海洋工程研討會論文格式範例

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媛诞荀
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1 第屆海洋工程研討會論文集國立高雄海洋科技大學年月 Poceedings of the d Ocean Engineeing Confeence in Taiwan National Kaohsiung Maine Univesity, Decembe 台灣海域作業化 WAVEWATCH III 湧浪數值預報建置范揚洺陳家銘滕春慈朱啟豪李汴軍成功大學近海水文中心助理研究員成功大學近海水文中心系統工程師中央氣象局海象測報中心主任中央氣象局海象測報中心課長華梵大學環境與防災設計學系副教授摘要本研究目的為開發中央氣象局湧浪與風浪預報作業系統為因應湧浪預報之需求中央氣象局已於 99 年度將美國海洋大氣總署所發展之 WAVEWATCH III 波浪模式更新至最新版本 (WAVEWATCH III vesion.) 為了提昇湧浪與風浪預報模式預報準確度本研究改進與整合湧浪與風浪預報系統及校驗模式並開發預報產品資訊提供預報員預報參考現階段已完成平均周期公式修正由平均周期驗證結果顯示修正後的周期較接近實測周期且由修正周期公式前後模擬的波高顯示修正前後波高皆不改變由此驗證得知已成功修正平均周期計算結果且其他波浪參數的結果不會受到影響為了提昇預報準確度對預報模式進行率定由敏感度分析的結果顯示等三個參數對模式計算結果較為敏感進一步對參數進行率定後確實有效改善波浪模式計算結果又為了提供預報員預報產品現已完成預報產品圖形化之程式開發與製作並已每日作業化執行預報產品輸出關鍵詞 NWWIII 湧浪與風浪預報模式率定校驗 Development of Opeational WAVEWATCH III Swell Modelling fo Taiwan Wates Yang-Ming Fan * Jia-Ming Chen Chuen Tey Teng Chi-Hao Chu Beng-Chun Lee *Assisant Reseach Fellow, Coastal Ocean Monitoing Cente, National Cheng Kung Univesity ABSTRACT The pupose of this study is to test and veify the output of the WAVEWATCH III wave modeling equiing an efficient appoach to chaacteize individual significant wave height and swell wave components. The swell component is one of the impotant factos to pevent the disaste ove the Taiwan wates, whee a lot of maine activities ae inceasing ecently. Identification and sepaation of the wave enegies of wind wave and swell povide a moe ealistic desciption of the sea state, which is of geat impotance to scientific and engineeing applications. Veification esults using wave height data collected fom buoy in the Taiwan wates ae pesented. The esults show that the model esults did impove afte tuning paametes. Keywods: NWW III wave modeling; Tuning; Veification 一前言海氣象資訊對於海上航行安全影響極大惡劣 -7-

