不同类型台风气象场对深圳近海海域风暴潮模拟的比较研究——以台风“山竹”为例

台风引起的风暴增水严重影响沿海地区的生产生活,是造成经济损失最严重的海洋灾害之一。深圳市位于中国南海北部沿岸,是易受风暴潮灾害影响的区域,对深圳近海海域风暴潮开展研究不仅能够提升对风暴潮物理机制的认识,同时对沿海城市有效防灾减灾预警有重要意义。在风暴潮模拟研究过程中,台风气象场是风暴潮模拟准确与否的关键因素。本文针对深圳近海区域海洋环境,以海流模型FVCOM(finite volume community ocean model)和海浪模型SWAN(simulation wave nearshore)为基础,建立了区域风暴潮–波浪耦合模型,分别用再分析气象数据(European center for medium weather forecasting,ECMWF)、理想台风模型(Holland)及大气模型台风模拟结果(weather research and forecast,WRF)作为驱动场条件,对台风“山竹”期间的风暴潮过程进行模拟。结果表明:分辨率较低的ECMWF再分析气象数据难以准确体现台风水平结构,从而导致模拟误差;Holland气象场在整体上能够对台风“山竹”进行准确模...     

珠江口伶仃洋风暴潮传播特性及影响因素数值模拟研究——以台风“山竹”为例

基于FVCOM海洋模式对珠江口伶仃洋内及周边海域的风暴潮增水传播过程进行研究。首先,建立珠江口风暴潮模型,采用超强台风“山竹”作为典型案例进行风暴潮过程模拟,并对模型的计算结果进行验证,发现模拟结果和测站潮位结果比较吻合;然后,对伶仃洋在“山竹”登陆前后的风暴潮增水过程的时空分布及变化特征进行分析。从伶仃洋湾口到湾顶选取12个点进行时间序列分析,发现除了因距离外海远近不同导致的相位差异外,基本特征相似,符合国际上类似海湾内的风暴潮增水波动特征,可分为初振段、主振段和余振段。为了进一步研究台风参数差异对伶仃洋风暴潮增水的影响,本文基于“山竹”超强台风的特征参数,设计了一系列变化条件下的数值试验,结果发现：（1）台风的登陆时间会影响到风暴潮增水和天文潮之间的相位关系,进而影响到增水的大小。如果风暴潮增水极值正好在天文潮高潮位,风暴潮增水就会削弱,而风暴潮增水正好在天文潮低潮位,风暴潮增水就会增强。（2）台风中心压差决定了台风风力的大小,从而影响风暴潮增水。但是在同一海湾内的影响在空间上并不相同,在较浅区域影响大而较深区域影响小。（3）台风路径会对风暴潮增水产生较大影响。基于“山竹”的路径,...     

台风风暴潮气压项作用探讨

在台风风暴增水过程中,风应力占主要作用,气压项的作用要上对较小,许多风暴潮预报模式中气压项被忽略。本文在建立台湾海峡风暴潮预报模型的基础上峄台风气压项作用进行了模拟,结果发现在台湾海峡狭长的海域内,台风气压项的作用表现得较为特殊,在台风风暴潮模拟过程中,应考虑其贡献及大小。     

珠江河网1822号台风“山竹”期间风暴增水模拟及特性分析

基于ADCIRC模式和Holland台风模型,建立精细化珠江口风暴潮数学模型.针对2018年台风“山竹”在该区域的灾难性影响,模拟其在珠江河网引起的风暴增水过程,并着重分析了八大口门水道增水的时空分布特征和成因.结果 表明:珠江口外海最大增水和2m以上增水整体由外海向口门、东南向西北增大,最大增水范围为0.5～3.0 ...     

台风"科罗旺"风暴潮分析

0312号台风“科罗旺”引起的风暴潮灾害是湛江市自1980年以来最严重的一次,该文以台风移动路径、登陆点、风力及气压等气象数据为基础,运用动力学、水文统计学等相关知识,对风暴潮的成因、潮位、增水等特性进行初步分析,得出联系台风与风暴潮之间的一些规律,表明了台风的风力、中心气压、登陆位置和大风持续时间对风暴潮的产生有重要的指示作用。     

