近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型X

1、近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型X WORD文档使用说明：近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型X 来源于PDFWORDPDF转换成WROD 本WOED文件是采用在线转换功能下载而来，因此在排版和显示效果方面可能不能满足您的应用需求。如果需要查看原版WOED文件，请访问这里近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型X 文件原版地址: 近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型X|PDF转换成WROD_PDF阅读器下载第 31 卷第 5 期 2001 年 9 月JOU RNAL O F O CEAN U N I ER S IT Y O F Q I GDAO V N青岛海洋大学学报31 (5) : 653

2、658 Sep t. , 2001近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型谢红琴高山红盛立芳吴增茂( 青岛海洋大学海洋环境学院, 青岛, 266003)摘要由梯度风平衡原理得出具有非对称性的台风模型风场, 将台风模型风场与 N CA R 客观分 析风场嵌套得到大区风场并从中取出中尺度动力诊断模式M a ss 所需的初始风场, 再由M a ss 模式 对局部关键性区域海面风场作动力调整, 同时结合实测资料使用 N udg ing 同化方法进行调整, 从 风作了诊断分析试验, 得到了比较合理的并符合实际观测的台风海面风场。 关键词近岸区台风风场; 动力诊断模型系统; 海岸河口区 中图法分类号P 732

3、. 7文章编号100121862 ( 2001) 0526532063而获得具有较好实用性的台风近岸及河口区的海面风场。文中用上述模型对 9015 号和 9711 号台为海浪、 风暴潮数值研究以及近岸与河口工程环境分析提供高质量的海面风场, 尤其是台 风和大风情况下的海面风场, 是一项具有重大应用价值和科学意义的课题, 也是一个需要长期 探索和研究的问题。 国内国外的台风研究者对此做了大量的研究, 如国内的房文鸾 1 、 杨平 章 2 等, 国外的 Ho lland4 、 Shap iro 等。海面风场是近岸与河口区工程环境评估分析及灾情 预测所必须的。计算台风风场的方法很多, 有很复杂的也有

4、比较简单实用的。随着海岸气象学的发展和人们对台风认识的逐步深入及对各类台风个例的研究, 使得迅速快捷地为近岸区域 及河口区工程需要提供高质量的台风风场成为可能。 用复杂的三维动力模式获得海面风场当 然很好, 但为这些动力模式提供所需的高质量的三维初始场往往难以满足。 考虑到近岸工程环 境分析所需风场多为典型历史个例的后报风场, 所以利用已经获取的资料, 较为简单地诊断分 析出海面风场是很有意义和应用价值的。 本文正是基于此目的而着手研究的。1台风海面风场计算框图及模型介绍1. 1 海面风场计算框图海面风场计算主要由三个子模式组成: 台风模型风场与大区风场合成、 中尺度动力诊断 M a ss 模

5、式和资料同化 N udg ing 方法。 图 1 为该计算系统的计算框图。 1. 2 模型简介1. 2. 1 台风模型风场及大区风场合成台风模型风场 5, 6 是利用台风中心周围的气压场分布 ( 等压线形状) 由梯度风平衡原理得出的。 台风在运动过程中所受的力包括摩擦力、 气压梯度 力、 离心力、 柯氏力。 所用的考虑摩擦后的修正梯度风方程 为:国家 “九五” 科技攻关项目 (962922203203) 和 (962922203202) 专题资助 收稿日期: 2000207207; 修订日期: 2001203208 谢红琴, 女, 1973 年 4 月出生, 博士生。 徐启春, 吴增茂 海面台

6、风风场数值计算 热带气旋、 . . 暴雨学术研讨会, 1997? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.6542青岛海洋大学学报2001年fu+u = r其中, 为内流角 ( 风向与等压线切线的夹角) , k s 为摩擦系数, 为摩擦力方向与风向反方向 1 的夹角。 假定台风范围内流线是一组同心的圆或近似椭圆, 并以速度 V c 整体向前移动。 在移动 过程中, 可认为在短时间内流线的形状不变。在此假定下可得修正的梯度风方程。采用不考虑 摩擦的静止台风风场作为起始风场。

