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基于海气耦合模式的超强台风“山竹”数值模拟

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海洋学研究 2023年第4期41卷 21-31页

作者：吕曌伍志元蒋昌波张浩键高凯颜仁长沙理工大学水利与环境工程学院湖南长沙410114 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114 湖南工业大学土木工程学院湖南株洲412007

基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建WRF-ROMS海气双向耦合模式,针对2018年超强台风“山竹”进行模拟。利用观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明海气耦合模式对台风“山竹”的模拟相对单一模式有更高的精度,耦合模式... 详细信息

基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建WRF-ROMS海气双向耦合模式,针对2018年超强台风“山竹”进行模拟。利用观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明海气耦合模式对台风“山竹”的模拟相对单一模式有更高的精度,耦合模式得到的台风路径与最佳路径吻合良好,误差控制在60 km以内;获取的风速和海平面气压结果也较单一模式更为准确。基于海气耦合模拟结果,进一步分析台风作用下风场、气压场、海表流场和风暴增水的时空分布特征,结果表明:1)空间分布方面,台风进入南海后,七级风圈半径在台风沿路径右后方较大;气旋式流场与台风风场呈现出显著的埃克曼效应,流向与风向呈45°;风场、气压场、风生流场和增水分布均存在明显的不对称性,台风路径右侧的台风强度、流速和增水均大于左侧。2)时间分布方面,风场与气压场分布特征相似且与台风中心保持同步,流场和近岸风暴增水相对台风路径存在3 h左右的滞后。

关键词：海气耦合模式风暴潮数值模拟南海台风“山竹”

基于高分辨率海气耦合模式的南海台风海气响应研究

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基于高分辨率海气耦合模式的南海台风海气响应研究

作者：李铭宇南京信息工程大学

学位级别：硕士

台风与海洋间的响应特征及反馈机制是理解台风的生成及发展机制和提升台风预报精度的关键要素。而模式的水平分辨率的高低是决定台风期间海气响应能否合理重现的关键所在。南海作为台风最频发的地区之一,在该海域进行台风与海洋响应特... 详细信息

台风与海洋间的响应特征及反馈机制是理解台风的生成及发展机制和提升台风预报精度的关键要素。而模式的水平分辨率的高低是决定台风期间海气响应能否合理重现的关键所在。南海作为台风最频发的地区之一,在该海域进行台风与海洋响应特征的研究具有重要的科学意义和应用价值。本文基于第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)高分辨率模式比较计划(High Res MIP)中PRIMAVERA计划所提供的模拟数据探究水平分辨率对台风活动的影响特征;并在此基础上利用CROCO-WRF海气耦合模式对2018年台风“山竹”个例进行高分辨率数值模拟,对耦合模式性能进行评估并针对台风过境时的海气响应特征和机制进行分析。具体研究工作如下:本文首先针对热带气旋的模拟与水平分辨率的关系进行了探讨。发现采用高分辨率配置模拟出的热带气旋路径向中高纬地区移动。分辨率对于热带气旋影响最显著的特征便是气旋强度。水平分辨率的提高使得模式模拟的强度增大,使其更接近于实测且能够使得高纬度的最低平均海平面气压(Minimum Mean Sea Level Pressure,MSLP)异常高估减弱,使其峰值区域出现在更接近观测的中低纬度地区。水平分辨率对热带气旋判定快速增强(Rapid Intensification,RI)过程的阈值影响较大,随分辨率的增加,RI阈值也会显著增大。水平分辨率对(热带气旋生命史最大强度的平均位置)的95%分位趋势影响显著且未来西北热带气旋可能将继续极向迁移。低分辨率配置将放大的年际变化。针对台风“山竹”个例分析了南海海域与台风间的物理响应特征。结果发现WRF-CROCO耦合模式能够较为准确地模拟南海盆地台风的热力和动力过程。台风内核区热通量分布主要受海表面温度(SST)的影响。内核区下方SST每下降1℃,会导致热通量降低37%～44%,中心气压升高约9 h Pa。由于近惯性振荡的共振,台风过境时局部风矢量顺时针旋转,导致剧烈的SST冷却。南海海盆0～75 m深度之间会产生周期为1天的海流u分量和v分量的惯性振荡;台风“山竹”会在海洋上层产生高达2.28 m/s的强惯性流。研究结果初步阐明了水平分辨率对热带气旋活动特征模拟的相对重要性并详细探讨了南海盆地在台风影响下大气一侧对海洋的响应。

