海洋飞沫方案改进对台风“威马逊”强度预报的影响

本文采用分粒径段组合方式改进海气耦合模式海洋飞沫方案,并利用耦合模式对1409号台风"威马逊"进行数值模拟,分析了海洋飞沫方案改进对台风结构、强度以及海气动量通量、热量通量模拟结果的影响。结果显示,耦合模式中海洋飞沫方案可通过改变海表面粗糙度影响海气动量与热量通量;海洋飞沫还可以通过沫滴向大气输送感热和水汽而直接影响海气热通量,进一步影响台风的强度。模拟结果显示改进后海洋飞沫方案的台风强度更接近观测。改进海洋飞沫方案后粗糙度的计算结果小于原始方案,相应地海气热通量以及下垫面耗散作用也弱于后者,海表面风场是海气热交换与下垫面耗散共同作用的结果。     

台风“灿鸿”影响下海浪的数值模拟研究

台风是影响中国黄东海的强天气现象,其引起的强风、巨浪和台风增水严重威胁着沿海地区人民的生命与财产安全。本文以海浪模式SWAN(Simulating Waves Nearshore)与区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)为基础,构建了中国黄东海海域在201509号台风"灿鸿"影响下的海浪-海洋耦合模式。通过浮标与Jason-2高度计有效波高数据验证了模式结果的准确性。进行了敏感性实验分析,对比耦合(ROMS+SWAN)与非耦合(SWAN)下以及使用不同地形数据(ETOPO1、ETOPO2、GEBCO)、不同物理参数化方案(风能输入、白冠耗散、底摩擦耗散)下的模拟结果差异。结果发现在射阳与前三岛浮标处,使用GEBCO地形数据(15弧秒间隔)下的模拟效果更好且稳定。在空间分布上,台风中心附近的浪流相互作用显著,在其前进方向右侧表现为耦合的有效波高值低于非耦合有效波高值,差值最高可达1米。选择不同风输入与耗散项方案时的模拟差异主要发生在最大波高处,选择不同的风能输入与白冠耗散项方案带来的差异接近0.4米,而底摩擦项方案选择不同带来的差异接近1米。...     

大气-海浪耦合模式及其在理想台风模拟中的应用研究

采用传统的理论模型或者经验公式构建台风动力场驱动海浪模式,无法反映台风影响下海气动力过程,难以为海浪模式提供高精度的台风风场、气压场数据。为解决这一问题,基于中尺度大气模式WRF和第三代海浪模式SWAN,构建大气-海浪实时双向耦合模式,并将其应用于理想台风的模拟之中。建立的WRF-SWAN耦合模式能够成功模拟理想台风影响下的台风浪分布特征,揭示了台风风场和台风浪在空间上的“右偏性”不对称分布特征,该模型可推广用于实际台风浪的模拟分析。     

台风"森拉克"的数值模拟研究:海洋飞沫的作用

台风作为一种在海洋上生成和演变的强烈天气现象，除了环境流场、自身结构以及地形等因子对它产生影响外，海气间的热量动量交换也是台风演变过程中不可或缺的因子。台风期间在海气界面生成大量海洋飞沫，这些飞沫在台风边界层的蒸发必然对海气之间的通量传输过程产生影响，进而影响到台风本身的演变。文章将海洋飞沫参数化引入大气中尺度模式中，对2002年16号台风“森拉克”的演变进行了数值模拟研究。结果表明，引入海洋飞沫参数化方案，可使台风期间海气界面的潜热通量增加50％，10m层风速最大值增加30％，从而使模拟台风的强度明显增加，使模拟结果更趋于合理。因此，在台风数值模拟和预报中考虑海洋飞沫的作用是十分必要的。     

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。     

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.     

耦合模式中海浪参数对台风浪预报的影响研究

以西北太平洋一次"双台风"共同影响下的台风浪为例,针对模式中风摄入和白帽耗散、底摩擦、波破碎、波-波非线性相互作用等海浪物理过程对台风浪预报的影响进行了敏感性试验分析。在此基础上,基于各物理过程最优参数化方案探讨了耦合模式和单独海浪模式的海浪预报性能,分析了耦合模式的海浪预报场分布特征。结果表明:不同海浪物理过程参数化对于波高预报的准确性是有所差异的。在相对最优的海浪各参数化方案组合下,无论耦合模式还是单独海浪模式都能较好地反映波高的变化和分布趋势。相比而言,耦合模式对于台风浪大值区的浪高预报要比单独海浪模式的更接近观测,且可以很好地刻画出双台风影响下浪的分布演变特征,对于西太平洋台风浪的预报具有很好的适用性。     

