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.     

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.     

不同台风合成风场方案在南海的适用性研究

我国南海地区常受台风侵扰,台风场是研究台风浪灾害以及风暴增水灾害的必要条件之一。因遥感风场存在台风大风圈附近风速明显偏小的问题,所以在台风场相关研究中,多采用台风模型风场和背景风场相结合的方式——即合成风场。本文选取南海相关研究中常用的3种台风场模型,对比其特点,并采用NECP CFSR作为背景风场,将合成风场和实际观测风速进行对比,结果显示在南海地区采用Jelesnianski模型得出的风场和实际风场吻合度最好,建议在该风场基础上考虑南海的地理特殊性,进行台风场模型的改进。     

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。     

ERA5风场与NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性对比研究

全球再分析数据集已成为研究气候规律和数值模拟的重要工具,其中海面风场数据集是波浪模拟的重要资料,风场资料的准确性是影响海浪要素模拟结果的关键因素,不同的海面风场资料在中国各个海域的适用性具有不确定性。利用黄海、东海海域的12个观测点,选取了2006—2018年间的11场台风进行对比,验证了ERA5和NCEP风场在台风期间与常海况下的风速;模拟了中国近海海域的波浪场,与范围内15个测站的有效波高及谱峰周期进行了对比验证;分析了ERA5和NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性。主要结果如下:(1)风场质量是造成台风浪模拟误差的主要原因之一,研究区域内ERA5风场在台风期间的风速大小与实测资料具有较高一致性;长江口邻近海域内,ERA5风速相关性在0.8以上;江苏海域内,ERA5风速相关性在0.9以上;(2)分别采用ERA5和NCEP再分析风场资料作为驱动风场输入Mike21 SW模型,较好地模拟了黄海、东海海域在不同海况下的波浪变化情况;在江苏海域,ERA5资料模拟波高值与浮标测站观测波高资料相关性超过0.85,平均绝对误差不超过0.2 m;(3)两种风场在江苏海域、长江口及其邻海的适用性比黄海北部更好。结果表明,NCEP和ERA5在中国近海海域波浪模拟的适用性有差异,在江苏海域、长江口及其邻海,基于ERA5的数值模拟结果相对于NCEP模拟结果精度提高。     

最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用

由经验的holland台风模型和NCEP再分析风场资料相结合构造出南海台风风场，结果较好地符合了TOPEX／Poseidon(T／P)卫星高度计观测的风速分布。以此作为第三代海浪模式的输入风场，模拟了1999年约克(York)台风经过南海海域的台风浪，并利用T／P卫星高度计观测的有效波高资料对模式进行同化。结果显示，同化影响半径取为2000km效果较好，同化影响时间是35h，同化改善了模式预报的精度。     

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.     

基于变分多参数正则化方法融合卫星散射计资料

基于常规三维变分同化（3DVAR）思想和反问题中的正则化技术,提出了适用于风场融合的带正则化约束项的3DVAR方法,在南海海域开展数据融合试验,同时采用模型函数方法确定合理的正则化参数,针对一次台风个例进行了QuikSCAT散射计海面风场数据和华南中尺度模式海面风场数据的融合试验,结果表明采用带正则化约束的3DVAR融合方法,明显消除了常规3DVAR方法融合风场时带来的虚假信息,融合后分析风场以及涡度场和散度场分布均匀,结构清晰,气旋中心显著,且分析场中观测起主导作用;采用信号自由度（DFS）方法对融合方法进行定量评估,发现相对常规3DVAR方法,带正则化约束的3DVAR融合系统中观测数据提供的DFS较多,同时提高了观测场对分析场的影响;基于独立观测资料对融合结果进行检验发现相对华南中尺度模式和常规3DVAR方法的统计结果,带正则化约束的3DVAR方法得到的风场具有最小的均方根误差和最大的相关系数。     

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.     

叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究

根据经验风场与NCEP再分析风场的优缺点,采用两者相叠加的方式构造了一种叠加风场,与实测风速资料对比验证显示该风场精度较高。以叠加风场数据为输入,采用WAVEWATCH Ⅲ模式对南海海域有显著影响的8场台风进行计算,结果显示叠加风场计算南海台风浪具有较高的精度和可靠性。     

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.     

