WAVEWATCH_模式在渤海海浪预报的应用与检验

LI Yan，HUANG Zhen，ZHANG Jun-f en g，et a l〃 Applicati o n and v eri f icati o n of sea w a v e fo reca st b y WAVEWATCH III m o del in the B o-hai S e a of China［J］〃 J o urnal of M e te o r o l ogy and En v ir o nment，2014，30( 1): 23 － 29〃
W AV E W A TC H III模式在渤海海浪预报的应用与检验
李燕1黄振1张俊峰1吴文杰2张彩凤1赵钱飞1
( 1. 大连市气象局，辽宁大连116001; 2. 庄河市气象局，辽宁庄河116400)
摘要: 大连黄海、渤海海浪数值预报系统采用WAVEWATCH III 模式进行海浪预报，预报产品包括48 h 内浪高、周期和浪向的逐3 h 预报，并可对其进行检验。

结果表明: WAVEWATCH III 模式对渤海中部浪高模拟较好，浪高预报TS为71. 7 % ，对近岸海区浪高模拟相对较差。

个例检验表明，浪高最大值模拟较好，模拟浪高最大值出现的时间与实况基本吻合，浪高变化趋势预报也较好。

WAVEWATCH III 模式对两个周期个例进行检验，预报误差最低可达0. 17 s，预报效果较好。

关键词: 海浪预报; 浪高; 周期
中图分类号: P731. 33 文献标识码: A d o i: 10〃 3969 / j〃 issn〃 1673-503X〃 2014〃 01〃 004
引言
大连地区三面环拥渤海、渤海海峡和黄海北部，特殊的地理位置及地形，使大连地区每年因海浪、风暴潮造成的海洋灾害损失非常严重［1 －4］。

因此做好
目前由于海洋资料极度缺乏，因此对海浪数值预报的检验一直是一个较大的难题，有限的实况资料限制检验的空间和时效，因此需要较多的检验客观定量反映模式预报的水平，发现预报模式运行中存在的问题，为改进模式业务应用提供可靠的依据
大连地区及黄渤海海浪预报是关系到国计民生的一件大事。

目前，沿海气象台的海浪预报，已改变以往完全依赖预报员主观预报的方式，由预报员参考考虑能量输入、能量损耗、折射、绕射、浅化及反射等机理作用的海浪数值模式进行预报。

以海浪数值模式为核心的海浪数值预报业务系统，已成为海浪预报和业务研究的主要手段，海浪预报水平也有较大提高［5］。

近年来，许多专家对海浪模式预报的结果进行检验，对模式的预报能力有一定的了解。

毛科峰等［6］在优化WAVEWA TC H III模式计算网格的基础上，完善了岛屿次网格地形效应计算方案; 并与直接提高网格空间分辨率来分辨多岛屿地形处理方案的计算效果进行对比，研究表明模式计算结果有明显改善。

孙玉娟等［7］利用全球和西北太平洋的Jas o n－1卫星数据和ND BC 浮标数据中的海浪波高观测，对海浪系统预报结果进行比较检验。

模式校验结果表明，有效波高预报与观测的绝均差在0.5m 左右，从夏季到冬季，预报精度不断提高，与风场冬季预报精度较高吻合。

周兆黎和杨显宇［8］利用Jas o n －1卫星高度计观测资料，验证WWA TC H III海浪模式模拟南海冷空气过程海浪场的有效性和准确性。

本文利用渤海浮标站资料对大连WAVEWA TC H III
模式的预报产品进行检验，验证WAVEWA TC H III模
式的可用性及预报能力，为今后渤海海浪预报提供依据。

1模式简介
1.1WAVEWA TC H III模式概况
第3代海浪数值模式WAVEWA TC H III［9］简称WWA TC H III，该模型用于大尺度空间波浪传播过程，在传播过程中考虑地形和海流空间变化导致的波浪折射作用和浅水变形作用及线性的波浪传播运动等; 模型在波浪成长和消减的能量变化过程中考虑了风成浪作用、白浪的消减作用、海底摩擦作用和波—波的非线性能量转移作用等。

模式对过去模式的控制方程、程序结构、数值和物理的处理方法等进行改进，使模式不仅在考虑波流相互作用和风浪物理机制方面更合理，且利于采用并行计算技术，提高模式的性能和效率。

1.2WAVEWA TC H III模型原理
海流作为海浪的背景场，对海浪的传播有不可忽视的调制作用，因此，为了引入海流对波浪的作用，WAVEWA TC H III模式以波作用量的平衡方程作
收稿日期: 2012 － 10 － 31;修订日期: 2013 － 01 － 14。

