1995年1月1日,协调世界时15分,北海Draupner天然气平台上的向下看激光记录了测量仪器检测到的最著名的反常波。波浪高25.6米,波峰高18.5米(方框A)。据估计,该地区的有效波高约为12米。测量结果证实了巨大流氓波的存在,此前水手们曾轶事地报道过这种情况。它引发了一系列研究,旨在确定当时的气象和海浪状况,并对这一事件提供物理解释。
二维波能谱:波能在频率和方向上的分布。这个数量是任何现代波浪模型的预测变量。
波峰高度:波顶与未受干扰水面之间的高度。
有效波高:波谱积分平方根的四倍。它与最高三分之一波浪的平均高度密切相关。
涌浪:源自遥远风暴且不受当地风影响的波浪系统。
波峰周期:对应于1D波能谱最高值的频率的倒数。
ECMWF最近制作的高分辨率回顾性预报(事后预测)以前所未有的细节展示了1995年1月1日风场、气压场和波场的演变,并为Draupner波事件的发生提供了新的线索。他们认为,由向南移动的极低层驱动的波浪与大量的本地风生波浪系统相互作用,产生了有利于观测到的大型流氓波的条件。
Cavaleri等人(2016a)对Draupner波起源的研究进行了概述。Sunde(1995年)报告了详细的分析,Haver(2004年)总结了详细的分析。据经常报道,位于瑞典上空的一个低压产生了强劲的西北气流,导致大量的东南传播波覆盖整个北海。Adcock等人(2011年)利用了基于ERA中期再分析数据的专门再分析。ERA过渡系统使用ECMWF的综合预测系统(IFS)的模型周期31r2,以更高的分辨率运行(TL799,对应于约25公里的水平网格间距),以产生新的情况调查。然而,阿德科克等人的模拟分辨率仍然过于粗糙,无法捕捉事件的细节。这里报道了一个新的、非常详细的总体情况描述,这是以前没有的。通过使用高分辨率预报的当前分辨率TCo1279(相当于约9 km的水平网格间距)(Hólm et al.,2016),利用IFS周期41r1而非41r2(目前已用于TCo1279的操作引入)对气象和波浪条件进行后测,获得了该数据。
Draupner风暴被建模为一系列预测,从TL799再分析提供的初始条件开始。模拟中使用的模型版本受益于用于ERA过渡的IFS周期31r2和IFS周期41r1之间的所有模型升级。
本文报告的所有结果均从分析开始获得,有效期为1995年1月1日00 UTC。图1提供了1月1日气象条件的顺序视图。一个低压系统集中在瑞典上空。协调世界时00时(图1a),挪威海岸外清晰可见极低。它带来了来自北方的冷空气的能量增加。在Draupner(由每个面板中心附近的黑色三角形表示),风向约为315°(即西北风)。在接下来的12小时内(图1b-c),极地低压迅速向南移动,其西侧风速增加。它在大约15 UTC时到达德拉普纳纬度(图1d)。在平台区域,当时10米的风速超过20米/秒,方向转向更北。在接下来的几个小时里,低压继续向南和东南移动,大约在午夜时分到达靠近德国边境的荷兰海岸。
如图2所示,极低之后有一大片向南传播的波。对二维波浪能谱的详细分析表明,在畸形波事件发生时,平台上存在部分横渡海况。图中还显示了ECMWF当时获得的少量现场波高观测值。在Draupner,最大模拟有效波高接近11米,比报告高度低约1米。在分析极低层的运动时,出现了一个有趣的细节。
根据模型输出,可以直接估计出低压移动的速度约为15 m/s。这对于动态波的产生来说太快了,即对于一个波系统来说,它以与低压相同的速度移动,并持续接收来自低压的能量。对于15m/s的波群速度,相应的波峰周期约为19s,这比Draupner风暴研究中通常发现的要大得多。
然而,考虑到当时的气象条件,可以假设在该频率范围内或略低于该频率范围内存在波能。这些波分量随着风暴移动,同时接收来自与大部分风-海频谱的非线性相互作用的能量(而不是直接来自风,因为它们的相速度高于风速)。因此,最高波浪的区域遵循低潮的轨迹。Cavaleri等人(2016a)将其解释为频谱中的“动态锁定”低频部分,该部分由频谱中的风海部分的非线性相互作用提供,并随着风暴以相同的速度移动。只有在协调世界时15分,当低潮中心经过Draupner区域附近时,“锁定”低频波分量与大量本地风力发电系统一起出现。
显然,高水平分辨率是这一最新模拟成功的关键因素。正如Cavaleri等人(2016a)所示,在TL799上进行同样的实验并不会产生一个明确的极低,而是一个在瑞典上空的大尺度环流中嵌入了略强风的区域。类似地,通过将TL799运行与专用再分析的相应预测进行比较,结果表明,自ERA过渡以来的模型改进也是一个促成因素,因为与旧模型相比,强风区域更受限制。
至于这一事件的可预测性,长期预测并不擅长预测极低的演变。早期分析没有相关信息可能有几个原因,分辨率就是其中之一。极地低压只有在向南移动时,才能在分析地图上看到。它从遥远的北方(约66°N)到荷兰海岸的整个飞行轨迹不到24小时。在协调世界时1月1日之前,没有关于其存在的线索,因此也没有可能的预测。这表明缺乏观测,由于人们对北极的强烈兴趣,目前这种情况可能正在得到缓解。例如,EUMETNET在该地区部署了额外的海洋浮标,可以高精度测量表面压力。
基于上述模拟,Cavaleri等人(2016b)分析了Draupner波,借鉴了最近关于极端波分布和波峰高度的研究成果。从这个有利的角度来看,德拉普纳事件,就像文献中报道的大多数大浪一样,失去了许多围绕它的神秘感:这样的波浪是大风暴的一个常规部分,遇到它们只是一个概率问题,取决于所考虑的时空尺度。
在排水器的情况下,波浪条件,包括高度和光谱形状,使得遇到特别高的波浪和波峰的可能性特别大。由于两个交叉低频波系统的存在,这种事件发生的概率可能会增加。由于国际单项体育联合会最近的改进和分辨率的提高,只能对这两个系统进行适当的建模。Cavaleri等人(2016b)引入了“动力涌浪”的概念,以确定波谱中随风暴移动而不接收风能量的部分,因为其相速度较高,但通过风海谱活跃部分的非线性相互作用,波谱变得更具能量。这种情况可能比人们想象的更常见,尤其是在快速移动的风暴中。
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