利用WW3模式实现中国周边海域波浪能流密度数值预报——以2次冷空气过程为例

近年来中国在海洋能研究方面得到快速发展,但目前为止尚未实现波浪能的预报。本研究以T639预报风场作为WW3(WAVEWATCH-III)海浪模式的驱动场,对2013年3月发生在中国周边海域的2次冷空气过程所致海浪场进行模拟,充分利用来自朝鲜半岛、日本、台湾岛的观测资料,检验WW3模式对能流密度的预报能力,实现了波浪能流密度的数值预报,为海浪发电、海水淡化等波浪能开发工作提供保障。研究表明:1)以T639预报风场驱动WW3海浪模式,可以较好地预报冷空气影响下的中国周边海域波浪能流密度。无论预报值与观测值在曲线走势上,还是从相关系数、偏差、均方根误差、平均绝对误差等定量来判断,预报能流密度都具有较高精度,其中在朝鲜半岛、日本周边海域的预报效果好于台湾岛周边的预报效果。2)在冷空气影响下,中国周边海域的波浪能流密度伴有明显的增幅。在渤海、渤海海峡、黄海北部,由于海域狭小,海浪得不到充分成长,能流密度的增幅相对较小,大值区的范围也相对较小;冷空气进入黄海中部、东海后,能流密度迅速增加,高值中心可达80 kW/m以上;冷空气进入南海后,虽然也使得能流密度明显增大,但由于南海纬度较低,冷空气南下行进至南海后强度大为减弱,能流密度的大值区范围较东海缩小。

基于WAVEWATCH-Ⅲ模式的一次冷空气过程海浪场模拟研究

以具有高精度和较高分辨率的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场驱动第三代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III),对2009年1月12日前后的一次冷空气所致的中国海海浪场进行数值模拟,并在国内首次利用来自朝鲜半岛的观测资料对模拟数据的有效性进行检验。研究发现:(1)以CCMP风场驱动WW3海浪模式,可以整体上较好的刻画出此次中国海范围由冷空气造成的海浪场,模拟的有效波高(SWH——Significant Wave Height)精度接近高度计的观测精度,系统上稍大于高度计反演的SWH,模拟的SWH和观测值相比略有滞后的现象,观测数据跳跃较为明显,而模拟数据的走势则更为平缓;(2)此次冷空气过程中,第一岛链以内的海域的海浪场与风场具有较好的一致性,第一岛链以外的大洋中,海浪场与海表风场的对应关系明显不如第一岛链以内,以菲律宾以东的洋面最为显著的。

“21世纪海上丝绸之路”:未来40年波浪能长期预估

针对波浪能长期规划的难题,本文建立了一套波浪能预估模型,并以“海上丝路”作为实例,以CMIP5风场驱动WW3海浪模式,对“海上丝路”2020—2059年的波浪能展开预估,覆盖能流密度、可利用率、富集程度、稳定性、资源月际差异等一系列关键指标。结果表明“海上丝路”未来40 a的波浪能整体趋于乐观:1)未来40 a平均状态下,“海上丝路”的能流密度为12~20 kW/m;南海和孟加拉湾未来的WPD高于历史状态,阿拉伯海则相反。2)该海域未来40 a平均的资源可用率、富集程度均比历史状态乐观。3)“海上丝路”未来40 a平均的资源稳定性好于历史状态(阿拉伯海未来2月和8月除外),其中孟加拉湾的稳定性好于南海和阿拉伯海。4)阿拉伯海未来40 a平均的月际差异最大,南海次之,孟加拉湾最小。阿拉伯海和南海未来的月际差异小于历史状态,孟加拉湾的月际差异与历史状态接近。

一次冷空气恶劣海况的模拟研究

为了给航海、岛礁海浪发电、防灾减灾等提供海浪信息,促进军地海洋建设,利用CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform)风场驱动第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),对2013年3月上中旬发生在中国海的一次强冷空气海浪场过程进行数值模拟,结果表明:本次冷空气给东中国海带来明显的大浪过程,其中高于4m的海浪区域基本维持在黄渤海区域以及东海北部,冷空气在移动过程中涌系的传播较为明显;对于低纬海区,冷空气的影响主要是通过台湾海峡和巴士海峡的地形对南海北部浪场产生较大影响,但相较于东中国海区,南海受冷空气大浪影响较弱.

