长江口附近海域台风浪的数值模拟--以鹿沙台风和森拉克台风为例

利用SWAN波浪模型计算长江口附近海域的台风浪,鉴于长江河口岸界和地形复杂,拟采用曲线网格.为证实曲线网格下的SWAN模型对于复杂地形的有效性,首先选用美国特拉华大学波浪水池实验资料对SWAN模型进行检验,结果表明利用曲线网格能不过多增加计算量而提高关键区域的计算精度.以0215号鹿沙台风和0216号森拉克台风为例,将SWAN模型应用到长江口附近海域,进行台风浪的数值模拟.通过浮标测站实测资料验证,表明有效波高计算值与实测值符合良好.通过综合分析模型计算的波浪场,说明SWAN模型能合理地反映长江口附近海域台风浪的分布.     

围填海工程对渤海湾风浪场的影响

为了深入了解围填海工程对波浪场特别是风浪场的影响,针对10 a 围填海工程对渤海湾地形岸线的改变,将 SWAN(Simulating Waves Nearshore)海浪数值模式应用到渤海湾,讨论了人类大工程对渤海湾风浪场的影响.采用欧洲气象中心每天4次的风场资料作为驱动,模拟渤海湾2000年和2010年的风浪场,着重分析岸线变化显著的3个港口工程(曹妃甸、天津港和黄骅港)附近海域的波浪要素变化.研究结果表明,工程建筑物存在后,有效波高呈减小趋势,港池和潮汐通道内的有效波高减小幅度较大.港口地理位置和海底地形也与岸线变化共同影响着港口附近海域的波浪场分布.围填海工程对波浪有效波高及周期影响的程度不大,有效波高减小值在0.2 m 以下,周期几乎不变.     

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。     

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。     

基于台风风场模型的台风浪数值模拟

以CCMP风场资料为背景风场,结合藤田风场模型、Myers风场模型、Jelesnianski风场模型、Holland风场模型,分别构建全新的海面风场.基于非结构三角网格,采用第三代近岸海浪模式SWAN对2011年第5号强热带风暴“米雷”产生的台风浪进行数值模拟.比较SWAN模式模拟的结果和浮标实测数据,发现风场模型能够有效提高台风中心附近3至5倍台风最大风速半径范围内风场和台风浪有效波高的模拟精度.对比4种风场模型对应的台风浪模拟结果,发现Holland风场模型模拟的有效波高与浮标实测值最接近.     

厦门湾台风浪场数值模拟

利用国际上先进的第3代海浪模式SWAN,充分考虑风能量输入、白浪效应、水深诱导的波浪破碎、底摩擦、波一波间的非线性相互作用等物理过程,以0604号“碧利斯”台风为例,模拟了厦门湾台风浪场的分布特征。将数值模拟结果与浮标测站实测资料对比分析,结果表明台风浪高模拟值与实际台风资料相符较好,可以为该海域台风浪的模拟提供较好的参考。     

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。     

渤海湾风浪场的数值模拟

采用SWAN模型对渤海湾在定常风和非定常风作用下的波浪场进行了模拟,并利用黄骅港附近波浪统计资料对模拟结果进行了验证。结果表明：SWAN模型较好地模拟了渤海湾在定常风和非定常风作用下风浪成长和传播过程。此外,还应用ADCIRC潮流模型,初步探讨了潮流对波浪要素的影响：(1)无流存在时,波高的成长和波周期的变化是一条光滑的曲线,但当有流加入时,由于其流速和水位在一个潮周期内随时间的变化足不均匀的,其对波浪成长产生影响,使波高和周期呈不规则变化;(2)波浪成长初期,流对波高增长的影响并不明显,但当波高增大到一定程度时,流的存在对波高的影响是很明显的。     

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.     

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。     

黄海海浪天气时间尺度变化的数值模拟研究

利用第三代海浪数值模式(SWAN)系统研究了黄海海浪有效波高的天气时间尺度变化的时空分布特征和相关动力学过程。结果表明黄海海浪有效波高的天气变化强度(S_W)具有显著的时间变化特征和空间分布特征。其多年平均值在黄海的中东部存在由南向北延伸的高值区,同时向两侧近海区域逐渐减小。S_W在冬季最大,夏季最小。从11月到翌年5月,S_W月气候态平均值的空间分布与其年平均值的空间分布类似;从6月到同年10月,S_W的月气候态平均值在黄海与东海的分界处存在较强的由黄海到东海的空间梯度。进一步分析表明黄海海域的S_W以风浪占主,涌浪的贡献远小于风浪贡献。数值实验表明,黄海海浪有效波高的天气时间尺度变化主要是由大于天气变化周期的海面风强迫通过四波非线性相互作用产生的。     

Numerical simulation and preliminary analysis of typhoon waves during three typhoons in the Yellow Sea and East China Sea

In this study,typhoon waves generated during three typhoons(Damrey(1210),Fung-wong(1416),and Chan-hom(1509))in the Yellow Sea and East China Sea were simulated in a simulating waves nearshore(SWAN)model,and the wind forcing was constructed by combining reanalyzed wind data with a Holland typhoon wind model.Various parameters,such as the Holland fitting parameter(B)and the maximum wind radius?,were investigated in sensitivity experiments in the Holland model that affect the wind field construction.Six different formulations were considered and the parameters determined by comparing the simulated wind results with in-situ wind measurements.The key factors affecting wave growth and dissipation processes from deep to shallow waters were studied,including wind input,whitecapping,and bottom friction.Comparison with in-situ wave measurements suggested that the KOMEN scheme(wind input exponential growth and whitecapping energy dissipation)and the JONSWAP scheme(dissipation of bottom friction)resulted in good reproduction of the significant wave height of typhoon waves.A preliminary analysis of the wave characteristics in terms of wind-sea and swell wave revealed that swell waves dominated with the distance of R to the eye of the typhoon,while wind-sea prevailed in the outer region up to six to eight times the R values despite a clear misalignment between wind and waves.The results support the hypothesis that nonlinear wave-wave interactions may play a key role in the formation of wave characteristics.     

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。     

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.     

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.