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SWAN模式及数据同化技术在海浪预报中的试验研究和应用

作　者: 王毅
导　师: 蒋兴伟
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 全球海浪预报 SWAN模式海浪耗散卫星高度计最优插值
分类号: P731.22
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

国家海洋环境预报中心从二十世纪末开始引进SWAN(Simulating WAves Nearshore)模式(Booij et al 1999)开展海浪预报应用研究,到目前为止已经利用SWAN模式建立了西北太平洋和全球海浪预报系统。本文的目标之一是利用数值实验的方法对国家海洋环境预报中心的业务化海浪模式进行改进,提高预报可靠性。本文的第二个目标是作为“海洋二号”卫星应用的预研究,利用最优插值方法同化Jason-1卫星高度计有效波高数据形成预报初始场,评估卫星数据同化对三天预报的改进作用,为将来我国“海洋二号”卫星数据的应用提供参考。在海浪模式的各源项当中,能量耗散是目前了解最少的物理过程。有关海浪耗散机制和参数化的理论研究和观测分析很多,但是对海浪何时耗散、如何耗散、耗散后能量到哪里去这三个问题目前仍然没有得到很好解决(Mitsuyasu 2002;The WISE Group 2007;Janssen 2008)。为了要确定海浪模式中耗散源函数,目前的做法是通过实验观测结合理论分析给出海浪耗散的函数形式,然后采用数值实验确定这个海浪耗散函数中的参数(Babanin et al 2007)。本文在前人提出的白冠型海浪破碎(Hasselmann 1974;Komen et al 1994;Janssen et al 2004)和饱和型海浪耗散(Phillips et al 1985;Alves和Banner 2003;Westhuysen 2007)的基础上提出了一个饱和型风浪耗散源函数。新提出的耗散源函数采用了目前比较流行的“两相性”观点(Babanin et al 2007),即风浪谱的高频部分和低频部分的耗散机制有所不同:在高于2倍谱峰频率时采用的是饱和型耗散机制;低于2倍谱峰频率时采用的是本文调试改进后的白冠型耗散机制。在新提出的耗散源函数中,不再把高频Phillips饱和参数作为一个常数(Alves和Banner 2003;Westhuysen 2007),而是随波龄变化,其变化规律直接取自观测分析的结果(Babanin et al 1998);在海浪谱的低频部分,从本文的理想数值实验和国外的相关研究工作(例如Banner和Young 1994;Rogers 2003)中可以推测:海浪耗散系数与频率之间的依赖关系应该介于σ~2和σ~4 (σ是海浪的角频率)之间,而且可能还依赖于波龄(Komen et al 1994)。上述观点在风浪随风区成长以及风浪谱成长的理想实验中得到了支持和验证,它们的主要作用有两点:第一是显著改进了对低风速充分成长状态风浪的模拟效果,第二是显著改进了对海浪谱高频部分的模拟效果。海浪高频谱的改进对有效波高预报的意义可能不大,但对于计算依赖于海浪谱高阶矩的谱峰度、谱宽度、波生应力等特征量则至关重要。影响海浪预报可靠性的另外一个重要因素是海浪预报初始场。众所周知,要在海洋上获得观测数据非常困难。从二十世纪八十年代开始,由于海洋卫星遥感技术的发展,人们开始能够获得大量的近实时海浪观测数据,使得通过数据同化方法改进海浪预报成为可能。我国目前正在积极发展高度计卫星遥感应用技术,不久就会有来自于我国高度计卫星的实时海浪观测数据,这对我国海浪预报业务的发展和技术水平提高是一个极大的促进。本文充分调研了国内外关于海浪同化背景场误差协方差矩阵的研究以及关于Topex/Poseidon和Jason-1卫星高度计有效波高观测误差的验证分析,用最优插值方法为SWAN模式增加了一个海浪同化模块。其中的海浪谱重构方法采用了欧洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,简称ECMWF)的海浪同化方案:首先把海浪谱区分为风浪谱和涌浪谱,在风浪情况下认为有效波高在同化前后的差别主要来源于对风速的修正;在涌浪情况下假定传播时间和波陡不变,同化前后的特征频率由同化前后的有效波高直接确定。本文的最优插值同化模式和参数化改进工作都是建立在SWAN(Booij et al 1999)模式基础之上。SWAN模式最初被设计为浅海小尺度海浪模式,但是近年来该模式发展为可以用于任意尺度(The SWAN team 2006)。在此之前,国家海洋环境预报中心已经利用SWAN模式建立了西北太平洋及中国近海的海浪预报系统。本文把SWAN模式改进用于全球海浪预报,模拟了2009年全年的日常海浪预报,并利用浮标和卫星高度计数据进行了对比检验。