海浪同化预报模型理论基础

将共轭变分同化方法应用于 LAGFD- WAM海浪数值模式 ,导出了海浪谱能量平衡方程的共轭方程以及风输入、破碎、底摩擦、波波非线性相互作用和波流相互作用的相应共轭源函数 ,建立了海浪同化模型 ,数值计算仍采用特征线嵌入计算格式 ,为合成孔径雷达波谱反演资料和卫星高度计有效波高资料同化奠定理论基础     

复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

特征线计算格式下共轭方程两种导出途径的比较

共轭方程的导出是建立资料同化模型的关键，其导出方式有两种途径：AFD形式与FDA形式。在特征线计算格式基础上针对一类较广泛海洋动力控制方程分析了其两种共轭方程（AFD形式与FDA形式）之间的关系，并将理论结果应用于波谱共轭方程的讨论。     

利用海浪谱共轭方程进行东海敏感性区域分布研究

近岸局部范围内的波浪是由远处洋面上生成并传播过来的，它的生成发展源地(敏感性海域)对于所关注范围的波浪起决定性影响。共轭方程中的模式变量反映了物理参量的梯度变化，利用它可以达到精确确定敏感海域具体位置的目的。本文在LAGFD-WAM海浪模式基础上建立了海浪谱共轭方程，提出了通过在关注点邻域加一小扰动作为逆向积分海浪谱共轭方程的驱动项，来计算出梯度极值分布的思想。将这一思想应用于东中国海区域，通过一系列试验来确定舟山及长江口附近海域的敏感性区域位置。试验结果符合物理意义，梯度极值分布结果为下一步的多源卫星观测资料复合分析及最优实测方案设计奠定了基础。     

非线性波波相互作用共轭源函数守恒量的分析

海浪组成波中的四波共振时满足谱作用量、谱能量及动量守恒，在变分同化所建立的波谱共轭方程中，对应于非线性波波相互作用源函数Boltzman积分形式，本文建立了其共轭源函数满足的守恒关系；实际海浪计算时广泛采用Hasselmann et al．(1985)的参数化方法，本文给出其综合作用表示式，证明也满足谱作用量、谱能量及动量守恒，并进一步导出了其共轭源函数中存在的守恒量。所有的共轭源函数守恒量只是对共轭算子而言的，对于共轭波谱则不存在相应的守恒关系。     

LAGFD-Ⅱ区域性海浪数值模式及其应用Ⅰ.海浪数值模式

给出了LAGFD-Ⅱ区域性海浪数值模式,详细地导出了波数空间中的复杂特征线方程。在模式中除了含有一般的各项源函数项之外,我们还给出了波、流相互作用源函数,并对非线性相互作用源函数作了一种简化处理,模式的数值计算取得了令人满意的结果。     

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。     

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。     

近岸海浪模式在中国东海台风浪模拟中的应用--数值模拟及物理过程研究

较为详细地介绍了基于能量平衡方程的第三代近岸海浪数值模式SWAN（Simulation Waves Nearshore）及其包含的物理过程（风生浪、底摩擦、白浪耗散、深度诱导波破碎、非线性波－波相作用等），并利用该模式对影响杭州湾－长江口沿岸海域的一次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嵌入对应台风特征等压线，并对相应时段的NCAR／NCEPT资料、单站资料进行同化后提供；利用自嵌套的方式提供波谱边界条件；模式模拟的结果与实际海浪观测资料相符较好，在此基础上，研究了底摩擦、深度诱导波破碎、三波相互作用等物理过程联合对近岸台风浪的影响，初步认识了它们在近岸台风浪生成、传播过程中的重要作用。     

山东半岛东部沿海海浪预报方法初步探讨

本文采用麦夸特法（Levenberg—Marquardt）＋通用全局优化的拟合方法，依据山东半岛不同海区海浪和风的实况资料，确定不同海区拟合方程，拟合方程以WRF风场预报模式预报24小时风速为预报因子，以海浪浪高为预报量。根据拟合方程计算出的每个海区的浪高的值，对每个海区分别进行海浪的浪高预报，产品以GRADES图形的形式输出。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。     

