海浪和潮汐风暴潮耦合过程的数值研究

海浪和风暴潮是重要的海洋灾害。对它们的精确预测和预报对沿岸海洋灾害的风险评估及海洋工程的设计具有极其重要的社会和经济价值。过去人们本多对波浪和风暴潮单独进行预报。实际上,风既产生浪又产生风暴潮,因此它们的产生必然存在相互作用。本研究的目的就是要建立一个渤海高分辨率的双向耦合的海浪和潮汐风暴潮数值模式,研究各耦合机制的影响,以期为黄河三角洲沿岸风暴潮海浪漫堤、漫滩风险评估提供更为准确的海浪风暴潮预测预报结果。作者在研究中基于国际上先进的第三代海浪数值模式和潮汐风暴潮模式,建立了渤海2''×2''的海浪和潮汐风暴潮耦合数值模式。耦合模式充分考虑了三个主要耦合物理机制：依赖海浪状态的表面风应力,波-流相互作用底应力和辐射应力。波浪模式主要基于国际上第三代WAM模式,并对其进行了浅水效应的改进,以包括浅水深度破碎引起的能量耗散;潮汐风暴潮模式计算中开边界考虑了10个主要分潮K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2,Sa,Ssa。依赖海浪状态的表面风应力取自Donelan等(1993)的结果,波-流相互作用底应力取自Signell等(1990)对 Grant and Madsen(1979)简化的结果,辐射应力以海浪谱表示。耦合计算中,两个模式通过三个耦合机制双向传递所需参量。运用胜利油田中心一号观测的2个同步浪、潮、流资料对所建的耦合模式进行了检验,并通过耦合和非耦合模式结果的对比对各耦合机制的影响效应进行分析研究。研究结果表明,不同物理机制对波高的影响主要由能量方程中以辐射应力表示的波流相互作用所决定;在波-潮耦合作用中,依赖波令的表面风应力和辐射应力对水位是正效应,而波流相互作用底应力对水位是负效应。三个物理机制的综合净效应是正,可增加水位达25cm。比较显示,耦合模式的结果无论对波高还是水位都比非耦合模式的结果好,特别在峰值处。本研究显示耦合模式的结果将改进海浪和风暴潮的模拟精度。所建立的耦合模式将对渤海海浪和风暴潮预报精度的提高,以及为黄河三角洲近岸海浪和风暴潮灾害的风险评估,提供更可靠的参数,具有重要的价值。     

港口潮汐潮流及海浪高分辨率数值模拟

利用约束型Delaunay地形网格构造技术,以及潮汐、潮流、波浪数值计算和网格嵌套技术,融合高分辨率的地形数据,对港口海洋潮汐、潮流、波浪进行高分辨率数值模拟和仿真,并以我国近海某港口为例,对预测预报结果进行了分析、对比,取得了理想的效果.     

渤海夏季底层环流的观测与模拟

通过分析用人工水母在渤海夏季进行的首次底层环流的 L agrange观测 ,发现在渤海底层 Lagrange余流只有几 cm/s,在海峡处基本是北进南出的情况 ,在辽东湾有 1个逆时针的环流 ,在渤海湾有 1个顺时针的环流。但是进一步分析发现 ,底层人工水母的运移 (代表了物质输运 )并不完全反映环流的方向 ,在有些站位甚至出现相反的趋势。通过数值模拟知道瞬时的扩散及沉降等过程是产生这种结果的原因 ,而根源在于环流场的不均匀性。     

海浪和潮汐风暴潮耦合过程的数值研究(英文)