结果表明本文的参数化改进有助于改善海浪有效波高和海浪谱的预报;与非同化预报结果相比,卫星高度计数据同化明显提高了预报的相关系数,降低了预报误差。本文建立的海浪模式适用于从大洋到近岸区域的海浪预报应用,预报技术指标达到了国外同类模式的水平。本文的创新点主要有三点:第一点是利用数值实验的方法对SWAN模式中的海浪耗散参数化进行了调试和改进,有效提高了三天海浪预报的可靠性;第二点是为SWAN模式增加了同化模块,使之具有同化海浪观测数据的能力。第三点是把改进后的SWAN模式从西北太平洋扩展应用到国家海洋环境预报中心的全球海浪预报,使SWAN模式成为适用于从浅海近岸尺度到全球尺度的通用海浪预报模式。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-14
1. 引言  14-20
  1.1. 海浪预报技术的发展  14-17
  1.2. 不同空间尺度的海浪预报特点  17-18
  1.3. 本文研究内容  18-20
2. 第三代海浪模式-SWAN 模式  20-40
  2.1. 海浪描述的谱方法  22-25
  2.2. 海浪传播过程  25-28
  2.3. 海浪模式的物理过程  28-36
    2.3.1. 风浪生成  28-31
    2.3.2. 能量耗散  31-34
    2.3.3. 非线性波波相互作用  34-36
  2.4. SWAN 模式的数值方法  36-40
    2.4.1. 离散化  37-38
    2.4.2. 求解过程  38-40
3. 海浪耗散:改进和验证  40-83
  3.1. SWAN 模式改进的必要性  40-47
    3.1.1. 充分成长状态浪高和周期的验证  42-43
    3.1.2. 风浪谱高频部分的模拟  43-47
  3.2. 海浪耗散参数化的调试和改进  47-55
    3.2.1. 有关海浪耗散参数化的研究  47-50
    3.2.2. 海浪耗散参数化改进  50-55
  3.3. 理想情况下的性能检验  55-82
    3.3.1. 风浪成长过程的模式验证  55-76
    3.3.2. 高频风浪谱的模式验证  76-78
    3.3.3. 涌浪耗散  78-82
  3.4. 本章小结  82-83
4. 海浪同化:模式和验证  83-97
  4.1. 数据同化技术的发展  83-84
  4.2. 卫星高度计海浪数据同化  84-89
    4.2.1. 最优插值的一般方法  85-87
    4.2.2. 海浪谱的重构  87-89
  4.3. Jason-1 高度计数据  89-90
  4.4. 同化效果检验(西北太平洋)  90-94
    4.4.1. 海浪同化预报  91-92
    4.4.2. 结果对比  92-94
  4.5. 本章小结  94-97
5. SWAN 模式及同化在全球海浪预报中的应用  97-131
  5.1. 全球同化和预报实验的设置  97-99
  5.2. 有效波高和海浪谱检验(浮标数据)  99-117
    5.2.1. 浮标 32012  101-103
    5.2.2. 浮标 41041  103-104
    5.2.3. 浮标 41047  104-106
    5.2.4. 浮标 41048  106-108
    5.2.5. 浮标 46006  108-109
    5.2.6. 浮标 46066  109-111
    5.2.7. 浮标 51001  111-113
    5.2.8. 浮标 51002  113-114
    5.2.9. 浮标 51100  114-116
    5.2.10. 浮标检验结果总结  116-117
  5.3. 全球海浪预报检验结果(卫星数据)  117-129
    5.3.1. 全球检验  117-119
    5.3.2. 北太平洋  119-121
    5.3.3. 北大西洋  121-122
    5.3.4. 北印度洋  122-123
    5.3.5. 南太平洋  123-125
    5.3.6. 南大西洋  125-126
    5.3.7. 南印度洋  126-127
    5.3.8. 卫星检验结果总结  127-129
  5.4. 小结  129-131
6. 结论和讨论  131-135
  6.1. 主要创新点  131-132
  6.2. 主要结论  132
  6.3. 讨论  132-135
参考文献  135-151
致谢  151-153
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  153

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