台风“达维”影响期间江苏海域台风浪研究

2012年 10号台风“达维”是历史上登陆长江以北的最强台风。以 NCEP 风场和 J el es ni ans ki经验模型构造台风风 场,利用波浪谱模型 SW AN 对“达维”影响期间江苏海域台风浪进行数值模拟,模拟结果和实测结果吻合较好。在利用实 测风、波浪资料验证的基础上分析江苏海域台风浪的时空分布特征。“达维”影响期间,测风塔 100 m 高度实测最大风速为 42. 2 m/ s ,实测最大波高为 6. 17 m。数值模式结果显示江苏外海有效波高最大值超过 9 m,台风移向的中心右侧风速和有效 波高均较大,波向基本与风向一致;在台风移向的中心左侧一般风速较小,风速和有效波高也均比右侧小,波向与风向不一 致。在近岸台风浪要素受地形影响较大,与外海特点不同。     

OSMAR-S100便携式高频地波雷达海浪和海面风探测性能分析

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统采用单极子/交叉环紧凑型天线阵,通过单站雷达即可实现有效探测距离约10km内海浪和海面风的单点观测。为了更好地了解OSMAR-S100雷达系统海浪和海面风的综合探测性能,于2013年1月29日至3月7日在台湾海峡西南部海域进行了雷达与浮标观测的对比试验,得到了有效波高、有效波周期、平均风速和平均风向数据。对比结果表明,OSMAR-S100便携式高频地波雷达可有效观测距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风,雷达反演有效波高和有效波周期的均方根误差分别为0.60m和1.60s,反演平均风速和平均风向的均方根误差为1.83m/s和16.7°。在未经区域化标定的情况下,此结果说明了该型雷达产品已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。     

HH 极化 Ter r aSAR-X 图像提取海浪要素的方法研究

把 SAR 海面风场反演的地球物理模型与海浪的参数化初猜谱反演模式结合起来,用于提取 Ter r aSAR-X 图像的海浪 要素信息。首先采用风场反演的经验模型得到 Ter r aSAR-X 图像的海面风场,然后将风场信息作为初始条件应用于参数化初 猜测谱模式中,从而得到海浪谱以及相关的海浪要素信息。反演结果与对应的浮标站点数据进行对比,对比结果显示：风速 的绝对误差在 1. 1 m/ s以内,风向的绝对误差在 5毅以内,有效波高的绝对误差在 0. 93 m 以内,平均周期的绝对误差在 2. 43 s 以内。因此,可以得出结论：本文使用的方法能有效的从 Ter r aSAR-X 图像中提取海浪要素的信息。     

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.     

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。     

数据同化的南海台风浪后报模式

将基于最优插值(OI)的同化并行模块植入第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14, 建立数据同化的台风海浪模式预报系统。该系统的强迫风场采用模型台风风场与台风来前海区背景风场混成的风场。以模式后报2010 年7 月严重影响南海北部的“康森”和“灿都”台风引起的海浪场为例, 首先对所构造的混合风场的台风海面风场结构进行定性检验, 并用高度计沿轨风速对混合风场精度进行定量验证。在此基础上, 海浪模式在混合风场强迫下边积分边同化。同化数据采用上述台风过境南海期间Jason-2 卫星高度计沿轨有效波高 (SWH)。值得指出的是, 同化时只取SWH 沿轨数据的一部分用于同化计算, 而另一部分沿轨数据则用于对同化分析结果进行检验。先后同化了4 条轨道上的SWH数据。将SWH 的同化分析与无同化的对照组结果分别与高度计测量SWH 比较, 发现同化较无同化可使均方根误差获得50%以上的明显改进。以同化分析场作为初始场, 同化影响预报(这里是后报)的时效性约在48 h 以内。本研究目的是通过同化高度计SWH 数据进一步提升台风海浪模式预报的准确度。     

