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.

台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

2023年夏季我国气候异常特征及成因分析

2023年夏季,我国气候特征整体表现为“温高雨少”,区域性、阶段性高温、旱涝等气象灾害明显。降水的空间分布差异显著,主要多雨区位于我国北方,松花江、海河流域出现严重汛情。生成和登陆台风频数均较常年同期偏少,但北上台风却对京津冀等地造成极其严重的雨涝灾害。2023年夏季我国气温为1961年以来历史次高,北方地区暖异常明显,华北、西北等地区阶段性高温热浪尤为突出。华北、东北地区降水偏多是由不同环流系统造成的。其中,华北南部降水异常偏多主要由7月底至8月初一次极为罕见的天气尺度持续性极端降水过程所致,台风杜苏芮和卡努外围环流与异常偏西、偏北的西太平洋副热带高压相配合,再加上太行山东麓的地形效应是其主要原因。盛夏东北东部异常偏南风引导的水汽输送在整个对流层都异常偏强,造成东北北部和东部降水明显偏多,这一异常环流与初夏巴伦支海海冰密集度减小及盛夏西北太平洋海温异常偏暖均有一定关联。

海南岛周边海域台风风暴潮-海浪耦合作用机理研究

本文使用ADCIRC+SWAN耦合模式,针对海南岛特殊地形,建立了基于非结构网格的高分辨率风暴潮-海浪耦合模型。针对在海南省造成严重风暴潮灾害的0518号台风“达维”,开展台风期间风暴潮-海浪耦合与非耦合数值模拟实验,探讨了水位、流场对波浪的影响和台风特征参数对海南岛台风风暴潮与波浪耦合效应的影响。结果表明:(1)水位影响在近岸浅水区主要表现为使台风浪的有效波高增加;(2)当风向、流向与平均波向之间夹角为锐角时,流场作用使有效波高降低,当流向与平均波向之间夹角为钝角时,流场作用使有效波高增大;(3)波浪耦合效应对风暴潮的影响是不可忽视的,贡献率约在14.2%;(4)当台风强度达到55 m/s或台风尺度达到50 km,波浪增水效应基本达到饱和。本文的研究对台风风暴潮高质量数值模拟预警及保障沿海地区生产生活有重要意义。

基于Holland台风模型及三重嵌套海浪模式的台风浪数值模拟研究

现有的风场资料存在台风中心附近风速偏低的问题。为改进台风期间风场数据,使用Holland经验台风模型结合多平台交叉校准数据(cross-calibrated multi-platform,CCMP)及欧洲中期天气预报中心的再分析数据(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data,ERA5)风场资料,研究了不同台风最大风速半径(maximum wind radius of the typhoon,RMW)、Holland B参数对模拟效果的影响,确定了最优模拟参数,并以改进后的风场驱动三重嵌套海浪模型对台风“威马逊”发生期间的台风浪进行模拟。模拟结果与实测数据对比表明,(1)改进的风场资料与实测结果更为接近,作为海浪模式驱动项可更好地模拟台风期间波浪状况;(2)三重嵌套海浪模型的波浪模拟效果优于单独的海浪模型。

毫米波雷达在台风外围云系研究中的应用

为评估台风条件下毫米波雷达的探测表现,利用上海2018年和2019年4个台风影响期间的毫米波雷达数据,结合雨滴谱仪、静止卫星、S波段天气雷达等资料,探讨了利用毫米波雷达研究台风外围云系的可能性。结果表明:毫米波雷达探测台风外围区域具有良好的性能,对于云降水结构的垂直探测具有一定应用潜力;在降水强度低于5 mm·h^(-1)时雷达对于云顶高度的探测较为准确;提出一种融化层亮带判别方法,亮带识别结果与探空观测一致。对比毫米波雷达与S波段天气雷达降水强度反演,结果显示利用毫米波雷达衰减特征能够实现降水强度廓线的反演,但需要对存在显著雨滴碰并增长的降水进行识别并订正,可为毫米波雷达探测台风外围云系提供参考依据。