球坐标系下MASNUM海浪数值模式的建立及其应用

为开展海浪对海洋上混合层的搅拌混合作用及其对海气界面通量的影响等研究,在LAGFD WAM区域海浪数值模式基础上建立了球坐标系下的全球海浪数值模式.重点导出了球坐标系下的海浪能量谱平衡方程及其复杂特征线方程,该组方程包含了背景流场对波动传播的调整、波动沿大圆传播的折射等.数值积分则采用复杂特征线嵌入计算格式.初步数值模拟结果表明,该海浪全球数值模式能够较为精确地刻画海浪的动力过程.     

近岸台风浪的嵌套数值模式

本文将混合数值海浪模式与第三代海浪模式结合起来研究近岸台风浪。在西北太平洋及中国海域采用混合数值海浪模式预报海浪，而在近岸台风区域采用包括海底绕射项的ＷＡＭ模式，该小区域的浪边界条件由大区域上得到的计算结果提供。我们建立的数值近岸台风浪预报系统既利用了混合海模式节省计算机时的优点，又用细网格的ＷＡＭ模式抓住了近岸海底地形对海浪的作用，该模式的后报结果表明，模式计算的近岸台风浪台站的实测资料符 合料     

Envisat ASAR海浪谱资料的最优插值同化试验

基于第三代海浪数值模式LAGFD-WAM,分别利用4种不同形式的各向同性背景误差相关函数进行了Envisat高级合成孔径雷达(ASAR)海浪谱资料的最优插值同化试验.与4个浮标实测数据的比较验证表明,ASAR海浪谱资料的最优插值能够有效地改进海浪模式有效波高的模拟.4种不同形式的各向同性背景误差相关函数的同化结果相差不大,决定同化效果好坏的关键是对相关距离尺度的选取.针对自回归形式的背景误差相关函数的试验结果表明,相关距离尺度的量级在400-500km时同化效果最好,此时同化后的模式有效波高均方根误差比未同化时相对减小了26%.     

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。     

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。     

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。     

海浪预报方法综述（二）

四、海浪的数值预报方法 到目前为止,海浪的数值预报模式基于谱组成波的能量平衡方程以数值计算方法而建立的,实质上都是以下述能量平衡方程为基本方程:式中F是二维波谱,是频率f、传播方向θ、时间t和位置x的函数,Cg为波群速度,S为源函数,包括风作用项S_（in）、消衰项S_（ds）（包含波的破碎消衰、涡动粘性和逆风引起的消衰,浅水中海底和地形引起的消衰等）、波与波之间相互作用引起的非线性能量传输项S_（n1）。所谓海浪数值预报,就是将上述微分方程（或者是近似公式）进行数值积分。虽然不同的研究者采用描述组成波成长的方程有相同的形式,但由于所用的源函数不同,所以提出的数值模式就很多。经SWAMP小组对比,大致分三类:一是非耦合离散型模式（Decoupled Propa-gation）,简称DP模式;二是耦合混合型模式（Coupred Hybrid）,简称CH模式;三是耦合离散型模式（Coupled Discrete）,简称CD模式。并根据各类模式的功能,将DP模式划为第一代海浪模式,CH和CD模式为第二代海浪模式。     

基于舰船耐波性的中国近海海浪特征统计(英文)

海浪是影响舰船行进和结构设计的最核心的环境要素。海浪参数的统计分析是建立舰船环境适应性长期预测模型的基础。对1993-2011年沿海台站、浮标观测资料,高度计观测资料和船舶报观测资料进行双线性插值,给出了海浪波高的分析场。利用波高分析场对WAVEWATCHIII(WW3)模拟结果进行最优插值同化。给出了海浪统计玫瑰图、极端海浪统计参数和海浪累年二维极值海浪谱等与舰船耐波性有关的海浪统计参数,分析了中国近海的波浪特征。     

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。