Kalman滤波风暴潮数值预报四维同化模式研究进展

本文首先介绍了Kalman滤波在风暴潮数值预报中的应用，特别介绍了近年来国际上发展的一些在实际中可行的次优化Kalman滤波算法。并通过一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式的实例表明，使用资料同化可以明显改进风暴潮后报结果；资料同化能够提供更为合理的预报初始场，对风暴潮的短期预报有较明显的改进。一旦没有资料同化到模式中去，预报结果很快接近确定性模式。     

影响我国的重大台风风暴潮时空分布

统计了1949-2009年 间发生在我国大陆沿海的38次达到红色预警级别的重大台风风暴潮过程,分析了其在空间、时间上的分布规律.分析结果表明:红色台风风暴潮灾害的发生次数呈上升趋势,且多发生在7-9月间,9月最多:长江口到福建泉州一带沿海和珠江口到海南岛东北部一带沿海是红色台风风暴潮灾害的高风险区.     

海底地震有限断层破裂模型对近场海啸数值预报的影响

快速准确的海啸源模型是近场海啸精确预警的关键.尽管目前还没有办法直接对其进行正演定量计算,但是可以通过多源地震、海啸观测数据进行反演或联合反演推算.不同的海啸源可能导致不同的预警结论,了解不同类型海啸源适用性、评估海啸源特征差异对近场海啸的影响,无论对于海啸预警还是海啸模拟研究尤为重要.本文评估分析了6种不同同震断层模型对2011年3月11日日本东北地震海啸近场数值预报的影响,重点对比分析了有限断层模型与均一滑动场模型对近场海啸产生、传播、淹没特征的影响及各自的误差.研究表明:近场海啸波能量分布主要取决于海啸源分布特征,特别是走向角的差异对海啸能量分布影响较大;有限断层模型对海啸灾害最为严重的39°N以南沿岸地区的最大海啸爬坡高度明显优于均一滑动场模型结果;综合对比DART浮标、GPS浮标及近岸潮位站共32个站次的海啸波幅序列结果发现有限断层模型整体平均绝对/相对误差比均一滑动场模型平均误差要低,其中Fujii海啸源的平均绝对/相对误差最小,分别是0.56m和26.71%.UCSB海啸源的平均绝对/相对误差次之.3个均一滑动场模型中USGSCMT海啸源模拟精度最高.相对于深海、浅海观测站,有限断层模型比均一滑动场模型对近岸观测站计算精度更高.海啸源误差具有显著的方向性,可能与反演所采用的波形数据的代表性有关;谱分析结果表明Fujii海啸源对在12至60min主频波谱的模拟要优于UCSB海啸源.海啸源中很难真实反映海底地震破裂过程,然而通过联合反演海啸波形数据推算海啸源的方法可以快速确定海啸源,并且最大限度的降低地震破裂过程与海啸产生的不确定性带来的误差.     

南海定量海啸预警系统

我国面临着来自于马尼拉海沟、台湾岛以及琉球海沟等海域可能形成的局地和区域海啸风险,及时、准确地预警海啸是一个难题。2004年印度洋海啸之后,基于海量数据库和GIS技术,国家海洋环境预报中心开发了南海定量海啸预警系统,可以对潜在海啸进行快速定量化的预警,并利用GIS软件进行预警结果可视化。利用该系统对2006年台湾南部地震海啸进行模拟预报,预报结果与实测结果基本吻合。     

闽江感潮河段潮汐-洪水相互作用数值模拟

本文分析了闽江感潮河段洪水、潮汐特征,利用高精度GIS数据建立了基于非结构三角网的高分辨率洪-潮耦合模型,在闽江口重点区域的网格分辨率达到50~100m。选取竹岐断面作为径流边界并基于"2006.6.6"洪水过程设计了3组数值实验,模拟结果表明:相比于只考虑洪水或者潮汐,在耦合洪水和潮汐后,各代表站的模拟值与实测值更为吻合;在30年一遇洪水的作用下,闽江感潮河段各断面的原有潮汐特征都不同程度地被洪水信号所影响,其中,文山里和解放大桥站表现出明显的洪水特征,而峡南、白岩潭和琯头站则表现出洪、潮混合特征;从峡南到琯头对应河段在高潮时段流速减小而低潮时段则流速增大,说明该河段存在很明显的洪-潮相互作用。     

