两种海浪模式对一次冷空气海浪场过程的模拟比较

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,分别驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III)、SWAN(Simulating WAves Nearshore),对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟,就冷空气海浪场的特征进行分析,并对比分析两个海浪模式的模拟效果,以期可为防灾减灾提供参考。结果表明:(1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式,可以较好地模拟发生在东中国海的冷空气海浪场过程,两个模式模拟的有效波高都具有较高精度,SWAN模拟的有效波高明显小于观测值和WW3模式的模拟值。(2)冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间,波向与风向保持了较好的一致性,且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性,海浪以风浪为主导。(3)冷空气进入渤海,相伴着出现了大风过程,但由于海域狭小,大风范围较小,大风中心的风速仅12 m/s左右,相应波高也在1.0 m左右。冷空气南下进入黄海中部时,黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上,相应区域的波高在4.5 m以上,高值中心可达5.0 m以上,波向和风向都以北-东北向为主。冷空气南下行进至南海北部海域时,强度大为减弱,风速的和波高的相对大值区分布于台湾岛周边海域,尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域。     

1988—2009年中国海波候、风候统计分析

利用高精度、高时空分辨率、长时间序列的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场,驱动国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),得到中国海1988年1月～2009年12月的海浪场。对中国海的波候(风候)进行精细化的统计分析,分析了海表风场和浪场的季节特征、极值风速与极值波高、风力等级频率和浪级频率、海表风速和波高的逐年变化趋势,结果显示:(1)中国海的海浪场与海表风场具有较好的一致性,尤其是在DJF(December,January,February)期间;海表风速和波高在MAM(March,April,May)期间为全年最低,在DJF期间达到全年最大;MAM和JJA(June,July,August)期间,中国海大部分海域的波周期在3～5.5s,SON(September,October,November)和DJF期间为4.5～6.5s。(2)中国海极值风速、极值波高的大值区分布于渤海中部海域、琉球群岛附近海域和台湾以东广阔洋面、台湾海峡、东沙群岛附近海域、北部湾海域、中沙群岛南部海域。(3)吕宋海峡在MAM、SON、DJF期间均为6级以上大风和4m以上大浪的相对高频海域,JJA期间,6级以上大风的高频海域位于中国南半岛东南部海域,4m以上大浪主要出现在10°N以北。(4)在近22a期间,中国海大部分海域的海表风速、有效波高呈显著性逐年线性递增趋势,风速递增趋势约0.06～0.15m.s-1.a-1,波高递增趋势约0.005～0.03m.a-1。     

广海湾海浪要素的基本特征及典型台风过程的波浪分析

文中利用广海湾内长达49个月的实测海浪资料,对湾内海浪基本要素以及大浪过程与热带气旋活动的关系进行统计分析,并选取一个典型台风过程的波浪进行研究。结果表明:广海湾内波浪多以0~2级波高为主,出现频率达67%,3级波高次之,出现频率为32%,偶有4级波高出现;平均波高年变化幅度不大,但季节变化特征明显,最大波高的年变化和季节变化幅度均较大;大浪多出现在夏、秋季,与热带气旋活动密切相关;2008年9月强台风"黑格比"活动期间,测点观测到最大浪高达3.55m,形成5级以上大浪,台风浪波型经历了涌浪(有成熟的,也有未成熟的)-风浪-涌浪(未成熟的)的过程,符合一般台风浪波型的演变规律。     

1988-2009年中国海及周边海域大浪频率对ElNino的响应

以CCMP风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ,对1988-2009年中国海及周边海域的海浪场进行数值模拟,探索近22年期间该海域的大浪频率与El Nino现象的内在联系。结果表明中国海及周边海域的大浪频率与El Nino有着密切的联系:(1)大浪频率与nino3指数的同期、大浪频率滞后1-4个月与nino3指数表现出显著性负相关,尤其是当大浪频率滞后2个月时,与nino3指数的负相关最强;当大浪频率滞后7-10个月时,大范围海域与nino3指数呈显著性正相关,大浪频率滞后8个月时,与nino3指数的正相关达到最强。(2)无论1988-1997年还是1999-2009年,大浪频率滞后8个月的曲线走势与nino3指数的走势表现出非常好的一致性,相关系数高达0.70、0.73。(3)中国海及周边海域的大浪频率与nino3指数具有共同的5.87-6.29个月、11.00-13.54个月的显著性变化周期;同时还具有共同的3.5-4.7年的年际变化周期,以及7年的长周期变化。(4)中国海及周边海域的大浪频率与nino3指数在20世纪末、21世纪初存在共同的突变期,nino3指数的突变略超前于大浪频率的突变。     