海浪和风暴潮是重要的海洋灾害。对它们的精确预测和预报对沿岸海洋灾害的风险评估及海洋工程的设计具有极其重要的社会和经济价值。过去人们大多对波浪和风暴潮单独进行预报。实际上,风既产生浪又产生风暴潮,因此它们的产生必然存在相互作用。本研究的目的就是要建立一个渤海高分辨率的双向耦合的海浪和潮汐风暴潮数值模式,研究各耦合机制的影响,以期为黄河三角洲沿岸风暴潮海浪漫堤、漫滩风险评估提供更为准确的海浪风暴潮预测预报结果。作者在研究中基于国际上先进的第三代海浪数值模式和潮汐风暴潮模式,建立了渤海2′×2′的海浪和潮汐风暴潮耦合数值模式。耦合模式充分考虑了三个主要耦合物理机制:依赖海浪状态的表面风应力,波-流相互作用底应力和辐射应力。波浪模式主要基于国际上第三代WAM模式,并对其进行了浅水效应的改进,以包括浅水深度破碎引起的能量耗散;潮汐风暴潮模式计算中开边界考虑了10个主要分潮K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2,Sa,Ssa。依赖海浪状态的表面风应力取自Donelan等(1993)的结果,波-流相互作用底应力取自Signell等(1990)对GrantandMadsen(1979)简化的结果,辐射应力以海浪谱表示。耦合计算中,两个模式通过三个耦合机制双向传递所需参量。运用胜利油田中心一号观测的2个同步浪、潮、流资料对所建的耦合模式进行了检验,并通过耦合和非耦合模式结果的对比对各耦合机制的影响效应进行分析研究。研究结果表明,不同物理机制对波高的影响主要由能量方程中以辐射应力表示的波流相互作用所决定;在波-潮耦合作用中,依赖波令的表面风应力和辐射应力对水位是正效应,而波流相互作用底应力对水位是负效应。三个物理机制的综合净效应是正,可增加水位达25cm。比较显示,耦合模式的结果无论对波高还是水位都比非耦合模式的结果好,特别在峰值处。本研究显示耦合模式的结果将改进海浪和风暴潮的模拟精度。所建立的耦合模式将对渤海海浪和风暴潮预报精度的提高,以及为黄河三角洲近岸海浪和风暴潮灾害的风险评估,提供更可靠的参数,具有重要的价值。     

渤海夏季潮致-风生-热盐环流的数值诊断计算

基于正交曲线坐标的ECOMSED 三维水动力模式, 并考虑了潮汐、风和实测温盐场,诊断计算了渤海夏季三维潮致-风生-热盐环流, 分析了渤海夏季潮致余流、风生和热盐环流的分布结构。结果显示, 在夏季, 渤海中部海区明显存在一个顺时针向的涡旋, 同时渤海还存在着多个逆时针向的涡旋。通过分析和比较各个分量在总环流中的作用, 认为夏季潮致余流是相对弱的; 热盐环流在夏季总环流中占主要成分。     

渤海夏季环流和渤海海峡水体输运的数值诊断研究

建立了一个基于POM的涵盖渤、黄、东海的海洋环流诊断模式来研究渤海夏季环流。分别进行了风海流、密度流和总环流的模拟。从模拟结果得出:渤海海峡夏季与北黄海的水交换总的来说表现为北进南出特征,但与冬季相比,其流量较小(约5×103m3s 1)且不能深入渤海。辽东湾基本上受气旋式环流控制,黄河口外至渤海湾受反气旋式环流控制。数值实验表明,渤海夏季主要属密度流性质。在渤海海峡的北岸存在一支明显的上升流,而且北部的海水垂向运动比南部要强许多。在渤海中部的纬向断面上,东部的海水垂直交换要比西部活跃得多;渤海海水的垂向运动亦主要是密度流导致的。     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅰ.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.     

渤海的潮汐余流

本文采用二维非线性潮波微分方程,依据目前的海图对渤海M_2、S_2、K_1、O_1的潮汐余流进行了数值计算,并进一步计算了由这4个分潮组成的总潮汐余流。计算表明,渤海以M_2的潮汐余流占主要地位,S_2、K_1、O_1的潮汐余流具有大约相同的量值。但是,它们比M_2小一个量级。为探讨渤海潮汐余流自30年代以来的变化情况,本文还依据30年代的渤海海图和设想数十年后渤海的海图,对M_2进行数值计算,求得这二个时代的M_2潮汐余流。结果表明,自30年代以来,莱州湾的潮汐余流发生了很大的变化。     

渤海冰-海洋耦合模式——I．模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上，根据渤海水文、气象和冰情特点，以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础，开发了一个冰-海洋耦合模式．在该耦合模式中，冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的，冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定，还由开阔水的表面热收支决定．侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合，并对模式中一些热力参数进行了讨论．     