7、 据统计结果, 台风范围内大部分闭合等压线的形状接近于 圆形或椭圆两种情况。不失一般性, 可将台风气压场视为类椭圆形。由修正的梯度风方程计算 出各格点上的梯度风大小及方向, 得到具有非对称特征的台风海面风场。 而大区台风海面合成 7 风场 就是由此台风风场与 N CA R 背景风场采用插值法获得的。 1. 2. 2 中尺度动力诊断模式 M a ss由于复杂地形区域资料缺少, 初始化困难, 这里采用初 始场容易形成、 计算量小 8 , 9 的 M a ss 动力诊断模式即由 C. F. M a ss ( 1985) 等提出的一层 坐 标中尺度模式 10 。 但应用中如何获取高质量的初始场是关键,

8、 还应对某些参数进行调整。 a ss M 动力诊断模型在 坐标中的水平运动方程为: 5 s V 2 ( 1) = - Vs V f k × V s - ( g z s + R T s ln P s ) + F + K M V s s 5t 热力学方程为: 5T s R T s 5ln P s Q ( 2) = - Vs + K T 2T s + Vs T s + ln P s + 5t Cp Cp 5t 其中, V s、 s、 s、 s、 M 、 T 和 Q 分别为海 ( 地) 面常规观测高度上的风矢量、 温度 ( K ) 、 气压、 地 T P z K K 形高度、 动量水平扩散系

9、数、 温度的水平扩散系数和非绝热过程 ( 如潜热和辐射) 加热率, 其余 为气象常用符号。 模式中使用了准静力平衡近似。 M a ss 动力诊断模式采用 A rakaw a 2c 网格, 其侧边界条件采用无梯度边界条件。M a ss 模 式向前积分事实上就是一种迭代运算的动力调整过程。 1. 2. 3 资料同化 N udg ing 方法资料同化可以改善模式的结果, N udg ing 方法是在模式方 程中加入强迫项, 通过积分模式而使模式结果向观测逼近。这里考虑的 N udg ing 方法称为 “观 11 ( 测 nudg ing ”O b s nudg ing ) , 模式 “预报” 变量与

10、观测变量之间的差距在观测点位置上计算,? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.1 dP co s - k s u sin k s u co s = 1 1 dr图 1近岸台风海面风场计算框图, 其中虚线代表其为循环迭代过程F ig. 1T he ca lcu la tion b lock d iag ram of the su rface w ind ofa long sho re typ hoon. T he da shed line m ean s the ite

11、ra tion p rocess1 dP sin dr5期谢红琴, 等: 近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型655然后分析到格点上N和观测代表性) 、 变量、 台站观测值、 台站总数、 k 个台站对格点 ( i, j) 的订正权重系数。 上标 第 ob s, k 分别表示观测和台站, 下标 i、 表示空间格点。 模式中订正权重系数选用下面的方法: jWi, j× 。 E, 23° 41° , 空间分辨率为 0. 1° 0. 1°计算背景风场由 N CA R 资料提供, 区域为 115° N N E海面风实测资料极难获取, 而使 90

12、15 号台风的同化修正中只用了大戢山 ( 122. 17° 30. 82° E, N ) 一个台站的实测资料, 9711 号台风中使用了大戢山和滩浒 ( 121. 61° 30. 62° ) 两个台站 E, N 的实测资料。2. 2 结果分析在以下图中等值线为风速值, 单位为 m s。 箭头代表风矢方向, 图下的箭矢上式中, x、 、 、 、 和 W 分别表示空间坐标矢量、 格点上的模式 “预报” 变量插值 <F G < < N 到观测点位置、 ( 1) ( 2) 中等号右边所有项、 式 观测品质系数 ( 反映观测质量好坏 nudg i

13、ng 系数、ob sk i, j其中, R 是测站影响半径, r i, j 是网格点 ( i, j ) 与测站之距离。模式中要调整的参数为 nudg ing 系 数和测站影响半径, nudg ing 系数在 ( 3 6) ×10- 4 之间较为合适。资料同化结果的好坏与选用 观测台站资料的代表性和准确性密切相关, 所以进行资料同化时一定要注意实际观测资料的 质量。 另外, 还应注意的是资料同化 N udg ing 方法是与 M a ss 迭代同步进行的。2台风个例风场计算9015 和 9711 号台风是近年来北上登陆并对长江口及其以北广大区域产生重大影响的典型台风过程。 本文采用上述

14、模型系统对两台风进行了长江口区域海面风场的诊断计算。2. 1 两台风个例介绍9015 号和 9711 号台风可以说是同一类台风的典型, 此类台风都源于热带太平洋, 自东南方向北上在我国东南沿海登陆, 在陆地上有所衰减, 然后又沿东北方向入海,最终消失于海上。 所以可从这两个台风的海面风场分析中大致了解此类台风海面风场在长江口 区域的特征。9015 号台风的计算时段为 1990 年 8 月 30 日 08 时至 9 月 2 日 02 时 ( 北京时, 以下 同) , 共 67h, 9711 号台风的计算时段为 1997 年 8 月 17 日 08 时至 8 月 19 日 20 时, 共 85h。

