Simulating typhoon waves by SWAN wave model in coastal waters of Taiwan

The SWAN wave model is typically designed for wave simulations in the near-shore region and thus is selected for evaluating its applicability on typhoon waves in the coastal waters around Taiwan Island. Numerical calculations on processes of wave heights and periods during the passages of four representative typhoons are compared with measured data from field wave stations on both east and west coasts. The results have shown that waves due to typhoons of paths 2, 3 and 4 can be reasonably simulated on east coastal waters. However, discrepancies increase for the simulated results on west coastal waters because the island's central mountains partly damage the cyclonic structures of the passing-over typhoons. It is also found that the included nested grid scheme in SWAN could improve the accuracy of simulations in coastal waters to facilitate further engineering practices.     

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据, 使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform, CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data, ERA5)风场资料, 研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon, RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响, 确定了最优模拟参数, 并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明, (1)改进的风场资料与实测结果更为接近, 作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况; (2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。     

再论台风波浪的波型及其与海岸工程设计波浪要素的关系

本文以实测台风波浪资料对台风影响过程中固定点波浪能量集中度的变化和有效波陡的变化进行分析，得出华南近岸浅水区台风波浪的波型与台风中心位置的统计关系，并进一步阐明了台风过程中固定点出现较大台风波浪的波型是风浪以及用于海岸工程设计的台风波浪亦为风浪的结论。文中还讨论了台风波浪波型对海岸工程建设中的设计波高、周期等要素取值的影响。     

A baroclinic typhoon model with a moving multi-nested grid and variational adjustment initialisation I. Numerical method

INTRODUCTIONIt is well-known that a typhoon has a strong wind zone and very steep pressure gradient. Thespatial and temPOral variations of the meteorological quantities within a typhoon are much largerthan that in a common synOPtic system and it involves strong convective activities. The details ofthe structures and physical processes of typhoons need to be properly resolved when we do the numerical simulation. When designing a typhoon model, however, the effect of large scale synopticsy…     

Numerical modeling of wind and waves for Typhoon Betty (8710)

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ａｎｄ　ｗａｖｅｓ　ｆｏｒ　ＴｙｐｈｏｏｎＢｅｔｔｙ（８７１０）TXＮｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｗｉｎｄａｎｄｗａｖｅｓｆｏｒＴｙｐｈｏｏｎＢｅｔｔｙ（８７１０）ＹｕＷｅｉｄｏｎｇ，Ｑｉａ...     

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.     

长江口附近海域台风浪的数值模拟--以鹿沙台风和森拉克台风为例

利用SWAN波浪模型计算长江口附近海域的台风浪,鉴于长江河口岸界和地形复杂,拟采用曲线网格.为证实曲线网格下的SWAN模型对于复杂地形的有效性,首先选用美国特拉华大学波浪水池实验资料对SWAN模型进行检验,结果表明利用曲线网格能不过多增加计算量而提高关键区域的计算精度.以0215号鹿沙台风和0216号森拉克台风为例,将SWAN模型应用到长江口附近海域,进行台风浪的数值模拟.通过浮标测站实测资料验证,表明有效波高计算值与实测值符合良好.通过综合分析模型计算的波浪场,说明SWAN模型能合理地反映长江口附近海域台风浪的分布.     

Effect of the drag coefficient on a typhoon wave model

The effect of the drag coefficient on a typhoon wave model is investigated.Drag coefficients for Pingtan Island are derived from the progress of nine typhoons using COARE 3.0 software.The wind parameters are obtained using the Weather Research and Forecasting model.The simulation of wind agrees well with observations.Typhoon wave fields are then simulated using the third-generation wave model SWAN.The wave model includes exponential and linear growths of the wind input,which determine the wave-growth mode.A triple triangular mesh is adopted with spatial resolution as fine as 100 m nearshore.The SWAN model performs better when using the new drag coefficient rather than the original coefficient.     

0908号台风“莫拉克”影响期间福建西沙湾海域台风浪的数值模拟

联合SWAN模型和改进的椭圆型缓坡方程,结合考虑台湾海峡地形效应的改进藤田公式风场模型,建立了台湾海峡及近岸波浪场的数值嵌套模式.边界采用波谱离散驱动,模拟了0908号台风“莫拉克”期间台湾海峡波浪场的演变和崇武西沙湾浅水台风浪传播的物理过程.以实测数据进行单点验证表明,整个模拟过程风速的平均绝对误差为3.38 m/s,波高的平均绝对误差为0.30 m,计算结果较好地反映海峡内波浪对台风的响应过程.“莫拉克”台风登陆台湾岛时,台湾海峡有效波高最大值为5.0m;台风中心进入台湾海峡后,海峡东北部为巨浪到狂涛,有效波高最大值可达10.5 m.接近福建崇武沿岸时,偏E向台风浪向西沙湾内近岸传播,发生浅化、破碎、反射、绕射等变形现象,有效波高最大不足2 m,最小仅为0.2m,波向趋于SE向,波峰线则趋于与峡湾岸线平行;崇武闽台贸易码头附近,大部分波浪受到阻挡作用发生反射,少部分发生绕射,使得码头以北水域波浪较小,有效波高仅为0.2 ～0.6 m,对湾内避风坞起到较好的保护作用.     

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.     