资助项目: 中国气象局业务项目( 320100S011C00)资助。

作者简介: 李燕，女，1973 年生，高级工程师，主要从事天气预报研究，E-mail: LYDW0211@ 163〃 c o m。

· 为模式的控制方程［10 － 13］。

采用球坐标系的波作用
量平衡方程为:
·
strt 进行模式初始化，再 ww 3 _prep 处理风场、水位场 和流场等外界强迫数据。

最后主程序 ww 3_shel 调用 上述预处理程序生成的文件进行运算，并将计算结果 1 · N c o s θ + ( λN ) + ( k
N ) + ( θ t N － c o s λ N ) = S κ ( 1)
输出到文件 o ut_g rid. ww 3 ( 网格点上的波参数) 、
o ut_ pnt. ww 3( 指定位置的谱) 和 track_o . ww 3( 某一轨迹上 θ κ σ 网格点的谱) 中。

图
2 为模式数据流程图。

其中，
= C κ c o s θ + U ，λ = C κ sin θ + U λ ，
θ κ = θ － Ｒ C κ tan c o s θ Ｒ
Ｒc o s 式( 1) 中，
Ｒ 为地球半径; U λ 和 U 分别为平均海流 在经、纬度方向上的分量; λ 和 分别为经、纬度。

WAVEWA TC H III 模式中的源函数 S 包括 4 部 分: 风—浪相互作用项 S in 、非线性波—波相互作用项 S nl 、耗散项 S dn 及浅水区的底摩擦项 S b o t ，即:
S = S in + S nl + S dn + S b o t
第 3 代海浪模式的特点是海浪谱值只用积分谱 传输方程来计算，事先不必对谱形加任何限制。

为 此模式中必须具有严格的参数化非线性相互作用源 函数 S in 和 S nl ，它包含的自由度个数与谱本身自由度 个数相同; 同时模式中必须给定未知的消衰源函数，
使能量平衡得到闭合。

正是对
S dn 的处理方式体现了 第
3 代海浪模式与第 2 代海浪模式的本质区别。

1. 3 WAVEWA TC H III 运行系统
WAVEWA TC H 模式通过风场驱动运行，可输出
图
2 W AV EW A TCH III 模式数据流程图 F ig 〃 2 A data flow d i a g r am of W AV EW A TCH III m o d el
2 资料与方法
2. 1 预报场与实况场
“WAVEWA TC H III 模式预报”预报产品包括 48 h 内浪高、周期和浪向的逐
3 h 预报( 表 1) 。

表
1 模式输出的预报产品 Tab le 1 Th e fo r ec a s t p r o du c t s f r o m th e
W AV EW A TCH III m o d el o utput s
模式
预报指标 预报时效
/ h 平均水深、平均流速 ( 矢量，单位为 m ·s － 1 ) 、平均风 速( 矢量，单位为 m ·s － 1 ) 、海气温度差异( ℃ ) 、摩擦 流速( m ·s － 1 ) 、有效波高( m ) 、平均波长( m ) 、平均周 WA V EWA TC H III 模式预报 浪高、周 期、浪向 3、6、9、12、15、18、21、24、27、 30、33、36、39、42、45、48
期( s ) 、平均波向、平均方向分布、谱峰波浪方向、风 浪部分的谱峰频率、混合浪方向、定点频率 f 、海冰集 中度和水平面等物理量。

大连地区本地化 WAVEWA TC H III 模式采用大 连及环黄渤海海域中尺度数值预报输出风场驱动， 经计算输出有效浪高、平均周期和平均波向 3 种预 报产品。

图
1 为 WAVEWA TC H III 模式运行流程图， WAVEWA TC H III 包 含 3 个 预 处 理 程 序 和 1 个 主 程序 。

运算时 ，首先程序
ww 3 _ g rid 生成写有地形
图
1 W AV EW A TCH III 模式运行流程图 F ig 〃 1 A r unn i n g flow c ha r t of W AV EW A TCH III m o d el
文件和所使用的物理、数值参数的文件，然后 ww 3 _
海洋资料获取难度较大，一直为海浪要素预报
和研究方面的难题。

2009 年在海上投放的浮标站， 获取海上资料，对海洋要素预报和研究具有重要意 义
［14］。

浮标站为 54558 站和 54663 站。

54558 站为
大浮标，
120° 35' 00″ E ，39° 15' 00″ N ; 54663 站为小浮 标，
121°03'00″E ，38°51'00″N 。

54558 浮标站 2009 年 9 月开始正常观测，其中 2010 年 5—8 月维修，无观 测资料; 54663 浮标站 2009 年
12 月开始正常观测， 其中 2010 年 1—4 月维修，无观测资料。