浙江东矶列岛海域实测波要素及典型台风浪特征分析

利用东矶列岛海域一年实测波浪资料,统计分析波要素特征,以台风“利奇马”为例,分析台风浪演变过程。结果表明:研究海域年平均有效波高0.88 m,年平均周期4.3 s,年最大波高8.67 m出现在夏季台风“利奇马”影响时。研究海域以轻浪为主,其次是小浪和中浪;常浪向为ESE,次常浪向为E和SE;强浪向为SSE,次强浪向为SE。波浪平均持续时间和波高之间符合指数衰减关系。台风“利奇马”影响期间,最大谱峰56.20 m2/Hz,台风浪谱型以双峰谱为主,台风浪类型经历了涌浪—混合浪—风浪—混合浪—涌浪这一演变过程。

考虑潮汐和潮流影响的台州湾台风浪数值模拟研究

为了模拟2018年14号台风“摩羯”过境台州湾时的波浪分布情况,利用Holland模式构造台风场,叠加CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)背景风场,由此驱动MIKE 21 SW波浪数学模型,同时也考虑了潮汐和潮流对波浪场的影响。验证结果表明:计算结果能够反映真实的波浪变化,也能够很好地反映台风对当地波浪产生的影响。受台风“摩羯”过境影响,台州湾内外波浪差异明显,整体表现为外大内小。

不同路径台风作用下三门湾海域波浪特性研究

为了研究台风天气下海域的波浪特征,以浙江中部三门湾海域为重点研究区域,基于MIKE21 SW模型模拟了6个台风波浪过程,分析了不同路径台风影响下三门湾海域内有效波高和波浪谱情况。研究表明,三门湾海域在台风影响下有效波高和风速呈现出较为一致的变化趋势,台风“麦莎”期间研究海域内最大有效波高超过2 m。该海域受台风影响最大期间,波浪能量集中在东北至东南区域。登陆型台风“麦莎”和登陆后转向型台风“罗莎”的波能谱是以风浪为主的单峰谱,转向型台风“蔷薇”和“泰利”的波能谱以双峰为主,波浪是由涌浪和风浪组成的混合浪,其中风浪占比成分较大。西移型台风“海马”的波能谱是以风浪为主的单峰谱,同时伴随有少量涌浪。外海转向型台风“潭美”的波能谱是以涌浪为主的单峰谱。

不同台风风场在浙江海域台风浪模拟中的适用性研究

将Holland风场与ERA5风场相结合,通过引入一个随风速半径变化的权重系数,构建了混合风场,进而利用MIKE21 SW建立了浙江海域台风浪模型。使用Holland风场、ERA5风场、混合风场作为输入风场模拟1918号台风“米娜”期间的风速和有效波高,验证结果说明Holland风场和ERA5风场均无法准确反映真实风场和有效波高,而本文构建的混合风场弥补了两种风场的不足。为验证混合风场在浙江海域是否具有普适性,选取近5年影响浙江海域最为严重的5个典型台风进行台风浪数值模拟实验,并开展误差统计分析。结果表明:Holland风场在台风中心周围的风速模拟表现较好,最大风速的平均相对误差为8.62%~10.19%,但10 m s以下风速的平均相对误差较大,为29.76%~44.29%;ERA5风场在台风中心周围的风速偏小,最大风速的平均相对误差为17.64%~25.77%,但10 m s以下风速的平均相对误差比Holland风场小,为19.64%~32.00%。对5个台风的模拟中,由Holland风场、ERA5风场和混合风场驱动得到的台风浪有效波高平均相对误差的平均值分别为29.92%、25.62%和22.82%,均方根误差的平均值分别为0.46 m、0.42 m和0.39 m,一致性指数分别为0.94、0.95和0.96。上述结果说明本文构建的混合风场在浙江海域具有普适性,能够提高台风浪的模拟准确度。

基于浮标站和ERA5再分析资料的浙江沿海台风浪特征分析

为了分析台风影响下浙江沿海风和浪的演变特点,利用浙江省海洋浮标站监测数据和欧洲中期天气预报中心第五代全球气候大气再分析数据(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5,ERA5),选取2010年以来严重影响浙江的7次台风个例,对台风作用下浙江沿海海面风和浪的演变特点进行分析。结果表明:在台风影响过程中,海浪波型多数呈现混合浪-风浪-混合浪的演变规律;涌浪波型的出现与台风强度及其与浮标站的距离和方位有关,也与海洋潮汐现象紧密相关。台风影响期间,浙江沿海浪高的变化受风速和风向共同作用影响。在风向不变的情况下,持续风速增大对浪高的增大有明显作用;风向的变化也会对浪高变化产生影响,向岸风和离岸风的转变会造成浪高出现剧烈变化。ERA5再分析资料有效波高在台风浪较大时会呈现偏小的趋势,分析订正后的ERA5有效波高发现,台风浪有效波高大值区与台风中心位置相关。研究结果可为严重影响浙江沿海的台风浪预报服务提供参考。

