1307号台风“苏力”台风浪数值模拟

以T639预报风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),对发生在2013年7月中旬的1307号台风"苏力"所致的海浪场进行数值模拟,并利用来自台湾岛、朝鲜半岛、日本的浮标观测资料,验证模拟台风浪场的有效性,进而对台风浪的结构特征进行分析,以期为台风浪场的数值预报、防灾减灾等提供科学依据.结果表明:1)以T639预报风场驱动WW3海浪模式,模拟的台风浪场较好地刻画了台风"苏力"的结构特征;2)与浮标观测资料对比发现,模拟有效波高整体上具有较高精度,与观测值在曲线走势上保持了较好的一致性,在数值上稍大于观测值;3)澎湖浮标站处的模拟有效波高与观测值出现较大差异,这应该与台湾海峡的复杂地形、T639预报风场在台湾海峡的准确度有关;4)台风海浪场与海表风场表现出较好的一致性,台风位于大洋时,高值中心的有效波高可达13m以上,台风逼近福建沿海时,带来了11m左右的巨浪.     

厦门湾常风浪场数值模拟

通过采用目前国际上较为先进的第三代近岸海浪数值模型SWAN(Simulation waves nearshore),实现厦门湾常风浪场的数值模拟.先分别计算平潭、崇武、东山3个海洋观测站16个风向的多年平均风场,实现台湾海峡常风浪场的数值模拟,再将模拟结果嵌套人厦门湾,根据实测风场,进行厦门湾常风浪场的数值模拟.模拟结果显示厦门湾常风浪场主要受两个因素的影响,一是风的作用,二是从台湾海峡传进港湾的波浪.厦门湾湾口的有效波高和有效周期均大于湾顶.在主风向风作用下,湾口区有效波高可达1.8 m,有效周期可达6 s,湾顶则约为0.2 m和2.1 s.     

台湾苏澳港台风浪数值模拟与分析

苏澳港位于台湾的东部海岸,是台湾天然良港,其所处位置正好在西北太平洋夏秋季节台风路径上,易遭受台风袭击而产生风暴潮和台风浪.针对苏澳港及附近海域地理位置特殊、水文环境特征典型,极具研究价值,本研究选择了具有代表性的200808号台风和200815号台风,利用第3代海浪模式SWAN(simulation waves nearshore),采用嵌套方法,使用海图水深数据,Holland台风模型气压场,对台风影响下苏澳港台风浪进行了精细化的模拟.结果表明,数值模拟数据与实测资料吻合,能反应计算区域的特征;台风影响期间苏澳港的内外两重防波堤的设计结构对阻挡外海较大海浪的传入有明显的作用,可使港内外的有效波高差达到9m以上;港北侧波浪有明显的折射现象.     

南中国海台风“莫拉菲”风场模型建立

介绍热带气旋风场模型的研究进展,列举主流的圆对称风场模式.将Myers圆对称风场模型与宫崎正卫的移行风场相结合,根据2009年06号台风的典型特征要素,以南中国海台风"莫拉菲"作为研究范例建立一个符合北半球特性的风场模型.实测资料的验证结果表明,该模型在计算南中国海海域的热带气旋时具有较高的精度,可用于推测台风浪.     

基于选定风浪方向谱的海浪模拟方法

简要回顾当前第三代海浪模式中的困难。为避开这些困难,作者提出一种新的海浪模拟方法,其中特定定义的风浪组成波依常风下随时间成长的方向谱计算,而涌浪组成波藉考虑涡动黏性和底摩擦加以计算。并进行了常风场和变风场下系统的数值试验。在常风速情形中,模拟结果能精确地化为建立模拟所根据的谱和风浪成长关系。计算显示出台风中心附近浪场的极端复杂的谱结构。当风速骤然降低时,模拟的波高减小与观测符合。在风向逐渐或骤然改     

基于模型耦合的北部湾风暴潮增水与风浪模拟研究

台风风暴潮引发的增水和风浪效应是造成沿海低地灾害和损失的重要因素。本文设计了区域嵌套、波-流耦合的有限元数值模拟系统,对北部湾及附近海域风浪和增水过程进行有效模拟,精度达到应用要求。结果表明北部湾在台风影响下引起明显风浪和增水效应。台风中心风浪较小,仅1 m以内;而台风臂扫过海域风浪较大,可达9 m以上。最大增水海域出现在北部湾东侧靠近琼州海峡附近,可达2.5 m。风浪与增水叠加具有非线性效应,最大增水与最大风浪出现时间如与大潮高潮位相遇易形成超高水位,将对北部湾沿岸低地造成巨大淹没风险。本研究意在突破北部湾现有模型局限性,为进一步深化科学研究和工程应用提供基础数据。     