15、 跟踪台风过程使用台风模型风场进行风场计算的区域称为大区, 该区域为 117° 132° E135° 20° 42. 5° , 空间分辨率为 2. 5° 2. 5° 将台风模型风场与背景风场进行插值得到 × 。 E, N N大区台风风场, 并由此风场取出 M a ss 动力诊断模式的初始风场。M a ss 模式的计算区域为120° 123° 29. 5° 32. 5° , 空间分辨率为 5 5以下称此区域为小区。 × , 由于台风到来时 E E, N N为图中矢量的

16、比例尺。 从图 2 可看出, 台风模型风场与 N CA R 背景风场嵌套后的风场产生了 台风中心附近等压线较为密集的气旋性的风场。 就小区而言, 对比同一时间两个台风在台风与 背景场嵌套后的海面风场 ( 图 3) 、 仅用 M a ss 模式动力调整的海面风场 ( 图 4) 和用 M a ss 模式动力调整加资料同化 N udg ing 方法的海面风场 ( 图 5) 可看出: M a ss 模式能较好的反映出地 形对风场的动力调整, 台风在登陆后强度有所减弱。 台风风速由外围向内迅速增加到最大, 然? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Pu

17、blishing House. All rights reserved. 5<i, j = F ( <i, j , x , t) + G 5t (Wk= 1k i, jk= 1= exp-r i, j 2R 22k ) 2 ( <ob s - <) k N( 3)Wk ij 12 ( 4)656青岛海洋大学学报2001年后迅速递减, 且台风内低空风场的水平三圈结构很清晰, 即眼区, 最大风速区和外围风速区。 从 图 4 和图 5 也可看出经调整后的风场明显地反映出了台风眼外几十公里范围台风辐合带的特 征。 这都表明经M a ss 动力诊断模式调整后能反映出台风登陆后的地

18、面风场的整体特征。 而使 用资料同化 N udg ing 方法后则能更好的反映出观测台站局地的实际观测, 使得风场计算结果 更好的符合实际。 在观察资料比较少的情况下, 使用 N udg ing 方法很容易导致全局风场的不 合理, 但由于计算个例为台风个例, 只要注意所选台站的位置和 N udg ing 系数的控制, 基本可 以保证所计算个例的整体特征。N udg ing 系数本应随着台风强度的变化和台风中心与测站的 位置变化而变化, 但只是初步尝试这种方法, 文中取其为一经验值。 由于计算个例为台风天气 过程风场, 模式中没有考虑海陆热力差异造成的沿岸附近的中小尺度环流影响, 而是力求能比

19、较好地描绘出受复杂地形和地面摩擦影响的台风风场的结构特征。 计算结果表明本文中的台 风海面风场模型系统能较好的反映台风风场的整体特征, 特别是台风大风圈内的风场分布, 风 速和风向都较合理。计算结果与实况的对比分析说明: 9015 号台风在计算时段内, 大戢山风速 的平均相对误差均小于 10% 。 9711 号台风在计算时段内大戢山和滩浒的风速平均相对误差均 小于 20% 。 然而应该说明的是, 由于台风模型风场不能很好的反映台风衰减过程中的变性以 及背景风场的时空分辨率不够高导致了在台风中心离开计算小区后的时段里, 大戢山和滩浒 的计算风速的相对误差比平均相对误差要大些。图 2台风模型风场与

20、 N CA R 资料嵌套后的 大区风场 ( 1997 年 8 月 19 日 14 北京时)F ig. 2T he la rge dom a in w ind field ob ta ined by nesting the typ hoon m odel w ith N CA R da ta ( 14 L T , A ug. 19, 1997)图 3台风模型风场与 N CA R 资料嵌套后的小 区风场 ( 1990 年 9 月 1 日 02 北京时)F ig. 3T he sm a ll dom a in w ind field ob ta ined by nesting the typ hoo

21、n m odel w ith N CA R da ta ( 02 L T , Sep. 1, 1990)? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.5期谢红琴, 等: 近岸区域及河口区台风风场动力诊断模型657图 4动力模式M a ss 调整后的小区风场( 时间同图 3) F ig. 4T he ad ju sted w ind field of sm a ll dom a in w ith the M a ss m odel ( 02 L T , Sep. 1, 199