台风影响下钱塘江河口海塘风浪分析与风险研判

海塘是钱塘江河口两岸抵御台风暴潮袭击的重要基础设施,根据天文潮高潮位预报和分析计算,分析研判可能存在的越浪风险,为台风防御提供重要的技术支撑。重点介绍优化后的天文潮高潮位预报模型和不同塘段典型断面结构的风浪计算模型,并提出风险研判模块化应用思路,可为钱塘江河口地区乃至浙江省沿海海塘台风影响下的风浪分析与风险研判提供参考。

台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明:建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10^(6)量级,基底弯矩最大达5.2×10^(8)量级。

东海内陆架夏季台风与冬季寒潮沉积动力过程的差异——基于现场观测的认识

在全球变暖的背景下,台风活动在未来如何发展是关系到人类社会安全的重大问题之一。受器测记录时间长度的限制,我们对于台风长期的发展与演化机制的认识还不充分。从东海内陆架泥质区的沉积记录中提取台风信息,是了解几千年来影响我国的台风演变规律的有效手段。但是,其他极端事件,尤其是冬季寒潮,会影响台风沉积事件识别的准确性。台风与冬季寒潮大风沉积事件的辨识也是台风活动重建的难点之一。利用布放在东海内陆架泥质区的四脚架观测系统,分别获取了台风“天鹅”和冬季寒潮大风期间的海水温度、盐度、悬浮体浓度和海流等数据,并结合近海观测浮标的风速、风向和波浪等数据,探讨了台风与冬季寒潮沉积动力过程的差异。结果表明,台风与冬季寒潮在风向、有效波高和近底层流速变化上有一定的相似性,但是台风较高的强度更容易引起近底层沉积物的再悬浮;台风经过时,高浓度悬浮体主要来自海底沉积物的再悬浮,而冬季寒潮期间高浓度悬浮体与长江入海物质的输入有关。由于台风和冬季寒潮近底层海流流向的差异,在东海内陆架泥质区向海一侧边缘沉积记录中的砂层可能代表了台风事件沉积,是研究台风活动规律的良好研究材料。研究结果为从东海泥质区沉积记录中提取更准确的台风信息提供了科学参考。

东方市近岸海域波浪特征分析

为了解海南东方市近岸海域波浪基本特征,根据东方海洋环境监测站使用的SZF型波浪浮标连续11 a的实测数据,进行了统计分析。首先对波浪要素进行统计,得到了各向各级波高的季节分布,以及波高和周期的均值与极值;再对波高和周期的联合分布、平均持续时间与波高的关系进行了探讨;最后选取一典型台风浪过程进行分析。结果表明本海域以S向浪出现频率最高,为14.3%,其次是N向和NNE向,频率均为11.9%;强浪向为S向和N向,浪向分布与东方市所处地理位置相符。该海域以有效波高小于1.3 m的小浪和轻浪为主,年出现频率为97.6%,4级中浪占2.22%,5级大浪仅占0.12%,只有在夏、秋季台风过境时才出现。累年有效波高平均值为0.49 m,最大值为3.2 m;最大波高为5.6 m,最大波高平均值为2.5 m;平均有效周期为4.2 s,最大有效波周期为9.5 s。有效波高在1.0 m以下,且周期在4~5 s的波浪出现频率最大,为80.5%。强台风“海燕”影响期间,波高具有明显的滞后特征,5级大浪持续了10 h,浪向与风向基本一致,说明台风产生的波浪是以风浪为主,最大波高均出现于偏S向。通过波谱分析,台风海浪的波型变化规律为混合浪-风浪-混合浪。

舟山地波雷达数据分析

2007年,小型阵变频高频地波雷达布设在朱家尖和嵊山对共同覆盖范围内的舟山海域进行风、浪、流的业务化探测。本文将台风期间高频地波雷达的探测数据分别与定点浮标观测数据和ASCAT卫星遥感大面积风场数据进行了对比分析。结果表明,高频地波雷达在台风期间较好地反映了舟山海域流场特征和风场分布情况,高频地波雷达的探测数据精度满足指标要求,验证了高频地波雷达在复杂海况条件下具有合格的探测性能。