福建省沙埕港百年一遇台风风暴潮的计算

研究了福建省沙埕港风暴潮状况,根据收集的沙埕验潮站连续50a(1956-2005)的台风过程增水资料以及西北太平洋57 a 的台风资料,采用皮尔逊Ⅲ统计法和数值法分别计算了沙埕港的100a一遇台风暴潮和 100a一遇最大台风暴潮,并得到了产生这两种台风增水的台风路径及强度等台风参数.沙埕港100a一遇台风暴潮为198 cm,100a一遇最大台风暴潮为243 cm,其中产生100a一遇台风暴潮的台风移向为NW方向,移速为19km/h,路径位于沙埕港南12km;产生100a一遇最大台风暴潮的台风移向为 NW 方向,移速为19 km/h,路径位于沙埕港南24km.计算结果为福建沿海海洋工程项目的建设提供了重要参考依据.     

基于全和谐型浅水方程的有限体积海啸数值模型开发与应用

数值模拟作为海啸预报的主要研究方法在海啸预警中起着关键作用。本文采用Godunov格式的有限体积方法,使用MUSCL-Hancock格式,并利用HLLC Riemann近似求解器计算单元界面上的流体通量,建立了球坐标系下二阶精度的海啸数值模型。模型所基于的全和谐型浅水方程保证了数值的稳定性,而地形重构方法实现了干湿边界的精准模拟。本文模拟了2015年9月16日智利M_w8.3级地震海啸,通过与智利近岸14个测站和环太平洋20个DART浮标实测数据比较,验证了模型对实际越洋海啸模拟预报的能力。     

基于GIS的海啸预警信息系统集成框架

预先利用CTSU海啸数值模型模拟出可能存在的各种假想海啸源.运用海啸数值计算模型,分别就5个不同震级(6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)、6个不同震源深度(0、20、40、60、80、100 km)的1 400多个假想海啸源进行海啸数值模拟,模拟的时间步长为1 min,空间网格以2′为间隔,模拟区域为104°～132°N、0°～32°E.按照引发海啸的级别不同,将数模计算结果存贮于数据库之中,并在应用时基于GIS网格建立快速内插索引,自动输出预警信息,并在GIS界面中提供可视化表达.系统采用模板文件来定义预警分析的范围和内容.在海啸预警分析时,系统主要使用以下4个模板:(1) 海啸源网格模板,该模板定义了整个预警场中可能存在的海啸源地理位置和相关属性;(2) 海啸预警网格框架模板,此模板定义了整个海啸预警分析场中最后需要汇总的岸线网格位置;(3) 海啸预警岸段网格模板,该模板用来定义预警网格归于哪一个岸段;(4) 海啸预警城市网格模板,这个模板可以定义用户最为关心的重点城市的海啸预警信息.系统采用GIS界面,预警分析操作十分简单,系统运算也非常快,输入地震的精确位置、地震强度以及震源深度3个参数后,系统将自动执行一系列运算,在1～2 min内便可计算出所有海啸预警信息,并自动将预警信息在GIS界面中显示出来.最终以web网页的形式向公众发布海啸预警信息,达到了快速海啸预警分析的目的.网页开发采用Ajax技术,同时借助Google Maps API函数实现了预警信息的显示与维护.网络客户端仅需要1个浏览器,就可以实现有关信息的查询.系统在海量数据存贮、快速查询和分析等方面较好地解决了相关的技术难点,它对提高海啸防灾减灾科学决策能力具有重要意义.     

背景流场对台风风暴潮数值预报的影响研究

选取了3个穿过台湾海峡的台风引起的台风风暴潮为算例,分别用SODA月平均流速资料做垂向平均后构建了台湾周边海域的大尺度背景环流场,利用国家海洋环境预报中心业务化的台风风暴潮模式对经过该海域的台风个例进行风暴潮数值模拟。将结果与验潮站潮位实测资料进行对比发现,在加入了背景流场后,能更好地模拟整个风暴潮过程,模拟结果更接近真实值,特别是对于原模式风暴增水峰值容易偏大的问题得到了改善,而且整体相对误差更小,提高了风暴潮模式的业务稳定性。     

0814号强台风"黑格比"风暴潮分析与数值模拟

2008年第14号强台风“黑格比”是12年来袭击粤西最强的台风,由于它移动速度快、登陆强度强,给粤西沿海带来了严重的风暴潮灾害,珠江口至阳江一带有多个潮位站的高潮位超过历史极值。本文根据珠江口、粤西、雷州半岛等几个潮位站资料探讨了“黑格比”台风的风暴增水特征;利用国家海洋环境预报中心业务化的风暴潮集合预报模式对本次过程进行了模拟,并分析了模拟效果。