基于机器学习方法对台风浪短期预报应用

基于第三代海浪模型SWAN建立中国东海波浪数值模型,模拟1509号“灿鸿”台风,1909号“利奇马”台风和2106号“烟花”台风过境期间的波浪场,并将结果作为多层感知机,随机森林和支持向量回归预报台风浪模型的数据集,同时引入空间性特征对算法输入进行改进,并对比不同模型的训练速度。结果显示,加入空间性特征后,模型预报精度得到提升,其中多层感知机均方根误差降低40.4%,运行速度最快,随机森林均方根误差降低20.8%,运行速度最慢,支持向量回归均方根误差降低8.7%,运行速度介于前两者之间。表明改进后的模型有效提高了预报精度,可以用于针对台风浪的短期预报。     

北Shuang海域台风浪数值预报模式的应用和发展

北Ｓｈｕａｎｇ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Ｓｈｕａｎｇ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,把大区域得的结果作为本海域的边界条件;③优化海     

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。     

海南岛近岸养殖区台风浪预报技术研究

随着海南深水网箱养殖规模的不断扩大,海浪精细化预报的需求越来越紧迫。以海南岛周边海域为目标区域,基于近岸海洋模式ADCIRC(Advancedcirculationmodel)和海浪模式SWAN(Simulating WavesNearshore),建立了海南岛近岸养殖区台风浪数值预报系统。该系统采用非结构高分辨率网格,近岸分辨率达到了100m。选取2014年第9号超强台风"威马逊"(RAMMASUN)进行针对海南岛近岸养殖区的台风浪数值模拟后报。模拟结果与实测数据较为吻合。采用全球预报系统GFS(Global Forecast System)风场和气压场数据作为驱动场对2018年7月的一次热带风暴过程进行预报,48小时、24小时预报的有效波高和实测结果比较平均相对误差分别为20.75%和17.0%。总体来说,该模型的预报精度可以满足近岸养殖区台风浪预报业务的需求。     

浙江东矶列岛海域实测波要素及典型台风浪特征分析

利用东矶列岛海域一年实测波浪资料,统计分析波要素特征,以台风“利奇马”为例,分析台风浪演变过程。结果表明：研究海域年平均有效波高0.88 m,年平均周期4.3 s,年最大波高8.67 m出现在夏季台风“利奇马”影响时。研究海域以轻浪为主,其次是小浪和中浪;常浪向为ESE,次常浪向为E和SE;强浪向为SSE,次强浪向为SE。波浪平均持续时间和波高之间符合指数衰减关系。台风“利奇马”影响期间,最大谱峰56.20 m²/Hz,台风浪谱型以双峰谱为主,台风浪类型经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪—涌浪这一演变过程。     

南麂海域风浪的平均波陡与平均波龄统计分布

利用南麂海洋站１９８１－１９９０年实测波浪资料，探讨了该海域风浪的平均波陡与平均波龄的统计分布特征。分析结果：当风浪平均波陡介于０．０２－０．０４时，其出现频率各季在８２％以上；当风浪平均波龄介于０．５－１．２时，其出现频率各季在７８％以上；当风浪的平均波陡与平均波龄介于０．０２－０．０４和０．５－１．０时，其出现频率为５３．５％－６９．６％。     

海浪的特征波陡

在现有的海浪要素统计分布的理论框架下具体地推导了二维海浪波良与波长的联合统计分布,波长统计分布以及波陡的统计分布,在此基础上对上特征波陡的定义及期 承风要素的变化规律做了较为细致的讨论。     

超强台风作用下钱塘江河口的台风浪计算

基于SWAN波浪传播模型建立包含风暴潮与天文潮耦合传播的台风浪数值模型,将1949年以来登陆我国大陆沿海最强的5612#台风作为典型的超强台风,计算了超强台风沿中线和北线路径登陆遭遇天文潮高潮位时产生的沿海波高过程。结果显示:河口波高总体分布下游大于上游,北岸大于南岸,两岸代表断面堤前最大有效波高可达5.5 m;中线路径生成的近岸台风浪波高为单峰过程,北线路径时北岸的波高出现双峰过程,波高峰值与风暴高潮位并非总是同步出现,两者时间差最大为4 h;根据频率曲线分析,中线、北线路径超强台风作用下乍浦站台风浪的重现期分别为135 a和350 a;中潮时的近岸台风浪波高比大潮降低0.1~0.2 m,小潮时再比中潮降低同样幅度。这些结论对海堤工程设计和防灾减灾具有重要意义。     

东中国海台风浪分布特征研究

台风引起的大浪对海岸带及海洋工程有很大的影响。进行长时间序列的台风资料分析和台风浪模拟,对海岸带规划及海洋工程防护有一定的指导意义。本文利用西北太平洋热带气旋最佳路径数据集(CMA-STI热带气旋最佳路径数据集)中提供的台风信息,分别统计和分析了1949—2010年和1981—2010年出现在东中国海海域的台风的时间分布特征和空间分布特征,并将2个时间段的分布特征进行比较。利用高桥公式和藤田公式计算了1981—2010年间92次台风过程的气压场分布,进而计算出风场,把经过验证的风场做为驱动,通过SWAN模式计算出有效波高。经过与B22001号浮标实测资料的对比,模型计算风速和有效波高均与实测值符合较好。根据模拟计算结果,分析了东中国海海域台风浪有效波高的分布特征。     