目前均能正 常获取观测数据。

浮标站每 10 min 传输数据一次， 包括风向、风速、浪高、浪向、周期和流速等，因此针 对 WAVEWA TC H III 模式的多要素预报，可用连续 性、要素全和真实可靠的浮标站资料进行检验，不仅 可以检验浪高预报，还可以实现较少有实况资料的 周期和浪向的检验。

W AVEWA TC H III 模 式 2009 年 5 月开始调试运行，数据相对较少，针对数据保存 较全的
2010 年 8—10 月进行检验。

n ∑
2.2检验方法
浪高检验采用国际标准海况等级，共分1—9 级，分别为无浪、微浪、小浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂涛和怒涛。

浪高超过20m为暴涛，因为罕见，未成为正式等级。

大连地区近年未出现9m以上浪级，因此选取微浪至狂浪( 即0.1—9.0m) 海浪分级( 表2) 对海浪预报进行检验。

检验时取浪高最大值与实况进行对比，当系统预报浪高最大值浪级与实
表2 国际标准海况等级( 部分)
Tab le 2 Th e levels of i nt e r nat io na l s tanda r d se a co nd i t io n s ( pa r t) m 海浪微浪小浪(轻浪)中浪大浪巨浪狂浪浪
高0. 10—0. 50 0. 51—1. 25 1. 26—2. 50 2. 51—4. 00 4. 01—6. 00 6. 01—9. 00
况浪级对应，预报地点与实况一致，则预报正确。

例如预报为2.0m，实况出现2.5m，同为中浪范围内，且预报地点一致，视作预报正确; 实况大于2.5m，视作预报错误。

浪高检验采用预报准确率T S进行检验，具体检验方法见式( 2) 。

T S=预报正确次数/检验总次数( 2)
海浪周期检验中采用绝对误差进行检验，具体检验方法见式( 3) 。

n 为1.8m) ，误差为0.2m，与实况吻合较好，且浪表3 W AV EW A TCH III模式海浪预报TS 检验Tab le 3 Th e TS ve r ific at io n of se a w a ve fo r ec a s t b y
th e W AV EW A TCH III m o d el %站号或地点8月9月10月平均54558 67. 7 70. 0 74. 270. 6
54663 64. 5 66. 7 61. 3 64. 2
黄海中部71.070.074.271.7
绝对误差=
1
i =1 3结果分析|预报值－实况值|( 3)高最大值出现时间及维持时间均模拟的较好( 图
略) 。

9月17日模拟浪高最大值为1.9m，出现在17
日16时左右，实况最大浪高也为1.9m，也出现在
3.1WAVEWA TC H III模式对浪高预报检验
利用浮标站数据及式( 2) 进行最大浪高值的T S 检验表明，WAVEWA TC H III模式对渤海中部54558 站模拟较好，对近岸54663站模拟相对较差。

黄海中部取中心点与国家海洋局网上的实况数据( 无浮标站资料) 进行比较检验，T S为71.7% ( 表3) ，可见WAVEWA TC H III模式对深海浪高模拟较好。

