中尺度海-气-浪耦合模式系统的研究及应用

摘要

我国有着绵长的海岸线和丰富的海洋资源，海洋经济的繁荣极大的促进了国民经济的发展。然而与此同时，海洋上频发的灾害性天气系统对我国沿海地区形成重大的威胁。因此，做好海洋环境(特别是灾害性天气条件下)的预报工作是非常重要的。海洋灾害性天气系统多是中尺度现象，在这些天气过程中，海洋、大气和海浪之间存在着剧烈的相互作用，而且这一相互作用也影响着这些天气过程中大气和海洋变化。因此研制能反映大气-海洋-海浪相互作用细微过程的中尺度海-气-浪耦合模式系统是提高海洋环境模拟预报水平的重要途径，它对于我国沿海地区的防灾减灾、水上交通安全、海岸工程建设等方面有着极其重要的意义。 本文的主要研究工作包含了三个主要部分： (1) 建立了一套完整的中尺度海-气-浪耦合模式系统MCMS。根据对耦合模式系统中的科学和技术问题的分析，确立了采用已有的成熟数值模式为系统的基本模式分量，同时研制“可插拨”的多模式耦合器为耦合信息交换平台的技术方案，构建了耦合模式系统。该耦合模式系统共包含四个部分，分别是中尺度大气模式分量(MM5V3或AREM)、区域海洋模式分量(POM2K或ECOM-si)、海浪模式分量(WAVEWATCHⅢ)和分布式多模式耦合器。在此基础上，为了使得模式系统能够准确的描述中尺度海-气-浪间的相互作用，本文对于耦合界面上大气-海洋-海浪相互作用的耦合物理过程进行了分析，并采用了相应的参数化方案。中国近海海域是海洋灾害性天气多发区域，论文在此区域实现了中尺度海-气-浪耦合模式系统，并进行了初步有效化检验。模拟研究表明，中尺度海-气-浪模式耦合系统能够稳定、并行地运行，具有良好的运行通信效率，能够准确地描述海-气-浪三者之间的相互作用。 (2) 运用中尺度海-气-浪耦合模式系统进行了一类灾害性天气系统一热带气旋(台风)的模拟研究。论文有代表性地分别选取了南海原生性台风和东海过境台风两类台风进行了模拟研究。在此基础上，分析了台风过程中海洋和海浪的响应，着重探讨了台风过程中海-气-浪之间的相互作用，以及初步归纳了这一相互作用对于台风发展和演变的定量影响和作用机制。结果表明，中尺度海-气-浪耦合模式系统能够良好的模拟台风所产生的海面SST下降、风暴潮、狂风巨浪和台风降水等等现象，且与观测吻合良好。同时，海、气、浪相互之间通过一套完整的正/负反馈机制影响着台风的发展和演变。这都证明了中尺度海-气-浪耦合模式系统对于海洋灾害性天气系统有良好的模拟预报能力。 (3) 开展了中尺度海-气-浪耦合模式系统的在水上交通安全环境中的应用研究。MCMS对于海洋环境模拟有着良好性能，除了用于科学研究以外，其在实际业务中应用为生产生活服务也是考察的重点。论文展开了高分辨海-气-浪耦合技术在船舶航行仿真中的应用技术研究。同时，论文针对一具体的港口水域建立了一个完整、灵活的环境动力预报系统，并运用此系统对于该港口水域中水上交通安全环境方面涉及的码头建设通航安全评价、溢油事故应急响应、港口水域污染评估等问题进行了应用研究。结果表明，MCMS能够为狭小水域提供良好的海洋环境数据预报，而进一步为水上交通安全环境所服务。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究的目标和意义

1.4主要研究内容和结构组织

第—部分中尺度海-气-浪耦合模式系统MCMS的发展 第2章中尺度海-气-浪耦合模式系统MCMS的研制

2.1系统构建分析

2.1.1模式耦合中的科学问题

2.1.2模式耦合中的技术问题

2.2系统的配置

2.2.1大气模式分量

2.2.2海洋模式分量

2.2.3海浪模式分量

2.2.4分布式多模式耦合模块

2.3耦合物理方案

2.3.1耦合界面热量通量的参数化方案

2.3.2耦合界面动量通量的参数化方案

2.3.3海洋飞沫参数化方案

2.4系统运行环境

第—部分中尺度海-气-浪耦合模式系统MCMS的发展 第3章中尺度海-气-浪耦合模式系统在中国海海域的实现与检验

3.1系统在中国海海域的实现

3.1.1海洋模式的设置

3.1.2大气模式的设置

3.1.3海浪模式的设置

3.2系统的有效化检验

第二部分热带气旋(台风)天气过程中的中尺度海-气-浪相互作用研究 第4章南海热带气旋过程中海-气-浪相互作用的数值试验

4.1热带气旋个例的选取

4.2系统的初值化

4.2.1大气模式的初值化

4.2.2海洋模式的初值化

4.2.3海浪模式的初值化

4.3试验方案的设计

4.4结果分析

4.4.1气旋移动路径与中心强度

4.4.2海洋流场

4.4.3海水温度

4.4.4混合层

4.4.5风暴增减水

4.4.6海浪及海表粗糙度

4.4.7热通量

4.4.8近地层主要气象要素

4.4.9降水

4.5结论

第二部分热带气旋(台风)天气过程中的中尺度海-气-浪相互作用研究 第5章黄东海台风过程中海-气-浪相互作用的数值试验

5.1台风个例的选取

5.2系统的初值化

5.3试验方案的设计

5.4结果分析

5.4.1台风移动路径和中心强度

5.4.2海洋流场

5.4.3海水温度和盐度

5.4.4混合层

5.4.5风暴增水

5.4.6海浪及海表粗糙度

5.4.7热通量

5.4.8大气垂直结构

5.4.9近地层主要气象要素

5.4.10降水

5.5结论

第二部分热带气旋(台风)天气过程中的中尺度海-气-浪相互作用研究 第6章中尺度海-气-浪相互作用对于台风发展影响的机制

第三部分中尺度海-气-浪耦合技术在水上交通安全环境中的工程应用 第7章基于高分辨环境数值模拟的船舶航行仿真初步研究

7.1船舶航行仿真技术方案

7.2航行水域环境要素预报

7.3船舶运动预报

7.4船舶航行视景仿真

第三部分中尺度海-气-浪耦合技术在水上交通安全环境中的工程应用 第8章水上交通指挥决策中的海洋环境动力预报

8.1环境动力预报系统的组成

8.2海洋流场模块

8.3海面风场模块

8.4海浪模块

8.5耦合控制模块

8.6外部应用拓展模块

第三部分中尺度海-气-浪耦合技术在水上交通安全环境中的工程应用 第9章海洋环境要素预报在海岸工程建设中的应用

9.1码头工程概况

9.2码头工程水域自然环境要素模拟与分析

9.3码头工程水域船舶通航措施建议

第三部分中尺度海-气-浪耦合技术在水上交通安全环境中的工程应用 第10章海洋环境要素预报在溢油应急中的应用

10.1溢油应急的发展概况

10.2溢油运动轨迹(漂移扩散)模型

10.3典型舟山溢油事故溢油模拟分析

第三部分中尺度海-气-浪耦合技术在水上交通安全环境中的工程应用 第11章海洋环境要素模拟在污染危险评估中的应用

11.1油库码头概况

11.2油库码头环境污染危险风险要素分析

11.3溢油风险评价

第12章总结与展望

12.1论文工作总结

12.2工作展望

致 谢

参考文献

博士期间所发表的论文

博士期间所参加的科研项目及学术交流活动