关键词：海气耦合模式水平分辨率台风海表面温度

海气耦合模式FGOALS_gl模拟的水汽和云辐射反馈过程

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大气科学 2011年第3期35卷 531-546页

作者：刘景卫周天军吴春强郭准中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院研究生院北京100049

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的快速耦合模式FGOALS_gl对低纬太平洋区域水汽温室效应(Ga)和云辐射强迫特征的模拟能力,讨论了模拟偏差的成因。结果表明,FGOALS_gl能合理... 详细信息

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的快速耦合模式FGOALS_gl对低纬太平洋区域水汽温室效应(Ga)和云辐射强迫特征的模拟能力,讨论了模拟偏差的成因。结果表明,FGOALS_gl能合理再现Ga、云辐射强迫的气候态空间分布特征,但也存在明显的偏差。模式低估了冷舌区和西北太平洋Ga的强度,原因在于表层海温(SST)和对流层(特别是中层)水汽的模拟偏差。模式总体上高估了云长波辐射强迫(Cl)和云短波辐射强迫(Cs)的强度,未能合理再现副热带北太平洋的Cl低值中心和东南太平洋的Cs大值中心。模式对Cl(Cs)的模拟偏差主要来自高云量(总云量)的偏差,云辐射强迫的模拟偏差还与云垂直结构和光学厚度的模拟偏差有关。从对ElNio型海温强迫的反馈来看,模式能基本再现低纬太平洋区域Ga正反馈、Cl正反馈和Cs负反馈的空间分布,但较之观测,反馈大值区过于西伸。Ga正反馈的偏差主要源自低纬太平洋SST年际异常的强度和空间型,及水汽对ENSO响应的偏差。高云量(总云量)对ENSO响应的偏差是导致Cl正反馈(Cs负反馈)的主要原因,同时,在部分区域云顶高度和云光学厚度对云辐射反馈的模拟偏差亦有影响。

关键词：海气耦合模式水汽温室效应云辐射强迫模式评估

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海气耦合模式在东亚地区的可靠性评估

应用气象学报 1995年第A1期6卷 9-18页

作者：赵宗慈丁一汇李晓东王绍武国家气候中心北京大学地球物理系

该文利用近３０年（１９６１～１９９０）的表面大气温度、海平面气压、５００ｈＰａ高度和降水的季平均气候资料，评估了５个海气耦合模式（ＤＫＲＺＯＰＹＣ，ＤＫＲＺＩＳＧ，ＮＣＡＲ，ＧＦＤＬ，ＨＡＤＬ）对东亚和中国气候的模拟... 详细信息

该文利用近３０年（１９６１～１９９０）的表面大气温度、海平面气压、５００ｈＰａ高度和降水的季平均气候资料，评估了５个海气耦合模式（ＤＫＲＺＯＰＹＣ，ＤＫＲＺＩＳＧ，ＮＣＡＲ，ＧＦＤＬ，ＨＡＤＬ）对东亚和中国气候的模拟能力，结果表明，这些模式部有一定的能力模拟东亚和中国的气候，但模拟场都有明显的系统误差，在模拟季平均的气候变量场上不同的模式各有优缺点。另外，冬季的模拟效果比夏季好；５００ｈＰａ高度场的模拟效果最好，降水场的模拟效果最差，海平面气压和大气温度的模拟效果居中，考虑各个季节各个气候变量模拟的总体情况，可以认为在模拟东亚气候的效果上，ＤＫＲＺＯＰＹＣ是目前最好的海气耦合模式。