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。     

一个高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式的初步结果

利用LASG/IAP发展的一个0.25°×0.25°高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式,初步分析了模式在太平洋区域的模拟结果,并与海洋同化资料以及前人的研究结果作比较,检验此模式对该区域平均气候态、年际变化的模拟能力。分析表明,模式较好地再现了海表温度（SST）分布、赤道温跃层和纬向流结构、赤道流系分布形态、海表高度以及正压流函数空间分布特征;同时,对显著的El Ni?o和La Ni?a事件的模拟等方面与Simple Ocean Data Assimilation（SODA）2.0.2版本结果相近。此外,模式模拟北赤道流（NEC）分叉点位置的季节和年际变化以及吕宋海峡流量的年际变化与已有研究结果基本一致。进一步分析还发现,在年际尺度上,NEC分叉点位置和吕宋海峡流量与ENSO密切相关。     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅱ.个例试验

以渤海1998~1999和2000~2001年度冬季的海冰发展过程为例,采用实时气象数值预报场作为大气强迫,利用渤海冰海洋耦合模式模拟渤海整个冬季的海冰生消和演变以及渤海冰季冰气、冰水和气水界面的热收支.模拟结果显示大气和海洋的热力效应对渤海的海冰发展非常重要,特别在海冰的冻结和融化阶段,海洋热通量在热力耦合中起着重要作用.模拟还显示了冰覆盖内部区域和冰外缘线附近不同的热力特征,分析讨论了冰区内和冰边缘两个特征点冰厚分布、界面热量收支和海表水温等.     

渤海潮汐和风暴潮分离的研究

根据渤海10个站和大连、烟台共12个站同步一年的潮汐资料,采用调和分析和响应分析方法,分离出逐时的增减水.计算表明,对大多数海港,依据两种方法得到的增减水量值是一致的,对于非线性效应明显的港口,两者的结果相差较大.同时,还分析了渤海几次较强增减水过程的变化规律.     

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。     

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.     

西北太平洋夏季海浪数值模拟研究

为了解第三代海浪模式SWAN在西北太平洋海浪模拟效果,利用2013年7月期间Jason-2卫星高度计观测资料,通过计算模拟值和观测值的绝对误差、均方根误差和进行逐日统计、分级统计、一次台风过程的统计,对FNL风场资料驱动SWAN模式的西北太平洋海浪数值模拟有效波高进行了检验。检验结果表明,模式对较小波高模拟效果较好,模拟波高与实测值误差在可接受的范围之内,可满足业务化预报的要求,但对较大波高的模拟存在一定的误差,且驱动风场的精细化水平直接影响模拟效果。     

利用伴随同化方法估计渤海潮汐模式的底摩擦系数

利用伴随同化方法，根据岸边潮位站的水位观测资料反演渤海二维非线性潮汐模型的底摩擦系数。计算结果与潮位站观测资料符合良好。结果表明利用伴随同化方法从岸边潮位观测资料估计潮汐模式的底摩擦系数是可行的。     

渤海的平均余环流

利用72个渤海石油平台、站点测流资料,阐明了渤海的平均余环流特征,并用已有的数值计算结果阐明了其形成机制。观测表明在黄河三角洲近海存在一支北-东北向的流动,可抵达秦皇岛附近水域,数值计算表明该支流动主要是潮生的;在辽东湾北部存在一顺时针向的涡旋运动,在冬半年该涡旋是风生的;在渤海湾北部存在潮生的逆时针向的余环流。     

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。     

胶州湾潮汐潮流高分辨率数值模拟研究

基于采用无结构网格和有限体积方法的FVCOM陆架模式,考虑8个主要的天文分潮,建立胶州湾三维高分辨率数值模型来重现和研究其潮汐潮流变化状况.与实测资料对比验证表明,模拟结果与实测值吻合较好.在此基础上,根据模拟结果计算得到了较以往更为精细的同潮图和潮汐、潮流、余流分布特征.研究结果揭示,最大可能潮流和最大余流都发生在团岛附近,流速分别可达2.14和0.43 m/s;除了湾口附近前人报道过的4个余流系统外,还在中部首次揭示了2个相对较弱的余流系统;潮流能通量在内外湾口呈“左进右出”的结构;胶州湾的平均纳潮量为8.31亿m3;染色试验表明,胶州湾30 d的水交换率为36.8％.