近岸海浪模式在中国东海台风浪模拟中的应用--数值模拟及物理过程研究

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Nearshore）及其包含的物理过程（风生浪、底摩擦、白浪耗散、深度诱导波破碎、非线性波－波相作用等），并利用该模式对影响杭州湾－长江口沿岸海域的一次台风浪过程进行了模拟研究：模式所需风场由藤田台风风场模型嵌入对应台风特征等压线，并对相应时段的NCAR／NCEPT资料、单站资料进行同化后提供；利用自嵌套的方式提供波谱边界条件；模式模拟的结果与实际海浪观测资料相符较好，在此基础上，研究了底摩擦、深度诱导波破碎、三波相互作用等物理过程联合对近岸台风浪的影响，初步认识了它们在近岸台风浪生成、传播过程中的重要作用。     

基于模型风场的台风浪数值模拟

利用Ueno台风风场模型构建了1211、1214、1215号台风风场,并以此作为驱动WAVEWATCH-III海浪模式的外界强迫场,计算得出了对应的台风浪场,通过与浮标观测资料对比分析,有效波高相关性均达80%及以上,模拟结果较为理想,可有效弥补现场观测资料的不足,为海洋工程设计以及防灾减灾提供技术保障。     

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.     

中国近海海域台风浪模拟试验

以经验台风公式和NCEP再分析风场资料为基础,通过一个权重系数构造了西北太平洋海域台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ的输入风场,模拟了2005年的麦沙(Matsa)台风浪场.由于风场的改善,模拟结果显著地提高了海浪模式的后报精度.     

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。     

西北太平洋台风浪数值模拟

台风浪的研究对于船舶航行、港口、海洋和近岸建筑物的安全有着重要的现实意义。应用经验公式(MEF)和大风风圈反推(MGCR)两种方法计算最大风速半径,并基于Jelesnianski2型风场模式、藤田气压模式导出的风场模式、藤田气压场和第三代深海波浪模型(WAVEWATCHⅢ)进行了台风Winnie引起的台风浪的后报,将后报值与实测值进行了详细的比较和分析。结果表明:台风期间,MEF模拟出的西北太平洋海域风浪场变化合理,数值模拟结果与实测资料吻合良好,3个波浪测站的有效波高对比误差约为10%,而MGCR模拟结果误差偏大。因此,MEF的模拟结果能够为船舶、海洋与海岸工程的设计提供科学的依据。     

北■海域台风浪数值预报模式的应用和发展

北海域位于东海南部,为灾害性台风浪的频发海域,直接影响本海域的台风,平均每年为３次,给社会经济带来了很大的危害。本文主要是在应用“八五”攻关成果的基础上,利用历史资料,筛选出一套适合于北海域的台风浪数值预报模式,并试图对它进行优化和发展：①在计算时,将采用（１／４）°×（１／４）°的细网格;②在边界条件的处理上,将扩大计算区域,把大区域得到的结果作为本海域的边界条件;③优化海上风的预报模式,以提高风场的预报精度,进而提高浪场的预报精度;④调整地形信息场,预报海浪数值预报模式调用。经过对９７年影响本海域的两次台风过程的试预报,预报效果令人满意,模式的运行也很稳定。海浪数值预报模式得出的结果,可以为防台减灾提供科学的依据,也可供海浪经验预报和海洋工程作参考。     

基于SWAN模式的“灿鸿”台风浪数值模拟

以第三代海浪模式SWAN(simulating wave nearshore,近岸海浪数值模型)为基础,构建了东中国海海域波浪数值模式,并以高时间、空间分辨率的CCMP(cross calibrated multi-platform,多平台交叉校正)风场作为驱动风场进行波浪计算,模拟了1509号"灿鸿"台风的波浪过程。同时,对SWAN模式中的底摩擦参数化方案、波浪破碎参数、风能输入与白冠耗散、波-波非线性相互作用等因素对台风浪模拟的影响进行了分析,并对模式中的各影响因素给出了建议。模拟结果与浮标实测有效浪高数据(舟山朱家尖站、南麂岛站、舟山外海站、温州外海站)两者之间的偏差较小,表明本研究所建立的模式以及选择的参数合理,SWAN和CCMP风场的结合能满足海洋波浪数值模拟的需求。本研究对于台风浪数值预报具有参考意义。     

厦门湾台风浪场数值模拟

利用国际上先进的第3代海浪模式SWAN,充分考虑风能量输入、白浪效应、水深诱导的波浪破碎、底摩擦、波一波间的非线性相互作用等物理过程,以0604号“碧利斯”台风为例,模拟了厦门湾台风浪场的分布特征。将数值模拟结果与浮标测站实测资料对比分析,结果表明台风浪高模拟值与实际台风资料相符较好,可以为该海域台风浪的模拟提供较好的参考。     

基于浪流耦合模型的台风浪数值模拟

基于CCMP风场资料,采用无结构网格、浪-流双向实时耦合模型FVCOM-SWAVE,模拟强热带风暴"米雷"在中国近海区域产生的海浪场,将耦合模型模拟的有效波高和平均周期与实测浮标资料进行比对,发现模拟结果的各类误差总体较小,说明耦合模型能够较好地模拟考虑浪流相互作用下中国近海台风浪过程。对比考虑潮汐引起的水位变化与不考虑水位变化情况下对耦合模型模拟结果的影响,发现在近岸区域考虑潮水位情况下的有效波高和平均周期模拟结果周期性特征明显,说明潮汐对耦合模型在近岸处有效波高的模拟影响显著。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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...     

斜坡上波浪破碎与越浪非静压数值模拟

为合理确定防浪建筑物的越浪量,基于含非静水压力梯度项的非线性浅水方程建立了近岸波浪越浪数值模型。通过采用域内造波、消波并结合波前静压假定的破碎模型,模拟了规则波和不规则波在斜坡上的波浪传播变形,并在此基础上进行了越浪量数值计算。数值计算结果与物理模型实验结果表明,非静压模型可合理地描述波浪破碎点位置、破碎后的波高、增减水以及斜坡上的堤后越浪量。数值模型具有较高的计算精度和计算效率,可为实际工程防浪建筑物越浪以及堤顶高程的设计提供一种新的数值研究手段。     

波浪增减水的实用数学模型及其数值模拟

提出了一种模拟近岸区波浪增减水的实用数学模型.首先采用考虑波能损失的抛物型缓坡方程数值模拟波浪破碎引起的波浪复振幅变化,接着根据计算得到的波浪复振幅,采用一种新的辐射应力公式计算辐射应力分量,然后采用深度平均方程计算波浪破碎产生的增减水.采用该模型对规则波和不规则波破碎引起的增减水进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明该模型可有效模拟近岸区由于波浪破碎引起的增减水.     

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。     

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.     

非对称风场对台风浪模拟效果的比较研究

分析四象限非对称风场模型与叠加风场模型的优缺点,将模型结果与实测风速进行对比验证;利用上述两种风场模型分别驱动第三代海浪模式SWAN,对发生在南海海域的三场台风浪进行了数值模拟计算。结果显示:四象限非对称模型关于风速的计算值与实测值吻合度更高,尤其是当台风中心距离测站较近时;四象限非对称模型驱动SWAN模拟的台风浪精度优于叠加风场模型,适用于南海台风浪的数值模拟。