浙江海域MASNUM海浪模式在台风“达维”“海葵”及“布拉万”过程的波浪数值模拟

利用MASNUM海浪模式、ECMWF高分辨率风场对2012年8月份台风过程下的浙江海域的海浪状况进行了数值模拟,与近岸观测站的风、浪资料进行了对比检验和误差分析,最后针对8月份"达维""海葵"及"布拉万"3个台风过程对浙江海域的影响进行了对比分析.风速验证结果显示2个站点ECMWF风速和观测风速的偏差分别为0.18、-0.34 m/s,平均绝对误差则为2.57、1.96m/s,均方根误差为3.40、2.65 m/s,与观测风速有较好的一致性.海浪验证结果显示8月份有效波高的相关系数在0.84以上;8月份发生的"达维""海葵"及"布拉万"3个台风期间的有效波高、波周期的模拟值与观测值的均方根误差分别介于0.19~0.37 m、0.88~1.28 s,波向的平均绝对误差介于19.39°~37.65°,表明MASNUM海浪模式能够较好的再现浙江海域台风期间的海浪状况,能够较好模拟出浙江近海的最大波高.在数值模拟和实际观测的基础上,进一步的对比分析表明:"海葵"台风期间,浙江外海有效波高的最大值达7.6 m,而"达维"和"布拉万"台风期间,数值显示最大有效波高分别为4.4、5.4 m.     

不规则区域海浪嵌套模式设计及其应用实例

本研究针对第三代MASNUM海浪模式的并行设计特点,设计实现了并行化不规则嵌套计算,从而提高了海浪模式嵌套模拟的灵活性和时效性.选取浙江舟山、宁波附近海域,利用201 1年的NCEP再分析风场作为强迫,采用大、中、小网格并利用该嵌套模式进行了三重嵌套应用.其中大、中区域实验均采用规则矩形方式设置开边界,大区域的模拟结果为中区域嵌套实验提供开边界条件,同时中区域嵌套输出小区域嵌套实验在不规则开边界上的边界条件.中区域的实验结果与卫星观测资料的对比表明:嵌套实验比无嵌套实验的误差小30％左右,二者在开边界附近的有效波高差异较大,达到0.5m以上.8月份中区域的无嵌套实验所得有效波高平均为0.7m,最大值为3.6m,嵌套实验结果则分别为1.0、7.1m,后者更接近以往观测资料所显示的平均波高1.5～2.0 m和最大波高5.0 ～10.0 m的结果,表明该常规嵌套方式的可行性.小区域实验也包含嵌套和无嵌套2个实验,开边界均采用不规则形状.实验结果表明:在5～8月期间,嵌套实验的波向与无嵌套的波向差异较明显,主要表现为外海传入;在6～7月份,嵌套实验与无嵌套实验有效波高的差值达1.0m以上;嵌套实验的周期普遍大于无嵌套的模拟结果,其最大差异为8 s.上述实验结果表明,该嵌套模式可实现规则开边界区域和不规则区域的嵌套模拟,可应用于复杂近岸区域的海浪数值模拟和预报,有效提高对关注区域海浪的模拟能力.     

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。     

北部湾海浪季节变化和驱动因素的数值模拟研究

基于NCEP CFSV2再分析风场驱动SWAN模型,对南海至北部湾为期1年的海浪逐时过程进行了数值模拟,利用Jason-2卫星和近岸浮标整年观测数据检验了模拟效果。在此基础上,评估了模型空间网格尺度对北部湾内波浪模拟的影响,分析了波浪的季节变化特征,辨析了局地风和南海传入浪对海湾波浪的驱动贡献。研究显示：（1）较Jason-2卫星观测值,有效波高模拟值的均方根误差和分散系数分别约为0.4 m和0.2;较北部湾湾顶近岸浮标逐时观测值,有效波高的均方根误差和分散系数分别约为0.2 m和0.4,平均波周期的均方根误差和分散系数分别约为0.6 s和0.2,平均波向的均方根误差约为30°;（2）空间网格分辨率为12’×12’的模型对北部湾20 m以深开敞海域波浪的模拟效果良好,模拟值较2’×2’模型的平均相对偏差在10%以下;（3）北部湾冬季盛行东北向波,夏季盛行偏南向浪,季风转换期盛行东南向浪,全年波浪在季风期强于季风转换期,冬季最强、冬夏转换期最弱;（4）局地风对北部湾波浪的驱动贡献自湾口向湾内增强,季风期强于季风转换期;南海传入浪的驱动贡献自湾口向湾内减弱,季风转换期强于季风期;海湾中部和...     