对54558站2010年10月3—4日大风浪高过程进行模拟表明，浪高最大值出现时间稍晚，维持时间较短，但最大值为2.2m，与实况吻合较好( 图3) 。

对54663站2010年9—10月4次过程进行模拟分析。

9月7—8日模拟浪高最大值为2.0m ( 实况16时左右，完全吻合( 图略) 。

9月21—22日模拟浪高最大值为3.0m，与实况完全吻合，时间为21日20时，比实况晚5—6h。

22日最高值1.9m也模拟较好，出现时间为22日08时比实况稍晚( 图4) 。

10 月3—4日模拟浪高最大值为2.4m，出现在3日半夜，实况最大值为2.6m，出现在4日凌晨，预报效果较好( 图5) 。

通过对上述4个过程浪高的模拟分析发现，浪高最大值模拟较好，模拟浪高最大值出现的时间与实况基本吻合，浪高变化趋势预报也较好。

3.2WAVEWA TC H III模式对周期预报检验
为了检验WAVEWA TC H III模式对周期的预报情况，取2010年7月20—21日和10月3—6日两次
虚线为国内海浪等级
图3 2010 年10 月3 日以00 时( a) 和12 时( b) 为初始场的W AV EW A TCH III模式浪高预报及3 日( c) 和
4 日( d) 浮标站实况( 54558 站)
F ig〃 3 Th e si mu l at e d se a w a ve h eig ht b y th e W AV EW A TCH III m o d el u si n g th e co rr es p o nd i n g v a l u e at 00: 00 U TC ( a)
and 12: 00 U TC ( b) o n O c t o b e r 3 a s an i n i t i a l fiel d，and th e o b se r ve d v a l u e at th e bu oy s tat io n ( co d e 54558)
o n O c t o b e r 3 ( c) and 4 ( d) ，2010
虚线为国内海浪等级
图4 2010 年9 月21 日以00 时( a) 和21 日12 时( b) 为初始场的W AV EW A TCH III模式浪高预报及21 日( c) 和
22 日( d) 浮标站实况( 54663 站)
F ig〃 4 Th e si mu l at e d se a w a ve h eig ht b y th e W AV EW A TCH III m o d el u si n g th e co rr es p o nd i n g v a l u e at 00: 00 U TC ( a)
and 12: 00 U TC ( b) o n Se pt e mb e r 21 a s an i n i t i a l fiel d，and th e o b se r ve d v a l u e at th e bu oy s tat io n ( co d e 54663)
o n Se pt e mb e r 21 ( c) and 22 (d) ，2010
虚线为国内海浪等级
图5 2010 年10 月3 日以00 时( a) 和12 时( b) 为初始场的W AV EW A TCHIII模式浪高预报及3 日( c) 和
4 日( d) 浮标站实况( 54663 站)
F ig〃 5 Th e si mu l at e d se a w a ve h eig ht b y th e W AV EW A TCH III m o d el u si n g th e co rr es p o nd i n g v a l u e at 00: 00 U TC ( a)
and 12: 00 U TC ( b) o n O c t o b e r 3 a s an i n i t i a l fiel d，and th e o b se r ve d v a l u e at th e bu oy s tat io n ( co d e 54663)
o n O c t o b e r 3 ( c) and 4 ( d) ，2010
风大浪高的天气过程进行检验。

以7月19日20时
为初始场进行预报，分别输出12、24、36h和48h
平均周期的预报场，即分别为20日08时、20时和21 日08时、20时周期场。

20日08时黄海周期长，渤海周期短，黄海为4.0—5.0s，渤海为3.0—4.0s。

黄海最大周期为5.1s，位于成山头东部海面; 渤海最大周期为4.5s，位于渤海中部( 图6a) 。

20日20 时黄海北部周期最长，为5.0—6.0s，中部为3.0—
图6 以2010 年7 月19 日20 时为初始场预报的20 日08 时( a) 和20 时( b) 周期分布
F ig〃 6 Th e si mu l at e d se a w a ve p e r io d at 08: 00 ( a) and 20: 00 ( b) o n J u ly 20 b y th e W AV EW A TCH III m o d el u si n g th e
co rr es p o nd i n g v a l u e at 20: 00 o n J u ly 19 a s an i n i t i a l fiel d
5.0s，渤海中西部大，中心值为5.0s。

21日08时周期分布同20日20时，只是周期值略有减小。

黄海北部仍周期最长，为5.5s( 图6b) 。

21日20时黄海周期分布场无明显变化，只是渤海中部到海峡有一条4.5—5.0s的大值带( 图略) 。

分别取54663浮标站对应点的周期值，与该浮标站观测值( 表4)进行对比可以看出，预报值与实表4 2010 年7 月20—21 日54663 浮标站平均波
周期实况与预报
Tab le 4 Th e o b se r ve d and si mu l at e d m e an se a w a ve p e r io d at t h e bu oy s tat io n(co d e54663)f r o m J u ly20t o21，2010s 日这次大风大浪过程的周期预报效果较好。

由于2010年10月3—6日过程缺少10月3日的初始场，只能分别以10月2日20时和10月4日08时为初始场进行预报，即分别以2日为初始场的24h、48h平均周期的预报场，及以4日08时为预报场的12、24、36h和48h预报场( 图略) 。

3日20时渤海周期长，最大周期在渤海中部到南部，为5.5s; 黄海周期相对较短，最大周期为5.0s，在成山头东部海面上。

以2日20时为初始场预报4日20时的周期，渤海周期减弱，为2.0—4.0s; 黄海北部变化不大，中部周期明显增大，最大为6.0s。

而以4日
周期20 日
预报08 时20 时
21 日
08 时20 时
08时为初始场预报4日20时的周期明显减小，渤海
最大周期为3.6s，黄海中部周期最大为4.8s。

5日
实况 3. 7 4. 2 3. 8 4. 1
预报 3. 6 4. 5 3. 6 4. 0
注: 54558 无数据。

况较接近。

运用式( 3)计算，此次过程的绝对误差较小为0.17s，因此WAVEWA TC H III模式对7月20—2108时渤海最大周期为3.6s，黄海北部最大周期为4.5s，中部为5.6s。