湛江港海域台风浪分布特征模拟

利用物理过程考虑得较全面的第三代近岸海浪数值模式(SWAN)，模拟了湛江港海域一次台风浪过程。结果表明：台风风场直接决定了海浪的分布特征。在台风场的驱动下，风向与浪向基本上是一致的，并且波高、波长与周期的发展和传播方向与风向也是一致的；风速的大小决定了波高、波长与周期的大小。此外，海浪的分布特征受台风中心的位置和移动路径影响较大，当台风中心位于湛江港海域的不同位置时，台风浪有效波高、波长与周期的分布特征及传播方向都有着较大的差异，可以为湛江港海域台风浪的预报提供借鉴。     

台风风场研究及其数值模拟

对近年来台风风场研究及其数值模拟方法作了论述.阐述了浮标和地面台站观测、飞机侦察、雷达卫星高空观测等台风观测手段;阐明了简易参数分析模型、定常动力学模型、非定常动力学模型、运动学模型等台风风场模型;分析了既有风场模型对我国东南、华南沿海海域台风风场模拟的适用性,又论述了基于台风内各站点、基于台风影响区域、台风全路径等极值风速预测研究手段.最后,展望了台风风场数值模拟的发展趋势和需解决的问题.     

近岸港口风暴潮与台风浪相互作用的数值模拟

为了模拟近岸港口风暴潮与台风浪的相互作用,利用ECOMSED和SWAN,采用嵌套方法,使用海图水深数据、Holland台风模型气压场,选择具有代表性的200808号台风为天气背景,规划4组数值试验,通过单向耦合研究该港区及邻近海域的台风浪和风暴潮水位相互影响。使用ECOMSED模式,按是否考虑波浪作用分别计算苏澳港风暴潮水位。对比结果表明,考虑海浪影响的风应力以后,风暴潮水位更加接近实测值,海浪通过风应力对苏澳港风暴潮位有全局性的调制作用,苏澳港内聚集更多的海水,内外的水位高度差加大,海平面更加倾斜。使用SWAN模式,按是否考虑风暴潮位影响分别计算了苏澳港的台风浪,试验结果表明,波高受风暴潮位的影响是局部的,靠近岸边的有效波高有所增大,增大的幅度约1m,而水位较深的地方有效波高变化不明显。     

地形起伏变化下的边界层参数化台风风场模型

对于登陆台风来说,采用平坦下垫面和单一的地表粗糙长度假设并不能与实际情况相吻合.为了更准确地模拟台风近地面风场,基于现有参数化台风风场模型,采用随地形变化的坐标系建模方法和高精度地形与土地覆盖资料,考虑了台风登陆过程中地形起伏和土地覆盖变化的影响.针对历史上影响广东省的3个台风案例,利用大量观测数据对比和验证了改进后的台风风场模型.对比结果表明:改进后的参数化台风风场模型对风速的模拟并没有表现出明显的系统偏差,并且能较好地模拟出台风登陆过程中风速风向的时程变化.     

台风风场模型适应性研究

基于数值模拟方法进行台风危险性分析去估算重现期极值风速,在国内外已得到普遍采用.进行台风数值模拟依赖于台风风场模型,不同的台风风场模型对同一地区的适应性并不一致.通过阐述几种典型的台风风场模型,并利用台风Betty（87）和York（99）两个台风实测风速和风向记录对这些台风风场模型进行对比验证,为极值风速推断选择适合于我国东南沿海的风场模型.     

长江口与杭州湾风暴潮三维数值模拟

基于改进的河口海岸和海洋三维数值模式ECOM-si，加入台风模型气压场和模型风场，同时考虑径流、天文潮与风暴潮耦合作用，数值模拟了TC9711（Winnie），TC0012（Prapiroon）和TC0014（Saomai）三个台风期间长江口和杭州湾的水位过程.与观测资料比较，模式较好地再现了台风期间的水位过程，采用Fujita（藤田）气压场公式计算的结果比Fujita Takahashi（藤田 高桥）气压场公式下的计算结果更符合实测值，并在上述3个台风期间计算水位值与观测值的均方误差分别为42.5 cm，41.7 cm，35.5 cm.     

基于YanMeng模型模拟台风的初步探索

利用风场模型对台风进行数值模拟得到极值风速这一方法已被广泛应用.首先详细介绍YanMeng风场模型物理模型及数值解法;着重强调该模型中的两个随机参数:Holland参数B、等效粗糙长度z_0,讨论了它们对气压场及风速的影响程度,并给出相应取值方法;最后以YanMeng风场模型作为技术背景,根据厦门气象局提供的实测台风数据对台风DAN进行数值模拟,得到梯度风场以及台风影响下厦门地区表面风速,以证明YanMeng 风场模型的可行性.     

