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.     

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。     

2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

为了分析海面风场资料的实用性,利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模拟了2008年东海海面风场,并比较了WRF模拟结果与QuikSCAT卫星散射计资料的差异.结果表明,两种资料均能反映东海海面风场的季节性变化特征,台风月风速偏差波动较大.分析四个台风个例发现,当台风较弱时,两种风场资料分布情况较一致;当台风较强时,两种资料均有不同程度的偏差,在近海区域,WRF模拟结果相比QuikSCAT资料更好地描述台风周围风场特征.     

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。     

台风“菲特”期间T639预报风场在东中国海的有效性检验

海表风场是航海、海洋工程及防灾减灾等都十分关注的海洋要素之一,本文利用来自台湾地区和韩国的风速观测资料,检验了台风"菲特"及一次冷空气过程期间T639风场预报产品在东中国海的有效性。结果表明:(1)台风"菲特"和冷空气期间,预报风速与观测风速在曲线走势上保持了较好的一致性。(2)从相关系数来看,各个观测站的预报风速与观测风速都表现出较为密切的相关性;从偏差来看,预报风速略高于观测风速;从均方根误差和平均绝对误差来看,误差也都在可控范围之内。(3)台风"菲特"期间,T639预报风场对台风眼、台风尾迹等气旋性特征刻画得较为形象,外埔气象站、东吉岛气象站和兰屿气象站受台风影响较为显著,淡水气象站、金门气象站和绿岛气象站受台风的影响则偏弱。T639预报风场对南下的冷空气过程同样有着较好的体现,对风向和风速都有很好的模拟。     

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.     

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。     

星载SAR对雨团催生海面风场的观测研究

雨团或对流雨是热带与亚热带地区的主要降雨形式,较易被高分辨率星载合成孔径雷达（SAR）探测到。SAR图像上的雨团足印是由大气中雨滴的散射与吸收、下沉气流等共同导致形成的。本文以RADARSAT-2卫星100 m分辨率的SAR图像上雨团引起的海面风场及其结构反演与解译作为实例进行分析。使用CMOD4地球物理模式函数,分别以NCEP再分析数据、欧洲MetOp-A卫星先进散射计（ASCAT）和中国HY-2卫星微波散射计的风向为外部风向,进行了SAR图像的海面风场反演。反演的海面风速相对于NCEP、ASCAT和HY-2的均方根误差（RMSE）分别为1.48 m/s,1.64 m/s和2.14 m/s。SAR图像上一侧明亮另一侧昏暗的圆形信号图斑被解译为雨团携带的下沉气流对海面风场（海面粗糙度）的改变所致。平行于海面背景风场其通过雨团圆形足印中心的剖面上的风速变化可拟合为正弦或余弦曲线,其拟合线性相关系数均不低于0.80。背景风场的风速大小、雨团引起的风速大小以及雨团足印的直径可利用拟合曲线获得,雨团足印的直径大小一般为数千米或数十千米,本文的8例个例解译与分析均验证了该结论。     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

台风的海面气压场和风场模拟计算

本文采用台风中心资料、地面天气图及部分台站的观测资料，使用改进的藤田气压模型和Myers气压模型，对1996年9月9日11时在广东吴川——湛江登陆的9615号(Sally)台风海面风场进行了数值计算，求得台风域内的风速分布，并和实测资料进行了比较。结果表明，改进后的台风气压模型对台风海面气压场和风场的模拟计算是可取的。     

南海海面风速季节特征的卫星遥感分析

利用ＧＥＯＳＡＴ卫星高度计于１９８６年１１月至１９８９年３月;司所测的南海海面风速资料,统计分析了南海海面风速的统计特征以及海面风场的分布特点。分析结果表明：南海海区风速受各种天气系统（如季风、台风、副热带高压等）的影响显著,表现为春、夏、秋季平均风速较小,冬季较大,风场分布呈现出夏季南部大,北部小,其他季节为由南向北增强的分布趋势,并在１０°Ｎ,１１０°Ｅ附近海区各季都有一较为稳定的高风速区,其范围大小和中心位置随季节略有变化。     

