一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式的制作方法

[0001]
本发明属于海洋防灾减灾领域，尤其涉及一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式。


背景技术：

[0002]
台风暴潮数值模拟精度与台风场计算精度密切相关。台风暴潮模拟中台风场的计算方法与气象学中台风计算显著不同。由于台风暴潮影响范围极大和台风移动速度快，现有技术条件下无法对台风场和风暴潮同步采用数值模式，为此台风暴潮数值模拟需要参数化台风场模式。
[0003]
参数化台风场由气压场与风速场构成，分别影响风暴潮模拟中潮位及流速变化。在台风影响区域内，准确的气压场和风速场对于高精度模拟台风暴潮至关重要。国际上参数化台风场模式以holland和藤田-高桥模式最为著名，我国规范推荐jelesnianski模式(j65)，其他模式如v.bjerknes和myers模式。这些模式可较为准确描述气压场，但仍有些不足，如v.bjerknes模式对台风外层区域的气压计算不适用，藤田-高桥和myers模式难以准确表达近台风中心的气压。holland模式虽能准确描述气压场，但由于缩放参数a、b的存在，增加了模式调试的难度。此外，考虑风速场时，现有参数化台风场模式通常将气压公式代入梯度风方程得到风速场，这些模式常乘以系数来解决梯度风公式中缺乏阻力项的问题，即使在模拟气压场与实测值相差较小的情况下，仍存在计算风速偏大的问题，由此造成风暴潮流速的模拟精度不足，不能很好地描述风速场。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式。本发明利用参数化风场模式结构简单易于计算的优点，考虑海面阻力对台风梯度风速的影响，弥补现有参数化台风场模式风速场计算精度低的不足。
[0005]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式，由台风的气压公式、梯度风速公式、合成风速公式、最大风速半径与中心气压关系，构建用于风暴潮模拟的新型参数化台风场模式；
[0006]
根据台风剖面特性提出气压公式：
[0007][0008]
式中，p为距离台风中心r处的气压，p
c
为台风中心的气压，p
n
为外围气压，r为台风最大风速半径均值。
[0009]
考虑海面阻力项以修正梯度风方程，导出新型梯度风速公式：
[0010][0011]
式中，v
g
为在距离台风中心r处的梯度风速，υ为空气运动粘滞系数，海面层流底层厚度δ
a
，ρ
a
为大气密度，f为柯氏力系数。
[0012]
由梯度风速叠加移行风速得合成风速公式：
[0013][0014][0015]
式中，为合成风速，为台风中心移动速度；x
0
,y
0
为台风中心坐标，θ为梯度风吹入角；
[0016]
同时提出最大风速半径与中心气压关系：
[0017][0018]
式中，p
min
为最低中心气压，r
min
是p
min
对应的最大风速半径均值，k为率定参数。
[0019]
进一步地，所述台风场模式用于风暴潮动量模型中海面切应力项、气压梯度项和波浪辐射应力项。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明提出指数型台风气压场公式，考虑海面阻力项对梯度风方程进行修正，导出新型梯度风速公式，进而与移行风速叠加获得合成风速，同时建立起最大风速半径与中心气压的关系，构成了风暴潮模拟所需的新型参数化台风场模式，以提高台风暴潮模拟和预报精度。本发明提出的台风气压场、风速场和最大风速半径构成了新型参数化台风场模式，用于风暴潮动量模型中海面切应力项、气压梯度项和波浪辐射应力项。用实测台风速度剖面资料对模式进行验证表明，本发明台风场模式优于著名的holland模式和藤田-高桥模式，可用于台风暴潮流速的高精度模拟。
附图说明
[0021]
图1是台风最大风速半径均值与中心气压的关系图；
[0022]
图2是本发明模式的台风气压场图；
[0023]
图3是本发明模式的台风速度场图；
[0024]
图4是不同风场模式计算结果比较图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合附图，对本发明具体实施方式进行详细的描述。
[0026]
