基于SWAN模式的南海台风浪推算的影响因素分析

基于南海实际地形和真实的台风过程,对影响SWAN模式在南海台风浪推算中的准确性的因素进行了较系统的研究。首先对不同的模型风场进行了对比分析,结果表明一个准确的风场是正确推算台风浪的关键。同时对SWAN模式中的白冠耗散作用、风能输入与白冠耗散不同的组合方式和折射项作用等因素对台风浪推算的影响进行分析,并对模式中的各影响因素给出了合理建议。使得SWAN模式在南海台风浪推算中具有更好的适用性。     

8509号台风浪的推算与分析

1985年第九号台风在青岛地区登陆,给青岛市的工农业生产及海岸工程等各方面均造成了重大破坏。本文以现有的推算台风浪的方法,对该次台风在青岛海区产生的波浪作了推算,同时对外海波浪向胶州湾内折射进行了计算和分析,并且和实测值作了比较。由于选取了比较适当的计算方法,因而获得了比较满意的结果。文中还对台风浪推算中的一些有关问题,如台风的气压场模式,最大风速的计算及风场分布等进行了阐述。     

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。     

一种普适性的加权热带气旋风场重构方法

台风浪模拟是海洋和海岸工程中开展重现期波浪推算的关键环节。本文在系统分析历史热带气旋近中心最大风速、大风风圈以及CCMP风场特征的基础上,提出了一种热带气旋影响范围计算方案,改进了加权热带气旋风场重构方法。以该方法重构的热带气旋风场为驱动,采用WAVEWATCH Ⅲ模型模拟了南海28次台风浪过程,并用南海北部88个站次的风、浪观测资料对重构后的风场及模拟浪高进行检验。检验结果显示:风速(台风浪高)的重构值(模拟值)与观测值吻合良好,改进后的加权热带气旋风场重构方法有较强的普适性。     

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。     

滨海核电可能最大台风浪的推算

采用当前国际流行的第三代波浪模式SWAN探讨了滨海核电工程可能最大台风浪的计算,并分析了可能最大台风浪与相伴随的可能最大风暴潮成长规律.分析得可能最大台风浪通常滞后可能最大风暴潮增水峰值,推算得到的可能最大台风浪高于遮浪海洋站观测到的最大波高,为滨海核电工程可能最大台风浪的推算提供参考.     

台湾岛邻近海域台风浪的模拟研究

基于目前国际上较为先进的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Near-shore)。在充分考虑相关物理过程（风生浪，底摩擦，白帽耗散，深度诱导波破碎，非线性波－波相互作用）基础上，以较高的分辨率对影响台湾岛邻近海域的9015号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同化相应台风资料后提供；用自嵌套方式提供模式波谱边界条件。模拟结果与实际台风浪资料相符较好。台风过程模拟结果表明；台风中心位于台湾岛邻近海域的不同位置，台风浪有效波高的分布特征和传播方向都有着较大的差异。可以为整个台湾岛邻近海域台风浪分布特征的了解与认识提供较好的参考。     

对南海台风浪的探讨

本文根据1964年至1987年在南海产生发展的台风的风场资料以及波浪观测结 果,总结出处于不同发展阶段的南海台风浪分布的模式以及相应的波高预报关系 式。 结果发现（1）在南海台风的初生阶段,台风区内的波浪主要属于风浪性质。 （2）在南海台风的发展阶段,台风区内的波浪是一种混合浪,风浪的主浪向沿着 风向从台风边缘向内传播,它是对数螺线,而涌浪则是从台风中心附近最大风速区 内向外散播,台风区内的浪主要是这两种浪的叠加。（3）在南海生成的台风内的 波高分布与西北太平洋台风不同,但当西北太平洋台风移入南海后,其波高的分布 逐渐变为与在南海生成的台风的波高分布相接近。（4）台风在广东及海南登陆后, 其台风浪的减弱情况随登陆地段而有不同。 最后用香港横栏岛和南海北部的一些波浪自记仪记录以及沿岸海洋站的波浪 观测结果对预报作了验证,波高的预报值与观测值符合比较良好。     

叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究

根据经验风场与NCEP再分析风场的优缺点,采用两者相叠加的方式构造了一种叠加风场,与实测风速资料对比验证显示该风场精度较高。以叠加风场数据为输入,采用WAVEWATCH Ⅲ模式对南海海域有显著影响的8场台风进行计算,结果显示叠加风场计算南海台风浪具有较高的精度和可靠性。     

