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.     

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WAVEWATCH-Ⅲ模式的一次冷空气过程海浪场模拟研究

以具有高精度和较高分辨率的CCMP (Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场驱动第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-Ⅲ),对2009年1月12日前后的一次冷空气所致的中国海海浪场进行数值模拟,并在国内首次利用来自朝鲜半岛的观测资料对模拟数据的有效性进行检验.研究发现:(1)以CCMP风场驱动WW3海浪模式,可以整体上较好的刻画出此次中国海范围由冷空气造成的海浪场,模拟的有效波高(SWH——Significant Wave Height)精度接近高度计的观测精度,系统上稍大于高度计反演的SWH,模拟的SWH和观测值相比略有滞后的现象,观测数据跳跃较为明显,而模拟数据的走势则更为平缓;(2)此次冷空气过程中,第一岛链以内的海域的海浪场与风场具有较好的一致性,第一岛链以外的大洋中,海浪场与海表风场的对应关系明显不如第一岛链以内,以菲律宾以东的洋面最为显著的.     

基于SWAN模式的“灿鸿”台风浪数值模拟

以第三代海浪模式SWAN(simulating wave nearshore,近岸海浪数值模型)为基础,构建了东中国海海域波浪数值模式,并以高时间、空间分辨率的CCMP(cross calibrated multi-platform,多平台交叉校正)风场作为驱动风场进行波浪计算,模拟了1509号"灿鸿"台风的波浪过程。同时,对SWAN模式中的底摩擦参数化方案、波浪破碎参数、风能输入与白冠耗散、波-波非线性相互作用等因素对台风浪模拟的影响进行了分析,并对模式中的各影响因素给出了建议。模拟结果与浮标实测有效浪高数据(舟山朱家尖站、南麂岛站、舟山外海站、温州外海站)两者之间的偏差较小,表明本研究所建立的模式以及选择的参数合理,SWAN和CCMP风场的结合能满足海洋波浪数值模拟的需求。本研究对于台风浪数值预报具有参考意义。     

基于WW3模式的一次台风浪过程中掠海飞行器的击水概率分析

以CCMP风场驱动WW3海浪模式,对发生在2010年9月的台风“圆规”所致的台风浪进行数值模拟,并就台风浪对整个中国海击水概率的影响进行计算,为提高掠海飞行器的生存能力提供参考。结果表明:(1)以CCMP风场作为WW3模式的驱动场,可以较好地模拟台风影响下的海浪场,模拟的海浪数据接近海浪浮标观测数据。(2)击水概率场与海浪场的分布特征整体上保持了较好的一致性,高值区主要分布于传统的危险半圆。(3)当飞行器飞行高度为10 m时,大浪区的击水概率在20%以上,高值中心可达35%以上,台风尾迹处的击水概率为15%~20%,其余大部分海域为10%~15%;当飞行高度为15 m时,击水概率较飞行高度为10 m时明显降低,台风大浪区的击水概率为5%~15%,其余大部分海域在5%以内。     

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。     

山东沿海台风浪数值模拟与统计分析

为了得到山东沿海台风浪的重现期波高分布场,以Jelesnianski-Ⅱ模型构建的风场作为模式驱动,利用SWAN模式建立了山东及其附近海域的台风浪数值模型。通过对典型台风过程"麦莎"和"梅花"的数值计算,将模拟的有效波高与观测数据作了对比分析,验证了模型在计算海域的适用性;基于建立的模型,对1960-2012年期间发生于山东沿海的50场台风进行模拟。选取计算海域10个点的模拟所得波高序列,寻求复合极值分布拟合最优的分布型式,根据所得分布进行重现期波高的统计分析;最终绘制计算海域50年一遇和100年一遇的台风浪波高分布图,为山东沿海的防灾减灾和海洋结构设计提供参考依据。     

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。     

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。     

WAVEWATCH和SWAN嵌套模拟台风浪场的结果分析

利用WAVEWATCH和SWAN嵌套模拟2007年8月墨西哥湾飓风迪安的波浪场.将QSCAT/NCEP混合风场与台风模型风场合成为背景风场.修改WAVEWATCH和SWAN嵌套接口以使WAVEWATCH和SWAN2种海浪预报模式能够有效地嵌套运行.利用WAVEWATCH和SWAN嵌套模拟飓风迪安的波浪场,采用浮标资料检验模拟结果,以验证WAVEWATCH和SWAN模拟的准确性及修改后嵌套接口的可用性.结果表明,修改嵌套接口之后模式运行平稳,2种模式的结果与浮标及高度计观测数据均基本吻合.嵌套模拟结果好于单纯使用WAVEWATCH模拟的结果,体现了利用2种模式嵌套模拟台风浪场的科学性.     

