有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式,用到的风场数据是气象工作者从天气形势(大尺度)分析中,通过差值等方法获得的,缺乏针对性,而且精度较低(WMO,1988;WMO,1990)。 作者认为,适于海洋要素预报的风场模式应是定位于有限区域,或称中尺度模式,并根据台站的具体资料来源和工作状况力争建立一套适于海洋要素预报的中尺度风场数值模式。鉴于以上,作者建立了一个适于海洋要素预报的有限区域海面风场数值模式。模式采用符合动力及热力学条件的简化方程组对大尺度风场进行加密,通过数值模拟得到适于海洋要素预报的有限区域海面风场。并将该模式运用于渤海这一有限区域,获得了良好的效果,说明该模式对海洋要素预报具有很好的应用前景。     

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。     

基于星载SAR数据和模式资料的海面风场变分融合方法研究

为实现合成孔径雷达数据与数值预报模式资料融合,提高海面风场精度和业务化运用水平,提出了一种基于星载SAR数据与模式资料的变分融合方法。其研究思路是采用二维连续小波变换提取SAR图像中高精度风条纹风向,结合地球物理模型函数求解海面风场的经向分量和纬向分量,然后采用Kriging插值方法将数值预报模式风速插值到SAR海面风场覆盖区域,得到SAR风速观测算子,由此构建SAR风场与模式风场融合的代价函数,并采用变分方法求解分析风场,最终得到融合后的海面风场结果。仿真分析结果表明,变分融合后的海面风速和风向结果更接近于理想值,尤其在SAR海面风场覆盖区域更为明显。选取ENVISAT/ASAR资料和与其时空匹配的欧洲中期天气预报中心模式风场资料开展实例验证,结果表明融合后的海面风场结果比模式风场更加接近于浮标观测结果。     

基于WRF模式同化QuikSCAT风场资料的初步试验

利用美国最新推出的中尺度区域模式WRF(Weatherand Research Forecasting model)和中国数值预报创新基地开发的三维变分同化系统GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,1．0版本),以2002年台风“黄蜂”为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了散射计风场资料同化对台风“黄蜂”三维结构分析和预报的影响。初步的结果显示,同化散射计风场资料对台风的大风风场分析、台风中心位置和海面气压场等都有明显的正效应,而对于预报场的改进相对有限。     

基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

基于区域海气浪耦合模式的海洋风场预报性能研究

为评估面向海洋风场的耦合模式预报性能,针对西北太平洋海域,基于一次有无台风过程开展了区域海气浪耦合模式的72 h风场预报应用研究,并重点对1 000 m以下低空风预报进行了GPS观测数据的比对检验评估。结果表明:无论是海面10 m风还是1 000 m以下低空风,耦合模式对无台风日的风场预报效果相对更好;有无台风过程的检验评估均显示,海面低空风预报随时间变化趋势与GPS观测的基本一致,且各高度上均是u分量预报效果好于v分量的;针对台风的耦合模式预报需从模式初始场和物理过程参数化等加以发展完善。     

台风"卡努"的数值模拟试验

台风“卡努”(Khanun,200515)是近年来登陆台风中给沿途造成重大灾害的台风之一。本文以第五代中尺度气象模式(MM5V3)为基础,采用三重嵌套的高分辨率网格设置,分别用四种初始化方案,对台风“卡努”进行了数值模拟试验,分析和探讨了模式的初始化对预报效果的影响。结果表明,MM5模式对台风的模拟预报具有一定的能力,按照常规的方法利用Bogus人造台风涡旋对初始场进行调整以及加入常规观测资料,路径和强度的预报效果都有明显的改进;再加入Quikscat卫星海面风非常规资料,能够减小台风路径预报逐小时预报误差,台风的强度预报也有所改善。     

WRF Hybrid方法同化HY-2A散射计风资料在台风“菲特”预报中的应用

选取台风"菲特"(Fitow,201323)临近登陆过程为试验个例,在WRF模式基础上,采用4种不同的初始化方案,对台风"菲特"进行了72 h预报试验,并分析了模式的初始化对预报效果的影响。试验结果表明,对于台风路径的预报,使用集合平均作为初始场进行预报,预报结果相对直接使用GFS资料作为初始场进行预报的结果有明显改善,使用3DVAR同化方法,将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径预报进一步有所改善,而使用Hybrid同化方法将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径进而又有明显改善;但是在台风强度方面的预报,4种初始化方案效果不相上下。     

渤海溢油数值预报研究

以溢油漂移扩散模式为核心,采用"油粒子"方法来模拟溢油在海洋环境中的漂移扩散行为,与业务化渤海三维海洋数值预报模式、中尺度海洋风场数值预报模式相衔接,获得海流、海面风场等海洋环境预报产品作为溢油模式的外强迫,建立了渤海溢油数值预报系统.本文简要介绍了该系统的组成、运行机制和模拟试验情况,并讨论了建立我国全海域溢油预报系统的有关问题.     

