CN113468773A - 全球台风浪数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明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‑CMAP的基础岸线及地形数据制作区域地形，作为全球台风及台风浪模型的地形输入数据；形成全球台风数据库；形成全球台风浪数据库。本发明所述的全球台风浪数值模拟方法及系统，引入了多源的台风路径数据保证每一场台风路径的完整性与正确性，并将路径数据统一至1小时的精度。同时风场采用非对称性台风场，修正了模型参数经过大量数据验证提高了模型计算的准确性。引入大量的工程实测数据，并进行了岸线的精细化处理，保证台风浪模型的准确性。
Description
技术领域
本发明属于台风预防领域，尤其是涉及一种全球台风浪数值模拟方法及 系统。
背景技术
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 WaveModel；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。
发明内容
有鉴于此，本发明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。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种全球台风浪数值模拟方法，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。
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。
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；
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。
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。
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；
移行风速模型的创建公式如下：
式中：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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。
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。
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。
另一方面，本发明提供了一种全球台风浪数值模拟系统，包括：
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；
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；
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；
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；
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，得到海域任意时刻的台风浪波高、波周期与波浪数值参数。
进一步，所述全球台风风场数据库模块还包括非对称台风场数学模型子 模块；
所述非对称台风场数学模型子模块包括气压分布模型单元、环流风速模 型单元和移行风速模型单元；
所述移行风速模型单元的创建公式如下：
式中：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa为空气密度；θ为流入 角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；
气压分布模型单元创建方法如下：
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：
环流风速模型单元创建方法如下：
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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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。
相对于现有技术，本发明所述的全球台风浪数值模拟方法具有以下优势：
(1)本发明所述的全球台风浪数值模拟方法，引入了多源的台风路径 数据保证每一场台风路径的完整性与正确性，并将路径数据统一至1小时的 精度。同时风场采用非对称性台风场，修正了模型参数经过大量数据验证提 高了模型计算的准确性。引入大量的工程实测数据，并进行了岸线的精细化 处理，保证台风浪模型的准确性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
