一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式制造技术

本发明专利技术提供了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，以提高台风暴潮模拟和预报精度。根据台风剖面特性提出气压公式，考虑海面阻力以修正梯度风控制方程，导出新型梯度风场公式，并确立了最大风速半径与中心气压的关系，从而提出了新型台风场参数化模式，改进了台风暴潮数值模拟中台风场的计算方法。采用台风剖面资料对新模式进行验证，与著名的藤田

【技术实现步骤摘要】
一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。本专利技术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]本专利技术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；x0,y0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]本专利技术的有益效果是：本专利技术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。本专利技术提出的台风气压场、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，本专利技术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是本专利技术模式的台风气压场图；
[0023]图3是本专利技术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，对本专利技术具体实施方式进行详细的描述。
[0026]本专利技术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]根据本专利技术的气压场公式，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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于风暴潮模拟的新型台风场模式，其特征在于，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等，构建用于风暴潮模拟的新型参数化台风场模式。根据台风剖面特性提出气压公式：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。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：式中，V
g
为在距离台风中心r处的梯度风速，v为空气运动粘滞系数，海面层流底层厚度δ
a
，ρ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志林，李宗宇，丁凯旋，向文罡，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：