台风浪对掠海飞行器击水概率的影响

利用CCMP风场驱动目前国际先进的第3代海浪模式WW3,对发生在中国海的台风浪进行数值模拟,在国内首次利用来自日本、韩国的海浪观测资料,对模拟数据的有效性进行检验,并分析台风浪对掠海飞行器击水概率的影响,为提高导弹等掠海飞行器的生存和突防能力提供参考。研究发现：（1）模拟的海浪数据与观测数据具有较好的一致性,WW3模式较好地刻画了发生在中国近海的台风浪过程;（2）击水概率的大小因飞行高度呈现较大差异;（3）通过对3个转向型台风的分析发现,台风西行时,击水概率的大值区主要分布于第1、第4象限,北上时,击水概率的大值区主要分布于第1、第2象限,东北行时,击水概率的大值区主要分布于第1象限;（4）台风西行、北上时,台风中心位于击水概率大值区的南部,东北行时,台风中心位于击水概率大值区的西部。     

基于强风圈半径的台风风场模型

首先用Jelesnianski台风风场模型及美国联合台风警报中心(JTWC)整编的台风资料,计算10级和7级风圈半径,并与气象部门的发布值相比,发现两者存在较大误差.进而,在Jelesnianski台风风场模型的基础上,提出一种基于最大风速半径、10级和7级风圈半径的台风风场模型,并比较两种台风风场模型的风速剖面.结果表明:该模型比包括被广泛应用的Jelesnianski台风风场模型在内的前人提出的台风风场模型都更接近台风风场实况,其中10级和7级风圈半径与气象部门的发布值是一致的.     

SWAN模型风能输入项的改进与验证

为了分析第三代海浪数学模型——SWAN模型的风浪模拟能力,分别计算了恒定风场和台风时变风场下的波浪场.恒定风场中假定不同的风速及风区长度,通过比较SWAN模型与SMB方法等经验风浪公式的计算结果,得出SWAN模型风浪模拟的适用范围.针对大风速下计算波高偏大的情况,通过分析参考波速引起的输入风速变小及拖曳力系数饱和等因素,提出了风能输入项的修正方法,并采用同步观测的风、浪资料对修正前后的计算结果进行了比较验证.结果表明,在大风速情况下,修正后的SWAN模型的模拟波高更接近于经验公式结果及实测数据.在SWAN模型风能输入项中引入参考波速引起输入风速减小及对拖曳力系数饱和因素的修正,可以更好地模拟大风速下的波浪场.     

江苏沿海精细化风暴潮模式研究与应用

针对江苏沿海易遭受风暴潮影响的现状,分析了江苏历史上台风风暴潮灾害特征.选用Holland台风风场模型计算风场为强迫场,通过目前被国际上广泛接受的水动力模型ADCIRC建立台风风暴潮模式.建立的江苏海域精细化风暴潮数值预报模型,结合江苏沿海岸线和地形变化特点,采用非结构网格技术对研究区域复杂海域进行重点加密,选取历史上影响江苏沿海典型的四个台风,进行江苏沿海精细化风暴潮后报检验.通过对影响江苏海域的不同时期的台风风暴潮过程的数值预报检验可以得出:台风风暴潮数值预报模型的后报相对误差为18.3%,预报相对误差不大于20%,能够较好的预报风暴潮过程的发展,刻画不同台风过程引起的风暴增水过程,实现了江苏省沿海台风风暴潮的3d数值预报.     

T639预报风场在台湾周边海域的解释应用

基于台湾的气象观测资料与日本的漂流浮标资料,通过定性判断预报值与观测值的曲线走势、定量计算相关系数、偏差、均方根误差及平均绝对误差的比较方法,检验了T639预报风场在台湾周边的有效性,能为航海、海洋工程、防灾减灾等提供参考。结果表明,T639预报风场对影响台湾与周边的台风、冷空气过程都具有较强的预报能力,其中对冷空气的模拟效果整体好于台风过程,中低风速下的模拟效果好于高风速;在台风(或冷空气)和狭管效应的双重作用下,台湾海峡存在明显的大风中心,但在台湾岛的阻挡下,台湾西南部的高雄附近海域在冷空气期间持续存在一个低值中心,冷空气期间风向的向岸效应(风向呈圆弧形包绕着大陆海岸线)明显。     

考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析

为系统研究台风作用下风力机体系的气动性能与风效应特性,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式对台风"鹦鹉"进行高时空分辨率模拟.基于最小海平面气压追踪的台风中心路径与实测路径的对比结果,验证模拟的有效性.以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,结合小尺度CFD大涡模拟技术对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟.结果表明,采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076.台风下叶片和塔架的脉动和极值风压系数显著增大,最大增幅达29%.台风作用下叶片与塔架完全重合时为最不利情况,旋转至上叶片完全重合时安全余度最大.     

台风风场与B类风场作用下输电塔风效应对比研究

在边界层风洞中开展了台风风场与B类风场条件下某角钢输电塔气弹模型试验,采用谐波合成法模拟了不同高度的风速时程,在时域内进行了输电塔结构风致响应计算,对比研究了两类风场条件下的风致响应与风振系数.研究结果表明:输电塔风致加速度响应随着来流风速的增大而明显增大,台风风场条件下加速度响应更为剧烈,比B类风场条件大约20%～30%;B类风场条件下风振系数为1.59,台风风场条件下达到1.85,总体增幅达到16%;数值模拟结果与风洞试验结果较为吻合.因此,台风多发地区的输电塔设计应考虑台风高湍流引起的动力风荷载增大效应.