关键词：评估海气耦合模式瞬变模拟可靠性东亚地区

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海气耦合模式的优化方法研究

应用气象学报 2005年第3期16卷 408-412页

作者：魏敏罗勇王兰宁董敏李清泉徐影北京大学物理学院中国气象局气候研究开放实验室北京100081

气候模式不断发展的同时,对高性能计算机提出了更高的要求,如何提高模式在现有计算机资源上的运行效率问题已越来越重要。文章介绍了利用编译器优化和手工优化技术对海气耦合模式进行优化试验,优化后模式运行效率提高60%,表明将这些优... 详细信息

气候模式不断发展的同时,对高性能计算机提出了更高的要求,如何提高模式在现有计算机资源上的运行效率问题已越来越重要。文章介绍了利用编译器优化和手工优化技术对海气耦合模式进行优化试验,优化后模式运行效率提高60%,表明将这些优化方法应用到气候模式的改进工作中,可以达到较好的效果。

关键词：海气耦合模式优化方法高性能计算机气候模式计算机资源效率问题优化试验优化技术运行效率改进工作方法应用编译器

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海气耦合模式中挟卷参数化的比较

中国海洋大学学报（自然科学版） 1993年第S2期29卷 153-164页

作者：孙即霖徐启春苗其来侯建伟青岛海洋大学海洋环境学院

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合... 详细信息

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合层SST预报模式,估计了各种模式扶卷作用对SST的影响。通过比较各个模式的计算结果,提出: 1.挟卷作用是影响SST变化分布的一个重要因子。挟卷速度的分市取决于所采用参数化形式中主要影响因素的分布情况。不考虑平流作用时,模式SST的分布也取决于挟卷参数化形式中主要影响因素的分布。2.由海气耦合不稳定模态的分析得出三个模式对不稳定海气耦合波影响的特征。

关键词：海气耦合模式挟卷速度海表面温度挟卷参数化不稳定海气耦合波比较

海气耦合模式COAWST对台风“凤凰”的模拟

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海气耦合模式COAWST对台风“凤凰”的模拟

作者：段宛辰厦门大学

学位级别：硕士

每年,台风都会对我国造成巨大影响,为提高对台风的模拟精度,考虑海气间相互作用是一种新的尝试。同时现在越来越多的海气耦合模式被用于气旋与海洋的研究中。本文利用海气耦合模式COAWST（The fully coupled Atmosphere-Wave-Ocean mode... 详细信息

每年,台风都会对我国造成巨大影响,为提高对台风的模拟精度,考虑海气间相互作用是一种新的尝试。同时现在越来越多的海气耦合模式被用于气旋与海洋的研究中。本文利用海气耦合模式COAWST（The fully coupled Atmosphere-Wave-Ocean model）及非耦合的大气 WRF（The Advanced Research Weather Research and Forecasting）-及海洋ROMS（Regional Ocean Modeling System）模式分别对2008年第8号台风“凤凰”过境时期的大气及海洋状况进行了数值模拟。研究发现,对于台风路径的模拟,耦合与非耦合的结果相似,说明气旋的路径主要受控于大尺度的环境场,而非通过耦合可以“解决”的局地过程。在耦合模式,考虑了海洋SST变化对台风的反馈之后,气旋的强度有所减弱。从相关性及均方根误差的统计来看,耦合模式对气旋的模拟优于非耦合模式。在海洋方面,耦合模式较准确地模拟出了气旋过境时海表温度的变化,与MER SST遥感数据相吻合,结果明显优于非耦合模式。研究气旋对海洋的响应发现,气旋在低TCHP（tropical cyclone heat potential）、26℃等温线及混合层深度浅的地区不会迅速增强。气旋下垫面不同的海表温度,主要影响气旋内核区（尤其是最大风速半径处）湿焓的分布情况,内核区下方海表温度下降1℃,湿焓通量减少36%～43%。海表温度越高,低层大气的湿静力能也就越高;气旋中心与外围湿静力能差越大,气旋的强度越强。统计海洋上层热力学变量与气旋强度间的相关性发现,距气旋中心50～200 km混合层深度与气旋强度相关性最好。其次为100～200 km、海洋100 m层以浅的温度及同水平范围的26 ℃等温线深度,再次为同水平范围的海表温度。气旋过境,海洋最显著的响应为海表温度的降低。对台风“凤凰”在大洋及近岸造成显著降温的区域分别进行研究。结果发现大洋中的降温在50 m层之上主要因大风造成的垂向挟卷及海洋接收到的净热通量的减少（垂向扩散项）造成,而50 m以下则主要由垂向对流带来的冷水造成,水平对流对大洋中的降温贡献不大。在近岸地区,台湾岛东北部在“凤凰”过后,存在降温超过8℃的显著降温区,它是由气旋过境时持续的东风造成的上升流,将冷水“诱导”至表面造成的。

