其变化规律.该区是世界典型的季风气候区,季风时期的风向、风浪传播方向、涌浪传播方向基本一致,低纬地区常年盛行东北浪.冬季季风比夏季季风强盛,相应的平均波高、大浪大涌频率也较大.该海域与北印度洋同属季风气候区,但其特点正好相反.本文提供了较翔实的风场和浪场资料及变化规律.     

西北太平洋风场和海浪场特点分析

本文根据1950～1995年共46a的西北太平洋气象船舶报资料,按5°×5°网格统计的风、浪要素进行分析研究,阐明了西北太平洋风、浪、涌的特点及其变化规律。该区是世界最典型的季风气候区,季风时期的风向、浪向、涌向基本一致,赤道地区常年盛行东北浪。冬季季风比夏季季风强盛,相应的平均波高、大浪大涌频率也较大。该海域与北印度洋同属季风气候区,但其特点正好相反。本文为船舶在西北太平洋航行、作业和科学试验以及军事活动,提供了较翔实的风场和浪场资料及变化规律。     

北Shuang海域台风浪数值预报模式的应用和发展

北Ｓｈｕａｎｇ海域位于东海南部,为灾害性台风浪的频发海域,直接影响本海域的台风,平均每年为３次,给社会经济带来了很大的危害。本文主要是在应用“八五”攻关成果的基础上,利用历史资料,筛选出一套适合于北Ｓｈｕａｎｇ海域的台风浪数值预报模式,并试图对它进行优化和发展;①在计算时,将采用（１／４）°×（１／４）°的细网格;②在边界条件的处理上,将扩大计算区域,把大区域得的结果作为本海域的边界条件;③优化海     

WAVEWATCHIII 同化模块的建立和检验

将基于最优插值 (OI) 的同化并行模块植入全谱空间的第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14,建立数据同化的海浪模式预报系统, 并通过实际的预报个例对同化系统进行检验。个例实验是以5°S 以北的印度洋海域为目标计算区域, 海面风场强迫采用业务单位的中尺度天气预报模式WRF(weather research and forecast) 提供的逐时海面风场预报产品。模式积分过程中连续同化2010 年12 月15 日、16 日和17 日过境北印度洋的Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH) 数据 (需要指出的是, 每次同化得到新的SWH 分析场后需重构相应的二维海浪谱用于谱模式)。SWH 同化分析值和无同化的对照组分别与高度计沿轨观测数据比较发现, 就日平均统计来看, 同化较无同化使SWH分析值的均方根误差减小约25%～50%。以SWH 同化分析场作为初始场的预报表明, 同化对预报影响的时效性可延长至48～60 h。本研究目的是通过将高度计测量的SWH 数据同化到海浪模式进一步提升海浪数值预报的准确度。     

黑潮地区表层水温的月趋势预报

表层水温长期预报问题的研究已有多年历史。早期的学者主要用相关分析和水温长期变化的规律来制作月、季或更长期的预报,如Hatanka(1948),Watanabe和Hirao(1955), Kolesnikov(1947,1953)以及Milar(1952)等。六十年代以来,不少学者采用数值计算方法,预报北太平洋及全球范围内的月际温度变异,如Adem(1969,1970),J.Jacobs(1967)和Shigeo Moriyasu (1969,1970)等,他们在数值模式中,考虑了海洋与大气之间的热量交换,洋流与风海流的热量输送及其搅拌作用,以及水平与垂直方向上的涡动扩散;从大范围看,得到了较好的预报效果。Namias(1972)在分析北太平洋海面温度的时空分布及其与海平面气压场的关系时,发现可以根据水温变化的时间持续性和空间相关性及其与海平面气压场的关系,预报月平均水温及相应的海平面气压。以上所述及其他许多研究成果,目前能用于常规预报的,主要仍然是经验方法。本文通过分析黑潮地区表层水温与前期大气环流的相关,选取相关系数高的站点,用阶段回归方法,建立了本海区各月的水温月趋势预报方程。 文中采用的水温资料(1951-1974年)取自日本及美国发表的北太平洋海面水温资料,计算过程中对前后12年资料的系统误差进行了校正,500亳巴高度场资料取自上海中心气象台。黑潮地区的表层水温用20°N,125°E;20°N,130°E;25°N,125°E;25°N,130°E;30°N,130°E;30°N,135°E等六个站的平均资料来代表。     

第8章 试例Ⅲ:斜角风区

8.1 风场和边界条件 斜角风区试例的几何图形（见图8.1）。最初（t=0）,假定在约为1000 ×1000公里的平静海面上,有一个均匀的20米/秒的风沿对角线（45°）横穿风区。90°和0°分别表示x和y轴的方向（由北顺时针量取的角度）。在上风向边界,即x=0、y=0处浪场为零;而在下风向边界,即x=1000公里、y=1000公里处是敞开的。在图8.1中的A—F选点记录了合成浪场的时、空行为。此外,浪场的某些积分特性也呈现在整个区域之上。在此,我们仅仅集中在模式稳定状态上,因为这个状态说明了最有趣的试验结果。     

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

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。     

WRF与MM5在印度洋海域业务化预报结果的对比分析

国家海洋环境预报中心基于MM5模式及WRF模式构建了两套印度洋海域数值预报系统。文中利用这两套系统2012年1月一12月期间的业务化数值预报结果,结合亚丁湾海域两个随船观测站点的观测资料,对亚丁湾海域进行了预报与观测的对比分析;并收集了世界气象组织(WMO)全球气象通信系统(GTS)2012年海洋大气观测资料,对印度洋海域的业务化预报结果进行了检验。结果表明:WRF模式与MM5模式均能很好的对海面风场、温度场和气压场进行预报,WRF模式在风速预报上较MM5模式没有明显改进,但对气温、气压和风向的预报准确性都有所提高;WRF模式风场34h、58h、82h预报与10h预报的差异较MM5模式都有所缩小,说明WRF模式对长时段风场预报的准确度优于MM5模式。     

海洋大气边界层风场的非线性动力诊断模式的数值试验

本文介绍利用所提出的边界层风场的非线性动力诊断模式,作风场“MOD”预报的方法.根椐对1985年4月至10月北太平洋洋面风场“MOD”预报的试验,说明此模式优于线性动力诊断模式.     

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.     

有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式,用到的风场数据是气象工作者从天气形势(大尺度)分析中,通过差值等方法获得的,缺乏针对性,而且精度较低(WMO,1988;WMO,1990)。 作者认为,适于海洋要素预报的风场模式应是定位于有限区域,或称中尺度模式,并根据台站的具体资料来源和工作状况力争建立一套适于海洋要素预报的中尺度风场数值模式。鉴于以上,作者建立了一个适于海洋要素预报的有限区域海面风场数值模式。模式采用符合动力及热力学条件的简化方程组对大尺度风场进行加密,通过数值模拟得到适于海洋要素预报的有限区域海面风场。并将该模式运用于渤海这一有限区域,获得了良好的效果,说明该模式对海洋要素预报具有很好的应用前景。