热带气旋下海浪的分布特征及其影响机制

论文摘要

热带气旋下海浪空间分布特征的研究不仅可以直接提高热带气旋下海浪的预报精度,而且可以增进对高风速下海气界面动量通量和热通量的理解,改善热带气旋强度和结构的预报,具有很高的科学价值和社会效益。但是目前的海浪模式风能量输入源函数也不适用于高风速下海浪的模拟,而且目前的研究中没有深入探讨热带气旋风场细结构特征对海浪平均要素和海浪方向谱的影响。针对海浪模式可能高估风能量输入的问题,基于高风速下拖曳系数最新观测数据和实验结果改进WAVEWATCHⅢ(WW3)海浪数值模式风能量输入源函数,使之适用于高风速下的海浪数值模拟,并设计理想实验和热带气旋Bonnie实验评估改进模式的模拟效果。理想实验表明,改进模式降低了模式的风场能量输入,但不改变有效波高、平均波长和海浪方向谱的空间分布特征,对平均波向的影响甚微,可忽略;无论在高风速(大于25m/s)还是在低风速区域,改进后模式模拟有效波高相对于改进前模式在气旋各象限均显著减小,且左前和右前两个象限比左后和右后两个象限减小程度明显偏大。将改进模式进一步应用于热带气旋Bonnie下的海浪模拟,结果表明采用高风速下拖曳系数逐渐减小的模式改进方案,模拟结果与观测吻合最好,即实际上拖曳系数在高风速下更可能是随着风速增大而逐渐减小。本研究设计了一系列理想数值实验,利用高分辨率的WW3海浪模式定量分析热带气旋移动速度、强度、最大风速半径、入流角度、表面风场非对称性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,热带气旋下海浪的空间非对称分布不仅与热带气旋风场的非对称性有关,而且还会受到热带气旋移动速度、最大风速半径、入流角度和热带气旋移动时的转向的影响。入流角度和最大风速半径增大会使最大有效波高的位置向后移动,而移动速度和风场非对称性会使最大有效波高位置向前移动。热带气旋移动速度增大会使右侧象限内的有效波高明显增大,左侧象限内有效波高减小。热带气旋最大风速半径增大和强度增强使各象限内有效波高均显著增高。入流角度增大使有效波高在前两个象限内减小,后两个象限内增高。随着风场的非对称性增强,除了左前象限内有效波高增大,其余象限内均减小。热带气旋的转向使各象限内有效波高有所增高,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、平均波向和波峰方向都有不同程度的影响,尤其以左后象限最为显著。入流角度对再现海浪方向谱的双峰和多峰性起着很重要的作用,而移动速度、强度、最大风速半径和风场非对称性对再现海浪方向谱的双峰性也有一定的辅助作用。入流角度为40度时模拟的海浪特征与SLOSH入流角度的模拟结果最为相似,因此在没有入流角度计算结果时,可以用40度代替。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 WAVEWATCHⅢ 海浪模式及其改进方法
• 3 海浪模式改进实验及结果讨论
• 3.1 理想实验
• 3.2 热带气旋Bonnie 实验
• 3.2.1 Bonnie 及耦合模式输出风场
• 3.2.2 Bonnie 实验设计
• 3.2.3 Bonnie 实验结果
• 4 热带气旋风场特征对海浪的影响实验设计
• 5 结果与讨论
• 5.1 热带气旋移动速度的影响
• 5.1.1 对有效波高的影响
• 5.1.2 对平均波向的影响
• 5.1.3 对平均波长的影响
• 5.1.4 对峰向的影响
• 5.1.5 对海浪方向谱的影响
• 5.2 最大风速半径的影响
• 5.2.1 对有效波高的影响
• 5.2.2 对平均波向的影响
• 5.2.3 对平均波长的影响
• 5.2.4 对峰向的影响
• 5.2.5 对海浪方向谱的影响
• 5.3 热带气旋强度的影响
• 5.3.1 对有效波高的影响
• 5.3.2 对平均波向的影响
• 5.3.3 对平均波长的影响
• 5.3.4 对峰向的影响
• 5.3.5 对海浪方向谱的影响
• 5.4 入流角度的影响
• 5.4.1 对有效波高的影响
• 5.4.2 对平均波向的影响
• 5.4.3 对平均波长的影响
• 5.4.4 对波峰方向的影响
• 5.4.5 对海浪方向谱的影响
• 5.5 风场非对称性的影响
• 5.5.1 对有效波高的影响
• 5.5.2 对平均波向的影响
• 5.5.3 对平均波长的影响
• 5.5.4 对波峰方向的影响
• 5.5.5 对海浪方向谱的影响
• 5.6 热带气旋转向的影响
• 5.6.1 对有效波高和平均波向的影响
• 5.6.2 对平均波向的影响
• 5.6.3 对平均波长的影响
• 5.6.4 对峰向的影响
• 5.6.5 对海浪方向谱的影响
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文