CN117556640A - 一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，属于风暴潮预报技术领域。本发明方法包括以下步骤：收集目标区域所在海域的历史台风资料，筛选出影响目标区域的历史双台风事件，构建双台风数据集；基于Liou‑Liu经验公式计算双台风发生相互作用的阈值距离，判断构建参数化风场模型时是否需要双台风相互作用；构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型，并驱动目标区域沿海风暴潮数值模型对双台风作用下风暴潮进行模拟研究。本发明解决了构建双台风风场时忽略双台风相互作用的问题，提高了双台风作用下风场及风暴潮模拟的精度。
Description
技术领域
本发明涉及风暴潮模拟技术领域，具体是一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法。
背景技术
风暴潮是海洋灾害的主要类型之一，其引起的灾害损失占比达九成以上。而双台风引发的风暴潮更是对沿海地区人民的生命财产安全带来极大威胁。
相较于单台风，双台风由于两者的相互作用，台风路径、强度、风场结构复杂多变，双台风作用下的风暴潮灾害影响范围更广，破坏强度更强，持续时间更久。为了科学抵御风暴潮灾害，准确预测双台风作用下风暴潮所带来的灾害影响，需要开展双台风作用下风暴潮数值模拟研究，不断提高双台风作用下风暴潮的模拟精度，为极端条件下风暴潮的预警提供技术支撑。
台风风场是风暴潮等海洋灾害数值模拟的主要驱动场之一，风场数据的质量很大程度上决定了风暴潮模型预报的精确度。目前针对双台风风场的构建以及双台风作用下风暴潮的机理研究相对匮乏。对于双台风风场的构建并未考虑双台风之间的相互作用，仅仅将双台风风场看作是两个独立、不受对方影响的单台风风场，这样的处理方法物理机制并不显著，且风场模拟精度不足。
此外，对于双台风作用下的风暴潮数值模拟，目前采用的方法是先将双台风看作是两个独立的单台风构建风场模型驱动风暴潮数值模型，再将风暴潮数值模型模拟得到的风暴增水线性叠加，作为双台风作用下的风暴增水。这样的处理方法忽略了双台风之间的相互作用，因此对于双台风共同影响区域的风暴潮模拟效果并不好。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种提高双台风作用下风暴潮数值模拟精度的基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，包括如下操作：
收集目标区域所在海域的历史台风资料；
基于所述的历史台风资料，按两台风共存时间大于48小时且共存期间最近中心间距小于1600km的标准筛选出影响目标区域的历史双台风事件，构建双台风数据集，其中双台风数据集包括双台风的经度、纬度、中心最低气压、近中心最大风速、双台风中心距离和共存时间；
采用Liou-Liu经验公式，量化双台风发生相互作用的阈值距离，根据阈值距离判断构建参数化风场模型时是否考虑双台风之间的相互作用，基于判断结果构建参数化风场模型；
基于参数化风场模型，驱动基于ADCIRC构建的目标区域沿海风暴潮数值模型，基于双台风数据集，模拟双台风作用下的风暴潮，并将模拟得到的风暴潮位与实测潮位对比，评估双台风下风暴潮位的模拟精度。
本发明的进一步改进在于：所述双台风发生相互作用的阈值距离的表达式为：
；
其中，、/>为台风1、台风2的强度，通过查Koba表得到，/>为阈值距离。
本发明的进一步改进在于：所述根据阈值距离判断构建参数化风场模型时是否考虑双台风之间的相互作用，基于判断结果构建参数化风场模型，具体包括：判断双台风中心距离是否小于或等于阈值距离，若是，则考虑双台风之间的相互作用，引入互旋分量修正双台风之间的相互影响，构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型，若否，则将双台风作为两个相互独立的单台风风场，构建不考虑双台风相互作用的参数化风场模型，单台风风场由移行分量和旋转分量组成。
本发明的进一步改进在于：所述考虑双台风相互作用的参数化风场模型的构建具体包括如下操作：
确定双台风互旋中心，其中，双台风互旋中心在两个台风中心连线上，且具体位置依两个台风的相对强度来决定，表达式为：
；
其中，、/>分别为台风1、台风2的最大风速，/>为计算点到台风1中心的距离，d为两个台风中心间距；
确定双台风的互旋角速度：
；