WaveWatch III 和SWAN模型嵌套技术在业务化海浪预报系统中的应用及检验

根据钓鱼岛海域海监巡航执法保障预报、重点海洋安全保障目标精细化预报等海浪业务化预报工作的新需求,基于 WRF 海面风场预报模型,利用结构网格海浪模型WaveWatch 芋和非结构网格海浪模型SWAN （Simulating Waves Nearshore） 的嵌套计算,建立一套适用于东海区和上海近海的海浪数值预报系统。通过不同数值实验,证明此系统的稳定性和时效性。 利用观测数据对连续2 个月的有效波高值的预报结果进行检验,结果表明：24小时预报平均绝对误差在0.3 m以下;48 小时 预报平均绝对误差在0.5 m以下;72 小时预报平均绝对误差在0.7 m以下,且误差极值主要是由台风过程引起,但预报趋势 仍值得参考。对2次台风过程采用不同风场源数据进行对比试验,结果显示采用实况路径的后报风场,海浪预报精度明显改 善。对于近岸区域采用嵌套计算的SWAN模型预报结果比WaveWatch III 模型预报结果精度显著提高,证明建立的海浪数值 预报系统在满足“稳定性”和“时效性”的基础上,各尺度和分辨率的预报产品“准确性”也能得到保证。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

变分伴随数据同化在海表面温度预报中的应用研究

将变分伴随数据同化技术应用于海表面温度(SST)数值预报.采用中国近海海表面温度短期数值预报模式,将船舶测报海表面温度同化到该模型中,对SST初始场进行优化.文中给出了中国近海SST数值预报同化模型5d试报结果与观测值的比较,整个区域的均绝差由同化前的2.71℃降至0.87℃,即变分伴随数据同化对改进SST数值预报的效果是比较明显的,表明它可成为SST数值预报初始化的新方法.     

非结构网格模型在闽东沿海台风浪模拟中的应用

基于加密的非结构三角网格，以Holland模型风场叠加美国国家环境预报中心（NCEP）海面风场构造的合成风场驱动第三代浅水波浪数值模型（SWAN）对2017年影响闽东海域的“纳沙”和“泰利”台风过程进行数值模拟，并运用浮标站的实测数据对模拟结果进行验证.结果表明，模型计算的风速、有效波高与实测值符合较好，合成风场能较好地模拟台风期间的风速变化过程，SWAN模式能够合理地再现闽东沿海台风浪的时空分布特征.由模拟结果可见：台风“纳沙”中心越过台湾岛进入台湾海峡北部海面，受海峡地形的约束，其波浪场呈NE—SW向椭圆状分布，北部海域的浪高大于南部，闽东沿海遍布大范围的巨浪到狂浪；超强台风“泰利”未登陆闽东，当其台风中心与大陆的距离最近时，海面波浪场分布与台风风场结构一致，台风中心附近海域为14 m以上的怒涛区，巨浪遍布于闽东沿海.研究结果可为闽东沿海台风浪灾害预警和应急管理提供技术支撑和参考依据.     

SIMULATION OF WIND FIELD AND THE NUMER-ICAL CALCULATION OF STORM SURGE OF THE BOHAI SEA

Up to now, available method of numerical forecasting and suitable wind field model for the Bohai Sea storm surge have been few. In this paper, through the analysis of the weather situation is presented a mathematical model for the wind fields involved mainly the deformation field of a high pressure matched with a low pressure, the temperate cyclone, the cold wave and the northword typhoon. Meanwhile, numerical computations combined with the nonlinear storm surge models are made by using "ADI" method. The computed results are generally coincident with the practical observations. It has showed a success in the simulated wind field and the feasibility of using "ADI" method to forecast the Bohai Sea storm surge.     

海面风场对环台湾岛海域温跃层的影响

本文首先给出了环台湾岛海域的海表风场计算方法和海表风应力的参数化。在此基础上，把该研究海域分为四个区域，用对比的方法分析由POM模式所得到的数值结果，讨论了海表风应力对该海域不同类型温跃层的具体影响。主要结果如下：海表风应力是影响温跃层的动力因子，对季节性温跃层的深度和强度均有重大影响，但对大洋温跃层的影响不大；海面风场作用数值计算与实际风场误差不大，故可以用计算所得的风场来代表实际风场作实验对比分析；海表风应力较小时有利于温跃层的发展加强，风应力较大时温跃层将减弱消失。     

台风的海面气压场和风场模拟计算

本文采用台风中心资料、地面天气图及部分台站的观测资料，使用改进的藤田气压模型和Myers气压模型，对1996年9月9日11时在广东吴川——湛江登陆的9615号(Sally)台风海面风场进行了数值计算，求得台风域内的风速分布，并和实测资料进行了比较。结果表明，改进后的台风气压模型对台风海面气压场和风场的模拟计算是可取的。     

渤海结冰海区溢油行为数值模拟

基于溢与海冰,水,大气的相互作用原理,建立了渤海结冰海区溢油行为数据模式,该模式模拟子结冰海区中油的输运过程,与国外有关模式相比更加重视冰场和冰速场的作用。海冰及潮流模式及采被实况检验过的渤海海冰数值预报模式。