北印度洋海浪背景误差分析和同化预报初步评估

基于背景误差分析中的观测法,利用Jason-1卫星高度计沿轨有效波高数据并结合Wave Watch Ⅲ海浪模式预报结果,进行北印度洋海域海浪背景误差分析,得到海浪场背景误差方差和各向同性假设下背景误差相关长度的时空分布特征。按经验函数拟合该海域有效波高背景误差协方差时总残差平方和最小的原则给出了更为适用于该海域的描述公式。在上述工作基础上,采用最优插值同化方法将Jason-1和Jason-2卫星高度计有效波高数据连续同化到海浪模式Wave Watch Ⅲ,按业务化标准对2013年1月北印度洋海域的海浪场进行了同化预报试验,经浮标数据检验发现同化可使海浪24 h预报得到明显改进。     

Jason-2有效波高产品在中国海域的准确性评估

Jason-2卫星高度计的有效波高(Hs)产品在海洋学领域得到了广泛应用。为了综合评估Jason-2有效波高产品在中国多个海域和不同海况下的准确性,为其在中国海域的应用研究提供参考,本文基于国家海洋局20个水文气象浮标从2008年至2014年的长期观测数据,对Jason-2有效波高产品在中国三个海区(渤黄海、东海、南海)和不同海况(观测有效波高Hs最大为6.2m)下的准确性进行综合分析,并研究其准确性与离岸距离的关系。结果表明Jason-2有效波高产品:(1)在中国海域具有较好的准确性,均方根误差RMSE=0.445m;(2)在南海的准确性最高,而在渤黄海的准确性较差;(3)在2m≤Hs≤5m的海况条件下准确性较好;(4)在越远离陆地的海域准确性越高。     

神经网络方法对海浪有效波高数值模拟的改进

结合东北太平洋浮标资料,使用神经网络模型对WAVEWATCHⅢ海浪模式模拟的有效波高进行训练模拟,并与增加风场作为输入项的神经网络模型作了对比分析。通过分析浮标观测资料、WAVEWATCHⅢ数值模式和神经网络模拟的海浪有效波高大小,可以看出使用神经网络结合数值模式能够较好地提高有效波高的模拟精度。     

驱动大洋海浪模式的两种海面风场对比分析研究

海面风场在海浪模拟和预报中起着重要作用。文中分别利用CCMP风场和Q/N混合风场驱动WAVEWATCHⅢ海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行了模拟。利用NDBC(美国国家浮标资料中心)提供的浮标资料和Jason-1卫星高度计资料对模拟结果进行了检验分析。分析表明:在北太平洋海域,CCMP风场较Q/N混合风场与浮标风速资料有更好的一致性,更能代表该海域的海面风场状况;CCMP风场驱动下的海浪模拟结果总体上优于Q/N混合风场的结果。     

福建省海浪灾害危险性评估

选用美国国家环境预报中心的全球再分析风场为驱动风场,以WAVEWATCH Ⅲ海浪模式为基础,采用全球-西北太平洋-中国近海海区三层嵌套方案构建了1990—2020年海浪再分析数据集;利用该数据集,分析了福建省近海海浪灾害强度和发生频率,并计算了典型重现期的海浪波高。结果表明：福建省海域海浪有效波高分布具有明显的季节变化;因为地形的影响,台湾海峡中部区域的巨浪出现频率高于其他区域。     

西北太平洋夏季海浪数值模拟研究

为了解第三代海浪模式SWAN在西北太平洋海浪模拟效果,利用2013年7月期间Jason-2卫星高度计观测资料,通过计算模拟值和观测值的绝对误差、均方根误差和进行逐日统计、分级统计、一次台风过程的统计,对FNL风场资料驱动SWAN模式的西北太平洋海浪数值模拟有效波高进行了检验。检验结果表明,模式对较小波高模拟效果较好,模拟波高与实测值误差在可接受的范围之内,可满足业务化预报的要求,但对较大波高的模拟存在一定的误差,且驱动风场的精细化水平直接影响模拟效果。     

0414号"云娜"台风浪数值试验

利用美国NOAA/NCEP开发的海浪数值模式WAVEWATCHⅢ。以每天4次的NOAA/NCEP再分析风场资料为输入,模拟了2004年8月8~12日西北太平洋海域的0414号“云娜”台风引起的海浪。通过分析TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)高度计的星下轨迹浪观测资料和WAVEWATCHⅢ模式后报的有效波高大小,可以看出模式能够较好地模拟台风浪。     