基于SWAN模式的2种网格对嵊泗海域海浪模拟的比较研究

采用WRF模型构造的再分析风场作为海浪模式的驱动场,由于嵊泗位于长江、钱塘江的交会处,附近海域地形复杂,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程,因此采用第三代海浪数值模式SWAN。本文采用矩形网格和加密的三角网格对2012年4月嵊泗列岛海域波浪场进行模拟,并将模拟的有效波高与实测数据进行验证和误差指标分析,分析结果显示,2种网格模拟的海浪场的效果都很好,其中三角网格的模拟效果更好,可以进一步提高海域有效波高模拟的准确度,可以更精确的刻画复杂的地形。     

江苏海域波浪数值模拟研究

本文以风场为驱动运用第三代波浪模型SWAN对江苏海域的波候进行了模拟研究。在模拟过程中采用了嵌套结构,并考虑了潮位对波浪的影响,提高了近岸波浪模拟的精度。同时,对江苏海域波浪分布特征进行了研究。研究结果表明:江苏海域深水区域年平均有效波高分布趋势由南往北逐渐递减,而近岸10m水深处波高从大丰港开始由南往北呈先增加后减小的趋势。江苏海域年平均有效波高最大值为1.5m,最大年平均周期为4.6s,常浪向为NE或SE方向,四季中冬季浪最大,强浪向为NE—NNE方向。     

台风浪数值模拟方法比较——以1513号台风“苏迪罗”为例

为减少复杂地形对台风浪数值模拟的干扰,有效优化模拟精度和效果,充分发挥台风浪数值模式在防灾减灾中的作用,文章利用ERA-interim风场驱动模式,以1513号台风"苏迪罗"为例,采用2种方案对其形成的台风浪进行数值模拟,并对二者进行比较。其中,方案(1)为采用WW3模式,方案(2)为采用WW3模式和SWAN模式嵌套。研究结果表明:选取有效波高的模拟值和观测值,根据对散点分布的定性分析以及对相关系数、偏差和均方根误差的定量计算,采用方案(2)的模拟精度更高;通过绘制台风浪场分布图,采用方案(2)对有效波高的动态数值模拟更加明显和准确,尤其对于复杂地形海域的模拟效果更优。因此,在未来的海浪数值模拟中,可参照采用方案(2),即在大区域采用WW3模式,在复杂地形海域嵌套SWAN模式。     

南中国海台风浪数值模拟研究——以台风“珍珠”为例

以QSCAT/NCEP混合风资料和Myers经验模型风场构造台风风场,并以之作为驱动风场,建立一个基于第三代海浪模式SWAN的两重嵌套台风浪数值模拟模型。以0601号台风珍珠为例,对南中国海至广东的台风浪进行数值模拟研究。将数值模拟结果与台风期间Jason-1卫星高度计观测资料和近岸浮标实测资料(波高、波向和波周期)作了较为详细地比较,并分析台风浪要素的时空分布。结果显示台风浪要素的数值模拟值与实测值吻合良好,表明SWAN模型能够较好地再现大洋和近岸台风浪的时间发展过程和空间分布特征。     

OSMAR-S100便携式高频地波雷达海浪和海面风探测性能分析

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统采用单极子/交叉环紧凑型天线阵,通过单站雷达即可实现有效探测距离约10km内海浪和海面风的单点观测。为了更好地了解OSMAR-S100雷达系统海浪和海面风的综合探测性能,于2013年1月29日至3月7日在台湾海峡西南部海域进行了雷达与浮标观测的对比试验,得到了有效波高、有效波周期、平均风速和平均风向数据。对比结果表明,OSMAR-S100便携式高频地波雷达可有效观测距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风,雷达反演有效波高和有效波周期的均方根误差分别为0.60m和1.60s,反演平均风速和平均风向的均方根误差为1.83m/s和16.7°。在未经区域化标定的情况下,此结果说明了该型雷达产品已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。     

