全球台风浪数值模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种全球台风浪数值模拟方法及系统，具体包括如下步骤：建立历史台风信息数据库；建立全球实测气象及海浪数据库；利用MIKE

【技术实现步骤摘要】
全球台风浪数值模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于台风预防领域，尤其是涉及一种全球台风浪数值模拟方法及 系统。

技术介绍

[0002]台风及台风浪是海岸工程建设及运营维护中考虑的重要因素，它对海岸 工程建筑物的安全、船舶作业等产生直接影响，进而影响港口建设及运营的 经济效益和安全性。因此准确模拟台风及台风浪，并提供精确的建设期波浪 条件和运营期波浪条件，对中国沿海及海上“丝绸之路”的海岸工程建设、 运营有着非常重要的经济及安全意义。中国企业在涉海工程建设时经常面临 海况复杂的自然条件，例如孟加拉湾及阿拉伯海受台风浪及印度洋涌浪的联 合作用。这些项目多面临获取波浪基础数据困难的问题。国际上应用较多的 波浪数据库有美国NOAA风浪模型(Wind Wave Model；WAVEWATCH III)、 欧洲ECMWF的海浪数值模型(Wave Modelling Project；WAM)及丹麦DHI 的全球波浪模型(Global Wave Model；GWM)。根据使用经验，这些数据均 存在台风浪要素被低估的问题，可以进行海域海况的基本特征分析并不直接 用来进行工程设计。迫切需要建立一套集合全球台风基础信息库、实测台风 及海浪数据库、全球台风及台风浪数据库的全球台风及台风浪数据系统，为 港口的运营和生产提供技术支撑。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种全球台风浪数值模拟方法及系统，以解 决上述的不足之处。
[0004]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：/>[0005]一方面，本专利技术提供了一种全球台风浪数值模拟方法，具体包括如下步 骤：
[0006](1)通过搜集历史台风资料，建立历史台风信息数据库，作为台风计 算的基础资料；
[0007](2)基于全球浮标、全球卫星及工程实测获取气象波浪数据，建立全 球实测气象及海浪数据库；
[0008](3)利用MIKE
‑
CMAP的基础岸线及地形数据制作区域地形，作为全球 非对称台风场数学模型及SWAN海浪模型的地形输入数据；
[0009](4)利用非对称台风场数学模型，结合步骤(1)中搜集的历史台风信 息数据，推算得到海域任意时刻的台风风速与风向数值，并将推算得到的结 果与实测结果对比，对非对称台风场数学模型进行验证优化，形成全球台风 数据库；
[0010](5)将步骤(2)中搜集的实测气象波浪数据，利用SWAN海浪模型， 计算过去历史台风浪形成过程，得到海域任意时刻的台风浪波高、波周期与 波浪数值参数，并得到相应的波谱参数，对SWAN海浪模型进行优化，得到 各个海域的所有台风浪形成过程，形成全球台风浪数据库。
[0011]进一步的，所述步骤(1)中，历史台风信息数据包括台风路径数据。
[0012]进一步的，所述步骤(2)中，全球实测气象海浪数据库所包含的数据 包括深海海域海浪数据和近岸海域海浪数据；
[0013]深海海域海浪数据包括风速、风向、波高、波周期及波向参数；
[0014]近岸海域海浪数据包括风速、风向、波高、波周期及波向参数。
[0015]进一步的，所述步骤(3)中，地形数据包含区域的岸线信息及海洋的 水深信息。
[0016]进一步的，所述步骤(4)中的非对称台风场数学模型包括气压分布模 型、环流风速模型和移行风速模型；
[0017]移行风速模型的创建公式如下：
[0018][0019]式中：V
x
和V
y
为台风移速在x和y方向的分量；R为最大风速半径；r为 空气质点距台风中心点的距离；
[0020]若将坐标原点取在固定计算域，则台风域中的中心对称风场分布选取方 法如下：
[0021]当0≤r≤2R时，
[0022][0023][0024]当2R＜r＜∞时，
[0025][0026][0027]式中：W
x
和W
y
分别代表风速在x和y方向的分量；ΔP＝P
∞
‑
P0代表台 风外围气压和中心气压的压差；x
c
、y
c
代表台风中心位置；代表台风中心位置；为质点到台风中心的距离；ρ
a
为空气密度；θ为流入 角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；
[0028]气压分布模型创建方法如下：
[0029]公式中引入了环境气压与台风中心气压的压差修正系数α，故Rmax公式 如下式所示：
[0030][0031]环流风速模型创建方法如下：
[0032]利用改进的藤田公式，确定最大风速半径，改进的藤田公式为：
[0033]P＝P
∞
‑
(P
∞
‑
P
C
)[1+2(r/R)2]‑
1/2
[1
‑
(r/R
∞
)2][0034]式中：R
∞
为P＝P
∞
时距台风中心的距离，即环境气压半径，
[0035]将上式对r求导：
[0036][0037]式中：P
∞
和R
∞
可由海平面气压场资料确定；P
C