其中：为双台风由于藤原效应发生的互旋角速度，/>、/>分别为台风1、台风2的最大风速半径；
计算双台风相互作用的互旋分量：
；
；
其中：、/>分别为台风1、台风2由于藤原效应引起的互旋分量，/>、/>分别为计算点到台风1、台风2中心的距离；
通过叠加旋转分量、移行分量和互旋分量，得到考虑双台风相互作用的单台风风场：
；
；
其中：,/>为台风1、台风2的单台风风矢量场，/>为移速系数，随着台风最大风速半径/>增大，取值4/7~6/7，/>为摩擦修正系数，/>为计算点与台风中心连线与x轴的夹角，/>,/>为台风1、台风2的梯度风速，即旋转分量，/>,/>为台风1、台风2的移行风速，即移行分量，/>为梯度风与海面风的夹角，取恒定值20°，/>为距台风中心的距离；
构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型；
；
；
其中，为双台风风矢量场，/>为权重系数。
本发明的进一步改进在于：所述不考虑双台风相互作用的参数化风场模型的构建包括如下操作：
采用Holland模型计算单台风风场的旋转分量：
；
其中：为距台风中心/>处的梯度风速，/>为科氏力，/>为距台风中心的距离，/>为台风中心气压，/>是外围环境气压，/>是台风最大风速半径，B为Holland模型的气压剖面参数，/>为空气密度；
移行分量采用宫崎正卫模式，表达式为：
；
其中，为与台风中心的距离为/>的计算点处的移行速度，/>为台风中心移行速度；
通过叠加旋转分量、移行分量，得到不考虑双台风相互作用的单台风风场：
；
；
其中：,/>为台风1、台风2的单台风风矢量场，/>为移速系数，随着台风最大风速半径/>增大，取值4/7~6/7，/>为摩擦修正系数，/>为计算点与台风中心连线与x轴的夹角，/>,/>为台风1、台风2的梯度风速，即旋转分量，/>,为台风1、台风2的移行风速，即移行分量，/>为梯度风与海面风的夹角，取恒定值20°，/>为距台风中心的距离；
融合两个台风的风场，构建不考虑双台风相互作用的参数化风场模型；
；
；
其中，为双台风风矢量场，/>为权重系数，/>、/>分别为台风1、台风2的最大风速，/>、/>分别为计算点到台风1、台风2中心的距离。
本发明的有益效果是：（1）通过引入Liou-Liu经验公式，量化双台风发生相互作用的阈值距离，为构建参数化风场模型时是否考虑双台风之间相互作用提供判断标准；
（2）通过引入互旋分量来修正由于双台风相互影响（藤原效应）对风场结构的影响，建立考虑双台风相互作用的参数化风场模型，有效解决了双台风期间风场模拟精度不足的问题，为提高双台风作用下风暴潮、海浪等灾害的模拟精度提供了数据支持；
（3）将构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型作为驱动力，驱动基于ADCIRC构建的目标区域沿海风暴潮数值模型，使得模型能够更准确地模拟出双台风作用下地风暴增水，为进一步分析双台风作用下风暴增水、流场变化特征提供支持。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明在实施例中双台风“菲特”和“丹娜丝”共存期间的主要台风参数示意图；
图3为本发明在实施例中考虑双台风相互作用的风场模型示意图；
图4为本发明在实施例中浙江沿海风暴潮数值数值模型网格示意图；
图5为本发明在实施例中为双台风“菲特”和“丹娜丝”作用下风暴潮模拟值与实测值对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实施例的一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，包括如下操作：
S1：收集1979~2022年间西北太平洋地区的历史台风资料。
S2：基于所述的历史台风资料，按两台风共存时间大于48小时且共存期间最近中心间距小于1600km的标准筛选出影响我国的历史双台风事件，构建我国双台风数据集，其中双台风数据集包括双台风的经度、纬度、中心最低气压、近中心最大风速、双台风中心距离和共存时间；本实施例以2013年双台风“菲特”和“丹娜丝”为例，如图2所示，双台风菲特和丹娜丝共存期间的主要台风参数，包括台风中心气压、1分钟平均最大风速、台风移动速度和双台风分离距离。
S3：结合Liou-Liu经验公式，量化双台风发生相互作用的阈值距离。双台风发生相互作用的阈值距离的表达式为：
；
