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风能输入参数对珠江口波浪模拟的影响

李少钿 李毅能 李骏旻 张志旭 刘春霞 彭世球

李少钿, 李毅能, 李骏旻, 张志旭, 刘春霞, 彭世球. 风能输入参数对珠江口波浪模拟的影响[J]. 热带气象学报, 2022, 38(4): 541-553. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049
引用本文: 李少钿, 李毅能, 李骏旻, 张志旭, 刘春霞, 彭世球. 风能输入参数对珠江口波浪模拟的影响[J]. 热带气象学报, 2022, 38(4): 541-553. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049
LI Shaotian, LI Yineng, LI Junmin, ZHANG Zhixu, LIU Chunxia, PENG Shiqiu. IMPACT OF WIND INPUT PARAMETERIZATIONS ON WAVE SIMULATION IN PEARL RIVER ESTUARY REGION[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(4): 541-553. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049
Citation: LI Shaotian, LI Yineng, LI Junmin, ZHANG Zhixu, LIU Chunxia, PENG Shiqiu. IMPACT OF WIND INPUT PARAMETERIZATIONS ON WAVE SIMULATION IN PEARL RIVER ESTUARY REGION[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(4): 541-553. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049

风能输入参数对珠江口波浪模拟的影响

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049
基金项目: 

广东省重点领域研发计划项目 2019B111101002

南方海洋科学与工程广东实验室(广州) GML2019ZD0303

南方海洋科学与工程广东实验室(广州) 2019BT2H594

国家自然科学基金项目 41890851

国家自然科学基金项目 41931182

国家自然科学基金项目 41676016

国家自然科学基金项目 41776028

国家自然科学基金项目 U20A20105

国家自然科学基金项目 U21A6001

中国科学院空间科学战略性先导科技专项 XDA19060503

中国科学院空间科学战略性先导科技专项 XDA15020901

中国科学院科技项目 ZDRW-XH-2019-2

中国科学院科技项目 ISEE2018PY05

中国科学院科技项目 133244KYSB20180029

广西重点研发计划 桂科AB18294047

详细信息
    通讯作者:

    彭世球,男,广西壮族自治区人,研究员,博士,主要从事海洋数值模式与资料同化研究。E-mail: speng@scsio.ac.cn

  • 中图分类号: P435

IMPACT OF WIND INPUT PARAMETERIZATIONS ON WAVE SIMULATION IN PEARL RIVER ESTUARY REGION

  • 摘要: 珠江口是粤港澳大湾区的核心区域,台风、风暴潮和巨浪等海洋灾害频发,对沿岸人民的生命财产安全构成严重威胁。准确的高分辨率波浪模拟/预报对区域经济建设和防灾减灾具有重要意义。波浪预报/模拟的质量很大程度上取决于风能输入的误差。本研究基于WAVEWATCH Ⅲ(WW3)的南海-珠江口双重嵌套精细化海浪模式,探讨不同的风场产品与风能输入参数方案组合对珠江口波浪动力过程模拟的影响,确定最优的风场和参数方案组合。ERA5风场更适合珠江口海域的风浪模拟,其模式结果略优于采用CFSR风场的模式结果。ERA5风场+T500方案的组合对珠江口波高变化过程的模拟效果最好,ERA5风场+T471方案的组合次之,ERA5风场+ST6方案再次之。CFSR风场与T471f参数方案最为适配,其结果稍差于ERA5风场+ST6参数方案。T500方案调整高风速下的风能输入和涌浪对风能输入的反馈作用,并考虑水深引起的波浪破碎效应,更适合水深限制的珠江口浅水区域。另外,WW3模式开关ST4的参数方案的表现优于开关ST6的参数方案。

     

  • 图  1  模式计算区域水深分布

    单位:m,含波浪观测站点位。

    图  2  2014年超强台风“威马逊”(a)和台风“海鸥”(b)期间ERA5和CFSR再分析风场与香港站风速观测对比

    图  3  2014年台风“威马逊”期间,不同风场产品与风能输入参数方案组合模拟的有效波高(Hsig,a)、平均波向(DIRMN,b)和平均波周期(TMN,c)在观测站位P1的时间变化曲线

    图  4  2014年台风“威马逊”期间,不同风场产品与风能输入参数方案组合的模拟的有效波高(Hsig,a)、平均波向(DIRMN,b)和平均波周期(TMN,c)在观测站位P2的时间变化曲线

