中国近海海域台风浪模拟试验
2 3N+海 洋 通 报 27卷 去未 NcosO+ + + Ⅳ=吾 一Cg C OS 0- ̄-Uo =—(2) j—Cg sinO+ 。 Rcos0 . . =o 0 C tan COS0 :———————一 ———— ——————式中:R为地球半径; 和 分别为平均海流在经、纬方向的分量; WAVEWATCH III源函数项包括风能量输入项 ,分别为经、纬度。 ,波波非线性相互作用项 ,和耗散(白冠)项 , 在浅水区考虑了底摩擦 , 用公式表示为: S= + ,+ 出+Sbo, (3) 模式计算区域为lo0。E~l 40。E,l0。N~45。N,地理空间网格采用0.25。(经度)×0.25 ̄(纬 度)的分辨率,在频率和方向的二维谱空间上,频率分布从0.041 8 Hz至0.41 Hz共25个频段,波向 共24个,分辨率为l5。。相应的网格水深使用全球5 ×5 水深数据形成相应精度的水深数据。传播计 算步长采用900 s,地理空间传播步长和内部谱的传播步长也是采用900 S,源函数的积分时间步长为 600 S。 模式分别由2005年7月31日12:00 UTC的海面构造风场和NCEP再分析风场初始化,分别计 算了同一时刻的台风浪来进行比较。计算时间范围为2005年7月31日12:00 UTC至2005年8月 8日12:00 UTC,模式结果采用网格输出,时间间隔为每小时一次。 2本文海浪数值模式中输入风场的构造 2.1台风风场的计算 台风域中的风场由两个矢量场叠加而成。其一是相对台风中心对称的风场,其风矢量穿过等压线指向 左方,偏角(流入角)为20 O风速与梯度风成比例;其二是基本风场,假定其速度( 风移速。有几种常用的基本风场表示方法,这里用Ueno Takeo(1981)的公式表示【3】: /7=Vx exp ,,,)取决于台 『+ p 17 ㈩ 式中: , 为台风移速在x,Y方向的分量。 若将坐标原点取在固定计算域,则台风域中的中心对称风场分布取以下形式: 一唧(÷ c 一 。・ )sin0+(y—Yo)cosO】 0 ,. 2R (5) 一唧 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 闻斌等:中国近海海域台风浪模拟试验 ・[(x—x。)cose一( —Y。)sin0】 o r 2R (6) 一・[(x—x。)sinO+(y—Y。)cose】 . 2R<r< (7) ・[(x—x0)cose一( —Y0)sin0】 2R<r< (8) 这里, , 分别代表风速在x,Y方向的分量,△尸= 一P0,代表台风中心气压示度:r和R以厘 米为单位,r=√ — ) + 一Yc) ,这里 ,Y 代表台风中心位置:P。为空气密度:0为流入角; R是最大风速半径;r是计算点距台风中心的距离; 为Coriolis参数( =2∞sin ̄0, 为纬度,∞为地转 角速度):C1,C2为常数,C1=1.0,c2=0.8,是经过大量对比计算后确定的。大量的风场比较计算表 明,所建立的模型风场是成功的[41,并被用于南海石油开发区海上气压场、风场以及浪、流和风暴潮的计 算。 2.2输入风场的构造 海浪数值模式中输入风场的计算方案为:通过一个权重系数,用上述经验台风公式计算台风风场和 NCEP的再分析风场相加得到,这样做既保证背景风场的可靠性,也提高了台风最大风速附近的精度【5】。 、●●●●●●●、r,, ●J 、●●●●●●●、r,, ●J 新的风场构造公式为: = (1一e)+P 4 (9) 式中: 为经验台风公式计算的风场; 为NCEP再分析风场;P为一个权重系数,P= l1-乙 ,这里c 是一个考虑台风影响范围的数,C=÷一其中r是计算点距台风中心的距离,R是最大风速半径,系数 般取9或1O,是经过大量对比计算后确定的。权重系数e随计算点到台风中心距离的不同而不同, 这样既保证了在台风附近用台风模式计算的风场,在距台风中心远的点用NCEP再分析风场,又保证了 两个风场的平滑过渡。 2.3 台风风场计算处理流程 图1为台风风场后报流程图。利用台风中心位置、台风中心最低气压、最大风速半径等台风参数构 造准确的台风模型风场,以“NCEP再分析海平面风场”作为环境风场,通过一个权重系数使台风风场和 环境风场平滑相接,重构新的、更为准确合理的风场作为海浪数值模式输入风场,以提高台风浪后报精度。 图2为台风预报风场业务化运行流程图。在日常的业务化保障过程中,以“T106海平面风场数值预 报”产品作为预报环境风场,结合中央气象台发布的同时次台风中心位置、台风中心最低气压等预报台风 参数构造台风模型风场,通过权重系数使台风风场和环境风场平滑相接,重构风场作为海浪数值模式输入 风场,使台风浪的预报更为准确,提高日常的业务化保障水平。 