南海海气界面潜热通量的分布特征及其对西南季风爆发影响的初步分析

利用1982年1月至2001年12月逐日的Re_NCEP南海海表面潜热通量资料,分析了南海夏季西南季风爆发早年和晚年潜热通量在南海的时空分布特征;并通过相关对比诊断分析了潜热通量对西南季风爆发及强度的影响,初步给出了其动力学机理。结果表明,季风爆发早、晚年的前一年冬季至初春(12~3月),南海南部(5°~13°N,100°~120°E)和北部(13°~22°N,105°~120°E)的潜热通量距平符号相反,呈现反位相,季风爆发早(晚)年,前一年冬季至次年初春,南海北部的潜热通量为正(负)距平,南海南部则为负(正)距平;在季风爆发的早年和晚年,南海潜热通量表现出明显的差异,春、夏、秋季南海潜热通量正距平持续时间短(长),季风强度偏弱(强)。南海北部的潜热通量和南海北部季风强度隔季正相关。当潜热通量为正(负)距平时,同期和滞后1~3个月的海温均为负(正)异常,加大(减小)了春季南海和周围陆地陆暖海冷的海陆温差,有利于西南季风在南海北部的早(晚)爆发,西南风异常偏强(弱)。     

基于遥感和实测数据对台风LEO和SOULIK期间的飞沫热通量研究

本文应用高风速条件下海面动力粗糙度长度,拓展了COARE3.0块体通量算法,考虑高风速下,海洋飞沫对热通量的贡献。利用GSSTF3(Goddard Satellite-based Surface Turbulent Fluxes Version 3)遥感产品、GSSTF_NCEP(National Centers Environmental Prediction)再分析资料和浮标KEO实测数据,探讨了中国南海台风LEO和西北太平洋台风SOULIK期间湍流热通量的变化。研究结果表明:感热通量与潜热通量相比很小;台风的轨迹与潜热通量的分布密切相关且在台风轨迹的东偏北区域潜热通量数值大;在热带低压之前,原潜热通量与改进后潜热通量的差值即飞沫热通量很小,随着台风等级的增加,飞沫热通量也增加。当台风LEO达到最高即台风级别时原潜热通量达到300W/m2,飞沫热通量与原通量的比值高达12%,而台风SOULIK达到强台风级别时原潜热通量达到1000W/m2,飞沫热通量与原通量的比值达到20%,显著高于台风LEO,飞沫效应更明显。     

海流海浪耦合作用对台风浪影响的数值研究

漂浮式海上风电工程设计对波浪参数等必要环境参数提出了更高的要求。本文针对福建南日漂浮式海上风电场海域建立了高分辨率的海浪-海流耦合数值模型,研究海上风电场区水位和海流对海浪的影响。模拟结果显示,耦合模式所得有效波高更加准确,可以体现水位和流速变化对波高的影响。通过分析台风过程中的浪流耦合作用对海浪模拟结果的影响发现,浪流耦合作用对最大有效波高的影响空间分布差异明显,1307号、1319号、0908号和1617号四次台风过程中,耦合作用对工程区域最大有效波高的影响可达-1.0～1.0 m。对单点的模拟结果分析发现,流向和浪向同向时对浪高有削弱作用,反向时对浪高有增强作用。此外,浪流耦合作用对波向和谱峰周期也有明显的影响,在1319号台风过程中,波向变化可达20°,谱峰周期变化可达2 s。本文论证了采用海浪-海流耦合模式在重现海浪极值中的重要性,对海上工程设计具有参考价值。     

赤道海洋对罕见台风“画眉”的响应

利用GHRSST L4、QuikSCAT、OAFLUX以及SeaWiFS L3资料分析了近赤道罕见台风"画眉"生成前后海表温度SST及其感热通量、潜热通量和叶绿素a浓度的变化。在台风"画眉"生成之前,中南半岛沿岸海表平均温度较其他区域低,并且在南海盛行东北风,在台风生成区有一明显的气旋性涡旋存在。南海北部地区潜热通量和感热通量均较大,而在台风的生成区域仅感热通量较大。台风"画眉"使其路径右侧的区域发生海表温度降低,相对于其他强度较强的台风降温较小,海表温度在马来半岛以东洋面以及马六甲海峡降低明显,降低约2—2.5℃。与高纬度的台风类似,台风"画眉"使中南半岛沿岸以及马来半岛与苏门答腊岛之间的地区叶绿素a浓度相对于台风前增大0.6 mg.m 3以上。     

风生近惯性能通量和地形粗糙度对海洋内部混合的影响

使用细尺度参数化方法和2015-2019年全球的Argo温盐剖面资料,分析了风生近惯性能通量和地形粗糙度对全球海洋300-600 rn深度的涡流扩散系数的影响.结果 表明,在30°---45°N区域,月均涡流扩散系数与月平均风生近惯性能通量随时间的变化趋势较为一致,相关系数可达0.43,前者滞后1个月,与后者的相关系数...     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