台风浪模拟预报中的风场比较研究

在对模拟台风浪时海浪模式常用的经验模型风场和多重嵌套中尺度气象数值模式风场的结构和时间演变特征进行对比分析的基础上,分别采用这两种风场资料,应用最新版本的第三代海浪模式SWAN对Winnie(1997)引起的台风浪进行了模拟,将模拟的有效波高与TOPEX/POSEIDON和ERS-2卫星高度计资料作了详细的对比分析。结果表明,经验模型风场对实际台风风场的刻画存在诸多缺陷,这些缺陷对于台风浪的准确模拟产生了不可忽视的影响,采用模式风场试验的模拟效果优于采用模型风场的试验。论文提出了在运用海浪模式模拟台风浪时用数值模式模拟风场替代经验模型风场的必要性。     

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.     

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。     

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.     

台风作用下琼州海峡海域波浪特征分析

通过在拟建琼州海峡跨海大桥西线方案主通航孔位置布置波浪测点,采集到2012年13号台风"启德"和23号台风"山神"期间波浪数据,结合两场台风期间波浪频谱和方向谱的变化,分析了该区域在台风期间的波浪特征,并进一步对风浪和涌浪进行了判别。研究结果表明:1)台风"启德"期间,海域波浪谱峰周期在3.3⁸.0 s之间,最大谱峰值为7.92 m2/s,波浪方向为W8.0 s之间,最大谱峰值为7.92 m2/s,波浪方向为W^N向,且频谱和方向谱的变化过程反映了风浪到涌浪的转变;2)台风"山神"期间,海域波浪谱峰周期在5.0N向,且频谱和方向谱的变化过程反映了风浪到涌浪的转变;2)台风"山神"期间,海域波浪谱峰周期在5.0⁶.5 s之间,最大谱峰值为2.70 m2/s,波浪方向为E6.5 s之间,最大谱峰值为2.70 m2/s,波浪方向为E^ESE向,波浪以风浪为主;3)琼州海峡海域大周期波浪主要受到台风引起的涌浪影响,涌浪周期的范围大约在6.5ESE向,波浪以风浪为主;3)琼州海峡海域大周期波浪主要受到台风引起的涌浪影响,涌浪周期的范围大约在6.5¹0.0 s之间。     

An improved QuikSCAT wind retrieval algorithm and eye locating for typhoon

This paper proposes a rain considered geophysical model function (GMF), to be noted as GMF plus Rain. GMF plus Rain is based on the basic raidative transfer model with attenuation and scattering effects of rain on radar signal considered. Combined with the NSCAT2 GMF and the rain correction model, the GMF plus Rain model is used to retrieve the ocean wind vectors from the collocated QuikSCAT and SSM/I rain rate data for typhoon Melor. The resulting wind speed estimates of typhoon Melor show improved agreement with the wind fields derived from the best track analysis of Japan Meteorological Agency (JMA). The results imply that compared with the GMF model, the GMF plus Rain model can improve the precision of wind retrieval under the rain condition. Then, a new general algorithm of locating the eye of typhoon through the normalized radar cross section (NRCS) is proposed. The implementation of this algorithm in the ten QuikSCAT observations of typhoon Melor suggests that this algorithm is effective.     

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.     

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。     

1205号台风“泰利”影响下台湾海峡风浪特征分析

利用相对密集的海上浮标和岸基台站观测资料,分析、总结了1205号台风"泰利"影响期间台湾海峡及周边海域的风浪特征,得到如下结论:(1)台湾海峡东南海域海浪始终相对较大,过程极值出现在该区域的七股浮标;(2)台风中心位于台湾海峡中部和南部时,海峡中线浪高自台风中心向外递减,台风中心位于台湾海峡北部时,海峡中线浪高自台风中心向外递增;(3)台湾海峡西南侧1号浮标风速曲线两次出现漏斗型向下波动;(4)在13个主要浮标站点中有8个浮标的风浪经验相关系数未达到高度相关。本文从台风机构、风浪成长要素、相关天气系统、台湾海峡特殊地形、边界层风场环流等方面分析了台湾海峡的台风浪分布特征及形成机理,研究成果可为该类型台风浪预报提供参考。     

台风气压场与风场研究进展

回顾了台风气压场、风场研究的发展过程.从台风气压场与风场的理论研究、台风的不对称性结构、最大风速与变分调整方法、台风气压场与风场的数值模拟和台风作用下水汽热交换等方面的研究进展进行了综合分析与述评,并根据学科发展趋势和工程实际的需要,指出今后在台风气压场与风场的研究中应着重解决的问题和发展趋势.     

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。