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。     

一种台风浪的数值预报方法

本文介绍由台风实时预报气压场资料、海上风的数值模式和台风浪数值模式三者构成的一种台风浪数值预报方法.在西北太平洋-中国近海20m以上深水区采用1°×1°网格“新型混合型海浪数值模式”^[1,2],而在南海和东海近海台风浪多发区内(含浅水区),分成若干小区块,采用(1/4)°×(1/4)°细网格,分别嵌套浅水WAM模式^[3].小区域的边界条件由大区域得到的计算结果提供.该方法经过1990、1991、1992年的试报^[4]、改进和完善后,于1993年6月开始进入国家海洋预报台的海浪预报业务.已对22个台风过程的台风浪进行模式跟踪预报,即准业务化预报.该方法运行稳定、预报结果也令人满意.1994年7月10日该方法的数值预报产品已在中央电视台午间新闻播出.     

合成孔径雷达影像反演台风浪的研究

台风浪的研究对于船舶航行、避风以及港口、海洋和近岸建筑物的安全有着重要的现实意义.本文选用台风“莫拉克”(MORAKOT)发生时的ERS-2卫星的合成孔径雷达(SAR)海面影像为例进行了相关研究,采用遥感软件和Matlab编程相结合,得到了台风浪的主波波长、波向和周期.与同实测资料吻合较好的Mike21软件的数值模拟结果相比较,效果良好.     

0908号台风“莫拉克”影响期间福建西沙湾海域台风浪的数值模拟

联合SWAN模型和改进的椭圆型缓坡方程,结合考虑台湾海峡地形效应的改进藤田公式风场模型,建立了台湾海峡及近岸波浪场的数值嵌套模式.边界采用波谱离散驱动,模拟了0908号台风“莫拉克”期间台湾海峡波浪场的演变和崇武西沙湾浅水台风浪传播的物理过程.以实测数据进行单点验证表明,整个模拟过程风速的平均绝对误差为3.38 m/s,波高的平均绝对误差为0.30 m,计算结果较好地反映海峡内波浪对台风的响应过程.“莫拉克”台风登陆台湾岛时,台湾海峡有效波高最大值为5.0m;台风中心进入台湾海峡后,海峡东北部为巨浪到狂涛,有效波高最大值可达10.5 m.接近福建崇武沿岸时,偏E向台风浪向西沙湾内近岸传播,发生浅化、破碎、反射、绕射等变形现象,有效波高最大不足2 m,最小仅为0.2m,波向趋于SE向,波峰线则趋于与峡湾岸线平行;崇武闽台贸易码头附近,大部分波浪受到阻挡作用发生反射,少部分发生绕射,使得码头以北水域波浪较小,有效波高仅为0.2 ～0.6 m,对湾内避风坞起到较好的保护作用.     

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。     

基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的一次冷空气过程海浪场模拟研究

以具有高精度和较高分辨率的CCMP (Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场驱动第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-Ⅲ),对2009年1月12日前后的一次冷空气所致的中国海海浪场进行数值模拟,并在国内首次利用来自朝鲜半岛的观测资料对模拟数据的有效性进行检验.研究发现:(1)以CCMP风场驱动WW3海浪模式,可以整体上较好的刻画出此次中国海范围由冷空气造成的海浪场,模拟的有效波高(SWH——Significant Wave Height)精度接近高度计的观测精度,系统上稍大于高度计反演的SWH,模拟的SWH和观测值相比略有滞后的现象,观测数据跳跃较为明显,而模拟数据的走势则更为平缓;(2)此次冷空气过程中,第一岛链以内的海域的海浪场与风场具有较好的一致性,第一岛链以外的大洋中,海浪场与海表风场的对应关系明显不如第一岛链以内,以菲律宾以东的洋面最为显著的.     

台风“Megi”(2010）过程中海浪的特征及其对大气海洋的影响研究

使用海-气-浪耦合系统模拟了台风"Megi"(2010)过程中海洋与大气变化过程,重点研究了台风浪的有效波高、波周期、波向和波长等波参数的分布特征,并通过一组针对海浪的控制试验检验了海浪对台风及海洋环流的影响状况。结果表明:台风过程中的海浪有效波高最高达到了12 m以上,波高高值区域在移动方向的右前方;台风中心附近的海浪波长最长,周期最大,谱峰周期大于平均周期,谱峰波向较平均波向向右偏转了15°～20°。通过与未耦合海浪模式的控制试验对比发现,通过拖曳作用,海浪调节了海面风速的大小,使得台风后部风速减小约3～5 m/s;同时,由于海面粗糙度的增加,台风内核区域潜热通量有所增加,最大达到了15%。另外,海浪的加入加剧了海洋混合,导致了更大程度的降温,模拟值更接近实况值,同时也改变了海流的方向,影响了SST等海洋热动力状态模拟的准确性。     

两种海浪模式对一次冷空气海浪场过程的模拟比较

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,分别驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III)、SWAN(Simulating WAves Nearshore),对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟,就冷空气海浪场的特征进行分析,并对比分析两个海浪模式的模拟效果,以期可为防灾减灾提供参考。结果表明:(1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式,可以较好地模拟发生在东中国海的冷空气海浪场过程,两个模式模拟的有效波高都具有较高精度,SWAN模拟的有效波高明显小于观测值和WW3模式的模拟值。(2)冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间,波向与风向保持了较好的一致性,且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性,海浪以风浪为主导。(3)冷空气进入渤海,相伴着出现了大风过程,但由于海域狭小,大风范围较小,大风中心的风速仅12 m/s左右,相应波高也在1.0 m左右。冷空气南下进入黄海中部时,黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上,相应区域的波高在4.5 m以上,高值中心可达5.0 m以上,波向和风向都以北-东北向为主。冷空气南下行进至南海北部海域时,强度大为减弱,风速的和波高的相对大值区分布于台湾岛周边海域,尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

South China Sea wave characteristics during typhoon Muifa passage in winter 2004

The responses to tropical cyclones of ocean wave characteristics in deep water of the western Atlantic Ocean have been investigated extensively, but not the regional seas in the western Pacific such as the South China Sea (SCS), due to a lack of observational and modeling studies there. Since monsoon winds prevail in the SCS but not in the western Atlantic Ocean, the SCS is unique for investigating wave characteristics during a typhoon’s passage in conjunction with steady monsoon wind forcing. To do so, the Wavewatch-III (WW3) is used to study the response of the SCS to Typhoon Muifa (2004), which passed over not only deep water but also the shallow shelf of the SCS. The WW3 model is forced by the NASA QuikSCAT winds and tropical cyclone wind profile model during Typhoon Muifa’s passage from 0000UTC 16 on November to 1200UTC on 25 November 2004. The results reveal the unique features of the SCS wave characteristics in response to Muifa, such as non-decaying, monsoon-generated swell throughout the typhoon period and strong topographic effects on the directional wave spectrum.     

波浪概率模型试验方法研究

目前常用的确定性模型试验不能满足海岸工程结构可靠度设计的要求。针对设计波高、周期、作用方向和水位四个水动力因素的不确定性,提出了波浪概率模型试验及其分析方法,供实验室物理和数学模型实验应用。     

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。