    图  5  2014年台风“海鸥”期间,不同风场产品与风能输入参数方案组合的模拟的有效波高(Hsig,a)、平均波向(DIRMN,b)和平均波周期(TMN,c)在观测站位P1的时间变化曲线

    图  6  2014年台风“海鸥”期间,不同风场产品与风能输入参数方案组合的模拟的有效波高(Hsig,a)、平均波向(DIRMN,b)和平均波周期(TMN,c)在观测站位P2的时间变化曲线

    图  7  台风“海鸥”过境期间(2014年9月15日18:00:00),不同风场和参数方案组合模拟的珠江口海域有效波高(等值线)和平均波向(矢量)空间分布

    a. ERA5+T471; b. CFSR+T471f; c. ERA5+T500; d. CFSR+T500; e. ERA5+ST6; f. CFSR+ST6。

    表  1  WW3模式风能输入项参数方案参数表

    参数 WW3变量名 T471 T471f T500
    zu ZWND 10.0 10.0 10.0
    α0 ALPHA0 0.009 5 0.009 5 0.009 5
    βmax BETAMAX 1.43 1.33 1.52
    pin SINTHP 2 2 2
    zα ZALF 0.006 0.006 0.006
    Su TAUWSHELTER 0.3 0.3 1.0
    S1 SWELLF 0.66 0.66 0.8
    S2 SWELLF2 -0.018 -0.018 -0.018
    S3 SWELLF3 0.022 0.022 0.015
    Rec SWELLF4 1.5×105 1.5×105 1.0×105
    S5 SWELLF5 1.2 1.2 1.2
    S6 SWELLF6 0.0 0.0 0.0
    S7 SWELLF7 3.6×105 3.6×105 0.0
    zr Z0RAT 0.04 0.04 0.04
    z0, max Z0MAX 1.002 1.002 1.002
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    表  2  不同的风场产品与风能输入参数方案组合敏感性试验设置

    试验名称 试验内容
    试验1 ERA5+T471 以ERA5风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案为T471
    试验2 CFSR+T471f 以CFSR风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案为T471f
    试验3 ERA5+ST6 以ERA5风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案采用开关ST6的默认参数方案
    试验4 CFSR+ST6 以CFSR风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案采用开关ST6的默认参数方案
    试验5 ERA5+T500 以ERA5风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案为T500
    试验6 CFSR+T500 以CFSR风场驱动WW3模式,风能输入和耗散参数方案为T500
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    表  3  ERA5和CFSR再分析风场与2014年7—9月香港站和澳门站风场观测对比

    站位 分量 再分析产品 平均偏差/m 均方根误差/m 相关系数
    香港站 纬向 ERA5 1.766 2.307 0.810
    风速 CFSR 1.877 2.407 0.791
    经向 ERA5 1.505 1.909 0.678
    风速 CFSR 1.621 2.095 0.634
    澳门站 纬向 ERA5 1.270 1.715 0.855
    风速 CFSR 1.363 1.845 0.848
    经向 ERA5 1.301 1.696 0.787
    风速 CFSR 1.508 2.003 0.720
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    表  4  不同风场与参数方案组合在珠江口海域的有效波高模拟结果与观测对比

    试验 平均偏差/m 平均绝对误差/m 均方根误差/m 相关系数
    P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
    试验1 ERA5+T471 -0.105 6 -0.089 3 0.257 5 0.198 0 0.281 5 0.245 1 0.950 0 0.970 0
    试验2 CFSR+T471f -0.026 0 -0.002 3 0.256 3 0.213 8 0.320 5 0.325 1 0.945 1 0.954 9
    试验3 ERA5+ST6 -0.189 3 -0.179 8 0.302 7 0.252 1 0.312 9 0.291 3 0.951 3 0.968 4
    试验4 CFSR+ST6 -0.080 7 -0.067 5 0.305 3 0.248 3 0.380 7 0.359 4 0.940 5 0.952 2
    试验5 ERA5+T500 -0.064 9 -0.052 9 0.240 7 0.182 8 0.267 9 0.235 0 0.952 1 0.971 1
    试验6 CFSR+T500 0.037 2 0.055 7 0.256 1 0.219 6 0.342 4 0.350 2 0.946 1 0.955 6
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-12
  • 修回日期:  2022-05-08
  • 网络出版日期:  2022-10-25
  • 刊出日期:  2022-08-20

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