台风对珠江口风暴增水的影响分析

珠江口沿岸风暴潮灾害频发,且受台风影响显著。本研究对珠江口赤湾站近30 a(1990—2019)的极端增水进行了分析。结果显示:近年来该区域年平均增水没有显著变化,但极端风暴增水(99.9%分位数)强度显著增强(1.62cm·a^–1),意味着极端风暴潮灾害强度不断变大;在这30a里,有20a的年最大增水发生于台风期间(占66.7%),2018年超强台风“山竹”引起的增水峰值达254cm,为近30a最大的风暴潮灾害事件;增水对台风的最大响应距离约为500～800km。在台风影响范围内,增水强度与台风强度呈近似的线性关系,与距台风中心距离则呈指数关系。分别利用台风强度的不同指标(台风中心最低气压、最大风速和最大风速半径),结合观测站距台风中心的距离,对增水进行拟合,发现风速与距离组合对风暴增水的刻画效果最好[S_w=3.23e^–0.0036D×(Γ_w–3.90)+4.48,R²=0.78,RMSE=9.69cm]。这些研究结果可提升对珠江口风暴潮灾害的认识,为台风风暴潮模拟提供验证资...     

台风“凡亚比”在台湾海峡所引起风暴潮的数值模拟

基于FVCOM海洋模式,利用台风模型构造的风场作为大气强迫,模拟了台风凡亚比经过台湾海峡时引起的风暴潮过程。分析了水位、流场等要素对台风的响应。结果显示:模拟的风暴潮水位与实测水位吻合较好,误差较小,从侧面验证了近岸水位变化主要是局地风场造成;台风凡亚比造成台湾海峡大部分区域出现显著增水,大陆沿岸作为迎风区,增水最为明显,增水最大值达到2m以上,增水主要受到风场和地形的影响;表层风生流场与Ekman风生漂流特征一致;大陆沿岸风暴潮的先兆波振幅在20~30cm,余振阶段并不明显。台风造成的表层平均流方向在近岸平行于岸线,流速加强,在海峡中间形成非闭合逆时针流动,流向与跨越海峡过程中台风最强时的风场方向一致。     

珠江口地区台风风暴潮的数值模拟试验

本文选取了3个珠江口对造成严重风暴潮灾害的南海西北向路径的台风作为个例,利用国家海洋环境预报中心建立的业务化的台风风暴潮模式进行风暴潮后报检验.将结果与珠江口地区三个验潮站实际观测资料进行对比发现:模式的后报效果比较理想,对业务预报中最为关心的最大风暴增水值模拟较好,说明该模式对模拟这类型路径台风引起的风暴增水有较好的预报适用性.并且进一步发现:强度越大的台风,增水峰值模拟效果越好;该地区各验潮站的最大增水通常发生在台风中心距离验潮站最短的几个小时内.     

浙江沿海超强台风作用下风暴潮增水数值分析

基于河口海岸水动力二维数值模型,建立风暴潮与天文潮耦合作用的数值模式,通过三次强台风和二次超强台风引起的风暴潮增水模拟和分析,证实该模式可用于浙江沿海增水预测.以1949年以来登陆我国大陆沿海最强的"5612"号台风作为典型的超强台风,利用本模式计算分析了超强台风在浙北至浙南5个不同地点登陆遭遇大潮时可能出现的风暴潮增水过程和最大增水,该结果对于海岸工程的防护具有实际的意义.     

2010年登陆福建漳浦县台风的风暴潮特征分析

2010年连续三个台风在福建漳浦县登陆,创造了一年登陆当地台风个数的新纪录,并引发了严重风暴潮灾害.本文对比分析了三个台风风暴潮特征,结果表明:(1)三个台风风暴潮都具有开阔海域增水特征,最大增水出现在右半圆,并向两边递减;最大增水时空分布与台风移动路径和海岸地形相关,在南路“鲇鱼”和“狮子山”登陆后的偏南风作用下,湾口朝南的浮头湾出现过程最大增水,出现时间在台风登陆后;东路“凡亚比”台风在穿过台湾岛靠近沿海过程中,持续增强的偏东风,使湾口朝东的九龙江口出现最大增水,出现时间为台风登陆时刻;最大增水与台风登陆时的强度成正比;(2)东路的台风引发的增水出现在台风进入台湾海峡后,各站最大增水峰出现时间集中且明显;南路台风引发增水出现时间较早,持续时间长,最大增水峰不明显,过程最大增水出现在台风登陆后的局部区域.     

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。     

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。     

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.     

