Analysis of Wave Distributions Using the WAVEWATCH-III Model in the Arctic Ocean

In this work,we examined long-term wave distributions using a third-generation numerical wave model called WAVE-WATCH-III(WW3)(version 6.07).We also evaluated the influence of sea ice on wave simulation by using eight parametric switches.To select a suitable ice-wave parameterization,we validated the simulations from the WW3 model in March,May,September,and December 2017 against the measurements from the Jason-2 altimeter at latitudes of up to 60°N.Generally,all parameterizations ex-hibited slight differences,i.e.,about 0.6 m root mean square error(RMSE)of significant wave height(SWH)in May and September and about 0.9 m RMSE for the freezing months of March and December.The comparison of the results with the SWH from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts for December 2017 indicated that switch IC4_M1 performed most effec-tively(0.68 m RMSE)at high latitudes(60°-80°N).Given this finding,we analyzed the long-term wave distributions in 1999-2018 on the basis of switch IC4_M1.Although the seasonal variability of the simulated SWH was of two types,i.e.,‘U’and‘sin’modes,our results proved that fetch expansion prompted the wave growth.Moreover,the interannual variability of the specific regions in the‘U’mode was found to be correlated with the decade variability of wind in the Arctic Ocean.

L-Band Analysis of the Effects of Oil Slicks on Sea Wave Characteristics

The purpose of this study was to investigate the characteristics of sea surface waves as they pass through oil slicks.The parameterized first-guess spectrum method(PFSM)theory-based wave retrieval algorithm was applied to 20 images of horizontal-horizontal(HH)polarization obtained using the phased-array L-band synthetic aperture radar(SAR)(PALSAR)on the Advanced Land Observing Satellite(ALOS-1).The images were collocated with simulations from the WAVEWATCH-Ⅲ(WW3)model in a 0.1°grid using the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)reanalysis(ERA-5)winds data as the forcing field.The validation of the model-simulated significant wave height(SWH)against the measurements from the Jason-2 altimeter produced a 0.66m root mean square error(RMSE)for the SWH,with a coefficient(COR)0.74.In this sense,the WW3-simulated waves were reliable for our work.A comparison between the SAR retrieval results and the WW3 simulations was performed using the dataset for the regions without oil slicks,which produced a 0.34m RMSE for the SWH,with a COR of 0.79,which is less than a the RMSE of 0.52 m and the COR of 0.70 for the regions with oil slicks.Moreover,it was found that the SAR-derived SWHs were significantly underestimated by about 0.2m in the areas with oil slicks.This difference is probably due to the underestimation of the SAR-derived wind speeds at moderate wind speeds(i.e.,at wind speeds of greater than 5ms^(-1)).An additional analysis compared the SAR-derived wave spectra with those from the WW3 model as waves passed through the oil slicks.The interesting finding is that the wave energy at short wave lengths(about 30m)is reduced by the oil slicks,causing the movement of the dominant wave spectrum to shift to longer wave lengths(about 80 m).

理论风浪谱修正方法及数值验证

为了研究特定海域范围内海浪的内部能量相对于频率的分布规律,本文以目标岛屿处"波浪骑士"式浮标提供的实际观测资料为依据,提出了一种基于实测资料的风浪数据筛选和理论风浪谱修正方法。通过讨论实测频谱与理论频谱的谱峰位置关系筛选出研究针对的风浪数据点,将实测风浪频谱与理论频谱进行对比分析,进而提出理论风浪谱的修正方法,并以增加参数的JONSWAP谱为靶谱对实测风浪数据进行拟合,得到了可以表达目标岛屿处风浪内部能量的理论谱形式,并进行了对比验证。研究结果表明:所提出的理论风浪谱修正方法,能够有效地筛选出实测数据集中的风浪数据,并完成对特定海域处风浪频谱的描述表达。

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.

