热带气旋下海浪的分布特征及其影响机制

发布时间：2020-06-29 09:01

【摘要】：热带气旋下海浪空间分布特征的研究不仅可以直接提高热带气旋下海浪的预报精度,而且可以增进对高风速下海气界面动量通量和热通量的理解,改善热带气旋强度和结构的预报,具有很高的科学价值和社会效益。但是目前的海浪模式风能量输入源函数也不适用于高风速下海浪的模拟,而且目前的研究中没有深入探讨热带气旋风场细结构特征对海浪平均要素和海浪方向谱的影响。针对海浪模式可能高估风能量输入的问题,基于高风速下拖曳系数最新观测数据和实验结果改进WAVEWATCHⅢ(WW3)海浪数值模式风能量输入源函数,使之适用于高风速下的海浪数值模拟,并设计理想实验和热带气旋Bonnie实验评估改进模式的模拟效果。理想实验表明,改进模式降低了模式的风场能量输入,但不改变有效波高、平均波长和海浪方向谱的空间分布特征,对平均波向的影响甚微,可忽略;无论在高风速(大于25m/s)还是在低风速区域,改进后模式模拟有效波高相对于改进前模式在气旋各象限均显著减小,且左前和右前两个象限比左后和右后两个象限减小程度明显偏大。将改进模式进一步应用于热带气旋Bonnie下的海浪模拟,结果表明采用高风速下拖曳系数逐渐减小的模式改进方案,模拟结果与观测吻合最好,即实际上拖曳系数在高风速下更可能是随着风速增大而逐渐减小。 本研究设计了一系列理想数值实验,利用高分辨率的WW3海浪模式定量分析热带气旋移动速度、强度、最大风速半径、入流角度、表面风场非对称性和热带气旋移动时的转向等风场细节因素对热带气旋下表面海浪分布特征的影响。实验结果表明,热带气旋下海浪的空间非对称分布不仅与热带气旋风场的非对称性有关,而且还会受到热带气旋移动速度、最大风速半径、入流角度和热带气旋移动时的转向的影响。入流角度和最大风速半径增大会使最大有效波高的位置向后移动,而移动速度和风场非对称性会使最大有效波高位置向前移动。热带气旋移动速度增大会使右侧象限内的有效波高明显增大,左侧象限内有效波高减小。热带气旋最大风速半径增大和强度增强使各象限内有效波高均显著增高。入流角度增大使有效波高在前两个象限内减小,后两个象限内增高。随着风场的非对称性增强,除了左前象限内有效波高增大,其余象限内均减小。热带气旋的转向使各象限内有效波高有所增高,除了右后象限。这些风场特征对各个象限内海浪的平均波长、平均波向和波峰方向都有不同程度的影响,尤其以左后象限最为显著。入流角度对再现海浪方向谱的双峰和多峰性起着很重要的作用,而移动速度、强度、最大风速半径和风场非对称性对再现海浪方向谱的双峰性也有一定的辅助作用。入流角度为40度时模拟的海浪特征与SLOSH入流角度的模拟结果最为相似,因此在没有入流角度计算结果时,可以用40度代替。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P731.22
【图文】：

系数分别为原模式值、风速大于 25m/s 后趋于常数、风速大于 25m/s 后三种情况（图 1），分别记为实验 WW3、WW3_D、WW3_P，并比较模实验中选取三级理想热带气旋（根据 Saffir-Simpson 分级方法）的风场的输入风场，其包括 Willoughby 理想风剖面，移动速度和 SLOSH 入流部分。其中，Willoughby 理想风剖面是通过一个热带气旋风场统计参数算获得的随半径变化的轴对称切向风（Willoughby and Rahn, 200ughby et al., 2005），SLOSH 入流角度是由美国 NOAA 的 SLOSH 技术报于大量观测数据建立的入流角度统计模型计算获得（Jelesnianski et 。风场的最大风速半径为 50 km，最大风速为 56 m/s，热带气旋以 5 m/s 东西方向为 3500 km 和南北方向为 2000 km 的 5000 m 等深海域上自东线匀速运动（图 2）。

图 2 WW3 海浪模式模拟区域以及理想热带气旋风场分布图。矢量代表风的大小（m/s）和方向，空心长箭头代表热带气旋移动方向，等值线代表等风速线，单位为 m/s。风场的最大风速为 56m/s，最大风速半径为 50 km，入流角度为 SLOSH。WW3 模式的模拟区域与风场的模拟范围相同，空间分辨率为 9 km×9 km，谱分辨率为 48 个方向（7.5°），25 个频率（从 0.0418 到 0.41），风能输入时间间隔为 600s，海浪要素平均参数输出时间步长为 3600s。模式共运行 72 个小时，由于模式积分所利用的理想风场，热带气旋中心以恒定速度自东向西移动，而其风速大小相对于气旋中心是恒定的，则模式计算区域内海浪平均要素随时间发展将会逐渐趋于稳定。实验中有效波高在 24 个小时后可以达到稳定状态，在下面的讨论中我们只对第 72 小时的数据进行分析。由于一个热带气旋会产生复杂的并且空间上快速变化的海浪谱，我们模拟了第 72 个小时所有网格点上的海浪谱。在分析海浪方向谱时，我们分别选取了四个象限内距气旋中心 100 km 半径上的八个点为代表进行对比研究。

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本文编号：2733687