海浪直接影響著海洋與大氣邊界層結(jié)構,是海洋和大氣動力學的重要研究內(nèi)容之一。目前,海浪數(shù)值模式已經(jīng)發(fā)展到第三代,其中,WAVEWATCH III(WW3)海浪數(shù)值模式具有穩(wěn)定性好、計算精度高等特點,已成為廣泛應用的業(yè)務化海洋預報模式之一。首先,我們利用WW3研究南海的臺風浪機制。基于南海浮標的觀測數(shù)據(jù),本文對三次臺風過程中的浮標附近的臺風浪特征進行分析。結(jié)果表明,在臺風中心5倍最大風速半徑內(nèi)的臺風浪主要都是風浪占優(yōu)的,并且海浪能量分布與有限風區(qū)海浪情況一致。在臺風中心前方5倍最大半徑以外以及臺風強迫范圍外,臺風浪則主要是涌浪占優(yōu)。隨后,使用第三代海浪模式對臺風期間的海浪進行模擬。結(jié)合理想風場模型和再分析資料,并通過觀測數(shù)據(jù)反推模型參數(shù),重構臺風期間的風強迫。在模擬結(jié)果分析中,本文定義臺風到達前后半個慣性周期內(nèi)為臺風的強迫階段。使用浮標觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行檢驗。在三種輸入與耗散源函數(shù)項參數(shù)化方案中,模擬效果最好的方案對有效波高的模擬結(jié)果可以達到平均相對誤差-0.7%,均方根誤差0.76 m,而譜峰周期模擬的最佳結(jié)果平均相對誤差為-3.4%。均方根誤差為1.115 s。本文還將不同輸入與耗散源函數(shù)項參數(shù)化方案的模擬結(jié)果進行比較。此外,我們還設計了一組孿生實驗用來研究非線性波–波相互作用項在臺風浪模擬中對海浪譜的作用。結(jié)果表明,非線性波–波相互作用項可以有效地將波浪能量從高頻部分向低頻部分轉(zhuǎn)移從而阻止一維海浪譜生成雙峰結(jié)構。其次,我們利用WW3模擬研究太平洋海浪的時空變化特征。在太平洋的海浪模擬研究中,前人研究多關注太平洋中某個區(qū)域的波浪變化特征,對整個太平洋的模擬以及不同風帶引起的海浪的分區(qū)特征研究較少。本文利用WW3分析了2002至2011年太平洋風速和海浪場的時空變化特征。首先,使用浮標觀測數(shù)據(jù)對模式模擬的有效波高結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明模式可以有效地后報太平洋的有效波高。模式偏差較大的區(qū)域為中低緯度地區(qū)。隨后將太平洋分為多個子區(qū)域,分別討論了其風速和有效波高的時空變化特征。多年平均太平洋風速和有效波高存在類似的緯向分布特征,各子區(qū)域之間風速和有效波高的季節(jié)變化存在差別。模式刻畫的太平洋有效波高年際變化最大的區(qū)域為南半球中高緯區(qū)域。進一步,我們研究了波浪能量的輸入與耗散。相應的源函數(shù)項的各區(qū)域平均值顯示了量化的表面波的變化。最后,對日平均的風速與有效波高值進行功率譜分析尋找序列的顯著周期。結(jié)果表明有效波高時間變化對應的頻譜和風速譜具有一定的差異,不同區(qū)域的變化情況也不盡相同。現(xiàn)有研究表明,考慮海浪的動量通量參數(shù)化方案可以在一定程度上改善現(xiàn)有的海浪模式。一些利用海氣耦合模式的氣候研究表明,考慮海浪影響時,模擬得到的海浪氣候態(tài)得到一定程度的改進。本文研究結(jié)果一方面評估現(xiàn)有海浪模式后報技巧,另一方面揭示區(qū)域海浪時空分布特征,為天氣尺度的海浪事件模擬和區(qū)域海浪特征分布研究提供直接參考。在前人提出的參數(shù)化方案基礎上,發(fā)展考慮二維海浪譜的海氣動量通量參數(shù)化公式,通過設計理想場景以及實測數(shù)據(jù)計算并初步討論海浪對海氣動量通量的影響。結(jié)果表明,基于海浪二維頻率方向譜的參數(shù)化方案會降低海氣界面動量通量的交換。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院海洋研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：P731.22;P732.6
【部分圖文】：

圖 3.1 研究區(qū)域，小圖表示本章研究的南海區(qū)域。彩色曲線代表三次臺風路徑，圓圈代表浮標位置。黑色，藍色和紅色矩形分別表示三層模式網(wǎng)格范圍。Fig. 3.1 Map of the study area and (inset) an expanded map of the South China Sea. Tracksof the three typhoons are shown as colored curves. The positions of the buoys are marked withcircles. The black, blue, and red rectangles represent the three model domain layers.表 3.1 浮標所在位置的經(jīng)緯度，水深以及慣性周期Table 3.1 The longitudes and latitudes, water depths, and inertial periods (IP) of the buoysBuoy station Longitude (°E) Latitude (°N) Water Depth (m) IP (days)B0 115.5 19.9 1580 1.47

圖 3.2 臺風期間風向和平均波向以及風浪涌浪分布特征。a）矢量箭頭表示三組浮標數(shù)據(jù)中的臺風期間的平均波向，虛箭頭表示風向。b）空心圓圈代表風浪占優(yōu)的位置，實心圓點代表涌浪占優(yōu)的位置。Fig. 3.2 Wind and wave direction during typhoons and the distribution of wind-sea andswell. a) Vectors indicating the mean wave directions for the three sets of buoy data during thethree typhoons, with dotted vectors showing the local wind directions. b) Locations dominated bywind-sea are indicated by circles and locations dominated by swell are indicated by solid dots.在第一象限中，臺風海鷗過程中浮標處的風向基本與理想風場模型中的風向一致，即當浮標位于臺風路徑前方的時候，風向與臺風路徑交叉并向左，當臺風到達距離浮標最近位置時，風向沿臺風路徑向前。也就是說，在臺風接近浮標的過程中，風向是順時針旋轉(zhuǎn)的。然而，在臺風到達之前，波向比風向更偏向前方，波向和風向的夾角大約為 20°。波向和風向以同樣的方式旋轉(zhuǎn)，但是旋轉(zhuǎn)得更慢，

圖 3.3 無量綱能量隨無量綱的譜峰頻率的變化。三次臺風過程觀測到的數(shù)據(jù)分布用三種符號表示。Fig. 3.3 Non-dimensional energy as a function of the non-dimensional peak frequency.Data observed during the three different typhoons are represented using different symbols.3.2 南海臺風浪的模擬3.2.1 模式配置本文使用第三代海浪模式 WW3（Version 4.18）進行臺風浪的模擬。在模式中，我們使用多層嵌套技術（如圖 3.1）。模擬的第一層區(qū)域范圍為西北太平洋（圖3.1 中黑色矩形區(qū)域），水平網(wǎng)格分辨率為 0.25°。設置第一層區(qū)域主要是考慮到，西北太平洋生成的涌浪信號會傳到南海而對我們的主要模擬區(qū)域產(chǎn)生影響。第二層區(qū)域嵌套在第一層區(qū)域之中，主要范圍涵蓋南海（圖 3.1 中藍色矩形區(qū)域），
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本文編號：2840294