利用WW3模式实现中国海击水概率数值预报

海浪对掠海飞行有着重要影响,以T639预报风场驱动WW3(WAVEWATCH-III)海浪模式,对2013年3月发生在中国海的一次冷空气海浪场进行数值模拟.结合飞行高度探测的标准差、海浪浪高的标准差,进一步实现了击水概率的数值预报,为低空飞行器的航迹规划提供科学依据.主要计算了5m高度、10m高度、15m高度的击水概率,并对比不同飞行高度击水概率的差异.结果表明,以T639预报风场驱动WW3海浪模式,可以较好地预报中国海海浪场、击水概率场.在冷空气影响下,中国海的击水概率出现明显增幅.飞行高度低于10 m时,海浪会对掠海飞行器的安全造成很大威胁.

中国大陆沿岸波浪能分布初步研究

波浪能作为可持续利用的清洁能源,日益被人们所关注,本文基于WAVEWATCHⅢ全球波浪模式,建立了较高精度的中国沿岸海域波浪数学模型,重点对中国大陆沿岸-30m等深线上的波浪能分布进行了研究,在已有研究成果的基础上进一步细化了中国沿岸海域波浪能的时空分布规律,为合理开发、利用波浪能提供了一定的数据支持。研究认为,中国沿岸波浪能储量相对较小,南北分布以长江口为界,以南海域波能整体较大,波能季节性差异明显,在开发利用时,需要对工程区域的波浪能特征充分论证,科学合理地选用波浪能转化设备,防止造成巨大经济损失。

1957～2002年南海—北印度洋海浪场波候特征分析

利用ERA-40海表10 m风场驱动第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,得到南海—北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪场,并分析其波候(风候)特征.研究发现如下主要特征:(1)该海域的波高波向、风速风向受季风影响显著;(2)北印度洋大部分海域的海表风速呈显著性逐年线性递增趋势,大约0.01～0.02 m/(s·a),南海线性递增的区域则较少,有效波高呈显著性逐年线性递增的区域主要集中在低纬度中东印度洋(约0.003～0.006 m/a)、索马里附近海域(大约0.002～0.005 m/a)、南海大部分海域(约0.002～0.004 m/a),线性递减的区域主要集中在孟加拉湾海域(约-0.002 m/a);(3)Nino3指数与南海—北印度洋的海表风场、浪场存在密切的关系;(4)南海—北印度洋的海表风速与有效波高存在5.2a左右的共同周期,南海的海表风速、有效波高还存在2.0a左右的共同周期,北印度洋的海表风速、有效波高还存在26.0a的长周期震荡.

近10年南海波候特征分析及波浪能研究

基于第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,以QuikSCAT/NCEP混合风场为驱动场,得到南海1999年8月～2009年7月的海浪场,分析了近10年南海的波候及波浪能特征,为波浪发电的选址提供参考。研究发现:南海的海浪场、海表风场受季风影响显著,海浪场与海表风场具有较好的对应关系,尤其体现在南海南部海域;南海的海表风场、海浪场与nino3指数存在显著的负相关;南海极值风速、极值波高的大值区分布于南海北部海域;南海蕴藏着较丰富的波浪能资源,年均值能流密度在4～20kW/m,大部分海域2kW/m以上能流密度出现频率在70%以上,且大部分海域能流密度的变异系数在0.4以内,稳定性较好,利于波浪能的开发与利用。

热带气旋风场对海浪分布特征的影响

设计了一系列理想的数值实验,利用高分辨率的WAVEWATCHIII海浪模式定量分析热带气旋移动速度、强度、最大风速半径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,热带气旋移动速度、最大风速半径和热带气旋移动时的转向会影响海浪的空间非对称分布。最大风速半径增大会使最大有效波高的位置向后移动,而移动速度增大会使最大有效波高位置向前移动。移动速度增大会使右侧象限内的有效波高增大,左侧象限内有效波高减小。最大风速半径增大和强度增强使各象限内有效波高均增高。热带气旋的转向使各象限内有效波高增高,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、平均周期、平均波向、和波峰方向都有很重要的影响,尤其以左后象限最为显著。

近45年北印度洋海表风、浪特征研究

基于第三代海浪数值模式（WAVEWAZTCH-III），以ERA．40海表风场为驱动场，得到北印度洋1957年9月-2002年8月的海浪场，并分析其特征。研究发现，北印度洋1958～2001年年平均海表风速和有效波高均呈缓慢递增趋势；北印度洋的海表风速、有效波高存在2．36～5．2a左右的共同周期及26a的长周期震荡；北印度洋海域年平均海表风速、有效波高的突变形势与冬季相似，突变期在20世纪80年代初。本研究可以为在北印度洋这一重要战略通道上作业的船只提供重要参考。