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。     

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。     

应用现行台风域内气压场模式的一点看法

台风潮动力数值计算结果的好坏,在很大程度上依赖于台风域内气压场和风场模式的优劣。而台风风场模式,一般说来,更直接地依赖于气压场模式。因此,对台风域内的气压分布进行讨论,对于提高台风潮数值计算精度并不是多余的。下面仅就比较流行的三个模式做一讨论。     

1979-2018年间山东半岛沿海台风浪危险性分布的数值模拟研究

台风浪灾害在山东半岛沿海时常发生,对人类生命财产和基础设施构成很大威胁,因此,对山东半岛海域台风浪的危险性分析具有重要的现实意义。本研究使用ADCIRC+SWAN耦合数值模式采用Holland模型风场与NCEP再分析风场组合的风场驱动,对1979—2018年36次台风过境期间的海浪过程进行了模拟。以台风过境时最大有效波高及历时频数作为危险性评价指标,给出了山东半岛近岸台风浪强度等级分布、历时频数分布以及危险性指数分布。研究结果显示,山东半岛北部为台风浪低危险区,台风浪强度等级低且历时短;南部二级强度（有效波高范围为1.3—2.5m）以上台风浪发生较为频繁,危险性高于北部;东部台风浪强度可以达到四级（有效波高4m以上）,危险性最高。     

卫星高度计波高资料的同化试验分析

结合经验的台风风场模型和NCEP再分析资料构造了南海台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式的输入模拟了1999年约克(York)台风经过南海时所产生的台风浪场.模拟结果显示,尽管文中构造的南海台风风场比较接近真实的风场,但模拟出的台风浪场相对于TOPEX/Poseidon高度计的观测波高仍有一定差异,因此进而采用了一种简单的最优插值同化方法,开展了波高资料的初步同化试验.试验结果显示,资料同化显著地改进了海浪模式的(后)预报精度,而这种改进在涌浪区更加显著,同化有效维持时间大约是43h.     

基于SWAN模型的南中国海“莫拉菲”台风浪研究

我国的水运工程建设频繁受到台风浪的侵袭。为了对台风浪的防灾减灾提供有益帮助,本文基于第三代海浪模式SWAN建立了南中国海台风浪数值模型,并以“0906”号台风“莫拉菲”为例对模拟结果进行了分析。结果表明,台风风场与波浪场相似,即大小均由中心向外围递减,方向均为逆时针旋转;台风风场呈圆对称分布,而波浪场由于受到海底地形与岸线影响,呈现椭圆对称分布。有效波高等值线亦从中心向外围递减,且形状受地形与岸线影响较大。对台风浪组成机制的探讨结果显示风浪和涌浪均可组成台风浪,且海底地形与岸线(例如岛屿效应)亦对台风浪特性有所影响。     

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。     

不同台风合成风场方案在南海的适用性研究

我国南海地区常受台风侵扰,台风场是研究台风浪灾害以及风暴增水灾害的必要条件之一。因遥感风场存在台风大风圈附近风速明显偏小的问题,所以在台风场相关研究中,多采用台风模型风场和背景风场相结合的方式——即合成风场。本文选取南海相关研究中常用的3种台风场模型,对比其特点,并采用NECP CFSR作为背景风场,将合成风场和实际观测风速进行对比,结果显示在南海地区采用Jelesnianski模型得出的风场和实际风场吻合度最好,建议在该风场基础上考虑南海的地理特殊性,进行台风场模型的改进。     

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。     

最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用

由经验的holland台风模型和NCEP再分析风场资料相结合构造出南海台风风场，结果较好地符合了TOPEX／Poseidon(T／P)卫星高度计观测的风速分布。以此作为第三代海浪模式的输入风场，模拟了1999年约克(York)台风经过南海海域的台风浪，并利用T／P卫星高度计观测的有效波高资料对模式进行同化。结果显示，同化影响半径取为2000km效果较好，同化影响时间是35h，同化改善了模式预报的精度。     

人工神经网络技术在台风浪预报中的应用

利用人工神经网络中的BP算法，结合南海硇洲岛海区近30年的台风及台风浪资料，经预期因子的选择并作对比试验，建立了本海区较为理想的台风浪人工神经网络预报模型。结果表明：人工神经网络方法在台湾浪的预报上，有较好的拟合历史台风浪高的能力，利用该模型对台风浪高的预报也达到了一定的精度。为实际台风浪浪的预报增加了新方法、新思路。