南海台风浪与太平洋海浪的数值模拟

发布时间：2020-10-14 06:00

　　 海浪直接影响着海洋与大气边界层结构,是海洋和大气动力学的重要研究内容之一。目前,海浪数值模式已经发展到第三代,其中,WAVEWATCH III(WW3)海浪数值模式具有稳定性好、计算精度高等特点,已成为广泛应用的业务化海洋预报模式之一。首先,我们利用WW3研究南海的台风浪机制。基于南海浮标的观测数据,本文对三次台风过程中的浮标附近的台风浪特征进行分析。结果表明,在台风中心5倍最大风速半径内的台风浪主要都是风浪占优的,并且海浪能量分布与有限风区海浪情况一致。在台风中心前方5倍最大半径以外以及台风强迫范围外,台风浪则主要是涌浪占优。随后,使用第三代海浪模式对台风期间的海浪进行模拟。结合理想风场模型和再分析资料,并通过观测数据反推模型参数,重构台风期间的风强迫。在模拟结果分析中,本文定义台风到达前后半个惯性周期内为台风的强迫阶段。使用浮标观测数据对模拟结果进行检验。在三种输入与耗散源函数项参数化方案中,模拟效果最好的方案对有效波高的模拟结果可以达到平均相对误差-0.7%,均方根误差0.76 m,而谱峰周期模拟的最佳结果平均相对误差为-3.4%。均方根误差为1.115 s。本文还将不同输入与耗散源函数项参数化方案的模拟结果进行比较。此外,我们还设计了一组孪生实验用来研究非线性波–波相互作用项在台风浪模拟中对海浪谱的作用。结果表明,非线性波–波相互作用项可以有效地将波浪能量从高频部分向低频部分转移从而阻止一维海浪谱生成双峰结构。其次,我们利用WW3模拟研究太平洋海浪的时空变化特征。在太平洋的海浪模拟研究中,前人研究多关注太平洋中某个区域的波浪变化特征,对整个太平洋的模拟以及不同风带引起的海浪的分区特征研究较少。本文利用WW3分析了2002至2011年太平洋风速和海浪场的时空变化特征。首先,使用浮标观测数据对模式模拟的有效波高结果进行验证。结果表明模式可以有效地后报太平洋的有效波高。模式偏差较大的区域为中低纬度地区。随后将太平洋分为多个子区域,分别讨论了其风速和有效波高的时空变化特征。多年平均太平洋风速和有效波高存在类似的纬向分布特征,各子区域之间风速和有效波高的季节变化存在差别。模式刻画的太平洋有效波高年际变化最大的区域为南半球中高纬区域。进一步,我们研究了波浪能量的输入与耗散。相应的源函数项的各区域平均值显示了量化的表面波的变化。最后,对日平均的风速与有效波高值进行功率谱分析寻找序列的显著周期。结果表明有效波高时间变化对应的频谱和风速谱具有一定的差异,不同区域的变化情况也不尽相同。现有研究表明,考虑海浪的动量通量参数化方案可以在一定程度上改善现有的海浪模式。一些利用海气耦合模式的气候研究表明,考虑海浪影响时,模拟得到的海浪气候态得到一定程度的改进。本文研究结果一方面评估现有海浪模式后报技巧,另一方面揭示区域海浪时空分布特征,为天气尺度的海浪事件模拟和区域海浪特征分布研究提供直接参考。在前人提出的参数化方案基础上,发展考虑二维海浪谱的海气动量通量参数化公式,通过设计理想场景以及实测数据计算并初步讨论海浪对海气动量通量的影响。结果表明,基于海浪二维频率方向谱的参数化方案会降低海气界面动量通量的交换。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P731.22;P732.6
【部分图文】：

图 3.1 研究区域，小图表示本章研究的南海区域。彩色曲线代表三次台风路径，圆圈代表浮标位置。黑色，蓝色和红色矩形分别表示三层模式网格范围。Fig. 3.1 Map of the study area and (inset) an expanded map of the South China Sea. Tracksof the three typhoons are shown as colored curves. The positions of the buoys are marked withcircles. The black, blue, and red rectangles represent the three model domain layers.表 3.1 浮标所在位置的经纬度，水深以及惯性周期Table 3.1 The longitudes and latitudes, water depths, and inertial periods (IP) of the buoysBuoy station Longitude (°E) Latitude (°N) Water Depth (m) IP (days)B0 115.5 19.9 1580 1.47

图 3.2 台风期间风向和平均波向以及风浪涌浪分布特征。a）矢量箭头表示三组浮标数据中的台风期间的平均波向，虚箭头表示风向。b）空心圆圈代表风浪占优的位置，实心圆点代表涌浪占优的位置。Fig. 3.2 Wind and wave direction during typhoons and the distribution of wind-sea andswell. a) Vectors indicating the mean wave directions for the three sets of buoy data during thethree typhoons, with dotted vectors showing the local wind directions. b) Locations dominated bywind-sea are indicated by circles and locations dominated by swell are indicated by solid dots.在第一象限中，台风海鸥过程中浮标处的风向基本与理想风场模型中的风向一致，即当浮标位于台风路径前方的时候，风向与台风路径交叉并向左，当台风到达距离浮标最近位置时，风向沿台风路径向前。也就是说，在台风接近浮标的过程中，风向是顺时针旋转的。然而，在台风到达之前，波向比风向更偏向前方，波向和风向的夹角大约为 20°。波向和风向以同样的方式旋转，但是旋转得更慢，

图 3.3 无量纲能量随无量纲的谱峰频率的变化。三次台风过程观测到的数据分布用三种符号表示。Fig. 3.3 Non-dimensional energy as a function of the non-dimensional peak frequency.Data observed during the three different typhoons are represented using different symbols.3.2 南海台风浪的模拟3.2.1 模式配置本文使用第三代海浪模式 WW3（Version 4.18）进行台风浪的模拟。在模式中，我们使用多层嵌套技术（如图 3.1）。模拟的第一层区域范围为西北太平洋（图3.1 中黑色矩形区域），水平网格分辨率为 0.25°。设置第一层区域主要是考虑到，西北太平洋生成的涌浪信号会传到南海而对我们的主要模拟区域产生影响。第二层区域嵌套在第一层区域之中，主要范围涵盖南海（图 3.1 中蓝色矩形区域），
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本文编号：2840294