台湾岛附近海洋对0908号台风“莫拉克”的响应特征

在模拟2009年登陆我国东部沿海的台风"莫拉克"的基础上,利用AVHRR/AMSR和SODA再分析数据和模拟结果,初步评估了GRAPES-ECOM海-气耦合模式(上海台风研究所基于GRAPES-TCM区域台风模式和ECOM海洋模式开发而成)模拟台风期间海洋响应的能力,并分析了台风期间台湾岛周围海域的海温、上升流、中尺度冷涡等的变化特点。分析结果表明,GRAPES-ECOM耦合模式较好地模拟了表层海温对台风的响应,与深水海洋响应比较,揭示了近海对台风响应的一些新特征:(1)在台湾以东海域,台风活动改变了黑潮海域海水的垂直运动,诱导黑潮南部沿岸上升流,而北部先于台风存在的上升流减弱,导致不同水深海温的最大降温位置都出现在路径左侧,与深海偏向路径右侧不同;(2)位于台湾岛东北面的彭佳屿冷涡因其形成与大陆架和黑潮有关,当台风在台湾以东洋面活动时,冷涡位于台风右前方,黑潮表层海水辐合流向大陆架,冷涡中心温度上升,强度减弱,当台风转折北上,冷涡位于台风东南侧,表层海水辐散,加强底层冷水上涌,从而增强了该冷涡的强度;(3)台风不仅加深了台湾海峡的混合层深度,还使得海水的垂直热力结构改变,并使整层海温趋于一致。     

中低风速下海洋飞沫对海气热通量的影响

基于2016-02-01—2016-05-21在南海博贺海洋气象观测平台观测的实验资料,首先利用整体空气动力学算法分别计算海气界面处感热通量与潜热通量,同时利用涡动相关法计算液滴蒸发层处总的感热通量与潜热通量。然后比较海气界面处热通量与液滴蒸发层处热通量的值,并利用差比法分别对2处感热通量和潜热通量进行做差计算。结果表明:液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量存在明显差异。通过与海洋飞沫引起的热通量值比较,结果表明液滴蒸发层处热通量与海气界面处热通量的差值由海洋飞沫作用引起;且在中低风速条件下,海洋飞沫引起的热通量与风速呈正相关;相比感热通量而言,潜热通量随着风速的变化更为显著。     

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。     

一个区域海-气耦合模式的建立:模式验证及其对热带气旋“云娜”的模拟

本文以区域热带气旋模式(GRAPES-TCM)为基础,引入海洋环流模式(Estuarine,Coastal and Ocean Model(semi-implicit),ECOM-si)和Ocean Atmosphere Sea Ice Soil 3(OASIS3)耦合器,建立了一个区域海-气耦合模式。利用该模式对0414号热带气旋"云娜"进行了数值模拟,验证了模式的性能。结果表明,耦合模式模拟的"云娜"强度相比单独的大气模式更接近观测,单独大气模式模拟的近地面风场偏强,而耦合模式模拟的近地面风场的强度和非对称结构均与观测更为接近。数值实验中,"云娜"热带气旋过境引起的海表面温度的下降与实况接近,海表面温度下降引起的海-气热通量相比控制实验的结果明显下降,分析资料表明这一下降是合理的。海洋模式的引入导致了热带气旋"云娜"结构的变化,这种变化不但反应在径向风的减弱(强度下降),还反应在对流强度和最强对流发生位置的变化,并最终引起了热带气旋降水结构的改变。     

高分辨率风场对长江口海域波浪场模拟能力的影响研究——以台风“灿都”为例

长江口海域岛屿众多, 地形复杂多变, 对灾害性海浪模拟和预报能力的提升有迫切需求。本研究基于长江口高分辨率非结构网格海浪模式SWAN(Simulating WAve Nearshore), 结合“两洋一海”区域耦合预报系统模拟风场, 以2021年第14号台风“灿都”为例, 研究了台风轨迹、台风移速和台风风场分辨率等对长江口及邻近海域海浪模拟和预报的影响。结果表明: 风场模型水平分辨率增加有利于台风细结构和台风悬臂状结构的模拟。分辨率增加, 风速整体呈减弱趋势, 但在台风中心(小于两倍最大风速半径)和外围悬臂区域风速增加显著。风场分辨率从27 km提升至9 km和3 km, 波浪模拟精度增加显著, 3 km风场驱动的波浪模拟精度最高, 继续提升风场分辨率至1 km对波浪模拟无明显提升。改变风场模型分辨率同时会影响台风路径和移动速度。波浪场的差异反映了台风结构、路径和移动速度的共同影响, 由于波浪的波动传播属性, 台风浪的差异一般比风场差异的范围更大。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅱ.西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响的数值模拟(英文)

用第一部分建立的简单海气耦合模式,研究了西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响。模式可以较好地模拟出热带太平洋海温“西高东低”的分布,以及“暖池”附近ＳＳＴ的水平梯度较小等特征。在垂直方向上海洋混合层深度关于赤道呈准对称的“马鞍”型分布特征也可以从理论上和数值模拟的结果中得到证实。模式中“暖池”形成的时间尺度大约为半年多,大气中凝结潜热的释放有利于“暖池”的快速形成,提高凝结潜热的释放的效率,“暖池”形成的时间就缩短。“暖池”形成的动力学机制是海气耦合系统中海洋Ｒｏｓｓｂｙ波振幅的不稳定增长所致。“暖池”区海气之间的耦合作用确实对热带大气的季节内振荡产生影响。当海气之间进行耦合作用时,可以模拟得到扰动传播的周期大约为５０多天（ｄ）,与实际观测相吻合。提高海气之间的耦合强度会降低扰动的传播速度,使传播周期明显加大。当不考虑海气之间的耦合作用时,模拟得到的扰动传播周期明显地比用耦合模式得到的要小。