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。     

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。     

基于星载SAR数据和模式资料的海面风场变分融合方法研究

为实现合成孔径雷达数据与数值预报模式资料融合,提高海面风场精度和业务化运用水平,提出了一种基于星载SAR数据与模式资料的变分融合方法。其研究思路是采用二维连续小波变换提取SAR图像中高精度风条纹风向,结合地球物理模型函数求解海面风场的经向分量和纬向分量,然后采用Kriging插值方法将数值预报模式风速插值到SAR海面风场覆盖区域,得到SAR风速观测算子,由此构建SAR风场与模式风场融合的代价函数,并采用变分方法求解分析风场,最终得到融合后的海面风场结果。仿真分析结果表明,变分融合后的海面风速和风向结果更接近于理想值,尤其在SAR海面风场覆盖区域更为明显。选取ENVISAT/ASAR资料和与其时空匹配的欧洲中期天气预报中心模式风场资料开展实例验证,结果表明融合后的海面风场结果比模式风场更加接近于浮标观测结果。     

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。     

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。     

OSMAR071G地波雷达对“莫兰蒂”台风风眼的观测

利用福建省海洋预报台业务化运行的OSMAR071G高频地波雷达海洋表面观测系统,对2016年9月14日-15日"莫兰蒂"台风穿越台湾海峡并登陆厦门岛的全过程进行了实时观测。根据地波雷达观测的风场数据,计算了海洋表面风场涡流特征,通过涡场结构确定了涡旋的中心,以此确定为台风海面风眼实时位置,通过连续观测,从而得到了台风海面风眼的轨迹。该风眼轨迹与国家卫星气象中心的发布的台风路径基本一致。本次观测表明了OSMAR071G高频地波雷达系统能够准确实时地对台风进行遥感探测。     

基于ASCAT微波散射计风场与NCEP再分析风场的全球海洋表面混合风场

通过星下点的计算得出ASCAT散射计、HY-2散射计单独观测以及双星结合观测的全球覆盖率,分析了中国南海海域双星结合观测对采样率的提升。同时详细介绍了利用NCEP风场、星载微波散射计风场,用时空加权分析法结合构建混合风场的具体程序,构建的混合风场时空分辨率达到6 h、0.25°,时间序列2012年1月1日—2012年3月31日,并且用实际浮标观测数据进行了检验,得到构建的混合风场与观测数据比较一致的结果。     

三沙近海海域灾害性海浪数值推算

以南海２０年再分析风场作为驱动场,采用波浪模式ＷＡＶＥＷＡＴＣＨ-ＩＩＩ对南海１９８６—２００５年波浪进行了数值模拟。通过波浪模拟结果与Ｔ／Ｐ高度计波浪资料和台风浪观测资料的对比验证,表明本文波浪计算结果较好。利用模拟结果对三沙海域波浪进行了统计分析,发现三沙海域年平均波浪方向以ＮＥ 向为主。选取中沙群岛近海点进行重现期推算,发现其百年一遇有效波高可达到１６．２ｍ,百年一遇平均周期可达到１６．７ｓ。海区波浪较大,对灾害性海浪的预警和风险评估不可忽视。     

WWATCH Ⅲ模式模拟南海冷空气过程海浪场的有效性检验

利用Jason-1卫星高度计观测资料,验证了WWATCH Ⅲ海浪模式在模拟南海冷空气过程海浪场的有效性和准确性.结果发现,以NCEP再分析风场驱动的WWATCH Ⅲ模式能够较好地模拟冷空气影响南海时的海浪变化,模拟结果与Jason-1卫星高度计的观测资料有比较好的一致性.在近海岸地区以及冷空气活动末期,模拟值与观测值的相关系数有所降低,但平均相对误差和均方根误差均在可以接受的范围内.说明WWATCH Ⅲ模式可以作为我国南海地区海浪模拟预测研究的有效工具之一.