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。     

基于两种嵌套方案数值模拟烟台北部海域海浪的对比研究

采用第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ-SWAN三层嵌套以及SWAN三层自嵌套两种方式建立两套烟台市北部近岸海域的海浪数值模拟系统,利用ERA-Interim再分析风场对几次大浪过程进行后报,对比分析两种嵌套方式的模拟效果,以选取更适合烟台近岸海域海浪数值模拟的嵌套方案。结果表明:两种嵌套方案模拟的有效波高在空间分布上,除边界附近存在0.1 m左右的差异外,其他地区计算结果基本无区别,模拟的波向空间分布基本也无差别;两种嵌套方案模拟的有效波高和波向的单点时间序列也基本无区别。数值模拟结果与观测结果的对比表明,模式计算结果在整体上能反映出波浪的变化趋势,有效波高的均方根误差为0.2～0.6 m,波向的均方根误差在40°以内。     

WAVEWATCH Ⅲ模式在全球海域的数值模拟试验及结果分析

基于第三代海浪数值预报模式WAVEWATCH III(v3.14),构建了全球区域海浪数值预报系统,采用1999年9月—2009年7月的Quik SCAT/NCEP混合风场作为驱动场,对模式进行了10a的积分。利用NDBC浮标数据及Jason-1卫星高度计资料对模式模拟结果进行了检验,结果表明:模式对全球海浪模拟效果较好。通过对模式误差的分析,为后续开展全球海浪同化工作中背景误差协方差矩阵的构建及集合样本的选取提供了依据。     

静态集合样本的构造及其在全球海浪滤波同化中的应用

本文提出一种最佳静态集合样本的构造方法,利用不同时段内海浪有效波高的模拟偏差构造静态集合样本,并将其与由模拟结果和观测资料统计的模式误差进行概率密度分布及时空相关性分析,结果表明24h间隔有效波高偏差与后者的相关性最好,称为最佳静态集合样本,可用于近似背景误差。将所构造的静态集合样本应用于滤波同化调整过程,采用MASNUM海浪模式,利用Jason-1卫星高度计数据,对2008年全球海域开展海浪同化实验,实验结果表明,基于最佳静态集合样本的海浪同化调整,可以有效地改善海浪模式的模拟效果。     

再分析风场驱动下的南海波浪模拟误差

本文采用国际上广泛应用的3种再分析风场驱动WAVEWATCH III模型得到了南海波浪后报数据,并基于全球卫星高度计波高数据和我国沿海浮标实测数据对不同的风场计算结果进行了对比分析,分析表明3种风场的误差特征相差明显,其中ERA-40风场偏小,CFSR风场非常适合模拟常见天气的波浪过程,NCDC风场适合模拟大浪过程。论文重点以NCDC风场后报波浪数据分析了波浪模型模拟误差特点,发现在台风频发的的南海北部海域,再分析风场易低估大值波高,而在季风影响明显的南海南部海域,再分析风场易高估波高。浮标周边2°范围海域内的卫星高度计波高模拟误差趋势与浮标波高模拟误差趋势相似,浮标波高数据的统计特征值与"2度法"提取的卫星高度计数据统计特征值具有较高一致性。     

中国东部海域冬季风场与海浪场的关联特征分析

利用WAVEWATCHⅢ海浪模式模拟的1993-2011年中国东部海域19 a冬季逐日海浪场资料以及同期CCMP逐日风场资料,采用奇异值分解(SVD)的方法分析了冬季中国东部海域海浪场与提前0~5 d的东亚大陆地面风场的关联特征。结果发现:海浪场与提前1 d的地面风场的关联更有意义;SVD第一模态和第二模态分别反映了贝加尔湖以东南下的反气旋式偏北扰动大风(或气旋式偏南扰动大风)和中国东部平原入海的气旋式扰动风场(或反气旋式扰动风场)对中国东部海域海浪的扰动影响。此外,SVD分析还揭示了冬季影响中国东部海域海浪的大风关键区和移动路径;随着时间的推移,大风关键区从贝加尔湖以东逐步由蒙古南下影响中国东北和华北地区,最后到达中国东部海域。     

WAVEWATCH Ⅲ不同海冰源项的海浪模拟效果对比

为了验证第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ V5.16中不同海冰损耗源项在秋季波弗特海对海冰存在下海浪的模拟能力,建立自波弗特海至马更些河河口的两级嵌套海浪模型,对2014年8月1日至9月31日该海域北极风暴作用下的暴风浪有效波高进行模拟研究,并利用浮标实测数据对模拟结果进行对比分析。结果表明,在应用于大范围海域、缺乏海冰有效剪切模量、黏性系数等属性参数的前提下,离海冰较近、海浪能量受海冰控制作用较为明显的区域,各海冰源项中IC1源项表现最好,能够表现出更加符合波弗特海海域特定的冰情、冰况的能量耗散特征。     