22、0)图 5动力模式 M a ss 加上资料同化 N udg ing 方法后的小区风场 ( 时间同图 3, 图中用 “+ ” 标出大戢山的位置)F ig. 5T he sm a ll dom a in w ind field ad ju sted by M a ss and a ssi ila ted w ith m N udg ing schem e ( 02 L T , Sep. 1, 1990, the“ ) po sition of D a J ishan is m a rked ou t in + ”3结语综上所述, 可得以下一些初步的结论: ( 1) 本文中给出的台风风场动力诊断模型

23、能够比较好地模拟出近岸海域及河口区复杂地形下 的台风海面风场结构和地面摩擦对台风风场的局地性影响。 ( 2) 9015 号台风和 9711 号台风的计算结果表明, 长江口小区经动力调整和资料同化后的海面 风场能达到一定的精度要求。 ( 3) 经调整后的风场明显地反映出了台风眼外几十公里范围台风辐合带的主要特征。但是, 辐 合带的范围和风速变化梯度的真实性还应进一步分析和检验。 ( 4) 由于资料有限, 对风场的个例还有待进一步的检验, 而且由于所计算台风的特殊性和海岸 附近动力学的复杂性, 要迅速方便的得到高质量的台风海面风场, 特别是寻求一种适合各种台 风的台风模型需要长期的资料、 经验和知

24、识的积累与实验研究。 这说明了对近岸区域及河口区 台风海面风场及台风风场模型继续进行深入研究和方法改进的必要性。 致谢: 对于华东师范大学丁平兴教授给我们工作的指导, 以及博士生朱首贤等为研究工 作提供的资料和进行的有益讨论诚致感谢。? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 658青岛海洋大学学报2001年参考文献1房文鸾, 徐启明, 章家琳, 等. 东海台风海域内的风速分布 J 海洋预报, 1987, 4 (3) : 1 4 . 2 杨平章, 黄永新, 陈会合, 等

25、. 南海热带气旋大风预报. 台风及其灾害性天气业务预报方法的研究. M 北京: 气象出版社, 1996. 146 151 3Ho lland G J. A n analytical m odel of the w ind and p ressu re p rofiles in hu rricanes. J M on W ea R ev, 1980, 108: 1212 1218 4 Shap iro L J. T he asymm etric boundary layer flow under a tran slating hu rricane. J J A tm o s Sci, 1983,

26、 40: 1984 19885盛立芳. 一种新型的台风海面风场动力诊断模式: 学位论文 . D 青岛: 青岛海洋大学, 1992 6盛立芳, 吴增茂. 一种新的台风海面风场的拟合方法. J 热带气象学报, 1993, 9: 265 271 7R u ssell L E. 热带气旋全球观 陈联寿, 等译. M 北京: 气象出版社, 1994 . 8A lp ert P, Geten io B. O ne 2level m odeling of m eso scale su rface w ind s in com p lex terrain, Part I: Com p arison w ith

27、 9A lp ert P, Geten io B. Part II: A pp licab ility to sho rt 2range fo rcasting. J M on W ea R ev, 1988, 116: 2047 2061 11 Grell G A , D udh ia J , Stauffer D R. A descrip tion of the fifth 2generation, PENN STA T E N CA R M ESO SCAL E M OD EL (MM 5). N CA R TN - 98+ I A. M Bou lder: N ational Cen

28、ter fo r A tm o sp heric R esearch, 1993. 29 41 . th ree 2d i en sional m odeling in Israel J M on W ea R ev, 1988, 116: 2025 2046 mA bs tra c t A cco rd ing to the theo ry of g rad ien t w ind, the a symm et rica l w ind field ofm eso sca le dynam ic d iagno st ic M a ss m odel w a s ob ta ined th

29、rough nest ing the typ hoon dynam ica lly ad ju sted the w ind field of som e loca l key dom a in. A t the sam e t i e, mw ind m odel w ith tha t of the N CA R ob ject ive ana ly sis. T hen, u sing the M a ss m odel w e. w ind field, w e ob ta in the p ract ica l fina l w ind field in coa st and estua ry reg ion s T he p ap er p roduced rea sonab le resu lt s. and estua ry reg iond iagno st ic test aga in st the 9015 and 9711 typ hoon ca ses u sing the m odel sy stem in th isKe y w o rds w ind field