代表中心 气压，台风报文提供；R为未知数，表示最大风速半径。
[0038]进一步的，所述步骤(4)中，全球台风数据库根据步骤(1)中搜集的 历史台风信息数据，采用非对称台风参数模型并结合步骤(3)中制作的区 域地形推算区域中各节点的风速及风向。
[0039]进一步的，所述步骤(5)中，全球台风浪数据库，是根据步骤(4)中 计算的台风风速与风向数据，驱动海浪模式SWAN推算步骤(3)制作的区域 地形中各节点的波浪信息，波浪参数将分为全波，涌浪和风浪输出，参数类 型包括有效波高Hm0、谱峰周期TP、跨零平均周期T02、波能平均周期T
‑
10、 主波向PWD、平均波向MWD、波方向标准差DSD，波浪谱输出包括频谱及方向 谱。
[0040]另一方面，本专利技术提供了一种全球台风浪数值模拟系统，包括：
[0041]全球台风路径信息基础数据库模块，用于存储历史台风资料，作为台风 计算的基础资料；
[0042]全球实测气象和海浪资料数据模块，基于全球浮标、全球卫星及工程实 测获取气象波浪数据，建立全球实测气象及海浪数据库；
[0043]全球台风多发区域地形模块，利用MIKE
‑
CMAP的基础岸线及地形数据制 作区域地形，作为全球非对称台风场数学模型及SWAN海浪模型的地形输入 数据；
[0044]全球台风风场数据库模块，利用非对称台风场数学模型，结合全球台风 路径信息基础数据库模块中的历史台风信息数据，推算得到海域任意时刻的 台风风速与风向数值；
[0045]全球台风浪数据库模块，利用SWAN海浪模型，计算过去历史台风浪形 成过程，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.全球台风浪数值模拟方法，其特征在于：具体包括如下步骤：(1)通过搜集历史台风资料，建立历史台风信息数据库，作为台风计算的基础资料；(2)基于全球浮标、全球卫星及工程实测获取气象波浪数据，建立全球实测气象及海浪数据库；(3)利用MIKE
‑
CMAP的基础岸线及地形数据制作区域地形，作为全球非对称台风场数学模型及SWAN海浪模型的地形输入数据；(4)利用非对称台风场数学模型，结合步骤(1)中搜集的历史台风信息数据，推算得到海域任意时刻的台风风速与风向数值，并将推算得到的结果与实测结果对比，对非对称台风场数学模型进行验证优化，形成全球台风数据库；(5)将步骤(2)中搜集的实测气象波浪数据，利用SWAN海浪模型，计算过去历史台风浪形成过程，得到海域任意时刻的台风浪波高、波周期与波浪数值参数，并得到相应的波谱参数，对SWAN海浪模型进行优化，得到各个海域的所有台风浪形成过程，形成全球台风浪数据库。2.根据权利要求1所述的全球台风浪数值模拟方法及系统，其特征在于：步骤(1)中，历史台风信息数据包括台风路径数据。3.根据权利要求1所述的全球台风浪数值模拟方法，其特征在于：步骤(2)中，全球实测气象海浪数据库所包含的数据包括深海海域海浪数据和近岸海域海浪数据；深海海域海浪数据包括风速、风向、波高、波周期及波向参数；近岸海域海浪数据包括风速、风向、波高、波周期及波向参数。4.根据权利要求1所述的全球台风浪数值模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，地形数据包含区域的岸线信息及海洋的水深信息。5.根据权利要求1所述的全球台风浪数值模拟方法，其特征在于：步骤(4)中的非对称台风场数学模型包括气压分布模型、环流风速模型和移行风速模型；移行风速模型的创建公式如下：式中：V
x
和V
y
为台风移速在x和y方向的分量；R为最大风速半径；r为空气质点距台风中心点的距离；若将坐标原点取在固定计算域，则台风域中的中心对称风场分布选取方法如下：当0≤r≤2R时，
当2R＜r＜∞时，当2R＜r＜∞时，式中：W
x
和W
y
分别代表风速在x和y方向的分量；ΔP＝P
∞
‑
P0代表台风外围气压和中心气压的压差；x
c
、y
c
代表台风中心位置；代表台风中心位置；为质点到台风中心的距离；ρ
a
为空气密度；θ为流入角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；气压分布模型创建方法如下：公式中引入了环境气压与台风中心气压的压差修正系数α，故Rmax公式如下式所示：环流风速模型创建方法如下：利用改进的藤田公式，确定最大风速半径，改进的藤田公式为：P＝P
∞
‑
(P
∞
‑
P
C
)[1+2(r/R)2]
‑
1/2
[1
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(r/R
∞
)2]式中：R
∞
为P＝P
∞
时距台风中心的距离，即环境气压半径，将上式对r求导：式中：P
∞
和R
∞
可由海平面气压场资料确定；P
C
代表中心气压，台风报文提供；R为未知数，表示最大风速半径。6.根据权利要求1所述的全球台风浪数值模拟方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亚男，陈汉宝，陈松贵，张亚敬，袁洪涛，戈龙仔，赵鹏，齐作达，欧阳锡钰，沈文君，管宁，谭忠华，赵旭，栾英妮，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：