西北太平洋三台风影响下海浪的数值模拟研究

采用NCEP-FNL(Final Operational Global Analysis)再分析风场资料及WW3(WAVEWATCH Ⅲ)海浪模式对2015年连续发生的1509号台风"灿鸿"、1510号台风"莲花"和1511号台风"浪卡"进行数值模拟。通过与卫星高度计资料和浮标观测资料对比,验证了模拟结果的有效性,并分析台风浪的特征。结果表明:采用再分析风场资料驱动WW3海浪模式,较好地模拟了3个台风影响下西北太平洋海浪场的分布和演变特征;模拟波高与遥感的轨道波高资料相关性超过0.7,平均相对误差小于0.23,风速误差是造成模拟误差的主要原因;台风浪的大小不仅取决于台风强度,还受海域的影响。近海海域由于海岸与岛屿的阻碍,波浪能量频散受到抑制,易产生局地巨浪;而深海大洋开阔海域,易于台风浪能量传播。本文相关结论为台风浪的定量预报及防灾减灾提供有益参考。     

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证,发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素,利用特征波参数化理论,在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响,初步数值模拟结果表明,sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后,模拟精度进一步提升,这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。     

WWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析

利用美国NOAA/NCEP环境模拟中心海洋模拟小组近年新开发的一个准业务化的海浪数值模式WAVEWATCH Ⅲ(以下简称WWATCH),以每天4次的NOAA/NCEP再分析风场资料为输入,模拟了1996年的南海海域的海面风浪场,通过分析TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)高度计的上升和下降轨道在南海海域的交叉点位置处的风、浪观测资料与NCEP风场和WWATCH模式模拟的有效波高大小,可以看出,NCEP风场基本与T/P高度计的风速观测结果一致,相应的模式模拟的有效波高也基本与卫星高度计的有效波高观测结果相一致,但从空间上看,在计算区域中心附近海域的结果一致性较好,靠近计算边界附近海域的结果相对较差,但这种因边界而影响模拟结果的范围很有限;从时间上看,冬季风期间的结果一致性较好,而夏季风期间的结果偏小的趋势明显,并且这种偏小主要出现在夏季风期间的极小风速值附近。     

JASON-2卫星高度计波高数据同化对中国渤黄海海浪数值预报影响研究

利用原国家海洋局北海分局浮标所测有效波高数据对Jason-2卫星高度计所测有效波高数据进行验证,采用50km空间窗和0.5h时间窗,得到219个时空配准点。对配准结果进行统计分析表明,Jason-2卫星高度计测得有效波高与浮标测量结果存在-0.277m的偏差,均方根误差为0.372m。利用最小二乘回归(OLR)对Jason-2有效波高数据进行校正可使其均方根误差下降至0.247m,减少34.5%。基于第三代海浪模式WAVEWATCH III对Jason-2有效波高数据进行最优插值同化试验,其中背景误差相关函数取为指数形式,相关距离尺度选为500km。与浮标观测数据比较表明,同化后模式有效波高均方根误差比未同化时减少11.56%,,能够有效地改善模式精度。以此为初始场进行为期3d的数值预报实验。与未同化实验相比,卫星高度计有效波高数据同化对模式0～72 h预报有不同程度的改善,改善程度随预报时间的增加而降低。     

基于SWAN模式和折绕射模式的近岸海浪数值模拟

基于SWAN模式和折绕射模式,本文对台湾海峡和平潭岛附近海域的海浪要素进行数值模拟。首先通过SWAN模式得到实时预报的高时空分辨率的波高、周期和波向等海浪要素数据,为折绕射模型提供波浪边界,进而对重点海区近岸波浪进行折绕射计算,最后对数值预报结果进行统计检验及预报分析。经过验证,预报结果与实测数据基本一致,预报效果较好。研究成果可为平潭海浪预警报业务提供技术支撑,也可为海浪灾害应急管理及沿海规划等提供参考依据。     

畸形波形成的海浪要素特征数值分析

从典型的畸形波事件"新年波"出发,以ECMWF中期再分析风场作为驱动风场,采用WAVEWATCHⅢ海浪数值预报模式模拟畸形波发生海域的海浪场。通过对模拟的海浪要素分析表明,畸形波发生点在发生时刻的风速、波高、波陡处于极大值,波浪周期较长,谱峰频率、方向展角处于极小值;畸形波发生点在发生时刻的海浪谱是单峰谱,谱型尖窄,大部分波浪能量都集中在很小的频率范围内,分布在一个小的范围内,传播方向比较集中。