东中国海海浪数值模式的研究

为建立适应东中国海的海浪数值模式，主要基于目前广泛使用的WAVEWATCHⅡⅠ海浪数值模式进行东中国海海域的海浪数值模拟。以NCEP和NCEP与QSCAT的混合风场资料为输入，模拟了两个时间段的东中国海海域的海面风浪场。选取的两个有实测资料的输出点分别在渤海和东海。从所得结果来看，使用NCEP与QSCAT混合风场模拟的东海观测点处的波高和风场的观测值和模拟值符合的较好；利用1998年相应时间段的NCEP风场模拟的上述两点结果与实测比较也是可以接受的。研究结果说明，在目前情况下，运用NCEP与QSCAT混合风场建立统一的东中国海海浪数值预报模式是可行的，同时为东中国海波气候学研究及海洋大气耦合作用研究奠定了模式基础。     

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。     

台湾附近海域超强台风南玛都期间风暴潮对海浪影响的数值研究

采用海浪模式(Simulating Waves Nearshore,SWAN)与风暴潮模式(Advanced Circulation Model,ADCIRC)的耦合模式,模拟研究了2011年第11号超强台风南玛都期间,风暴潮对海浪的影响。通过对比耦合模式和非耦合模式模拟结果,发现对于该超强台风过程,台风中心附近的大浪区内风暴潮对海浪有显著影响:在台风中心沿前进方向的右前方,风暴潮使海浪波高减小;在台风中心和台风中心的左后方,风暴潮使海浪波高增大。台风进入台湾海峡之前,风暴潮对海浪波高的最大影响为10%左右;进入台湾海峡后,受地形和潮汐潮流的影响,海浪波高受到的最大影响增大到25%左右。上述结果对台风期间的海浪模拟有一定参考价值。     

基于浮标资料的中国东部海域最大波高特征分析

利用原国家海洋局2010—2015年的浮标资料,计算渤、黄、东海有效波高和最大波高的线性关系,并通过1992—2011年共20 a的数值模拟有效波高资料计算中国东部海域各月的2.5 m、4 m、6 m以上最大波高频率和最大波高月极值分布。结果发现:中国东部海域由北至南,最大波高与有效波高的比值逐渐增大;最大波高频率和最大波高月极值空间分布均由渤海、黄海至东海逐渐增大,最大波高频率的极值12月最大,4或5月最小,最大波高月极值9月最大,4月最小。其时空分布表明:受不同天气系统影响,夏秋季台风较多,容易出现极值较大的最大波高;秋冬季冷空气较强,虽然最大波高极值相对较小,但大浪持续时间长、频率大、影响范围广。     

孟加拉湾一次热带气旋过程的海浪场模拟分析

基于第3代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),以具有高精度和较高分辨率的CCMP(Cross-Calibrated, Multi-Platform)风场为驱动场,对2011年12月发生在孟加拉湾的热带气旋“Thane”所致的大浪进行数值模拟。结果表明:(1)以CCMP风场驱动WW3海浪模式,可以较好地模拟热带气旋“Thane”在孟加拉湾造成的大浪,模拟的海浪数据具有较高精度。当有效波高(SWH)在2 m以内和大于5 m时,模拟值略小于观测值;当SWH在2~5 m之间时,模拟值略大于观测值。(2)热带气旋“Thane”所形成的大风和大浪的分布特征具有一定差异:大风区在气旋四周分布较为均匀;在大洋中部时,大浪区主要分布于右半圆,在近海时,大浪区主要分布于气旋行进方向的前方。(3)热带气旋“Thane”的风向和波向整体上保持了较好的一致性,仅在第2象限有一定的差异,该区域的风向主要为西北向,而波向则主要为偏北向。     