图1为本发明实施例所述的全球台风浪数值模拟方法流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述 目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征 的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包 括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的 含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明 中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，全球台风浪数值模拟方法，具体包括如下步骤：
(1)通过搜集中国气象局和美国JTWC发布的历史台风资料，建立历史 台风信息数据库，得到1945年～2019年在全球各个海域发生的台风数据，作 为台风计算的基础资料。
(2)通过搜集全球浮标、全球卫星及工程短期实测气象波浪数据，建 立全球实测气象及海浪数据库，得到全球不同海域的风速、波浪监测资料。 与模型模拟结果对比，修正台风及台风浪模型参数。
(3)全球台风高发海域的地形制作。利用MIKE-CMAP的基础岸线及地 形数据制作区域地形，作为全球台风及台风浪模型的地形输入数据。
(4)建立全球台风数据库。利用经过验证的非对称台风场数学模型， 计算过去历史台风过程，得到海域任意时刻的台风风速与风向数值。得到1945-2019年各个海域的所有台风过程，形成实用型数据库。
(5)建立全球台风浪数据库。利用SWAN海浪模型，计算过去历史台风 浪过程，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。得到1945-2019年各个海域的所有台风浪过程，形成实用 型数据库。
步骤(1)中获取的历史台风信息包含台风中心位置、中心最大风速、 中心气压值。目前常用的台风数据主要有：美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,简称JTWC)最佳台风路径数据(1950～2017年) 和日本气象厅(Japan MeteorologicalAgency,简称JMA)最佳台风路径观 测资料整编(1951～2017年)等。以下以JTWC台风数据为例来说明台风数 据的下载方法：首先选择需要数据的区域，主要有西北太平洋、南半球和北 印度洋的台风数据；下载台风路径文件和台风轨迹，分别为txt格式和kml 格式，台风路径文件主要是给出了某一场台风运行轨迹的经纬度坐标、最大 台风半径、最大风速、台风中心气压等台风参数；台风轨迹主要是加载入 google.earth中，以便于直观的观察台风的运行轨迹。台风路径的时间精度 时6小时，模型计算时实现路径数据插值至1小时精度。
步骤(2)中全球实测气象海浪数据库包含了日本、某地区及中国公开 的长期深海实测风速、风向、波高、波周期及波向参数。全球部分近岸海域 短期的实测的风速、风向、波高、波周期及波向参数。
步骤(3)中全球台风高发海域包含四个分别为西北太平洋海域、北印 度洋海域、东非海域及墨西哥湾海域。地形数据包含区域的岸线信息及海洋 的水深信息。
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：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa为空气密度；θ为流入 角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；
台风云墙附近最大风速出现处与台风中心的径向距离被定义成最大风 速半径R，R是台风气压场、风场模型中最关键的参数之一。最大风速半径 R的选取直接影响到风场的尺度和风速(气压)的分布，亦即影响到风场的 真实性。即使一个很好的风场模式，假如R的值选取不当，也会造成不好的 结果；反之，即使风场模式不太好，通过适当调整R值，也会使结果得到改 善。
但是在我国由于各方面的原因，一般的气象台站台风参数实况分析并不 包括最大风速半径R，而代之以近中心最大风速和某一风速的风圈半径，因 此需要寻求最大风速半径与已知变量之间的关系。
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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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。
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。
本文理论模型模拟采用的压差修正系数α大约在0.75-0.85之间。
步骤(5)中全球台风浪数据库，是根据(4)中计算的台风风场数据， 驱动第三代海浪模式SWAN推算(3)中计算区域中各节点的波浪信息。波浪 参数将分为全波(TotalWave)，涌浪(Swell)，和风浪(Wind Sea)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。
全球台风浪数值模拟系统，包括：
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；
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；
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；