ERA-Interim和ERA5再分析风资料在中国近海的适用性对比研究

全球再分析海面风资料在波浪模拟和风能资源评估等研究中发挥着重要作用，但风场资料种类繁多，且准确性在不同海域差异较大，使用时需要进行适用性分析。本文基于欧洲中期天气预报中心的ERA5和ERA-Interim再分析风场，利用多个站点的实测数据，分析了其在中国近海的适用性，并将再分析风场输入FVCOM-SWAVE波浪模型，对比了它们在常风天和台风天对波浪模拟的效果。结果表明：（1）常风天条件下ERA5和ERA-Interim资料在中国近海表现相似，风速较实测值略偏大，均能基本反映海表面风场变化和平均风速分布，吻合度指标在各站点均超过0.9;(2) ERA5对台风的模拟显著优于ERA-Interim，能较好模拟台风风速结构，对不同台风模拟精度差异大，整体上会低估台风风速；（3）风场质量是造成波浪模拟误差的主要原因之一，ERA5和ERA-Interim均能较好地模拟常海况下的波浪变化情况，而在台风浪的模拟中ERA5更优，“双台风”现象对风速和波浪的模拟准确度影响大。     

Sentinel-1卫星合成孔径雷达获取第一幅台风图像

In this note, we present the first Sentinel-1 synthetic aperture radar(SAR) typhoon image acquired in the northwest Pacific on October 4, 2014. The eye shape and sea surface wind patterns associated with Typhoon Phanfone are clearly shown in the high-quality SAR image. SAR winds retrieval procedure was given but the actual wind estimates will only be available after the European Space Agency(ESA) releases the official calibration coefficients in order to accurately derive the SAR-measured normalized radar cross section. This study demonstrates the advantage of Sentinel-1 SAR with regards to imaging fine scale typhoon patterns on the sea surface beneath storm clouds. This paper also advocates the use of Sentinel-1 SAR data that is made freely and openly available worldwide for the first time in civilian SAR history.     

"苏拉"和"达维"双台风过程中台风浪和海温的数值模拟

本文基于FVCOM-SWAVE耦合模型,以双台风"苏拉"和"达维"的台风过程为例,研究了台风过程中海浪和海温的变化,通过与高度计和Argo资料的对比,发现耦合模型能较准确的模拟出有效波高和海表面温度。由于双台风风场相互作用,风场结构和最大风速位置发生改变,影响着有效波高的分布,台风"苏拉"产生的最大有效波高位于台风后侧。海表面温度的降低与风场、浪场分布密切相关,强风强浪处的降温现象更明显,"苏拉"产生的降温区域位于路径附近,"达维"产生的降温区域位于路径右侧。台风对海表面温度的降低与初始的混合层厚度、温跃层强度存在相关性,具体表现为初始的混合层越薄、温跃层强度越大,降温越明显。     

降雨对SAR风场反演的影响及校正

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）在风场反演中发挥着重要的作用,但由于受到降雨的影响,海面风场的反演精度会随之下降。本文利用Radarsat-2 SAR观测数据,准同步降雨数据和再分析风场资料对2014年台风"威马逊"外围风场受降雨影响的情况进行了分析,建立了雨致海表阻尼后向散射系数受降雨强度,入射角等因素影响的拟合模型,并对降雨引起的信号衰减,后向体散射进行了评估。实验发现雨致海表面阻尼作用抑制风致海面波的影响十分明显,且降雨造成的信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增加,雨滴产生的后向体散射和雨致海表阻尼作用造成的后向散射系数变化随降雨强度的增大而增加,随入射角的增大而减小。实例表明本文建立的模型能够有效改善降雨条件下SAR风场的反演精度。     

基于SAR图像雨团足印的海面风向提取方法

利用地球物理模式函数进行SAR海面风速反演时,需以风向作为地球物理模式函数的输入。本文应用了一种利用SAR图像上雨团足印顺风一侧比逆风一侧明亮的图像特征的海面风向提取方法,以进行海面风速反演。4景RADARSAT-2卫星SAR示例数据风向提取结果相对于ASCAT散射计的风向均方根误差满足不大于16°。分别以本文方法提取的风向和ASCAT散射计风向作为输入,利用地球物理模式函数CMOD5进行海面风速的SAR反演,两者的风速反演结果基本一致,其均方根误差差值不超过0.3 m/s。本文利用SAR图像雨团足印信息的风向提取方法准确可靠,可应用于SAR海面风速反演。     

一种调整台风参数的方法

本文针对我国海面风数值预报和后报研究，基于现有的实测资料和前人的经验统计，就海面风模式中较敏感的风资料参数对台风最大风速半径的确定提出了一种较客观的统计方法，使之在缺乏观测资料的情况下能合理地反映海面风实况。在这之前，本文对中国《台风年鉴》１９７０年以前偏大的最大风速资料进行了合理的订正，使之在进入海面风数值模式前能真实地代表台风气候特征。