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。     

数值模式与统计模型相耦合的近岸海浪预报方法

针对数值模式和统计模型预报近岸海浪存在的局限性,构建了数值模式和统计模型相耦合的近岸海浪预报框架,在模式计算格点和近岸预报目标点之间定义一个海浪能量密度谱传递系数,通过经验正交函数分解和卡尔曼滤波方法建立传递系数的统计预报模型并与数值模式进行耦合。经过对近岸波浪观测站1a的预报试验表明:该方法能够提高近岸海浪有效波高预报精度,有效波高的均方根误差降低了约0.16m,平均相对误差降低约9%。进一步试验和分析发现,该方法的预报有效时间小于24h,将海浪能量密度谱经过分解后得到的基本模态反映了近岸波侯的主要特征,海浪能量密度谱传递系数的变化体现了波侯的季节变化特点。     

全球海浪数值预报业务化试验

本文应用WAVEWATCHⅢ海浪模式,进行全球海浪数值预报试验,通过同期TOPEX/Poseidon卫星观测有效波高的检验,获得令人满意的结果。在模式移植时采用多种优化处理,有效地节约了机时,为我国的全球海浪数值预报业务化打下基础。     

集合最优插值方法在北印度洋海浪同化中的应用

基于第三代海浪模式WaveWatch III,采用集合最优插值(EnOI)方法对北印度洋海浪进行同化数值实验研究。在集合样本选取方案上,针对不同的实验分别选取有效波高(SWH)的历史后报场(样本A)、24h变化(样本B)以及以同一时刻72h预报时效和24h预报时效的差异(样本C)用于估计背景误差协方差。样本A和样本B是为海浪模拟而设计,样本C是为海浪预报而设计;通过与由高度计数据确定的模式背景误差进行比较,认为样本B优于样本A。采用样本B对2011年北印度洋海浪场进行同化模拟,结果表明2011-03-11相对误差改进都在5%及以上,其中7月份改进效果最佳。采用样本C对2013-07的有效波高进行0~72h预报,发现同化使0~24h预报改进最明显:均方根误差改进0.12m,相对误差改进5%。浮标检验结果支持上述结论。     

基于SWAN模式和折绕射模式的近岸海浪数值模拟

基于SWAN模式和折绕射模式,本文对台湾海峡和平潭岛附近海域的海浪要素进行数值模拟。首先通过SWAN模式得到实时预报的高时空分辨率的波高、周期和波向等海浪要素数据,为折绕射模型提供波浪边界,进而对重点海区近岸波浪进行折绕射计算,最后对数值预报结果进行统计检验及预报分析。经过验证,预报结果与实测数据基本一致,预报效果较好。研究成果可为平潭海浪预警报业务提供技术支撑,也可为海浪灾害应急管理及沿海规划等提供参考依据。     

北印度洋风浪流数值预报系统:Ⅱ-检验分析

基于系统构建工作[1],开展北印度洋风浪流数值预报系统后报和准业务化预报,并利用2013年9月—2014年3月共6个月的资料对预报结果进行了统计检验。结果显示北印度洋风浪流数值预报业务运行稳定可靠,大气模式(WRF)72 h预报的500 hPa位势高度距平相关系数达到89%,海浪模式(SWAN)的72 h有效波高预报的相对误差低于20%,海流模式(ROMS)的72 h海表温度预报的均方根误差在0.5℃左右;同时对2013年10月期间孟加拉湾的超级气旋风暴"PHAILIN"的预报结果进行了分析。该风、浪、流预报系统能够较好地预报"PHAILIN"的移动路径、最低气压及相应的海浪和海流过程。该系统的试运行和检验分析结果,对建立新一代海洋环境数值预报系统具有一定借鉴意义。     

基于SWAN模式的全球有效波高数值预报结果之初步验证

利用国家海洋环境预报中心基于SWAN模式和NCEP预报风场模拟的全球海浪预报场,结合Jason-2卫星高度计和NDBC浮标资料对全球海浪场进行了自2013年7月到2014年6月为期1 a的统计检验。结果表明:预报波高与实测值吻合较好,24 h、48 h、72 h预报的均方根误差均小于0.6 m,偏差绝对值均小于0.1 m,相关系数均大于0.91。有效波高的预报精度随预报时效的增加而降低,预报误差在48 h内变化不大,而在48 h后明显增大。有效波高的预报偏差存在地域性差别,全球西风带和热带地区的偏差较大,而赤道无风带和副热带高压控制地区的偏差较小。     