关键词：海气耦合模式台风海气相互作用海表温度

海气耦合模式中海温要素对台风“安比”和“妮妲”的影响分析研究

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海气耦合模式中海温要素对台风“安比”和“妮妲”的影响分析研究

作者：陶静雯国家海洋环境预报中心

学位级别：硕士

中国处于西北太平洋西岸,是世界上受台风灾害影响十分严重的国家之一,因为我国拥有绵长的海岸线,所以台风登陆我国沿海尤其是经济发达地区造成的经济损失和人员伤亡更为惨痛。本文针对影响台风最为关键的海温要素以及台风发展过程中不... 详细信息

中国处于西北太平洋西岸,是世界上受台风灾害影响十分严重的国家之一,因为我国拥有绵长的海岸线,所以台风登陆我国沿海尤其是经济发达地区造成的经济损失和人员伤亡更为惨痛。本文针对影响台风最为关键的海温要素以及台风发展过程中不可忽视的海气相互作用过程进行数值试验分析,以探求海气耦合模式中海温要素对台风的影响。利用美国国家环境预报中心和中国国家海洋环境预报中心提供的高时空分辨率RTG＿SST、MLSST海温数据,本文对1810号台风“安比”进行了设计了三组WRF对比数值模拟试验,结合台风动力和热力条件分析结果可得:海温分布与台风“安比”位涡强度具有良好的一致性;海温通过影响台风内部垂直运动带来的潜热释放决定对台风强度的改变,因此高分辨率的海温数据对台风数值模拟有一定影响。利用发展较为成熟的COAWST海气耦合模式,本文对1604号台风“妮妲”设计了四组数值模拟对比试验,试验结果表明:海气耦合模式对台风“妮妲”强度模拟偏差能控制在5h Pa以内,模拟效果总体最优。海温对台风“妮妲”增强时段的强度影响有限,结合台风发展过程中最为重要的感热和潜热通量场分析进一步说明海气相互作用过程带来的热量场变化相对于海温对台风的直接影响更为重要。

关键词：台风海气耦合模式高分辨率海温数据

辐射参数化方案对一个海气耦合模式云和辐射模拟的影响

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应用气象学报 2007年第3期18卷 257-265页

作者：汪方丁一汇徐影国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响,结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异;晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低;在60°S^60°N之间,Fu_L... 详细信息

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响,结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异;晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低;在60°S^60°N之间,Fu_Liou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测;在对大气顶净辐射的模拟上,除了冬季的太平洋和大西洋东岸云量明显减少的部分地区外,Fu_Liou方案对大气顶净辐射的模拟总体上较Morcrette方案有了较为明显的改善;Fu_Liou方案模拟的海洋低层云显著减少,而热带地区高云的模拟明显增加;由于采用了“二元云量”算法,尽管云量有所减少,Fu_Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所增强,一定程度上改进了Morcrette方案云的短波吸收作用偏弱的现象。

关键词：辐射参数化海气耦合模式云和辐射模拟