利用海骚回波推测海面风浪

本文根据我国海岸雷达的实际情况,提出了直接测量海骚回波强度和直接测定海骚回波最大距离的方法,并利用实测资料,建立了最大风速与海骚回波最大距离的相关关系式及海骚回波最大距离与海面风浪关系曲线。     

基于数值模拟的厦门湾波浪特征研究

本研究使用成熟的SWAN模型对厦门湾的波浪场进行了1a的数值模拟,通过与同期的珍珠湾波浪观测数据进行对比验证了模型的可靠性.根据模型的计算结果,分析了厦门湾年平均和夏、冬两季平均波高和波向的分布特征,厦门湾的风浪和涌浪组成,珍珠湾波浪观测海域主要的波浪能量生成和能量耗散过程.结果表明,厦门湾年平均有效波高较小,且有较明显的季节变化特征,夏季厦门湾平均有效波高较小,且湾内波向多为偏南向;冬季厦门湾平均有效波高相对较大,厦门岛北侧和东侧海域波向均为NE向.厦门湾湾内以风浪为主,涌浪较小,风浪、涌浪比较大,均在3以上;从湾外向湾内,风浪、涌浪比逐渐增加,至厦门湾南岸和泉州石井镇附近海域,风浪、涌浪比增加到5~6;在厦门湾东部和北部海域,风浪、涌浪比均在10以上.珍珠湾海域波浪最主要的能量耗散过程是由底摩擦引起的能量耗散,虽然冬季风速较大,但夏季风能输入的能量和白帽破碎耗散的能量均大于冬季;因冬季波浪相对较大,夏季底摩擦耗散的能量要小于冬季.     

大气-海浪耦合模式对台风“碧利斯”的数值模拟

本文将海表粗糙度作为耦合大气、海浪模式的重要因子,实现中尺度大气模式MM5(V3)和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向耦合,建立充分考虑大气、海浪相互作用的大气.海浪耦合模式.将该大气-海浪耦合模式应用于对0604次台风"碧利斯"的数值模拟,在耦合模式中引入Smith92海表粗糙度参数化方案,探讨其对台风和台风浪的影响.研究结果表明,大气-海浪耦合模式能够抓住台风过程的总体特征.Smith92海表粗糙度参数化方案对台风路径影响不大.但在台风系统强度的模拟上影响明显,采用Smith92方案使得台风系统强度显著增强,对台风系统强度的模拟有明显改善.同样,大气-海浪耦合模式能够很好的模拟台风过程中海浪的传播和演变.采用Smith92方案使得海面有效波高明显增高,对海面有效波高的模拟有一定程度改善.因此,在大气-海浪耦合模式中恰当的选择海表粗糙度参数化对改进大气-海浪耦合模式的模拟效果是很有意义的.     

西太平洋8708号台风海面风、浪结构及其关系的遥感研究

本文以Geosat卫星高度计1987年8月11日在西太平洋海域上的-上升轨道测得的风、浪资料为基础,统计分析了8708号台风影响下的海面风速和海浪特征.结果显示,此次台风影响下的海面风速和海浪波高的空间分布具有相对台风中心近似对称的结构特征,但在台风内区,台风移动方向的右方风速较左方风速增加较快,同时在台风外围,右方风速较左方风速衰减也较快;有效波高没有明显的内、外区结构,且左、右方波高随距离变化也呈不同的衰减率;风速与有效波高的关系在台风中心左右也呈现明显的不同;本文给出了台风的风速及波高随相对台风中心距离变化的经验关系式,以及合风风速与波高的经验关系式等.     

复杂岛屿海域的台风浪局地特征模拟与分析——以舟山海域为例

为了研究舟山海域复杂地形条件下的台风浪特征,在高分辨数值模拟中采用了利用海图资料处理复杂岛屿地形分布的方法,利用WAVEWATCHⅢ和SWAN模式相嵌套模拟了影响该海域的西北行路径的典型台风浪过程.分析表明,舟山海域的东南部、东北部、西北部、内部海域受台风的影响各不相同,台风浪特征分布与海域的岛屿分布、水深分布等因素密...     

A novel synthetic aperture radar scattering model for sea surface with breaking waves

In this study a novel synthetic aperture radar(SAR) scattering model for sea surface with breaking waves is proposed. Compared with existing models, the proposed model considers an empirical relationship between wind speed and wave breaking scattering to present the contribution of wave breaking. Moreover, the scattering weight factor p, and wave breaking rate q, are performed to present the contribution of the quasi-specular scattering term, Bragg scattering term, and wave breaking scattering t...     

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．     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

Characteristics of coastal-trapped waves induced by typhoon along the southeast coast of Honshu,Japan

Mooring observations using ADCP, electromagnetic current meters and thermometers were performed to clarify the vertical and horizontal structure of coastal-trapped waves (CTWs) on continental shelf and slope on the eastern side of Sagami Bay, Japan, in August and September 2003. A strong inflow associated with CTW caused by Typhoon 0315 (CTW15) was observed with remarkable downwelling. The maximum current due to CTW15 was over 100 cm s⁻¹, confined to the upper layer shallower than 90 m. The CTW (CTW10) induced by Typhoon 0310, was associated with the coastal upwelling and maximum outflow was 33 cm s⁻¹; the currents were extended near the bottom at 230 m depth. Remarkable discrepancies were found between the current structures of CTWs. CTW15 was explained by superposing the second CTW mode on the first CTW mode, whereas CTW10 was explained by the first CTW mode. The generation and propagation processes of both CTWs were reproduced by numerical experiments using a three-dimensional level model. The model results indicated that the difference of modal characteristics between CTW15 and CTW10 already exists in the CTW generation region and are due to difference of the wind direction, i.e., the typhoon’s path.     

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法（BEM）对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi（IGN）方程并采用有限元法（FEM）对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。