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；
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，得到海域任意时刻的台风浪波高、波周期与波浪数值参数。
全球台风风场数据库模块还包括非对称台风场数学模型创建子模块；
所述非对称台风场数学模型创建子模块包括气压分布模型单元、环流风 速模型单元和移行风速模型单元；
所述移行风速模型单元的创建公式如下：
式中：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa为空气密度；θ为流入 角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；
气压分布模型单元创建方法如下：
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：
环流风速模型单元创建方法如下：
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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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。
具体实施流程：搜集全球历史台风路径数据，建立全球台风路径信息基 础数据库，其中台风路径信息包含台风发生时间、中心位置、台风中心气压、 台风中心最大风速等，此外台风数据的来源包含三种：JTWC美国飓风中心提 供了全球三个区域的台风路径信息，分别是西北太平洋区域、北印度洋区域、 大西洋区域；中国气象局(CMA)提供了西北太平洋海域的路径信息；日本 气象局(JMA)提供了西北太平洋海域的路径信息。
建立全球实测气象和海浪数据库。数据库内容包含浮标及卫星实测风速 风向资料和浮标及卫星实测海浪资料。资料的搜集过程包含三个部分：
①卫星高度计气象风速数据的搜集：卫星高度计的波浪数据是指由卫星 测得的波浪数据，包括波高、波周期和波向。目前常用的卫星高度计的数据 有Jason-1、Jason-2和Jason-3卫星测得的波浪数据，其中Jason-1卫星 高度计的波浪数据的时间区间为2002年1月～2013年6月，循环周期为10 天左右，轨迹带为254条；Jason-2卫星高度计的波浪数据的时间区间为2008 年～2019年9月，循环周期为10天左右，轨迹带为254条；Jason-3卫星 高度计的波浪数据的时间区间为2019年10月～至今，循环周期为10天， 轨迹带为254条。
②公开的浮标数据资料：搜集到公开的浮标数据目前包括日本沿海的深 水波浪实测、某地沿海的浮标实测、中国黄海海域的浮标实测及美国的国际 浮标数据。其中日本公开沿海78个浮标站的波浪资料，本发明选取了其中 深水18个浮标站的波浪资料，数据的年限是2008年～2020年。某地气象局 公布了沿海25个浮标站的数据，每月更新且覆盖之前的数据信息，本发明 下载数据年限是2017年07月～至今。中国黄海海域公布了3个海洋测站的 波浪及气象实测资料，数据年限是1996年～至今，该数据可通过国家海洋信 息中心网站进行下载。美国国家浮标数据中心公布了美国在全球部署的100 个左右的锚定浮标和60个左右的C-MAN(Coastal Marine Automated Network) 站点，浮标站点主要涵盖了太平洋和大西洋区域，而印度洋区域站点较少， 浮标站公布的波浪资料时间分辨率为一小时，可通过美国国家浮标数据中心 官网进行数据下载。
③工程实测资料。研究搜集了全球海外工程的部分短期实测海浪数据， 该数据由发明单位进行海外工程项目时，自行购买或者测量的气象海浪数据。 包括波高、波周期和波向。此类数据的优点在于精度较高，缺点在于部分海 域缺乏该实测资料。
全球台风多发区域的地形制作。本发明采用SWAN模型进行台风浪的计 算，所采用的网格为非结构化的三角形网格，与结构化网格相比，模型计算 的效率较高且三角形网格对边界刻画的效果更优。在网格文件制作过程中采 用向岸线区域多级加密的网格划分方式，以增强网格对近岸地形刻画的准确 性同时兼顾计算的效率。网格文件的绘制方法：首先将收集到的地形边界数 据，采用SMS-ADCIRC实现网格的划分，然后对模拟的区域进行分区处理： 深水区，近岸浅水区和过渡水深区；对每个区域分别设置网格的大小，近岸 区域网格最细致；深水区最大；最后结合网格生成器即可生成分区块的非结 构化的三角形网格，研究选取了四个海域分别进行划分。地形边界的数据来 源为美国国家环境信息中心公布的全球海岸线数据，采用GE0DAS数据提取 软件进行提取。地形水深数据采用C-MAP是MIKE21软件中自带的地形数据 库，集成了全球地形的电子海图数据，主要用于提取近岸区域的水深和陆域 边界的数据；深海的水深数据来源为美国公布的ETOP地形数据，ETOP数据有很多数据库，如ETOPO5、ETOPO2和ETOPO1等，目前最新的ETOP数据是 分辨率为1’的ETOPO1全球地形模型，包含了陆地地形和海洋水深数据。
全球台风风场数据库的建立。
全球台风风场采用(1)中搜集的台风路径信息，主要包含全球台风的 发生时间、中心位置、中心气压、最大风速及台风移速为输入参数。利用非 对称台风模型实施计算。在一个完整构建的台风参数模型中，包含气压分布 模型、环流风速模型和移行风速模型的合理组合.