地形数据对台风浪数值模拟的影响

采用区域嵌套,在岛礁处理的方案上采用地形平滑及三次样条插值的方案处理底地形和岛礁。以QuikSCAT/NCEP混合风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式WW3,对2006年7月发生在中国近海的一次台风浪过程展开模拟,对比分析了原始地形和处理后地形对海浪数值模拟的影响,对比结果显示:经过处理后的地形对于提高台风浪的模拟效果起到了积极作用。

两种海浪模式对一次台风浪过程的模拟分析

以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,分别驱动目前国际先进的第3代海浪模式WW3(WAVEWATCH-III)、SWAN(Simulating WAves Nearshore),对2010年9月发生在东中国海的台风"圆规"所致的台风浪进行数值模拟,就台风浪的特征进行分析,并对比分析两个海浪模式的模拟效果。结果表明:1)以CCMP风场分别驱动WW3、SWAN海浪模式,可以较好地模拟发生在东中国海的台风浪,风向与波向保持了大体一致,波高与风速的分布特征保持了很好的一致性;2)综合相关系数、偏差、均方根误差、平均绝对误差来看,两个模式模拟的有效波高(SWH-Significant Wave Height)都具有较高精度,SWAN模拟的SWH略低于观测值,WW3模拟的SWH与观测值更为接近;3)台风浪可给琉球群岛海域带来5 m左右的大浪,台风浪进入东海后,波高、风速都有一定程度的增加,当台风沿西北路径穿越朝鲜半岛时,受到半岛地形的巨大影响,风速和波高都明显降低。

两种海浪模式模拟结果的对比研究

利用合成风场驱动SWAN和WAVEWATCHⅢ这两种海浪模式,分别模拟了墨西哥湾海域和印度洋海域的海浪,并将两种海浪模式的模拟结果与波浪实测资料及Jason-1卫星高度计观测资料进行对比研究。研究结果表明:以CCMP风场为背景风场,合成Myers台风模型风场所得的合成风场能较好地模拟台风风场,但对于部分台风风场,模拟结果明显偏小。WW3对台风浪的模拟效果偏弱,SWAN模拟效果更好,与实测值更接近;对于大范围海域的海浪模拟,SWAN对涌浪传播的模拟耗散较大,模拟的波高和周期均偏小,而WW3模拟效果更好。

波浪能传播规律的数值分析

为研究掌握波浪能传播规律,通过构建波浪能由离岸向近岸传播的简易模型,利用WW3(WAVEWATCHⅢ)模式对波浪能传播规律展开数值模拟分析。结果表明:波浪能并非水深越深能量越大,且风向对离岸波浪能大小影响较大,对近岸影响较小;对福建海岸,若盛行风向与海岸近乎垂直,波力电站适宜建在离岸距离较近的水深为20 m左右海域,相关结论对波浪能的开发利用具有一定实用价值。

神经网络方法在上海沿海海浪预报中的应用

基于WAVEWATCHⅢ(WW3)模式预报结果,结合上海沿海3个浮标站的观测资料,利用BP神经网络方法,对WW3模式的有效波高和平均波向预报结果进行训练并分别建立了预报模型。结果表明:(1)对有效波高,BP预报对近岸地形复杂的洋山浮标和近海的黄泽洋浮标有明显的改进,而对外海的海礁浮标改进效果不明显;(2)对平均波向,BP预报对洋山浮标有明显的改进,对黄泽洋浮标略有改进,对海礁浮标基本无改进。