其中，为阈值距离，/>、/>为台风1、台风2的强度，通过查Koba表得到，如表1所示；
表1Koba表
本实施例中，双台风“菲特”和“丹娜丝”共存期间中心间距为1060km，小于双台风发生相互作用的阈值距离1400km，因此构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型，即，考虑双台风相互作用的双台风风场，考虑双台风相互作用的参数化风场模型由三个不同的分量组成的，即旋转分量、移行分量和互旋分量。风速公式如下所示：
；
；
；
其中：,/>为台风1、台风2的单台风风矢量场，/>为双台风风矢量场，/>为移速系数，随着台风最大风速半径/>增大，取值4/7~6/7，/>为摩擦修正系数，/>为计算点与台风中心连线与x轴的夹角，/>为梯度风与海面风的夹角，取恒定值20°，/>为权重系数，/>为距台风中心的距离，/>、/>分别为台风1、台风2由于藤原效应引起的互旋分量。
S4：采用S3构建的考虑双台风相互作用的参数化风场模型，驱动基于ADCIRC模型构建的浙江沿海风暴潮数值模型，模拟双台风作用下的风暴潮；其中，风场模型示意图如图3所示；
基于ADCIRC模型构建浙江沿海风暴潮数值模型时，需输入地形数据、边界条件、风场气压场边界条件，地形数据包括浙江沿海的岸线以及水深数据；边界条件指的是双台风期间模型开边界的增水条件，风场气压场边界条件指的是利用参数化风场模型模拟的整个模型范围风场气压场数据。
ADCIRC模型海水的连续方程为：
海水的运动方程为：
；
；
式中：为时间，/>为海水自由表面高度，/>为总水深(m)，/>和/>分别为海水在x和y方向上的沿垂向平均流速，/>为科氏力，/>为海水自由表面的大气压强，/>为引潮势，为海水密度，/>和/>分别为x和y方向上的海底摩擦力，/>和/>分别为x和y方向上的海表面应力，/>和/>为水平扩散项，/>为重力加速度。浙江沿海风暴潮数值模型采用非结构三角形网格，可以精细化刻画复杂的近岸河口地形。浙江沿海风暴潮数值模型覆盖了长江口近海海域及整个浙江海域，北至北纬32.1°，南至北纬26.7°，包含沙埕站，东至东经120°，西至东经125.2°。模型网格数为285355，网格节点数为148061，网格尺寸50~27000m。图4为浙江沿海风暴潮数值模型网格示意图。
浙江沿海风暴潮数值模型将风场、气压场、天文潮、风暴潮等多个动力过程相互耦合，将S3构建的双台风“菲特”和“丹娜丝”的风场作为驱动场，对双台风“菲特”和“丹娜丝”作用下的风暴潮进行模拟研究。
S5：将浙江沿海风暴潮数值模型模拟得到的风暴潮位与实测潮位对比，评估该模拟方法对双台风作用下风暴潮位的模拟精度。图5为双台风“菲特”和“丹娜丝”作用下风暴潮模拟值与实测值对比图。由图5可知，该模拟方法的模拟结果与实测值拟合良好。表2统计了双台风“菲特”和“丹娜丝”期间各站点的风暴潮模拟误差。
表2双台风“菲特”和“丹娜丝”期间各站点的风暴潮模拟误差
本实施例以双台风“菲特”和“丹娜丝”为例，构建了一种考虑双台风相互作用的参数化风场模型，在此基础上驱动基于ADCIRC模型构建的浙江风暴潮模型，模拟了双台风作用下的风暴潮。该模拟方法解决了构建风场时忽略双台风相互作用的问题，提高了双台风期间的风场、风暴潮的模拟精度。此外，本实施例仅展示针对双台风“菲特”和“丹娜丝”作用下的风场模拟和风暴潮数值模拟，对于其他双台风，采用上述技术方案亦可以取得相似的预报效果。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，除非类似这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，其特征在于：包括如下操作：
收集目标区域所在海域的历史台风资料；
基于历史台风资料，按两台风共存时间大于48小时且共存期间最近中心间距小于1600km的标准筛选出影响目标区域的历史双台风事件，构建双台风数据集，其中双台风数据集包括双台风的经度、纬度、中心最低气压、近中心最大风速、双台风中心距离和共存时间；
采用Liou-Liu经验公式，量化双台风发生相互作用的阈值距离，根据阈值距离判断构建参数化风场模型时是否考虑双台风之间的相互作用，基于判断结果构建参数化风场模型；
基于参数化风场模型，驱动基于ADCIRC构建的目标区域沿海风暴潮数值模型，基于双台风数据集，模拟双台风作用下的风暴潮，并将模拟得到的风暴潮位与实测潮位对比，评估双台风下风暴潮位的模拟精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，其特征在于：所述双台风发生相互作用的阈值距离的表达式为：