WWATCH Ⅲ模式模拟南海冷空气过程海浪场的有效性检验

利用Jason-1卫星高度计观测资料,验证了WWATCH Ⅲ海浪模式在模拟南海冷空气过程海浪场的有效性和准确性。结果发现,以NCEP再分析风场驱动的WWATCH Ⅲ模式能够较好地模拟冷空气影响南海时的海浪变化,模拟结果与Jason-1卫星高度计的观测资料有比较好的一致性。在近海岸地区以及冷空气活动末期,模拟值与观测值的相关系数有所降低,但平均相对误差和均方根误差均在可以接受的范围内。说明WWATCH Ⅲ模式可以作为我国南海地区海浪模拟预测研究的有效工具之一。

海浪搅拌混合对北太平洋海表面温度模拟的影响

利用NCEP再分析风场驱动WAVEWATCH III海浪模式对北太平洋海域的海浪过程进行模拟,利用浮标观测资料对模拟出的海浪要素有效波高进行验证,发现他们之间具有很好的一致性。基于模式输出的有效波高等波浪要素,利用特征波参数化理论,在海洋环流模式中引入海浪搅拌混合作用,分析其对北太平洋海表面温度模拟的影响,初步数值模拟结果表明,sbPOM模式在考虑海浪搅拌混合作用以后,模拟精度进一步提升,这对提供一个准确的大气模式下边界条件具有重要作用。

舟山群岛海域波浪能资源评估

舟山群岛海域岛屿众多,东临东海,波能利用具有一定应用前景,本文采用WAVEWATCH III和SWAN耦合波浪数值模式,嵌套计算了舟山群岛海域2008年的波浪逐时过程,着重统计了-30 m等深线上波浪能储量及其分布特征,研究成果对波能开发具有一定参考价值。

WAVEWATCHⅢ同化模块的建立和检验

将基于最优插值（OI）的同化并行模块植入全谱空间的第三代海浪模式 WAVEWATCH III ver-sion3.14,建立数据同化的海浪模式预报系统,并通过实际的预报个例对同化系统进行检验。个例实验是以5°S以北的印度洋海域为目标计算区域,海面风场强迫采用业务单位的中尺度天气预报模式WRF （weather research and forecast）提供的逐时海面风场预报产品。模式积分过程中连续同化2010年12月15日、16日和17日过境北印度洋的Jason-2卫星高度计沿轨有效波高（SWH）数据（需要指出的是,每次同化得到新的SWH分析场后需重构相应的二维海浪谱用于谱模式）。SWH同化分析值和无同化的对照组分别与高度计沿轨观测数据比较发现,就日平均统计来看,同化较无同化使SWH分析值的均方根误差减小约25%-50%。以 SWH同化分析场作为初始场的预报表明,同化对预报影响的时效性可延长至48-60 h。本研究目的是通过将高度计测量的SWH数据同化到海浪模式进一步提升海浪数值预报的准确度。

海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响

基于海浪模式WAVEWATCH Ⅲ模拟北太平洋海浪要素,结合NDBC浮标资料进行验证,发现模拟出的有效波高与浮标测量值具有很好的一致性。基于改进型白冠覆盖率耗散模型,利用海浪模式模拟出的有效波高、有效波周期和摩擦速度等海浪要素计算出单位面积水柱内因海浪破碎产生的湍动能通量。通过改变环流模式sbPOM湍动能方程的上边界条件,引入海浪破碎产生的湍动能通量,并探究海浪破碎对北太平洋海表面温度模拟的影响。研究表明,由于海浪破碎的引入,环流模式sbPOM对北太平洋海表面温度模拟的准确程度得到提升,这为大气模式提供一个准确的北太平洋下边界条件具有重要意义。

台风马鞍对东中国海波浪的影响研究

利用第三代海浪模式WAVEWATCH III驱动合成风场,模拟西北太平洋台风马鞍作用期间东中国海的波浪,从而研究台风马鞍对东中国海波浪的影响。研究结果表明,台风马鞍作用期间东中国海的中部和南部海域的混合浪以涌浪为主,涌浪波向主要为东向。台风对东中国海的东南部海域影响最强,在该海域形成5~8 m大涌浪,最远影响到黄海中部海域,同时在我国东南沿海海域形成小波高长周期涌浪。

