【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋科学领域，具体是涉及一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法。
技术介绍
1、国内外对侵袭我国沿海的台风及风暴潮的相关研究取得了丰硕的成果。现普遍认为，有关台风路径的数值预报水平已得到显著提升，而对台风强度的预报仍存在巨大挑战，特别是超强台风或者是爆发性增强的台风。风暴潮过程往往伴随着与大气、海浪以及与天文潮等的相互作用，对其数值模拟效果同样存在提升的空间。
2、大气、海洋和波浪三部分彼此存在关联，对其中任何一部分进行研究时不能忽略其他两部分对它的影响。现阶段，在极端海洋气象灾害(例如台风、风暴潮)的数值模拟研究过程中，已经实现了三类模式间的耦合运行，耦合系统习惯上用owa(ocean-wave-atmosphere)表示。
3、然而，基于主流owa系统的极端海洋气象灾害数值模拟结果与现场观测相比仍存在差异。其中，重要原因之一是模式中动量通量估算的参数化方案存在缺陷。海气界面的动量交换显著影响着台风强度和风暴潮动力特性的发展，波浪作为海气界面的重要媒介，通过多种作用机制控制着海气之间的动量交换：(1)波浪通过改变海表面粗糙度，影响着大气向海洋进而波浪的动量输送(大气侧动量通量air-side stress,τa)；(2)波浪的成长、破碎及衰减过程(简称：波浪演化)伴随着对动量的储存或释放，进而调节着进入海洋内部的动量通量(海洋侧动量通量ocean-side stress,τoc)。因此，在owa耦合系统中，大气模式中的动量通量参数化方案和海洋模式中的动量通量参数化方案不应该保持一致
4、然而现阶段在主流的owa系统中：(1)大气模式中动量通量的估算往往转化为对拖曳系数cd或摩擦风速u*的估算，相关参数化方案往往大多是通过在低风速低海况下的观测资料统计分析得到的，并不适用于台风等高风速极端海况；(2)传统大气和海浪这两部分耦合技术中，用于驱动二者的大气侧动量通量的估算方案不一致，存在不一致弊端，使得二者的耦合存在系统偏差；(3)此外海洋模式中动量通量大小往往假定与大气一侧的动量通量一致，忽略了波浪演化对其的调制作用，不符合实际物理过程的海气相互作用机制，因此，现提出一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，以解决上述问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，针对现主流owa耦合系统中动量通量估算存在的缺陷，基于海气界面的动量通量收支平衡理论，利用海浪模式中的海浪谱并结合wblm(wave boundary layer model，波浪边界层模型)，建立和发展一套适用于极端海况天气的能够充分考虑波浪因素的海洋和大气两侧动量通量估算方法，使海-浪-气耦合模式在对极端海洋灾害数值模拟过程中的物理机制更加合理和完善，进而服务于我国高质量海洋气象科技支撑能力的建设。
2、为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案如下：
3、一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，具体包含以下步骤：
4、(1)数据初始化：设置owa耦合模型所需初始参数和变量，启动owa耦合系统，利用mct耦合器确保wrf大气模式、swan海浪模式和fvcom风暴潮模式之间数据能够正常交互；
5、(2)摩擦风速以及海洋侧动量通量计算：将wblm(波浪边界层模型)嵌入swan海浪模型中，根据所述wblm(波浪边界层模型)计算摩擦风速变量；结合摩擦风速、波致应力及耗散应力计算海洋侧动量通量分量，并将所述海洋侧动量通量分量传递到fvcom风暴潮模式；
6、(3)模型时间积分与迭代：根据所述owa耦合模型的时间步长，进行时间积分和迭代计算；在一定时间步长内，重复上述步骤，确保wrf大气模式、swan海浪模式和fvcom风暴潮模式之间的动量通量能够正确传递和更新；
7、(4)输出与后处理：输出所述owa耦合模型的计算结果，对10m最大风速、有效波高以及风暴潮潮位等进行后处理分析，验证该动量通量估算方法对owa耦合模型(台风或风暴潮)数值模拟的改进效果。进一步地，步骤(1)中，所述fvcom风暴潮模式水平方向上采用非结构化三角网格，拟合海岸线边界并有利于对台风登陆点附近的网格加密，垂向上使用σ坐标或者σ-z混合坐标，便于对崎岖地形的处理；所述swan海浪模式在数值计算上采用全隐式求解，保证了时间步长不受cfl条件的限制；所述wrf大气模式采用wrf-arw动力框架，基于完全可压非静力平衡欧拉方程，水平方向上采用arakawa c网格划分，垂直方向上采用静力气压地形追随坐标。