WaveWatch III 和SWAN模型嵌套技术在业务化海浪预报系统中的应用及检验

根据钓鱼岛海域海监巡航执法保障预报、重点海洋安全保障目标精细化预报等海浪业务化预报工作的新需求,基于 WRF 海面风场预报模型,利用结构网格海浪模型WaveWatch 芋和非结构网格海浪模型SWAN （Simulating Waves Nearshore） 的嵌套计算,建立一套适用于东海区和上海近海的海浪数值预报系统。通过不同数值实验,证明此系统的稳定性和时效性。 利用观测数据对连续2 个月的有效波高值的预报结果进行检验,结果表明：24小时预报平均绝对误差在0.3 m以下;48 小时 预报平均绝对误差在0.5 m以下;72 小时预报平均绝对误差在0.7 m以下,且误差极值主要是由台风过程引起,但预报趋势 仍值得参考。对2次台风过程采用不同风场源数据进行对比试验,结果显示采用实况路径的后报风场,海浪预报精度明显改 善。对于近岸区域采用嵌套计算的SWAN模型预报结果比WaveWatch III 模型预报结果精度显著提高,证明建立的海浪数值 预报系统在满足“稳定性”和“时效性”的基础上,各尺度和分辨率的预报产品“准确性”也能得到保证。     

浙江海域MASNUM海浪模式在台风“达维”“海葵”及“布拉万”过程的波浪数值模拟

利用MASNUM海浪模式、ECMWF高分辨率风场对2012年8月份台风过程下的浙江海域的海浪状况进行了数值模拟,与近岸观测站的风、浪资料进行了对比检验和误差分析,最后针对8月份"达维""海葵"及"布拉万"3个台风过程对浙江海域的影响进行了对比分析.风速验证结果显示2个站点ECMWF风速和观测风速的偏差分别为0.18、-0.34 m/s,平均绝对误差则为2.57、1.96m/s,均方根误差为3.40、2.65 m/s,与观测风速有较好的一致性.海浪验证结果显示8月份有效波高的相关系数在0.84以上;8月份发生的"达维""海葵"及"布拉万"3个台风期间的有效波高、波周期的模拟值与观测值的均方根误差分别介于0.19~0.37 m、0.88~1.28 s,波向的平均绝对误差介于19.39°~37.65°,表明MASNUM海浪模式能够较好的再现浙江海域台风期间的海浪状况,能够较好模拟出浙江近海的最大波高.在数值模拟和实际观测的基础上,进一步的对比分析表明:"海葵"台风期间,浙江外海有效波高的最大值达7.6 m,而"达维"和"布拉万"台风期间,数值显示最大有效波高分别为4.4、5.4 m.     

WaveWatch Ⅲ和SWAN模型嵌套技术在业务化海浪预报系统中的应用及检验

根据钓鱼岛海域海监巡航执法保障预报、重点海洋安全保障目标精细化预报等海浪业务化预报工作的新需求,基于WRF海面风场预报模型,利用结构网格海浪模型Wave WatchⅢ和非结构网格海浪模型SWAN(Simulating Waves Nearshore)的嵌套计算,建立一套适用于东海区和上海近海的海浪数值预报系统。通过不同数值实验,证明此系统的稳定性和时效性。利用观测数据对连续2个月的有效波高值的预报结果进行检验,结果表明:24小时预报平均绝对误差在0.3 m以下;48小时预报平均绝对误差在0.5 m以下;72小时预报平均绝对误差在0.7 m以下,且误差极值主要是由台风过程引起,但预报趋势仍值得参考。对2次台风过程采用不同风场源数据进行对比试验,结果显示采用实况路径的后报风场,海浪预报精度明显改善。对于近岸区域采用嵌套计算的SWAN模型预报结果比Wave Watch III模型预报结果精度显著提高,证明建立的海浪数值预报系统在满足"稳定性"和"时效性"的基础上,各尺度和分辨率的预报产品"准确性"也能得到保证。     