Effect of oceanic current on typhoon-wave modeling in the East China Sea

We use the WAVEWATCH-III model to quantify the effect of oceanic current on typhoon-wave modeling in the East-China-Sea（ECS）.Typhoons Jelawat and Saomai in the autumn of 2000 are hindcasted.The oceanic currents in the ECS are mainly constituted of Kuroshio and typhoon-generated currents.The results show distinguishable differences in wave height and wave period under the typhoon conditions.The oceanic current causes the maximum differences,of up to a 0.5 m significant wave height and a 1 s mean wave period.Comparisons between typhoons Jelawat and Saomai show the dependence of the current effect on the typhoon characteristics.

Temporal and Spatial Characteristics of Wave Energy Resources in Sri Lankan Waters over the Past 30 Years

For the survival and development of‘One Belt,One Road’,the present work aimed to evaluate the current situation of wave energy resources around Sri Lankan(SL)waters.Thirty-year ERA-Interim wind data were used to drive the third-generation wave model WAVEWATCH-III,and the seasonal and regional distribution characteristics of wave energy resources in SL waters were analyzed.Furthermore,the optimal season and region that contribute most to wave power in the study area were determined.On the basis of 30-year hindcast wave data,the significant wave height and wave power density,the occurrence of available SWH and rich WPD,the effective storage of wave energy,and the contribution and stability of wave energy were also analyzed.Results show that extremely optimistic wave energy resources are found at the western,southern,and southeastern waters of SL;moreover,the period of June,July,August(JJA)has great advantages in terms of the overall level of WPD,wave energy effective storage,and the contribution rate of wave energy.In addition,the wave energy during JJA is more stable than that of other periods and thus is benefi-cial to the transformation and development of wave energy.This study also provides important guiding value for disaster prevention and reduction,coastal zone management,and coastal development in the crucial region of the 21st Century Maritime Silk Road.

基于WW3模式的台湾岛周边海域的波浪能资源模拟研究

以高精度的CCMP海面风场和ETOPO5地形数据为输入,以第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ为工具模拟研究台湾岛周边海域10年内的波浪能资源,并计算分析台湾岛周边海域的波高参数和波浪能流密度,以探测其波浪能资源含量。研究结果表明:台湾岛周边90%海域2008-2017年的平均波浪能流密度超过了3 kW/m,最高可达18 kW/m,且冬季的平均波浪能流密度最大,夏季最小;台湾岛周边海域5个位置的模拟有效波高和实测波高的偏差绝对值为0.067~0.457 m,相关系数为0.684~0.826,因此,可用模拟的有效波高进行波高的预测分析;大波高持续的周期较长,小波高持续的周期较短;台湾岛周边海域的波浪能资源稳定性高,为波浪能资源优势区域。

数据同化的南海台风浪后报模式

将基于最优插值(OI)的同化并行模块植入第三代海浪模式WAVEWATCH III version3.14,建立数据同化的台风海浪模式预报系统。该系统的强迫风场采用模型台风风场与台风来前海区背景风场混成的风场。以模式后报2010年7月严重影响南海北部的"康森"和"灿都"台风引起的海浪场为例,首先对所构造的混合风场的台风海面风场结构进行定性检验,并用高度计沿轨风速对混合风场精度进行定量验证。在此基础上,海浪模式在混合风场强迫下边积分边同化。同化数据采用上述台风过境南海期间Jason-2卫星高度计沿轨有效波高(SWH)。值得指出的是,同化时只取SWH沿轨数据的一部分用于同化计算,而另一部分沿轨数据则用于对同化分析结果进行检验。先后同化了4条轨道上的SWH数据。将SWH的同化分析与无同化的对照组结果分别与高度计测量SWH比较,发现同化较无同化可使均方根误差获得50%以上的明显改进。以同化分析场作为初始场,同化影响预报(这里是后报)的时效性约在48 h以内。本研究目的是通过同化高度计SWH数据进一步提升台风海浪模式预报的准确度。