8、进一步地，步骤(2)中，所述摩擦风速变量在海浪模式swan中通过计算后直接传递至wrf大气模式。
9、进一步地，所述海洋动量通量计算模块涉及以下步骤：
10、1)读取输入数据：所述swan海浪模式从所述wrf大气模式获取10m风速数据；
11、2)wblm嵌于所述swan海浪模式中，并基于海浪谱计算摩擦风速u*，并将该变量传递至所述wrf大气模式中，用于10m风速计算；
12、3)所述swan海浪模式计算波致应力和耗散应力；
13、4)计算海洋侧动量通量分量：结合摩擦风速、波致应力和耗散应力，根据海气界面动量通量收支关系理论计算海洋侧动量通量的经向分量和纬向分量
14、5)将输出数据传递给fvcom风暴潮模式，以供其使用。
15、进一步地，所述海洋侧动量通量计算模块在swan海浪模式中完成，然后仅将计算结果传向fvcom风暴潮模式中，以提高耦合计算效率，节约计算资源。
16、有益效果：
17、本专利技术优化了传统owa耦合系统中海气动量通量估算的参数化方法，基于气界面动量通量的收支关系并结合wblm模型而实现，对今后台风数值模拟的预报研究有重要参考价值。
18、(1)波浪边界层模型(wave boundary layer model，wblm)充分考虑波浪因素的大气侧动量通量的参数化方法，较好地刻画台风条件下拖曳系数cd(或摩擦风速u*)的变化规律，将其引入海浪模式中，更合理地实现了对大气侧动量通量的估算。
19、(2)在海洋模式中的动量通量参数化方法中，考虑波浪演化过程(成长、破碎及衰减)对海洋侧动量通量估算的影响，使海洋模式在物理机制上更接近真实。
20、(3)在大气模式与海浪模式耦合过程中，解决了大气侧动量通量估算不平衡的问题，使海气耦合过程在物理机制上更加合理和完善。
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1.一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述FVCOM风暴潮模式水平方向上采用非结构化三角网格，拟合海岸线边界并有利于对台风登陆点附近的网格加密，垂向上使用σ坐标或者σ-z混合坐标，便于对崎岖地形的处理；所述SWAN海浪模式在数值计算上采用全隐式求解，保证了时间步长不受CFL条件的限制；所述WRF大气模式采用WRF-ARW动力框架，基于完全可压非静力平衡欧拉方程，水平方向上采用Arakawa C网格划分，垂直方向上采用静力气压地形追随坐标。
3.根据权利要求1所述的一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述摩擦风速变量在海浪模式SWAN中利用WBLM模型通过计算后直接传递至WRF大气模式。
4.根据权利要求1所述的一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述海洋动量通量计算模块涉及以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种海洋
...【技术特征摘要】
1.一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种海洋气象灾害的海浪气全耦合动量通量估算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述fvcom风暴潮模式水平方向上采用非结构化三角网格，拟合海岸线边界并有利于对台风登陆点附近的网格加密，垂向上使用σ坐标或者σ-z混合坐标，便于对崎岖地形的处理；所述swan海浪模式在数值计算上采用全隐式求解，保证了时间步长不受cfl条件的限制；所述wrf大气模式采用wrf-arw动力框架，基于完全可压非静力平衡欧拉方程，水平方向上采用arakawa c网格划分，垂直方向上采用静力气压地形...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔文丽，刘瑞，李薛，查国震，成印河，闫世斌，陈晓萍，王圣翔，
申请(专利权)人：江苏海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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