两种海浪模式对一次冷空气海浪场过程的模拟比较

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,分别驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III)、SWAN(Simulating WAves Nearshore),对2011年3月发生在中国海的一次强冷空气所致的海浪场进行数值模拟,就冷空气海浪场的特征进行分析,并对比分析两个海浪模式的模拟效果,以期可为防灾减灾提供参考。结果表明:(1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式,可以较好地模拟发生在东中国海的冷空气海浪场过程,两个模式模拟的有效波高都具有较高精度,SWAN模拟的有效波高明显小于观测值和WW3模式的模拟值。(2)冷空气给中国海带来了明显的大风、大浪过程。整个冷空气期间,波向与风向保持了较好的一致性,且向岸效应比较明显;波高与风速的分布特征也保持了较好的一致性,海浪以风浪为主导。(3)冷空气进入渤海,相伴着出现了大风过程,但由于海域狭小,大风范围较小,大风中心的风速仅12 m/s左右,相应波高也在1.0 m左右。冷空气南下进入黄海中部时,黄海中南部大范围海域的风速在16 m/s以上,相应区域的波高在4.5 m以上,高值中心可达5.0 m以上,波向和风向都以北-东北向为主。冷空气南下行进至南海北部海域时,强度大为减弱,风速的和波高的相对大值区分布于台湾岛周边海域,尤其是台湾海峡、吕宋海峡、东沙群岛附近海域。     

斯里兰卡南部海域次重力波特征研究

次重力波在近岸水动力运动过程中起到重要作用,深入地了解次重力波对预防其引发的近岸灾害有着重要意义。结合波浪现场观测方法和数值模拟方法研究了斯里兰卡南部海域次重力波特征。短波和自由次重力波通过海浪谱模型WAVEWATCH III模拟,而约束次重力波通过二阶非线性理论模拟,数值模拟结果与现场观测结果对比吻合良好。研究结果表明,斯里兰卡南部海域大部分时间以自由次重力波为主;在强涌浪海况下（短波波高大于2.5 m,周期大于15 s）约束次重力波逐渐逼近自由次重力波甚至占主导地位;斯里兰卡大陆架极其狭窄,对涌浪的能量损耗作用极为有限,使得近岸面对强劲的涌浪及其伴生的次重力波的侵袭,增大了次重力波引发近岸水动力灾害的风险。     

MASNUM海浪模式对波数离散角度的敏感性数值实验

本研究基于MASNUM第三代海浪数值模式,利用2005年太平洋区域17个浮标的有效波高数据做检验,对海浪模式波向在12、24、36和48四种离散划分进行了数值实验。结果表明,在太平洋区域中纬度和太平洋东部地区,36个角度划分是较好的选择,而在太平洋低纬度,24个波向划分是较好的选择;冬、夏季数值模拟与检验对比表明,较好的角度划分数分别是24和36;有效波高在2.0~4.0m时,较好的波向划分数是24;有效波高小于2.0m时,24与36个波向划分数值模拟结果非常相近。而在高海况下,36个角度划分是较好的选择。上述结果均比采取波向离散12的结果有明显改进。文章认为,应使用高于12的波数离散数划分,24或36个波数角度离散划分是较好选择。     

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OS071X测波雷达的波浪探测分析

文章利用舟山海洋环境监测站2014年第16号台风"凤凰"过境影响期间,对OS071X测波雷达和3m波浪浮标在同一海域内的波浪探测资料进行了对比验证。通过分析,OS071X测波雷达探测反演的有效波高、周期与3m波浪浮标探测结果对比,二者按先后顺序的均方根误差分别为0.27m和0.29m,相关系数分别为0.93和0.90。结果表明,OS071X测波雷达系统的探测精度得到了验证,能够满足实时探测近岸海域波浪的需求。     

SWAN模式中风输入方案对南海台风浪后报的影响分析

基于近岸海浪模式(SWAN, Simulating waves nearshore),分别用ERA (ECMWF re-analysis)5、ERA-Interim、CCMP(Cross calibrated multi-platform)及美国国家环境预报中心(NCEP, National centers for environmental prediction)数据中心的天气预报再分析系统(CFSR, Climate forecast system reanalysis)的海表面10 m处风场作为不同的驱动风场,模拟15次经过南海的热带气旋过程产生的极值波高情况下的海浪,比较了不同风场驱动的海浪后报模拟值与Jason卫星高度计实测值的误差;再应用模拟精度最高的驱动风场,模拟同样条件的海浪场,对拖曳系数的参数化方案进行敏感性分析和比较。结果表明：在模式输入参数为默认值的情况下,ERA5风场与WU方案的风输入组合能够获得更加准确的中国南海热带气旋发生海域的有效波高;最后基于以上结果构建30年的南海海域海浪要素数据集,并使用Pearson-Ⅲ分布推算出南海海域的多年一遇有效波高。研究结果...     