5日20时周期分布变化不大，6 日08时黄海北部周期明显增大。

分别取54663和54558浮标站对应点的周期值，与这两个浮标站观测值( 表5 ) 对比可知，以4 日08时为初始场预报4日20时周期差别较大，其他预
表5 2010 年10 月3—6 日54663 浮标站平均波周期实况与预报
Tab le 5 Th e o b se r ve d and si mu l at e d m e an se a w a ve p e r io d at th e bu oy s tat io n ( co d e 54663) f r o m O c t o b e r 3 t o 6，2010 s
预报场站号
预报初始场3 日20 时
2 日20 日
4 日20 时
2 日20 日
4 日20 时
4 日08 时
5 日08 时
4 日08 时
5 日20 时
4 日08 时
6 日08 时
4 日08 时
54663 54558 实况 5. 5 4. 4 4. 4 3. 6 4. 2 4. 0预报 5. 2 4. 0 3. 6 3. 0 4. 0 3. 8实况 5. 7 5. 1 5. 1 3. 9 4. 3 4. 3预报 5. 5 4. 0 3. 6 3. 5 4. 0 4. 2
报值与实况非常接近。

运用式( 3) 计算，此次过程的54663站绝对误差为0.41s，54558站的绝对误差为0.53s，比较理想。

因此WAVEWA TC H III模式对10月3—6日大风大浪过程的周期预报效果也较好。

4结论
( 1) 大连黄海、渤海海浪数值预报系统采用WAVEWA TC H III模式进行预报。

该模式采用大连及环黄渤海海域中尺度数值预报输出风场驱动，经计算输出有效浪高、平均周期和平均波向3种预报产品。

模式包含3个预处理程序和1个主程序。

3 个预处理程序包括生成写有地形及数值参数等所需文件、模式初始化、处理风场及流场等外界强迫数据。

主程序调用上述预处理程序生成的文件进行运算并将计算结果输出。

( 2) 以海浪数值模式为核心的海浪数值预报业务系统包括预报产品和历史产品调阅，预报产品包括48h内浪高、周期和浪向的逐3h预报。

( 3) 对WAVEWA TC H III模式浪高的模拟检验表明，WAVEWA TC H III模式对渤海中部浮标站54558站模拟较好，对近岸浮标站54663站模拟相对较差，黄海中部浪高预报T S为71.7%，可见WAV-EWA TC H III模式对深海浪高模拟较好。

个例检验表明，浪高最大值模拟较好。

模拟浪高最大值出现的时间除个别稍晚外，基本与实况吻合，浪高变化趋势预报也较好。

WAVEWA TC H III模式对两个周期个例进行检验，预报误差最低可达0.17s，预报效果较好。

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A pp lic a t io n and ve r ific a t io n of se a w a ve fo r ec a s t b y W AV EW A TCH III
m o d el i n t h e Bo ha i Se a of Ch i na
L I Yan1HUANG Z hen1Z HANG Jun-f en g1 WU Wen-jie2 Z HANG C ai-f en g1 Z HAO Qian-f ei1 ( 1〃Dalian M ete o r o l og ical S er v ice，Dalian116001，C hina; 2〃 Z huan g he
M ete o r o l og ical S er v ice，Z huan g he116400，C hina)
A b s t r a c t: S ea w a v e w as fo recasted b y the WAVEWA TC H III m o del in the Yell ow S ea and the Bo hai S ea of Dalian〃 T he pr o ducts f r o m the sea w a v e numerical fo recast s y stem include sea w a v e hei g ht，sea w a v e peri o d and sea w a v e directi o n e v er y three h o urs w ithin48h o urs，and all w ere tested〃 T he results indicate that the sea w a v e hei g ht c o uld be simulated w ell b y the WAVEWA TC H III m o del in the middle of the Bo hai S ea and TS ( T hr eat S c o re) of sea w a v e hei g ht reaches71.7%，w hile that is n o t w ell near the c o ast〃 T he anal y sis of s o me cases sh o w s that the ma x imum sea w a v e hei g ht and the trend of sea w a v e hei g ht c o uld be simulated w ell〃 T he o ccurrence time of the ma x imum sea w a v e hei g ht f r o m the m o del a g rees w ith that of the o bser v ati o n〃Mo re ov er，the simulated t wo sea w a v e peri o d cases are tested，and the l ow est err o r is0.17s〃 T he fo recast e ff ect of sea w a v e peri o d b y the WAVEWA TC H III m o del is goo d〃
K ey wo r d s: S ea w a v e fo recast; S ea w a v e hei g ht; Peri o d。