其中，移行风速W2用Veno Takeo(1981)的公式(1)表示：
式中：Vx和Vy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取以下 形式：
当0≤r≤2R时，
当2R＜r＜∞时，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa为空气密度；θ为流入 角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数。台风云墙附近最大风速出现处与台 风中心的径向距离被定义成最大风速半径R。
最大风速半径是台风气压场、风场模型中最关键的参数之一。最大风速 半径的取值直接影响到风场的尺度和风速(气压)的分布，亦即影响到风 场的真实性。即使一个很好的风场模式，假如R的值选取不当，也会造成不 好的结果；反之，即使风场模式不太好，通过适当调整R值，也会使结果得 到改善。
但是在我国由于各方面的原因，一般的气象台站台风参数实况分析并不 包括最大风速半径R，而代之以近中心最大风速和某一风速的风圈半径，因 此需要寻求最大风速半径与已知变量之间的关系。
利用改进的藤田(Fujita)公式，确定最大风速半径。改进的藤田公式 为：
P＝P∞-(P∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC代表 中心气压，一般台风报文可以提供；R为未知数，表示最大风速半径。
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：
本发明理论模型模拟采用的压差修正系数α大约在0.75-0.85之间。
全球台风浪的模拟计算及数据库的建立。
本发明采用SWAN模型进行台风浪的计算，计算时考虑的物理现象及模 型参数的设置如下：
台风场驱动台风浪的计算
由于海平面上方空气拖拽作用，风能转化为波能，风能输入方程如下：
Sin(f，0)＝max[α，γE(f，θ)]
γ＝εβσx2
式中，α，β分别表示线性和非线性成长率，ε指空气与海水的密度比； σ指相对圆频率；c指相速度；θ，θW分别指波向和风向。
2)潮位对波浪的作用
潮位在深水海域对波浪的影响并不显著，对近岸波浪的运动影响显著。 本发明利用各个海域天文潮潮位，作为模型的输入项。
3)非线性波波相互作用
Sn1项为三波相互作用或者四波相互作用，采用DIA法计算，计算式如 下：
Sn1(σ，θ)＝Sn1+(σ，θ)+Sn1-(σ，θ)
Sn1+(σ，θ)＝mas[0，2παEBcgJ2|sinβ|(cE(σ-，θ))-2c_E(σ-，θ)E(σ， Sn1-(σ，θ)＝-2Sn1+(σ，θ)
式中，αEB指调和参数；J指相互作用参数。
4)白帽能量耗散项
白帽破碎引起的能量损失表达式如下：
5)底摩阻的作用
波浪由深水向近岸的传播过程中，引起海洋水体的运动，水体运动与海 底产生的摩擦会导致波能的损失，计算公式如下：
式中，Cf指摩阻系数。
6)波浪破碎项
波浪传播至近岸水浅海域时，水深变浅引起波浪的破碎，破碎产生的波 能损失的影响需考虑，波浪破碎项的计算公式如下：
7)模型的验证与参数的率定，对照实测气象海浪数据库在四个计算区 域中选取典型的台风过程，并提取典型台风过程中实测点的风速风向和台风 浪。利用上述模型计算典型台风过程的台风场和台风浪场，提取实测位置处 模拟的风速与风向、台风浪。将实测数据与模拟数据进行对比分析，包含相 对误差、离散度、相关性的分析。若代表点处的实测值与模型值之间的误差 较大，则修改模型参数，重新进行模型的率定，直至误差在允许的范围之内； 若代表点处的实测值与模型值之间的误差在允许范围之内，则进行下一步操作。
8)利用经过验证的台风场及台风浪模型，进行历史台风过程的持续性 计算。计算时进行逐年台风风场和风浪的计算，并建立后处理程序，方便对 计算区域内任意点进行提取。
9)将波浪数据进行后处理，得到定期更新的波浪时间序列。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
Claims (9)
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：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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，其特征在于：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。
7.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(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。
8.全球台风浪数值模拟系统，其特征在于，包括：
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；
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；
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；
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；
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，得到海域任意时刻的台风浪波高、波周期与波浪数值参数。
9.根据权利要求8所述的全球台风浪数值模拟系统，其特征在于：全球台风风场数据库模块还包括非对称台风场数学模型子模块；
所述非对称台风场数学模型子模块包括气压分布模型单元、环流风速模型单元和移行风速模型单元；
所述移行风速模型单元的创建公式如下：
式中：Vx和Vy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，
式中：Wx和Wy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；xc、yc代表台风中心位置；
为质点到台风中心的距离；ρa为空气密度；θ为流入角；C1、C2为常数；f是地转科氏系数；
气压分布模型单元创建方法如下：
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：
环流风速模型单元创建方法如下：
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∞-PC)[1+2(r/R)2]-1/2[1-(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；PC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。
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