使用高分辨率海-气-浪耦合模式COAWST对“Megi”(2010)的一次模拟试验

使用高分辨率COAWST海-气-浪耦合模式,进行了一次对超强台风Megi(2010)的模拟试验,分析了耦合模式下台风的发展过程和台风条件下海-气-浪之间的相互作用。通过对比分析,模式较好地模拟了此次台风过程,进一步分析发现海洋条件对台风强度有一定的影响;台风移动速度、风速的大小是影响海洋反馈程度的重要的因素。

异地高速互联环境下的海气耦合模式应用

随着超级计算机的发展,大规模数值计算、大数据分析对算力基础设施的能力和数量的要求日益增长,受成本与功耗等因素的制约,单个超算中心不能无限制扩大规模,异地超算互联互通为解决这个问题提供了一种新的思路。文中基于济南至青岛10 Gbps DWDM光纤网络,搭建了济青跨地域500 km高速互联的计算集群,实现了两地计算资源的统一调度,利用海气耦合模式COAWST中的海洋分量模式ROMS和大气分量模式WRF进行了多组同地和异地不同资源规模和配置的对比实验。实验结果表明,耦合模式在异地高速互联环境下协同计算是可行的,WRF模式和ROMS模式在济南同地和济青异地运行同一算例的模拟结果相同,WRF模式在济南集群运行、ROMS模式在青岛集群运行时,运行时间比二者都在济南集群运行时增加5%,单分量模式拆分在济南集群和青岛集群协同计算时通信耗时较长,异地高速互联环境更适合有分量模块的耦合模式。

利用海-气-浪耦合模式(COAWST)对北印度洋一次强热带风暴“Fani”(2019)过程的数值模拟

利用最新研发的区域海-气-浪耦合数值模式(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport,COAWST),对印度洋一次超强热带气旋“Fani”(2019)过程进行了数值模拟试验。“Fani”4月26日从热带印度洋面上的低压扰动中生成,在移动北上的过程中逐渐增强为强热带风暴,并于5月3日在印度登陆,造成了严重的破坏。利用COAWST耦合数值模式,在印度洋区域设计了数值模拟试验,分析了“Fani”发展增强到登陆时间段(4月30日12时—5月3日12时)大气物理量场、海洋表面温度及通量场,以及海浪参数的相应变化。通过与International Best Track Archive for Climate Stewardship (IBTrACS)的实测风暴路径、强度数据,以及欧洲中心ERA5再分析资料对比结果表明:模式模拟“Fani”的移动路径与观测较为接近,但是在强度模拟上偏弱;大气地表2 m温度场、潜热和感热通量与ERA5再分析资料存在一定偏差,但模拟的海表面温度场强度和特征与ERA5再分析资料都比较接近;在强烈的热带气旋与海洋相互作用下,耦合模式给出在气旋发展阶段,海浪有效波高达到近10 m;数值试验结果表明耦合模式可以有效描述热带气旋-海洋之间的相互作用,对于印度洋强热带风暴具备一定的模拟能力。

嵌套高分辨率网格对我国东南沿海登陆台风模拟的影响

嵌套高分辨率网格对台风模拟有十分重要的影响。基于COAWST(coupled ocean atmosphere wave sediment transport)模式,针对登陆广东、海南的11个台风,设计了2组模拟方案。一组是在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格,另一组是采用单层9 km分辨率网格。将模拟结果与中国气象局热带气旋资料中心发布的最佳路径数据进行对比,以探讨嵌套高分辨率网格是否可以提高台风模拟的准确性。从台风路径的模拟结果来看,在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格对台风路径模拟的误差较小,而单层9 km分辨率网格模拟的台风路径误差较大。通过对比两组方案模拟的台风路径、强度和结构,在模拟区域中使用嵌套高分辨率网格方案的模拟准确性有所提高。两种方案模拟的风场以及副热带高压十分接近。相比于单层网格,嵌套了高分辨率网格方案模拟的台风路径、强度误差更小,台风眼更小,位涡更强。

9km水平分辨率下KF积云对流参数化方案对台风模拟的影响

积云对流参数化方案对台风模拟的准确性有着重要影响,而在分辨率1~10 km内使用积云对流参数是否能够改善台风模拟仍然存在争议,因此,本研究基于COAWST(coupled ocean atmosphere wave sediment transport, COAWST)耦合模式,针对登陆广东地区的11个西行台风,在9 km分辨率下是否使用KF积云对流参数,设计了2组模拟方案,并将结果与中国气象局热带气旋资料中心发布的最佳路径数据进行对比。从台风路径上看,在9 km分辨率上使用KF方案模拟得到的误差在统计结果中最小,从模拟台风强度的误差来看,2种方案的差距不大,综合考量台风路径和强度可以认为使用KF积云对流参数化方案模拟的效果更佳。KF积云对流参数方案模拟的副热带高压更强,造成模拟的台风路径相对南偏。2种方案的台风内核区对流不稳定的高度接近,是否使用KF积云对流参数化方案与台风强弱没有一定的关系,而台风强度与对流底层的台风眼壁垂直速度有关。

谱松弛同化技术对台风季节活动数值模拟的影响

采用COAWST模式针对2015年5月1日—11月1日的台风季节活动设计了两组对比试验,探讨谱松弛同化技术对台风季节活动数值模拟的影响。通过比较两种试验结果中的台风季节信息发现:谱松弛能够显著提高对台风频数、强度、气旋累积能量分布以及路径密度分布的模拟。这种改善与模式中大尺度场如环流场、位势高度场、海温的改善息息相关。由于谱松弛的作用,模式能够基本再现边界场中的大尺度信息,避免台风活动导致大尺度场发生严重漂移,同时模式自身中小尺度过程能够自由发展,这使得模拟的台风季节活动更加符合观测。

南海贯穿流季节变化数值模拟研究

本文采用美国伍兹霍尔研究所研发的海洋-大气-波浪-泥沙输运耦合模式COAWST(Coupled Dcean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对南海及邻近海域进行了9 km分辨率的数值模拟研究。结果表明,南海贯穿流的季节变化再现了冬强夏弱的特征,在南海内部冬季呈现气旋环流结构,夏季呈现反气旋环流结构,尤其在冬季其流轴结构更为清晰和稳定,海水从吕宋海峡进入南海,从民都洛海峡、卡里马塔海峡、台湾海峡和巴拉巴克海峡流出,吕宋海峡断面流量与其他4个海峡流量合计在数量级上相当,保持南海海水总量不变。吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量呈现明显相关性,吕宋海峡流量增大时,民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大,相关系数分别达到0.78和0.9。通过更适于分析中短期变化的简化绕岛环流理论,定量计算2019年吕宋海峡、黑潮和棉兰老流流量与北赤道流分叉点位置的关系,发现夏季北赤道流分叉点NECBL(North Equatorial Current Bifurcation Latitude)偏南,在13.6°N附近;冬季NECBL偏北,在15.6°N左右,同期黑潮流量减少,棉兰老流流量增加,作为南海贯穿流入流的吕宋海峡流量可达13.4 Sv。吕宋海峡输运补偿了北赤道流到达菲律宾海岸后的北向分支的流量,与棉兰老流的流量呈正相关,相关系数达到0.5361。