海浪特性及其传播变形研究新进展

综述第27届国家海岸工程会议（ICCE2000）上有关海浪特性及其传播变形研究的新进展，内容包括海浪的时域特性，海浪的特征，海浪的传播变形和波浪的破碎，反射等四部分。     

基于物理造波和主动消波的黏性数值波浪水槽开发

基于推板造波理论和摇板造波理论,在Open FOAM平台上采用重叠网格技术建立黏性数值波浪水槽,并使用一种结合SIMPLE算法和PISO算法的PIMPLE算法对数值模型进行求解。利用开发的数值模型通过数值收敛性测试和网格独立性测试分别重点研究了时间步长、库朗数和网格尺寸对数值精度和计算效率的影响。并对比研究了此数值模型分别嵌入层流模型和湍流模型的计算精度和计算效率。实现的规则波和二阶有限振幅波与理论结果和试验结果吻合,验证了此黏性数值波浪水槽的造波和主动消波功能。基于二维数值波浪水槽,进一步研究了三维数值造波,数值计算结果与理论结果吻合良好。研究结果不仅验证了重叠网格在二维和三维两相流体域中求解运动物体与流场交互的可靠性和正确性,而且为使用此黏性数值波浪水槽解决更复杂的海洋工程问题提供了依据。     

Effects of wave breaking on wave statistics for deep-water random wave train

The experimental studies of the breaking effects on wave statistics for deep-water random waves are presented. It is especially focused on the behavior of kurtosis of surface elevations due to wave breaking. Wave breaking suppresses the maximum limit of kurtosis of the surface elevation, although skewness depends on characteristic wave steepness. The mean instantaneous wave steepness of breaking waves defined using the zero-down-crossing method was much lower than expected from the Stokes waves.     

The physical simulation of wave groups and their variations in a wave flume

The physical simulation method of wave groups in a wave flume is proposed and verified by the exper- iments. The experimental results demonstrate that random waves with desired wave groupiness, which simultaneously includes the wave group height and length, can be generated satisfactorily at the specified position in a wave flume using the proposed method. Furthermore, the transformation properties of the wave groupiness along the fiat-bottomed wave flume are investigated based on the physically simulated waves. Associated proposals with the physical simulation of wave groups are given.     

Exact solution and approximate solution of irregular wave radiation stress for non-breaking wave

Wave radiation stress is the main driving force of wave-induced near-shore currents. It is directly related to the hydrodynamic characteristics of near-shore current whether the calculation of wave radiation stress is accurate or not. Irregular waves are more capable of reacting wave motion in the ocean compared to regular waves.Therefore, the calculation of the radiation stress under irregular waves will be more able to reflect the wave driving force in the actual near-shore current. Exact solution and approximate solution of the irregular wave radiation stress are derived in this paper and the two kinds of calculation methods are compared. On the basis of this, the experimental results are used to further verify the calculation of wave energy in the approximate calculation method. The results show that the approximate calculation method of irregular wave radiation stress has a good accuracy under the condition of narrow-band spectrum, which can save a lot of computing time, and thus improve the efficiency of calculation. However, the exact calculation method can more accurately reflect the fluctuation of radiation stress at each moment and each location.     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明，相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时，拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深，拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

近40年中国近海波浪数据库的建立及极值分析

采用TOMAWAC模型模拟近岸40年的波浪要素。波谱计算采用36个方向,模拟波周期范围为1.5～29 s,并对极值波况进行分析。统计了1979—2018年间有效波高的年极值,算得百年一遇的有效波高,发现百年一遇波高由北往南总体呈现增大趋势:渤海和黄海的百年一遇的波高不超过10 m;东海百年一遇的波高在15～22 m之间;南海北部百年一遇波高的范围比较大,靠近台湾部分最大达到了22 m,海南岛西部较小,在10～15 m之间。引用SET值相关指标对极端波浪的发生次数、持续时间和强度进行分析,发现渤海、黄海北部、台湾海峡以及南海西北部极端事件频繁发生,平均每年有5～7次,台湾岛西南部极端事件的平均历时最大,达到了32 h。     

Infra-gravity wave generation by the shoaling wave groups over beaches

A physical parameter, μb, which was used to meet the forcing of primary short waves to be off-resonant before wave breaking, has been considered as an applicable parameter in the infra-gravity wave generation. Since a series of modulating wave groups for different wave conditions are performed to proceed with the resonant mechanism of infra-gravity waves prior to wave breaking, the amplitude growth of incident bound long wave is assumed to be simply controlled by the normalized bed slope, βb. The results appear a large dependence of the growth rate, α, of incident bound long wave, separated by the three-array method, on the normalized bed slope, βb. High spatial resolution of wave records enables identification of the cross-correlation between squared short-wave envelopes and infra-gravity waves. The cross-shore structure of infra-gravity waves over beaches presents the mechanics of incident bound- and outgoing free long waves with the formation of free standing long waves in the nearshore region. The wave run-up and amplification of infra-gravity waves in the swash zone appear that the additional long waves generated by the breaking process would modify the cross-shore structure of free standing long waves. Finally, this paper would further discuss the contribution of long wave breaking and bottom friction to the energy dissipation of infra-gravity waves based on different slope conditions.     

应用特征波预报公式进行台风浪计算的一个根本缺陷

Wilson方法和井岛方法均是移动风区上著名的波浪推算方法,被广泛应用于台风波浪的推算和预报上。本文通过分析指出:使用上述方法以海洋工程界所推行的风浪预报公式作台风浪推算时,所得特征波波陡将与台风浪实测波陡分布定性不符,并指出产生这种缺陷的原因。     

Outer wave number spectrum and statistical distribution of apparent wave number vector

Based on the ray theory and Longuet-Higgins’s linear model of sea waves, the joint distribution of wave envelope and apparent wave number vector is established. From the joint distribution, we define a new concept, namely the outer wave number spectrum, to describe the outer characteristics of ocean waves. The analytical form of the outer wave number spectrum, the probability distributions of the apparent wave number vector and its components are then derived. The outer wave number spectrum is compared with the inner wave number spectrum for the average status of wind-wave development corresponding to a peakness factor P = 3. Discussions on the similarity and difference between the outer wave number spectrum and inner one are also presented in the paper.