利用WAVEWATCH和SWAN嵌套计算珠江口附近海域的风浪场*

基于CCMP(Cross Calibrated Multi-platform)卫星遥感海面风场数据,通过将WAVEWATCH和SWAN (Simulating WAves Nearshore)模型嵌套的方法,数值模拟了珠江口附近海域的风浪场。将总计10个月的数值模拟的有效波高、波周期和波向分别与相应的观测值进行了定量比较。结果说明,有效波高的平均绝对误差为15.4cm,分散系数SI为0.240,相关系数为0.925;波周期的平均绝对误差为1.9s,分散系数SI为0.433,相关系数为0.636;波向的平均绝对误差为23.9°。计算的波高和波向与观测结果的变化趋势相吻合。由于第三代海浪模式本身的缺陷,导致所计算的波周期偏小。总体说来,本文所采用的数值模式能较好地模拟珠江口附近海域的风浪场。另外,还设计了6个算例以探讨采用不同的计算方法和风场对计算结果精度的影响。结果表明使用本文的数值方法和高精度的CCMP风场确实可以提高计算结果的精度。     

基于模型风场的台风浪数值模拟

利用Ueno台风风场模型构建了1211、1214、1215号台风风场,并以此作为驱动WAVEWATCH-III海浪模式的外界强迫场,计算得出了对应的台风浪场,通过与浮标观测资料对比分析,有效波高相关性均达80%及以上,模拟结果较为理想,可有效弥补现场观测资料的不足,为海洋工程设计以及防灾减灾提供技术保障。     

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。     

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。     

台风“梅花”风浪场和涌浪场特征分析

基于第三代海浪数值模式WAVEWATCHⅢ(v3.14),在WRF模式提供模式风场驱动下,对1109号台风"梅花"的风浪场、涌浪场和混合浪场进行了数值模拟,并在我国东部沿海选取了3个关注站点,探讨涌浪和风浪波高随时间变化与台风中心位置的关系以及台风影响下海浪二维谱、风浪场和涌浪场分布和变化特征。结果表明,新版的海浪模式能较好表现福建和浙江沿海、长江口附近、山东半岛南端的3个关注区域的台风涌浪先于风浪到达的事实;距台风中心不同距离,混合浪波高的组成和波高变化不同;台风的外围区涌浪场的高值区对应着风浪场的低值区,台风的大风区风浪场的高值区对应着涌浪场的低值区,台风眼区则为涌浪区。涌浪多分布在台风风浪影响范围之外,波向由台风中心向外辐射。     

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。     

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。     

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。     

中国近海海域台风浪模拟试验

以经验台风公式和NCEP再分析风场资料为基础,通过一个权重系数构造了西北太平洋海域台风风场,并以此作为一个第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ的输入风场,模拟了2005年的麦沙(Matsa)台风浪场.由于风场的改善,模拟结果显著地提高了海浪模式的后报精度.     

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.     

基于QuikSCAT/NCEP风场的1999-2009年中国海表风场研究

利用1999年8月-2009年7月具有高精度的QuikSCAT/NCEP混合风场,对中国海海表风场的风速风向、极值风速、大风频率等特征进行分析,研究发现:MAM和SON的风速大值中心位于台湾海峡,JJA位于南海西南部海域,DJF大值区主要位于琉球群岛-台湾海峡-东沙群岛-平顺海岛一带,风向也具有明显的季节特征;极值风速...     

Examination of wind-wave interaction source term in WAVEWATCH III with tropical cyclone wind forcing

Results of drag coefficient(CD) from field observations and laboratory wave tank experiments indicate that the operational wave model can overestimate wind energy input under high wind conditions. The wind-wave interaction source term in WAVEWATCH Ⅲ has been modified to examine its behavior with tropical cyclone wind forcing. Using high resolution wind input,numerical experiments under idealized wind field and tropical cyclone Bonnie(1998) were designed to evaluate performance of the modified models. Both experiments indicate that the modified models with reduced CD significantly decrease wind energy input into the wave model and then simulate lower significant wave height(SWH) than the original model. However,the effects on spatial distribution of SWH,mean wavelength,mean wave direction,and directional wave spectra are insignificant. Due to the reduced wind energy input,the idealized experiment shows that the modified models simulate lower SWH than the original model in all four quadrants. The decrease in the front quadrants is significantly larger than that in the rear quadrants;it is larger under higher winds than lower winds. The realistic experiment on tropical cyclone Bonnie shows that the modified model with the various downward trends of CD in high winds creates a simulation that agrees best with scanning radar altimeter observations.     

2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

为了分析海面风场资料的实用性,利用WRF (Weather Research and Forecasting Model)模拟了2008年东海海面风场,并比较了WRF模拟结果与QuikSCAT卫星散射计资料的差异.结果表明,两种资料均能反映东海海面风场的季节性变化特征,台风月风速偏差波动较大.分析四个台风个例发现,当台风较弱时,两种风场资料分布情况较一致;当台风较强时,两种资料均有不同程度的偏差,在近海区域,WRF模拟结果相比QuikSCAT资料更好地描述台风周围风场特征.     