2 的海氣象如海上強風巨浪與颱風等常是造成船隻風浪預報模式預報準確度本研究改進與整合湧浪觸礁碰撞甚至傾覆等海難事件之主要原因準確與風浪預報系統及校驗模式並開發預報產品資訊的海氣象資訊對於確保航行船舶之安全非常重要提供預報員預報參考整體工作項目架構圖如圖有效的提供航行船舶最即時迅速適當等各項航行安全資訊將能有效的預防海上意外事故的發生示性波高帄均週期與帄均波向主要湧浪波高週期與波向另外近年來國人從事海洋遊憩活動頻繁完善的 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式海洋遊憩環境除了完善的硬體設施可提供遊客遊作業化次要湧浪波高週期與波向預報產品風浪波高週期與波向尖峰週期與主波向 NFS UK WRF 發生及生命財產的損失之重要一環 NCEP JMA 憩便利性外準確的海氣象資訊是減少意外災害的圖主要工作項目架構圖海洋中的波浪主要分為風浪與湧浪兩種所謂無風不起浪海洋中的波浪一般是由風力所引二 NWWIII 湧浪及風浪預報模式介紹起的這種由當地的風所產生的叫做風浪而由其它海區傳來或者當地風力迅減小或風向改變後遺留下來的浪就叫做湧浪風浪與湧浪除了產生的 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式原因不同之外在其它方面也有所不同風浪外形 (Tolman 997, 999, 9)乃是 Tolman 基於 WAM 尖削海面凌亂波長及周期都比較短湧浪在傳模式(WAMDIG 9, Komen 等人, 99)架構下在播過程中由於受到空氣阻力和海水內摩擦影響美國 NOAA/NCEP 所發展全波譜第三代波浪模式消耗不少能量導致波高減低而周期拉長所以湧在此之前 Tolman 已發展一系列 WAVEWATCH 浪的外形較為圓滑規則周期較長波長也較長波浪模式 WAVEWATCH I (Tolman 99) 及可達幾百米且湧浪的傳播速度往往比海上天氣系 WAVEWATCH II (Tolman 99)分別為 Tolman 於統的移速快得多颱風及西南氣流所引起的湧浪 Delft 科技大學與 NASA Goddad Space Flight Cente 往往可作為這些天氣系統來臨的先兆所完成 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式是湧浪一般具有巨大的能量當它傳到淺海時以 WAVEWATCH I 與 WAVEWATCH II 模式為基波浪底部受海底地形影響發生變形效應波浪底礎而發展 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式部因受海底摩擦停滯不前而波峰卻以原來的速度在所有主要方面如控制方程式模式結構數值及前進這樣就使波長越來越短波高越來越大最物理方法皆異於後發生波峰卷倒和波浪破碎的現象所以雖然風和 WAVEWATCH II 模式 WAVEWATCH I 及日麗海面平靜湧浪對身處岸邊或在近岸海面活 Tolman 利用周波數與波向在水深地形變化所動的人士構成威脅如每每颱風尚未抵達台灣前造成的波浪成長及消散物理現象中保持既有定義的即使岸邊的風浪還不是很大但因湧浪已逐漸傳遞特性及波浪作用力在流場存在時依然保持守恆的性至近岸對岸邊活動的民眾威脅很大又如民國 9 質發展 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式以年 9 月日高雄左營軍港外. 浬處發生潛艦艦長求解作用力密度波譜平衡方程式來解析周波數-方落海事件艦艇受到突然的大浪拍擊此大浪即有向波譜平衡方程式應用時於模式計算過程時假可能是西南氣流引起的湧浪因此為了減少意外災設波浪場流場及地形水深於空間和時間尺度上變害的發生及生命財產的損失湧浪預報工作刻不容化遠大於單一波浪的尺度變化本研究使用 WAVEWATCH III 最新湧浪及風緩本研究目的為開發中央氣象局湧浪與風浪預報浪預報模式版本. 版此版本已包含數種可應用作業系統為因應湧浪預報之需求中央氣象局已於深海及近岸波浪場之參數化物理源函數如風能於 99 年度將美國海洋大氣總署所發展之輸入非線性交互作用波能消散底床摩擦碎 WAVEWATCH III 波浪模式更新至最新版本波效應及波浪與底床交互作用產生的散射效應 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式模擬範 (WAVEWATCH III vesion.) 為了提昇湧浪與 -7-

3 圍是東經 99 度到度北緯度到度又本為了驗證平均周期修正後的正確性將修正前模式屬於大尺度模擬故模式空間解析度依照不同後結果與實測值比較討論利用不同風場驅動數值的大氣風場分為. 及. 度時間解析度為一天波浪模式計算得到的修正前後周期與資料浮標觀測四次(UTC 6UTC UTC UTC)預報未來周期比較時序列圖如圖 ~圖所示以 NCEP 風 7 小時波浪資訊每小時輸出模式產品場模擬的波浪為例由圖顯示修正後的周期小於修正前的周期又由圖與圖顯示修正後的周期三 NWWIII 湧浪及風浪預報模式帄均周期公式修正較接近實測周期數值波浪模式的波浪參數值是由計算波浪能量由 WAVEWATCH III 產出湧浪及風浪預報模得到因此為了確認修正程式碼後不會造成波浪能式產品中發現模式的計算平均周期公式與中央氣量的增減可由任一波浪參數來判斷本研究以波象局資料浮標的計算平均周期公式不同然而為了高參數為例因為波高與波浪能量之間是平方關係後續率定校驗及預報統計誤差等工作有必要以圖顯示修正周期公式前後模擬的波高圖中顯示中央氣象局資料浮標的計算平均周期公式為基準修正前後波高皆不改變由此驗證得知平均周期計對模式的原始程式碼著手修正修正前後結果將與算公式已完成修正且其他波浪參數的結果不會受實測值比較討論以證明本項工作的正確性到影響 AVN NWWIII 湧浪及風浪預報模式平均周期公式為 Tm / F ( f, )df d F ( f, )df d 故()式可改寫為 F ( f, )df d F ( f, )df d Tm F ( f, )df d m f f / / 6/ TM ww(avn) ww(jma) ww(nfs) ww(avn) ww(wf) ww(jma) ww(nfs) ww(wf) 6 / / / / /6 /7 / Date(MAY, ) / / / / / / / / / /6 /7 / Date(MAY, ) / /6 /7 / Date(MAY, ) /9 / /9 /9 / / / 6/ / / 6/ 6/ 圖修正前的周期與實測周期比較時序列圖 TM () (S ( f ) d ( f )) f TM ww(avn) ww(avn) ww(jma) ww(jma) ww(nfs) ww(nfs) ww(wf) ww(wf) 6 6 / / f /9 ORIGINAL / (S ( f ) d ( f ) f / /6 /7 / Date(MAY, ) ORIGINAL 然而中央氣象局資料浮標周期公式為其中 m / 6 () m m Tzeo m / 6 / 圖修正前後的周期與實測周期比較時序列圖-以 JMA NCEP 風場模擬波浪 WW(oiginal) E 其中 E () WW(oiginal) TM 6. 帄均周期公式差異 / / / / / / / /6 /7 / Date(MAY, ) / /6 /7 / Date(MAY, ) /9 /9 / / / 6/ / 6/ 圖修正後的周期與實測周期比較時序列圖 ) 此為波譜零次矩與 AVN 6 波譜二次矩之比值明顯與()式不同故必須由原始程式碼著手修正檢視 NWWIII 湧浪及風浪預報模式的程式碼修正後的檔案已更新於中央氣象局的湧浪與風浪預報作業系統 WW(oiginal) TM. 帄均周期修正後的驗證 / / / / / /6 /7 / Date(MAY, ) /9 / / 6/ /9 / / 6/ JMA 6-7- WW(oiginal) TM / / / / / /6 /7 / Date(MAY, )