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 海 洋 通 报 27卷 图1 台风风场后报流程图 图2 台风预报风场业务化运行流程图 Fig.1 Flow chart ofthe typhoon wind ifeld post fbrecast typhoon wind field Fig.2 Operational application lfow chart ofthe typhoon wind ifeld forecast 3试验结果的比较和研究 计算选用0509台风麦沙(Matsa),麦沙在 2005年7月31日于菲律宾以东洋面上生成后, 向西北方向移动,强度迅速加强,8月3日发展成 台风。6日凌晨03:40在浙江玉环县干江镇登陆, 登陆时最大风速达42 m/s。台风移动路径见图3。 图4为经验台风公式计算出的风场矢量图, 图5是利用本文的方法构造的风场矢量图,此时, 台风中心位于25.7。N,123.5。E附近。比较图4、 图5,可以看出,经验台风公式计算出的风场模型 只能刻画出台风中心的风场状况,而要模拟台风 图3 2005年台风麦沙的移动路径 浪,仅有台风中心附近的风场是不够的。用NCEP Fig.3 PathofTyphoonMatsain 2005 再分析风场资料作为背景场,再将背景场与台风模 型风场经过权重叠加才能真实地反映出台风风场。 有了精确的海平面风场作为驱动风场,海浪数值模式 模拟台风浪就能取得满意的结果。 图4经验台风公式计算的台风风场矢量图 图5构造台风风场矢量图 Fig.4 Typhoon wind ifeld vectorgraph from calculation ofexperiential typhoon formula Fig.5 Build typhoon wind ifeld vectorgraph 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 闻斌等:中国近海海域台风浪模拟试验 5 为了说明构造风场的效果,用新构造的台风风场和NCEP再分析风场后报“麦沙”2005年8月5 日14:00的台风浪,此时台风中心位于26.6。N,123.2。E,中心最大风速为45 m/S,也是“麦沙”最 强盛时期,根据波高与风速的经验对应关系,此时,有效波高应该是18 m左右。从图6中可以看出, 用构造风场作为外界强迫场后报的台风浪最大有效波高为18.9 m,图7是用NCEP再分析风场资料驱动 海浪模式后报的同一时刻的台风浪,最大有效波高仅为8.92 m,远小于18 m,明显不符合实际情况。同 样,图8、图9也是用这两个不同的风场后报“麦沙”2005年8月6日00:00的台风浪,此时“麦 沙”强度维持,中心最大风速为45 m/S。用构造风场后报的台风浪最大有效波高高达21.5 m,而用NCEP 再分析风场资料后报的台风浪最大有效波高只有11.0 m。根据作者【6J和齐义泉【7]等的工作, WAVEWATCH IⅡ海浪模式用NCEP再分析风场作为输入风场,计算出的台风浪有效波高的结果与卫星 高度计观测结果相比较,存在整体偏小的趋势。用本文新构造风场来驱动海浪模式对台风浪进行模拟,较 好地解决了这个问题。 WO' ̄lI[ h・ ht( ̄ndtd.m)and m-口n dirla ̄n(v.口tor) t・”... ht(曲・d・‘m)and m¨n d;rlmtion Cv.口t ) x and Y in detltle.alat ̄ler,erated 2OO6/1 2/1 2 x and Yin d.州.咖t翻m-州2o07/ ̄/1, 图6构造台风风场后报台风浪有效波高 图7 NCEP再分析风场后报台风浪有效波高 Fig.6 Signiifcant wave height in the typhoon wind ifeld post forecast Fig.7 Singiifcant wave heihgt in hte NCEP reanalysis wind ifeld post forecast Hi mall:21.5m dam 2005/08/05 I6:0Oz HI mox:1 1.Om dam 2oos/ ̄/os 16:OOz -口v・height(shaded.m)and n't4lor ldlrl ̄tJan(vector) -口憎hOight(,had ̄l。m)and Is ̄lllarl dlreetlan(v・ctor】 x and Y in degnle.plat i; ̄nefated 2oo6/i2/12 X and Y in deQnle。alot qen.rat.d 2007/0S/1 7 图8构造台风风场后报台风浪有效波高 图9 NCEP再分析风场后报台风浪有效波高 Fig.8 Singiifcantwaveheihgtinthetyphoonwindfieldpostforecast Fig.9 SingiifcantwaveheihgtintheNCEP reanalysiswindfieldpostforecast 维普资讯 http://www.cqvip.com