一种利用浮标站资料改进海浪模式有效波高预报的方法

基于浮标站海浪历史数据,利用回归分析方法建立了海浪数值模式有效波高预报产品的一元二次回归方程订正统计模型。通过2017年7月1日-2018年10月10日期间业务试运行结果发现:订正方程能有效改善有效波高数值预报产品的预报精度,且预报时效越短订正效果越显著。其中,第6~11 h预报时效内的订正前后平均绝对误差值减小0.17~0. 241 m,第6~18 h预报时效内订正前后均方根误差减小幅度为0.103~0. 28 m。这说明应用订正统计模型对海浪模式输出产品进行订正,也是改进海浪模式预报准确率的一种有效途径。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E,15°S~45°N,包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场,在预报开始之前,分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法,海浪模式同化了Jason-2有效波高数据;海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟,我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段,首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟,强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠,可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统简介

面向社会需求,建立覆盖南海及周边海域的高分辨率风-浪-流耦合同化数值预报与信息服务系统。系统包含耦合同化数值预报模式、海洋动力环境数据库与可视化平台两部分。其中,耦合同化数值预报模式由中尺度大气数值预报模式、海浪数值预报模式和区域海洋环流数值模式,在C-Coupler耦合器中进行耦合,引入集合调整Kalman滤波同化模块,在耦合预报前进行大气、海浪和海流的同化后报模拟,为耦合预报模式提供更为精确的初始场。预报结果经海洋动力环境数据库和可视化平台处理后,通过二维和三维可视化展示,向用户提供直观的南海及周边海域海洋环境预报产品。     

海南岛近岸养殖区台风浪预报技术研究

随着海南深水网箱养殖规模的不断扩大,海浪精细化预报的需求越来越紧迫。以海南岛周边海域为目标区域,基于近岸海洋模式ADCIRC(Advancedcirculationmodel)和海浪模式SWAN(Simulating WavesNearshore),建立了海南岛近岸养殖区台风浪数值预报系统。该系统采用非结构高分辨率网格,近岸分辨率达到了100m。选取2014年第9号超强台风"威马逊"(RAMMASUN)进行针对海南岛近岸养殖区的台风浪数值模拟后报。模拟结果与实测数据较为吻合。采用全球预报系统GFS(Global Forecast System)风场和气压场数据作为驱动场对2018年7月的一次热带风暴过程进行预报,48小时、24小时预报的有效波高和实测结果比较平均相对误差分别为20.75%和17.0%。总体来说,该模型的预报精度可以满足近岸养殖区台风浪预报业务的需求。     

高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统的业务化运行与检验分析

依据我国独立发展的浪致混合理论,基于MASNUM第三代海浪数值模式和三维POM海流数值模式,研制开发了高分辨率浪-潮-流耦合数值预报系统并进行了(准)业务化运行与预报产品精度检验.该浪-潮-流耦合数值预报系统能够提供全球、西北太平洋和中国近海三个海域不同分辨率的海浪、海流以及温度、盐度等数值预报产品.基于卫星遥感数据、...     

海浪预报现状与未来

值此国家海洋环境预报中心成立40周年之际,回顾40年来我国海浪研究和海浪预报历程,我国已经在海浪研究和海浪预报方面有了较大进展,尤其在海浪预报方面已经获得了一些较成熟的理论和方法.本文简要介绍在发展和完善海浪数值诊断模式与海浪数值预报模式,实现海浪预报方法客观化,预报手段自动化和系统化方面的现状和未来.     

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究——Ⅱ.集合样本对同化效果的影响

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合Kalman滤波和EAKF方法,针对2014年全球海域开展海浪数据同化实验,同化资料为Jason-2卫星高度计数据,利用Saral卫星高度计资料对同化实验结果进行检验。结果表明,两组同化方案均有效提高了海浪模式的模拟水平,EAKF方案在风场变化较大的西风带区域表现显著优于静态样本集合Kalman滤波方案,但总体上两者相差不大。综合考虑计算成本和同化效果,静态样本集合Kalman滤波方案更适用于海浪业务化预报。     