；
其中，、/>为台风1、台风2的强度，通过查Koba表得到，/>为阈值距离。
3.根据权利要求1所述的一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，其特征在于：所述根据阈值距离判断构建参数化风场模型时是否考虑双台风之间的相互作用，基于判断结果构建参数化风场模型，具体包括：判断双台风中心距离是否小于或等于阈值距离，若是，则考虑双台风之间的相互作用，引入互旋分量修正双台风之间的相互影响，构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型，若否，则将双台风作为两个相互独立的单台风风场，构建不考虑双台风相互作用的参数化风场模型，单台风风场由移行分量和旋转分量组成。
4.根据权利要求3所述的一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，其特征在于：所述考虑双台风相互作用的参数化风场模型的构建具体包括如下操作：
确定双台风互旋中心：
；
其中，、/>分别为台风1、台风2的最大风速，/>为计算点到台风1中心的距离，d为两个台风中心间距；
确定双台风的互旋角速度：
；
其中：为双台风由于藤原效应发生的互旋角速度，/>、/>分别为台风1、台风2的最大风速半径；
计算双台风相互作用的互旋分量：
；
；
其中：、/>分别为台风1、台风2由于藤原效应引起的互旋分量，/>、/>分别为计算点到台风1、台风2中心的距离；
通过叠加旋转分量、移行分量和互旋分量，得到考虑双台风相互作用的单台风风场：
；
；
其中：,/>为台风1、台风2的单台风风矢量场，/>为移速系数，随着台风最大风速半径/>增大，取值4/7~6/7，/>为摩擦修正系数，/>为计算点与台风中心连线与x轴的夹角，/>,/>为台风1、台风2的梯度风速，即旋转分量，/>,/>为台风1、台风2的移行风速，即移行分量，/>为梯度风与海面风的夹角，取恒定值20°，/>为距台风中心的距离；
构建考虑双台风相互作用的参数化风场模型；
；
；
其中，为双台风风矢量场，/>为权重系数。
5.根据权利要求3所述的一种基于双台风相互作用的风暴潮数值模拟方法，其特征在于：所述不考虑双台风相互作用的参数化风场模型的构建包括如下操作：
采用Holland模型计算单台风风场的旋转分量：
；
其中：为距台风中心/>处的梯度风速，/>为科氏力，/>为距台风中心的距离，为台风中心气压，/>是外围环境气压，/>是台风最大风速半径，B为Holland模型的气压剖面参数，/>为空气密度；
移行分量采用宫崎正卫模式，表达式为：
；
其中，为与台风中心的距离为/>的计算点处的移行速度，/>为台风中心移行速度；
通过叠加旋转分量、移行分量，得到不考虑双台风相互作用的单台风风场：
；
；
其中：,/>为台风1、台风2的单台风风矢量场，/>为移速系数，随着台风最大风速半径/>增大，取值4/7~6/7，/>为摩擦修正系数，/>为计算点与台风中心连线与x轴的夹角，/>,/>为台风1、台风2的梯度风速，即旋转分量，/>,/>为台风1、台风2的移行风速，即移行分量，/>为梯度风与海面风的夹角，取恒定值20°，/>为距台风中心的距离；
融合两个台风的风场，构建不考虑双台风相互作用的参数化风场模型；
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| Title |
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| 李欢;周天逸;张丽芬;: "基于ADCIRC模式的宁波沿海风暴潮预报", 人民珠江, no. 02, 25 February 2020 (2020-02-25) * |
| 齐庆辉;朱志夏;东培华;童巍;熊伟;陈允才;庞亮;: "连云港海域"达维"台风风暴潮数值模拟", 水运工程, no. 05, 25 May 2016 (2016-05-25) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117556640B (zh) | 2024-03-26 |
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