中法海洋卫星（CFOSAT）同步观测台风引起的风场和海浪

利用中法海洋卫星（CFOSAT）最近观测的风场和海浪场，报道了超强台风玲玲（2019）过境中国近海水域期间台风浪的初步研究结果。结果显示，台风路径右侧风速超过14 m/s大风区的有效波高超过5 m，与理论估算一致。观测主波波长为150 - 180 m，风场为西南向，海浪向东传播。风向和浪向的偏移随台风中心距离增大，接近理论预测。     

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。     

基隆港台风浪特征分布数值模拟分析

基于修正的Holland台风模型风场,在同化QuikScat/NCEP混合风场基础上,结合高分辨率水深和高精度岸线资料,采用第三代近岸海浪模式SWAN,对影响基隆港邻近海域的两类典型台风过程引起的台风浪进行了数值模拟分析。模拟的两次台风过程中,西北型台风0715号和转向型台风0424号的有效波高与同一时段T/P卫星高度计资料波高的平均相对误差分别为6.5%和5.6%,相关系数分别达到0.972和0.902,台风浪个例模拟精度较高,可为基隆港及其邻近海域台风浪模拟与预报提供一种有效的方法。     

浪流耦合数值模式在苏北辐射沙洲海域的应用研究

采用三角形网格海洋模式ADCIRC-2DDI和海浪模式SWAN双向耦合模式,建立了苏北辐射沙洲海域高精度水动力模型,用以研究该海域天文潮-风暴潮-海浪相互作用。以2012年15号台风"布拉万"为例,分别采用WRF气象模型后报风场和台风模型风场进行台风期间水位和波浪场的数值模拟,与实测资料的对比结果显示模型较准确地模拟出了"布拉万"台风期间的风暴增水与海浪过程,但模拟的极值增水和二次增水时间较实测资料提前了3 h左右。对"布拉万"台风期间模拟结果的分析表明:在浅滩及浅滩前沿水域,水位和海流对海浪模拟结果具有显著影响,是否耦合计算的有效波高差异可达1 m以上;波浪对水位的影响具有空间差异,在水深大于15 m的区域,波浪引起的水位变化小于5 cm,在浅滩区域,波浪引起的水位变化在4～10 cm,是否考虑波浪耦合对漫滩区域的模拟结果影响较大,进行浅滩及浅滩前沿的水动力计算,有必要考虑浪流耦合过程。     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

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。     

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。     

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。     

台风海面风场动力诊断模式的建立与模拟计算

本文总结和归纳了已有的台风海面风场模式，按照风场模式物理背景的不同进行了分类．在此基础上，本文选择并建立了一种新的台风海面风场动力诊断模式．首先，利用台风影响范围内某条具有代表性的闭合等压线的拟合方程表示出台风海面气压场，并利用改进的气压场模式和修正的梯度风方程求得台风系统风场，同时还利用宫崎正卫的热带气旋合成风假设建立移行台风风场．然后将两者作权重订正后进行迭加，即得到台风模型风场．该模式考虑了包括台风气压场的非对称性、边界层摩擦效用、气压梯度的切向变化及台风中心移动的影响等多种因素．经过对0519号“龙王”台风的模拟，结果表明本文所建立的台风风场模式可以比较准确的模拟出非圆对称的台风海面气压场和海面风场，较为真实地反映实际台风风场的特征．     

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。     

合成风场作用下的近海重现期波要素分析

运用第三代海浪模式SWAN,分别将台风模型风场、美国NCEP风场、合成风场作为其驱动风场,与实测值比较发现:合成风场优于另外两种风场,在台风中心和远离台风中心地带模拟效果都较好。故选用合成风场作为驱动风场,对1982—2015年间影响东南沿海的210个台风过程进行数值模拟推算,进行P-Ⅲ曲线拟合分析,与测站实测资料符合良好。在此基础上,分方向绘制出东南沿海的百年一遇的波高分布图,可为近海工程环境评估和设计提供参考。