福建沿海精细化台风风暴潮集合数值预报技术研究及应用

该文首先基于高级环流模型(ADCIRC)建立了一个适合台湾海峡及福建沿海区域的精细化台风风暴潮数值预报模式。利用所建立的精细化数值预报模式对影响台湾海峡及福建沿海的8次台风风暴潮个例进行了模拟,对模拟的24个站次的风暴潮增水峰值与实测值进行了对比,平均绝对误差小于15 cm;其次,为了尽可能减小由于台风路径预报误差而造成的风暴潮增减水误差,本文采用了集合数值预报技术,试报证明此方法可以在一定程度上减小风暴潮增减水误差。     

北印度洋海浪背景误差分析和同化预报初步评估

基于背景误差分析中的观测法,利用Jason-1卫星高度计沿轨有效波高数据并结合Wave Watch Ⅲ海浪模式预报结果,进行北印度洋海域海浪背景误差分析,得到海浪场背景误差方差和各向同性假设下背景误差相关长度的时空分布特征。按经验函数拟合该海域有效波高背景误差协方差时总残差平方和最小的原则给出了更为适用于该海域的描述公式。在上述工作基础上,采用最优插值同化方法将Jason-1和Jason-2卫星高度计有效波高数据连续同化到海浪模式Wave Watch Ⅲ,按业务化标准对2013年1月北印度洋海域的海浪场进行了同化预报试验,经浮标数据检验发现同化可使海浪24 h预报得到明显改进。     

静态集合样本的构造及其在全球海浪滤波同化中的应用

本文提出一种最佳静态集合样本的构造方法,利用不同时段内海浪有效波高的模拟偏差构造静态集合样本,并将其与由模拟结果和观测资料统计的模式误差进行概率密度分布及时空相关性分析,结果表明24h间隔有效波高偏差与后者的相关性最好,称为最佳静态集合样本,可用于近似背景误差。将所构造的静态集合样本应用于滤波同化调整过程,采用MASNUM海浪模式,利用Jason-1卫星高度计数据,对2008年全球海域开展海浪同化实验,实验结果表明,基于最佳静态集合样本的海浪同化调整,可以有效地改善海浪模式的模拟效果。     

2019年8-10月长江口近岸海上风电场风浪预报

针对长江口近岸海上风电场,利用2019年8—10月NCEP全球天气预报产品和第三代海浪模式Wave Watch Ⅲ的全球预报产品做上海长禁五号、长江口灯船和东海浮标站的单点预报,利用这些站点的观测数据,针对风电场的需求评估预报精度。结果表明:全球天气预报产品中的风速预报对区域内的单站预报结果有一定参考价值,大于6 m/s风速的24 h预报准确率达到46.3%;使用递减平均法可以使风速预报的均方根误差减少10%～14%,预报准确率提高为57.0%。全球海浪预报结果在长江口近海较精确,长江口灯船站48 h预报有效波高均方根误差在0.25 m以下,相关系数高达0.80。在台风极端天气条件下,全球天气预报产品对长江口风速仍有一定的预报技巧,但最大风速的出现时间滞后6 h左右。全球海浪预报产品的预报技巧与无台风情况下没有明显差别。     

基于MASNUM海浪预报系统的北印度洋波浪特征模拟与预报分析

基于MASNUM海浪数值预报系统的全球10 a后报数据库资料,分析了北印度洋区域波浪分布特征.由于该地区受季风控制显著,夏季波浪大于冬季;在空间分布上,西部比东部风大、浪大,在亚丁湾、索马里外海波浪最大.基于Janson-1卫星高度计有效波高观测资料,对MASNUM海浪预报系统的预报性能进行了检验,检验结果表明,预报波高均方根误差在0.5 m左右,短期的24 h预报效果好于48 h和72 h,冬季好于夏季.另外,对预报误差进行了相应的概率分布分析.     

东中国海海浪数值模式的研究

为建立适应东中国海的海浪数值模式，主要基于目前广泛使用的WAVEWATCHⅡⅠ海浪数值模式进行东中国海海域的海浪数值模拟。以NCEP和NCEP与QSCAT的混合风场资料为输入，模拟了两个时间段的东中国海海域的海面风浪场。选取的两个有实测资料的输出点分别在渤海和东海。从所得结果来看，使用NCEP与QSCAT混合风场模拟的东海观测点处的波高和风场的观测值和模拟值符合的较好；利用1998年相应时间段的NCEP风场模拟的上述两点结果与实测比较也是可以接受的。研究结果说明，在目前情况下，运用NCEP与QSCAT混合风场建立统一的东中国海海浪数值预报模式是可行的，同时为东中国海波气候学研究及海洋大气耦合作用研究奠定了模式基础。