浙江沿海台风浪模式的参数适应性研究

基于第三代近岸海浪模型(Simulating Waves Nearshore,SWAN)和敏感性分析提出了适用于浙江沿海台风浪模拟的参数方案。选取近10 a影响浙江海域的37个台风进行数值模拟和误差分析,验证该参数方案下模型对不同强度和路径台风的适应性。结果表明,优选参数方案对各类型台风浪的模拟效果良好,平均相对误差小于31%,对强台风型台风浪的模拟效果明显优于超强台风和台风,平均相对误差小于25%;对西北向型台风浪的模拟效果最好,平均相对误差小于30%。

“烟花”台风影响下长江口水域波浪分布特征研究

台风往往会带来强风、大浪、风暴潮。强潮大浪给长江口深水航道整治工程的维护带来挑战。构建了覆盖中国海的台风浪—风暴潮耦合数学模型,模拟了台风“烟花”作用下长江口北槽水域波浪的发展过程,分析了长江口北槽水域波浪分布特点和台风强度。研究表明:叠加风场和潮汐模式共同驱动的台风浪―风暴潮耦合模型,可以准确模拟台风期间长江口水域波浪的生成和发展过程;“烟花”台风期间,外海大浪以东方向浪为主,长江口北槽南挡沙堤沿线有效波高最大值介于1.61~5.22 m之间,自东向西逐渐衰减;台风过程中,长江口北槽水域有效波高在台风二次登录时刻达到最大,口门处有5.0 m以上大浪;依据台风过程中长江口风速及外海波高、周期与参考规范值对比分析得出,“烟花”台风过程波浪强度约为50年一遇。

台风作用下杭州湾跨海铁路大桥嘉甬通道海域风浪流特性分析

杭州湾跨海铁路大桥嘉甬通道所在海域台风频发,研究并明确台风期间风浪流参数特性对于保障跨海桥梁安全具有重要意义。首先,调研该海域的台风灾害、地形信息;然后,基于参数风场及波-流耦合数值模拟软件,计算对该海域产生严重影响的47条历史台风期间的风浪流参数;基于此对风浪流场的分布特征及风-浪、风-流、浪-流间关系进行讨论。台风期间研究海域风、浪场分布具有一定相似性;不同样本选取方式拟合出的风-浪关系存在差异;在相同风环境下,越靠近外海、水深越大,波高越大;Clayton copula能较好地描述风-流、浪-流联合分布,当概率密度为0.01时,计算得到风-流参数组合中最大风速为34.75 m/s,最大流速为1.87 m/s,浪-流参数组合中最大波高为6.43 m,最大流速为2.08 m/s。研究表明,为获取更真实的环境参数,设计时需充分考虑环境变量间的相关性。

超强台风“山竹”风浪过程数值模拟研究

[目的]探究台风浪传播过程,提升风暴潮防御能力。[方法]提出了基于中心节点优化算法的叠加风场优化方法和基于非结构网格的浪潮耦合模型,以华南1822号超强台风“山竹”为例,模拟其台风场及波浪场。[结果]将模拟值与珠江河口浮标实测值进行对比,发现风速、风向、有效波高等关键参数的误差总体较小。这表明该模型可以准确模拟台风过程中台风浪的传播过程,同时计算发现台风“山竹”过菲律宾后有效波高增大,至16日凌晨达到较大值(约14.0 m),之后传播至珠江河口及外部海域,受台风强度减弱、岛群遮蔽和水深减小的影响有效波高降低。[结论]本研究提出的中心节点优化算法可有效降低叠加风场过渡区风场误差,相较于单纯风浪模型,浪潮耦合模型波浪模拟精度提高了约15%。超强台风“山竹”右半圆波高明显大于左半圆波高,符合台风“危险半圆”规律,故位于“山竹”右半圆的香港地区的波高(约4.5 m)大于与台风路径更近的澳门地区的波高(约3.6 m)、珠海及台山一带的波高(约2.3 m)。本研究相关成果可为华南沿海风暴潮研究提供参考。