珠江口波浪要素特征分析

文章利用珠江口长达1年的实测海浪资料,对珠江口海浪基本要素、大浪过程以及与热带气旋活动的关系进行统计分析,选取强台风"韦森特"过程进行研究。结果表明:珠江口波浪以0~2级波高为主,出现频率达76%,3级波高次之,出现频率为22%;平均波高的月变化幅度较大,大浪多出现在夏、冬季,与热带气旋活动和冷空气过程密切相关;常浪向为SE向,出现频率为29%,强浪向为SSE向,一般由热带气旋引起;涌浪在秋、冬季出现频率较低;在春、夏两季出现频率稍高。强台风"韦森特"期间,最大浪高达3.93m,台风浪经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪的过程,波型变化与一般台风浪波型的演变规律较为一致。     

台湾周边海区的海浪特点

本文收集了1960～1990年的国际气象船舶报资料,以台湾岛为中心,范围为20°～28°N、116．5°～124°E的海区,并将整个海区划分为台湾海峡、台湾东部、台湾北部、巴士海峡四个海域。按1°×1°网格逐月进行统计,并将统计结果绘制成海面风、海浪玫瑰图,以及平均波高、平均周期、大浪大涌(≥2．5m)频率、小于等于1．2m波高和各类波长频率分布图。通过分析得出全年的海浪特点及其分布规律,这对发展国民经济、航海和军事活动具有重要意义。     

东方市近岸海域波浪特征分析

为了解海南东方市近岸海域波浪基本特征,根据东方海洋环境监测站使用的SZF型波浪浮标连续11 a的实测数据,进行了统计分析。首先对波浪要素进行统计,得到了各向各级波高的季节分布,以及波高和周期的均值与极值;再对波高和周期的联合分布、平均持续时间与波高的关系进行了探讨;最后选取一典型台风浪过程进行分析。结果表明本海域以S向浪出现频率最高,为14.3%,其次是N向和NNE向,频率均为11.9%;强浪向为S向和N向,浪向分布与东方市所处地理位置相符。该海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主,年出现频率为97.6%, 4级中浪占2.22%, 5级大浪仅占0.12%,只有在夏、秋季台风过境时才出现。累年有效波高平均值为0.49 m,最大值为3.2 m;最大波高为5.6 m,最大波高平均值为2.5 m;平均有效周期为4.2 s,最大有效波周期为9.5 s。有效波高在1.0 m以下,且周期在4～5 s的波浪出现频率最大,为80.5%。强台风“海燕”影响期间,波高具有明显的滞后特征, 5级大浪持续了10 h,浪向与风向基本一致,说明台风产生的波浪是以风浪为主,最大波高均出现于偏S向。通过波谱分析,...     

江苏沿海波浪多重嵌套模拟研究

根据24年CCMP风场资料和江苏沿海4个方向(N、NE、E和SE)百年一遇风速,构建西北太平洋、东中国海和江苏沿海上述4个方向的百年一遇风场。首次建立一个基于第三代海浪模型SWAN的自西北太平洋、东中国海至江苏沿海的三重嵌套数值模型,以AVISO卫星观测数据和江苏沿海定点实测数据进行验证。以三个计算域4个方向百年一遇风场为驱动风场,驱动该多重嵌套模型,高精度数值模拟江苏沿海4个方向百年一遇有效波高分布并进行分析。结果表明,江苏沿海辐射沙洲地形对有效波高分布影响显著;E向百年一遇风场作用下海域有效波高最大,NE向次之,N向和SE较小。     

基于Jason-1和Jason-2卫星资料的中国东部海域海浪模拟结果的检验

利用Jason-1和Jason-2卫星高度计资料对WAVEWATCHⅢ模式模拟的2009—2011年中国东部海域模拟海浪场进行全海区逐年检验、分海区检验和全海区逐月检验,并进行了模拟波高与实测波高的差值概率密度分析。结果表明:虽然WAVEWATCHⅢ模式能较好地模拟中国东部海域海浪的分布和演变,全海区模拟波高平均相对误差小于18.5%,但模式对波高的模拟精度存在空间性和季节性差异。东海模拟误差小,相关系数高;黄、渤海模拟波高偏小,渤海误差较大。模拟误差春、夏大,秋、冬小。模拟波高与实测波高相比,冬季略偏大,春、夏季偏小。     