ERA5风场与NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性对比研究

全球再分析数据集已成为研究气候规律和数值模拟的重要工具,其中海面风场数据集是波浪模拟的重要资料,风场资料的准确性是影响海浪要素模拟结果的关键因素,不同的海面风场资料在中国各个海域的适用性具有不确定性。利用黄海、东海海域的12个观测点,选取了2006—2018年间的11场台风进行对比,验证了ERA5和NCEP风场在台风期间与常海况下的风速;模拟了中国近海海域的波浪场,与范围内15个测站的有效波高及谱峰周期进行了对比验证;分析了ERA5和NCEP风场在黄海、东海波浪模拟的适用性。主要结果如下:(1)风场质量是造成台风浪模拟误差的主要原因之一,研究区域内ERA5风场在台风期间的风速大小与实测资料具有较高一致性;长江口邻近海域内,ERA5风速相关性在0.8以上;江苏海域内,ERA5风速相关性在0.9以上;(2)分别采用ERA5和NCEP再分析风场资料作为驱动风场输入Mike21 SW模型,较好地模拟了黄海、东海海域在不同海况下的波浪变化情况;在江苏海域,ERA5资料模拟波高值与浮标测站观测波高资料相关性超过0.85,平均绝对误差不超过0.2 m;(3)两种风场在江苏海域、长江口及其邻海的适用性比黄海北部更好。结果表明,NCEP和ERA5在中国近海海域波浪模拟的适用性有差异,在江苏海域、长江口及其邻海,基于ERA5的数值模拟结果相对于NCEP模拟结果精度提高。     

黑潮与东海水交换研究

利用高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模式模拟东海地区的多年平均流态。数值模拟结果在黑潮的流速、路径、流量等方面与近年来对黑潮的认识相一致。利用模式结果,计算东海及邻近海域主要水道的水通量。结果表明:台湾海峡、中国台湾-西表岛之间水道是海水进入东海的主要通道,对马海峡、吐噶喇海峡、大隅海峡与西表岛-宫古岛-冲绳岛-庵美大岛之间水道是海水流出东海的主要通道。分析PN断面的流量的变化特征,结果表明黑潮流量在春季与夏季较大,秋季与冬季较小,年平均流量为24.16 Sv,与前人研究结果一致。计算跨越200 m等深线的年平均净向岸体积输送为0.99 Sv,在台湾东北与九州西南地区表现为黑潮入侵陆架地区,年平均入侵流量分别为1.907 Sv与0.065 Sv,在黑潮中段地区,跨越200 m等深线流量呈现交错状分布,年平均净通量为0.982 Sv,表现为由东海陆架地区流向黑潮。上述结果对黑潮与东海之间物质与能量交换研究有一定参考价值。     

基于HY-2 卫星观测分析南海风浪关系

海面有效波高(H1/3)是表征海浪的重要参数,随着卫星遥感技术的发展,雷达高度计已成为获取海面有效波高的重要手段,但也只能对卫星星下点轨迹处进行有效观测,远无法满足大范围应用的需求.本研究结合2013年10月HY-2雷达高度计观测的海面有效波高和微波散射计观测的海面风场资料,分别对高、低风速下风浪数据进行拟合,建立了适用于0~40 m/s风速范围内的南海海域风浪关系模型,经模型比对和结果验证,结果表明,基于HY-2卫星数据分析建立的南海海域风浪关系模型是可信的,特别是低风速的风浪模型与实测数据建立的风浪模型具有很好的一致性;根据建立的风浪关系模型,从卫星散射计大面观测的海面风场出发,能推算出风浪条件下海面有效波高的大面信息,数据覆盖远高于卫星高度计的星下点观测,能为分析和预报海浪、风暴潮灾害提供大范围的海面有效波高信息.     

基于ERA-Interim再分析资料的南沙海域风、浪场特征分析

基于ERA-Interim再分析资料,统计分析了南沙海域的风场、海浪场的时空特征,并进一步研究了风浪成长关系,建立了适用于南沙海域的风浪模型。月平均场分析结果表明:在季风期,南沙海域的月平均有效波高与风场的时空分布特征有良好的对应关系,位于中南半岛的东南部存在一个风速和有效波高的大值中心,冬季强于夏季,中心位置随季节转换稍向下风向移动。频率分析结果表明:南沙海域全年以4级以内风力和3级以内海浪出现的频率最高,6级以上大风和5级以上海浪主要出现在冬季风期间;全年最大风速和浪高出现在10、11月,最大风速达到8级,最大有效波高可达6级,但频率非常小;整个海域风速和浪高最小的时期是4—5月。     

两种海浪模式对中国黄海海域浪高模拟能力的比较

本文利用第三代海浪数值模式WAVEWATCH和SWAN模式,分别对黄海区域进行了理想模拟计算和实际浪场的模拟计算,结果表明:理想状态下两种模式的模拟结果在大小和空间分布上都不相同,但在大小及其变化趋势士相差不大;在实际模拟中,将两种模式的模拟结果与实际观测值相比,发现SWAN模式模拟结果较WAVEWATCH模式好,只是在高风速的模拟情况下,SWAN模式模拟结果偏大,而WAVEWATCH模式模拟结果偏小.     

南海QuikSCAT海面风场变化特征分析

基于QuikSCAT海面风场产品,对海面风场资料进行了EOF分析和随机动态分析,以此分析南海海面风场的变化特征。研究发现:海面原始风场风速季节变化最为明显,其变化占总变化方差的59.1%,黑潮的季节变化通过海气相互作用对南海局地风场有较明显的影响;原始风场第三模态及异常风场第二模态时间变化函数与SOI和PDO弱相关,且异常风场第二模态时间变化函数谱分析结果主要呈现5年的周期变化,南海海面风场变化与年际振荡有关;南海大部分海区风速呈现增长的趋势,但增长速率较小;风速增大最快的区域是台湾海峡以南海域和北部湾,增长速度达到0.05 ms-1a-1。