6 海 洋 通 报 27卷 4结论与展望 本文结合经验的台风公式和NCEP再分析风场构造的西北太平洋海域台风风场比较真实地反映了 0509台风麦沙f Matsa)风场的结构,用这个新构风场作为输入,采用WAVEWATCH III海浪数值模式 后报“麦沙”台风浪,后报的有效波高有了明显的改善。在海洋观测资料少、同化困难的情况下,采用本 文优化风场的方法是提高后报、预报台风浪准确性的有效途径之一。 台风浪的数值预报一直是业务化的难点之一,结合T106全球海平面风场数值预报产品和中央气象台 发布的台风中心位置和强度的预报结果,使用本文新构风场的方法,为海浪数值模式提供准确、合理的输 入风场,相信能够做好台风浪的业务化数值预报。 参考文献: [1] 许富样,余宙文.中国近海及其邻近海域灾害性海浪监测和预报[J].海洋预报,1998,l5(3):63—68. [2]TolmanHL.Usermanualand system documentation ofWAVEWATCH一1i/version 2.22[z】.TechnologyNote 214,NOAA/NWS/NCEP/OMB,l33PP, 2002、 [3] Ueno Takeo.Numerical computation ofstorm surge in Tosa Bay[J】、Journal ofOceanographic Society ofJapan,1981,37(2):61—73、 [4] Yu Fujiang,Ye Lin,Wang Xinian.A H lh Resolution Storm Surge Prediction Model for Bohai Sea with Application to Typho0n 9216【A].Prcoeedings ofThe International Conference on Marine Disasters:Forcast and Reduction[C]、China Ocean Press,1998. [5] 张志旭,等.最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用[J】.热带海洋学报,2003,22(4):34・41. [6] 闻斌,于福江.0414号“云娜”台风浪数值试验[J]、海洋预报,2006,23(2):l0一l 8、 [7] 齐义泉,等.WWATCH模式模拟南海海浪场的结果分析[J].海洋学报,2003,25(4):1-9. 作者简介:闻斌(1969一),男,硕士,工程师,从事海浪预报研究,在((海洋预报 等发表10多篇论 丈,获军队科技进步奖9项。电子邮箱:wenbin_2002@163.com Experiments on the Simulation of Typhoon Waves in the Inshore Area of China Sea WENBin,WANGPeng,WANLei,ZHNAGFangran (Hydrometeorological center ofthe general staf,Beijing 100081 China) Abstract:Combining the NCEP re—analysis wind data with an empiircal typhoon expressions,the wind ifelds are formed.The wind ifelds are used to drive a htird—generation wind wave model WAVEWATCH III to simulate hte wave fields in the northwest Paciifc during the period of Typhoon Matsa in 2005.The result shows that the performance of the wave model is improved due to the improvement of hte wind ifelds. Keywords:typhoon waves;typhoon wind ifeld model;numerical simulation
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