本发明一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式，包括：台风的气压公式、梯度风速公式、合成风速公式和最大风速半径公式，构建了用于风暴潮模拟的新型参数化台风场模
式，以提高台风暴潮的模拟和预报精度。
[0027]
1、根据台风气压剖面呈现中心下凹的漏斗型特点，提出简单的指数型气压场公式：
[0028][0029]
式中，p为距离台风中心r处的气压，p
c
为台风中心的气压，p
n
为外围气压，r为台风最大风速半径均值。该式表示相对气压(p-pc)/(pn-pc)与相对距离r/r的倒数呈负指数关系。当r＝0即处在台风中心处时，等式右端趋于0，此时p＝p
c
，而当r＝∞即足够远离台风中心时，等式右端趋于1，此时p＝p
n
。
[0030]
2、梯度风是空气质点受水平气压梯度力、柯氏力和离心力作用而产生的气流运动。传统模式考虑这三种力的平衡作为台风风场的控制方程，而实际气旋运动过程中，近海面空气质点受接触面阻力的作用，即海面粗糙度对气流有一定影响。考虑海面阻力后，四种力的平衡方程即修正的梯度风方程为：
[0031][0032]
式中，v
g
为在距离台风中心r处的梯度风速；柯氏力系数ω为地球自转角速度，为计算点的地理纬度；ρ
a
为大气密度，g为重力加速度，为能坡。
[0033]
进一步，根据流体能坡公式：
[0034][0035]
式中，v为流体速度(m/s)，此处即为梯度风速v
g
；r
s
为海气界面薄层的水力半径，近似等于海面层流底层厚度δ
a
,δ
a
为10-1
m量级；考虑海气界面附近存在厚度极薄的层流运动，粘滞切应力占主导，故借鉴层流阻力系数λ公式：
[0036][0037]
式中，为空气运动粘滞系数。根据式(3)和式(4)可得海面阻力关系：
[0038][0039]
于是，考虑海面阻力的梯度风方程为：
[0040][0041]
根据本发明的气压场公式，即式(1)气压场求导代入式(6)即可得新型梯度风速公式：
[0042]
[0043]
式中，3υ/4δ
a2
为正值，与柯氏力系数f相加使计算的梯度风速减小。
[0044]
4、最大风速半径被认为是台风中心气压的函数，根据台风风速和气压场实测资料，将中心气压分段，对各段最大风速半径作平均处理，得到如图1所示最大风速半径均值r与中心气压p
c
的无量纲关系：
[0045][0046]
式中，p
min
为中国近海实测最低中心气压，r
min
是p
min
对应的最大风速半径均值，k为率定参数(中国近海参考值为10.5)。
[0047]
5、台风受到大气牵引而产生移行风速，台风风速应为梯度风速与移行风速的矢量叠加，故风场为非对称结构。台风中心移动速度根据实测资料给定。将梯度风速表示为矢量形式
[0048][0049]
式中，v
cx
、v
cy
为的x、y方向分量，为x、y方向的单位矢量；x
0
，y
0
为台风中心坐标，θ为梯度风吹入角。
[0050]
将本发明提出的梯度风速与上野武夫的移行风速叠加得合成台风风速：
[0051][0052]
利用本发明新型参数化台风模式计算的气压场和风场见图2和图3。气压场呈现对称的漏斗形状，由外向内气压迅速下降，中心处最低。风速场呈非对称漏斗形状，最大风速半径以内风速迅速下降，台风中心处风速降至最低，最大风速半径以外风速先迅速降低后平缓降低。显示本发明台风场模式较为客观地反映了台风气压场和风速场的变化。
[0053]
将本发明台风场模式与藤田-高桥、holland模式进行比较，结果见图4，三家模式计算的台风气压场均具有良好精度，然而藤田-高桥和holland模式的剖面风速显著大于实测数据，本模式计算的剖面风速与实测数据符合良好。原因在于藤田-高桥和holland模式不考虑海面阻力对梯度风的影响，而本发明台风模式在梯度风场中考虑了线性化海面阻力，致使风速计算精度显著提高。
[0054]
将本发明台风场模式计算的风速用于风暴潮模型的x和y方向动量方程：
[0055]
[0056][0057]
式中，η为海面高程；h为总水位；u和v为x和y向垂线平均流速；ρ
0
为水体密度；s
xx
、s
yy
和s
xy
为波浪辐射应力分量；m
x
和m
y
是x和y方向的源汇项；τ
xx
,τ
xy
和τ
yy
为水流切应力，τ
sx
和τ
sy
为x和y向海面风切应力，τ
bx
和τ
by
为x和y向水底切应力。
[0058]
上述方程中，海面风切应力项、气压梯度项和波浪辐射应力与台风场模式计算的气压和风速有关，是台风场作用于台风暴潮动量模型的渠道，精准的气压场与风速场是风暴潮数值模拟的关键，本发明台风场模式由此引入台风暴潮模型。