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SAR海浪方向谱的中国海海浪特性研究

基于Hasselmanns提出的SAR反演海浪方向谱的MPI算法,对2003-2012年间的中国海Envisat ASAR波模式数据进行了海浪方向谱反演。统计由反演的海浪方向谱得到的海浪有效波高数据,依据海浪浪级的划分,分析了中国海海浪浪级的分布特点,获得一些有参考价值的结果:(1)中国海3-4级海况的年出现概率最高,达85%;(2)中国海累月不同浪级的海浪出现概率分布符合高斯分布函数:f(x)=a*exp(-((x-1-b)/c)^2);(3)分析上述高斯分布函数的拟合系数a、b、c,发现其分布也有一定规律性。同时应用反演得到的海浪有效波高、平均波周期、平均波向等数据,分析了中国海的海浪时空分布特性,得到一些可供参考的结果。     

东中国海浪流相互作用对水位和波高影响的数值研究

通过修改风应力和底摩擦应力的计算方式并引入波致辐射应力,以POM(Princeton Ocean Model)和SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式为基础构建了浪流相互作用耦合模式,对1994年14号台风过程下的东中国海波流相互作用对水位和波高的影响进行了模拟研究.结果表明:浪流相互作用引起的水位变化主要出现在近岸浅水区.与岸边站点实测水位的对比显示,耦合后的结果相比非耦合结果更接近观测值,特别是在极值水位处.流的存在显著地影响有效波高的计算结果.在黄海海域,流对有效渡高的增减在极值处大于0.2 m.在台湾岛东北海域黑潮流系附近,流对有效波高的增加最大可达1.6 m.上述结果对改善近岸风暴潮和海浪预报具有指导意义.     

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。     

“烟花”台风影响下长江口水域波浪分布特征研究

台风往往会带来强风、大浪、风暴潮。强潮大浪给长江口深水航道整治工程的维护带来挑战。构建了覆盖中国海的台风浪—风暴潮耦合数学模型,模拟了台风“烟花”作用下长江口北槽水域波浪的发展过程,分析了长江口北槽水域波浪分布特点和台风强度。研究表明：叠加风场和潮汐模式共同驱动的台风浪―风暴潮耦合模型,可以准确模拟台风期间长江口水域波浪的生成和发展过程;“烟花”台风期间,外海大浪以东方向浪为主,长江口北槽南挡沙堤沿线有效波高最大值介于1.61~5.22 m之间,自东向西逐渐衰减;台风过程中,长江口北槽水域有效波高在台风二次登录时刻达到最大,口门处有5. 0 m以上大浪;依据台风过程中长江口风速及外海波高、周期与参考规范值对比分析得出,“烟花”台风过程波浪强度约为50年一遇。     

SWAN模式中风输入方案对南海台风浪后报的影响分析

基于近岸海浪模式(SWAN, Simulating waves nearshore),分别用ERA (ECMWF re-analysis)5、ERA-Interim、CCMP(Cross calibrated multi-platform)及美国国家环境预报中心(NCEP, National centers for environmental prediction)数据中心的天气预报再分析系统(CFSR, Climate forecast system reanalysis)的海表面10 m处风场作为不同的驱动风场,模拟15次经过南海的热带气旋过程产生的极值波高情况下的海浪,比较了不同风场驱动的海浪后报模拟值与Jason卫星高度计实测值的误差;再应用模拟精度最高的驱动风场,模拟同样条件的海浪场,对拖曳系数的参数化方案进行敏感性分析和比较。结果表明：在模式输入参数为默认值的情况下,ERA5风场与WU方案的风输入组合能够获得更加准确的中国南海热带气旋发生海域的有效波高;最后基于以上结果构建30年的南海海域海浪要素数据集,并使用Pearson-Ⅲ分布推算出南海海域的多年一遇有效波高。研究结果...