基于GPU技术的风暴潮集合预报

台风预报的准确性在风暴潮预报中起着重要作用。台风强度和路径的不确定性意味着使用集合模式来预报风暴潮。本文利用中央气象台的最优路径台风参数驱动国家海洋环境预报中心业务化的水动力学模型,开展华南沿海的风暴潮模拟,模式模拟结果与实测吻合较好。为了改进计算效率,采用CUDA Fortran 语言对模型进行了改造,改造后的模型在计算结果与原模型基本一致的基础上,计算时间缩短了99%以上。通过融合欧洲中期天气预报中心（ECWMF）的50条路径与3种可能台风强度构造出了150个台风事件,并用150个台风事件驱动改进的风暴潮数值模型,计算结果可以提供集合预报产品和概率预报产品。通过“山竹”台风风暴潮过程可以发现集合平均预报结果和概率预报结果与实测吻合较好。改进的数值模型可以运行普通工作站上,非常适合风暴潮集合预报,并且可以提供更好的决策产品。     

WRF模式空间分辨率对南海台风模拟的敏感性分析

为准确模拟南中国海台风路径和强度,对建立的WRF模式开展水平和垂向网格分辨率的敏感性分析。水平网格分辨率分别采用5 km,10 km,20 km,30 km以及15 km和5 km的嵌套方案等5种情况,垂向网格分辨率采用35层、28层和20层等3种情况,顶部最大压强采用1000 Pa,2000 Pa,3500 Pa和5000 Pa等4种情况,针对台风"启德"的路径和强度进行模拟分析。对不同条件组合下的台风路径、风速和海面压强进行对比,发现水平和垂向网格分辨率对台风路径的影响比较有限,对台风强度的影响相对显著。基于高精度空间分辨率模拟得到的台风强度与实测值吻合更好,采用嵌套网格技术对计算结果精度的提高效果显著。采用35层的垂向分辨率得到的模拟结果明显优于基于20层和28层得到的模拟结果。经过对比分析,确定适用于本研究的最优参数设置：水平空间分辨率采用15 km和5 km的双向嵌套网格方案;垂向分层为35层,顶部最大压强为2000 Pa。     

基于WRF-SWAN耦合模式的台风“威马逊”波浪场数值模拟

获取高分辨率的风场数据和气压场数据是精确模拟台风浪的基础,采用经验公式构建台风风场和气压场对海浪模式进行驱动,无法反映台风影响下海气动力过程,难以提供高精度的风场、气压场数据。本文基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting model)和第三代海浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore model),构建了南中国海地区大气—海浪实时双向耦合模式,针对超强台风"威马逊"进行数值模拟。将数值模拟结果与现场观测结果及卫星高度计观测结果进行对比验证,验证结果表明,本文建立的WRF-SWAN耦合模式在对台风"威马逊"影响下的南中国海台风浪的模拟中展现出较高的模拟精度,揭示了台风风场分布和台风浪分布在空间上的"右偏性"不对称分布特征及其形成机制。基于WRF和SWAN建立的大气-海浪实时双向耦合模式能够准确模拟台风动力过程以及台风浪的时空分布特征,可以推广用于南中国海地区台风浪的模拟分析。     

大气-海洋-海浪耦合同化模式在台风过程模拟中的应用

基于MCT耦合器,利用中尺度大气模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN,实现大气、海洋和海浪的三者实时耦合计算,同时采用卫星微波辐射资料AMSU-A,通过WRF大气模式的资料同化模块WRFDA,实现对风场模拟的连续同化,从而建立起大气-海洋-海浪耦合与卫星数据同化的W-F-S-A耦合同化模式。将该模型应用于2014年台风“威马逊”的数值模拟,并与其他模型进行比较。结果表明,W-F-S-A耦合同化模式对于台风路径和风速的模拟结果优于单独耦合和单独同化结果,并且可以较好地模拟上层海洋对台风的响应特征。     

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。     

台风海面风场动力诊断模式的建立与模拟计算

本文总结和归纳了已有的台风海面风场模式,按照风场模式物理背景的不同进行了分类．在此基础上,本文选择并建立了一种新的台风海面风场动力诊断模式．首先,利用台风影响范围内某条具有代表性的闭合等压线的拟合方程表示出台风海面气压场,并利用改进的气压场模式和修正的梯度风方程求得台风系统风场,同时还利用宫崎正卫的热带气旋合成风假设建立移行台风风场．然后将两者作权重订正后进行迭加,即得到台风模型风场．该模式考虑了包括台风气压场的非对称性、边界层摩擦效用、气压梯度的切向变化及台风中心移动的影响等多种因素．经过对0519号“龙王”台风的模拟,结果表明本文所建立的台风风场模式可以比较准确的模拟出非圆对称的台风海面气压场和海面风场,较为真实地反映实际台风风场的特征．