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。     

台风“达维”影响期间江苏海域台风浪研究

2012年 10号台风“达维”是历史上登陆长江以北的最强台风。以 NCEP 风场和 J el es ni ans ki经验模型构造台风风 场,利用波浪谱模型 SW AN 对“达维”影响期间江苏海域台风浪进行数值模拟,模拟结果和实测结果吻合较好。在利用实 测风、波浪资料验证的基础上分析江苏海域台风浪的时空分布特征。“达维”影响期间,测风塔 100 m 高度实测最大风速为 42. 2 m/ s ,实测最大波高为 6. 17 m。数值模式结果显示江苏外海有效波高最大值超过 9 m,台风移向的中心右侧风速和有效 波高均较大,波向基本与风向一致;在台风移向的中心左侧一般风速较小,风速和有效波高也均比右侧小,波向与风向不一 致。在近岸台风浪要素受地形影响较大,与外海特点不同。     

基于海浪谱分解与重构的资料同化试验

针对有效波高资料提出一种海浪谱分解与重构的资料同化方案:利用历史时段内的有效波高观测资料和模式计算波高场,采用最优插值方法得到分析波高场;在WAVEWATCH-Ⅲ模式的波浪能量密度谱和有效波高分析值之间引入一个变异系数矩阵,描述模式的误差,以此为状态向量构建卡尔曼滤波系统,对分解过的海浪谱进行修正和重构,得到同化后的海浪谱初始场。利用美国阿拉斯加湾北部海域的7个浮标站进行同化和72 h预报试验,对连续1个月的预报结果进行统计表明:采用该同化方案后24 h预报结果的有效波高均方根误差比未同化的结果降低了0.13 m;同化方案对预报效果的影响可持续36 h左右,随着预报时效延长,同化的效果减弱。     

黄海海浪季节变化的数值模拟研究

利用第三代海浪数值模式SWAN,研究了黄海海浪有效波高的季节变化特征及相关的物理过程。结果表明,在黄海的大部分区域,混合浪有效波高的最大值出现在冬季,而最小值则基本出现在夏季。北黄海北部和山东半岛南岸的近海海域呈现稍微不同的季节变化,有效波高的最大值出现在春季。全年4个季节中混合浪有效波高的空间分布基本一致:均在济州岛西南最大,沿黄海中部区域向北和由中部区域向近岸区域逐渐减小。黄海海浪为风浪占主,涌浪有效波高远小于风浪有效波高。在黄海的大部分区域,白冠耗散和四波非线性相互作用对黄海海浪的季节变化均至关重要;对于外海区域,四波非线性相互作用更为重要,而对于近海区域,白冠耗散则影响更大。本研究旨在研究黄海海浪的季节变化特征及其物理过程,为进一步探讨该海域海浪在其他时间尺度上的变异特征和动力学过程提供研究基础。     

海流海浪耦合作用对台风浪影响的数值研究

漂浮式海上风电工程设计对波浪参数等必要环境参数提出了更高的要求。本文针对福建南日漂浮式海上风电场海域建立了高分辨率的海浪-海流耦合数值模型,研究海上风电场区水位和海流对海浪的影响。模拟结果显示,耦合模式所得有效波高更加准确,可以体现水位和流速变化对波高的影响。通过分析台风过程中的浪流耦合作用对海浪模拟结果的影响发现,浪流耦合作用对最大有效波高的影响空间分布差异明显,1307号、1319号、0908号和1617号四次台风过程中,耦合作用对工程区域最大有效波高的影响可达-1.0～1.0 m。对单点的模拟结果分析发现,流向和浪向同向时对浪高有削弱作用,反向时对浪高有增强作用。此外,浪流耦合作用对波向和谱峰周期也有明显的影响,在1319号台风过程中,波向变化可达20°,谱峰周期变化可达2 s。本文论证了采用海浪-海流耦合模式在重现海浪极值中的重要性,对海上工程设计具有参考价值。