4 NORMALIZED CUMULATIVE ERROR PERCENTAGE(%) 圖修正前後的波高與實測波高比較時序列圖-以 NCEP 風場模擬波浪四 NWWIII 湧浪及風浪預報模式參數率定波浪模式所採用的經驗公式包含許多經驗參數參數設定對預報結果具有很大的影響有鑒於經驗參數為模式發展者依據當地海域現場觀測資料所率 WDTHCG WDTHCG GAMMA SELECTED PARAMETER 圖 7 累積參數個數之敏感度分析誤差定出來而當地海氣象與台灣海域面對海氣象有相. 經驗參數率定當大的差異因此波浪模式應用海域的不同模式的參數也會有不同的設定此外隨著波浪模式的依據 Lee et al.(9) 提出的率定方法配合實逐步發展模式預設參數不見得適用於新增加的物測資料進行參數率定圖 ~圖以黑色實線表示理機制和數值方法所以必須重新迴歸新的參數設測站示性波高資料藍色點線表示模式初始設定參定值以符合新的模式架構數計算結果紅色點線表示經率定參數模式計算結. 參數敏感度分析果圖中顯示四種分別利用不同風場模擬的波浪經本研究以參數敏感度分析找到影響模式輸出結參數率定後接較初始設定參數計算結果更趨近測果最為顯著之經驗參數選取分析的參數為站資料表與表為參數率定前後統計誤差結果在數據上皆顯示參數率定後可有效改善波浪模式計 FLAGTR(預設值= ) GAMMA(預設值= -.67) 算結果 WDTHCG(預設值=.) (預設值=.) STATION : TAITUNG OPEN OCEAN WIND DATA: NCEP (預設值=.) (預設值=.) ( 預設值 =.) ( 預設值 =) 其中 GAMMA WDTHCG 是參考 NOAA 執行的種 WAVEWATCH 模式設定分別為依據使用手冊建議風浪成長項中的可調整參數 / / / / 分別為依據使用手冊中建議非線性波波交互作用項 / /9 / / 圖 NCEP 風場模式結果在台東外洋浮標之示性波高時序列比對圖中的可調整參數圖 6 與圖 7 為敏感度分析的結果圖中顯示 STATION : PRATAS WIND DATA: NCEP 計算結果較為敏感等三個參數對模式 NORMALIZED ERROR PERCENTAGE(%) / /6 /7 Date ( Nov, )..6 /. / / / / /6 /7 Date ( Nov, ) / /9 / 圖 9 NCEP 風場模式結果在東沙島浮標之示性波高時序列比對圖. GAMMA WDTHCG PARAMETER 圖 6 各參數敏感度分析誤差 -76- /

STATION : TAITUNG OPEN OCEAN WIND DATA: WRF GRIB HDF binay 及 ascii 等多種格式檔案的資料存取數值分析及圖形化之編程語言擁有眾多內建數值分析函式與強大的圖形化能力在氣象與模式方面的數據處理及繪圖皆有廣泛應用.

5 STATION : TAITUNG OPEN OCEAN WIND DATA: WRF GRIB HDF binay 及 ascii 等多種格式檔案的資料存取數值分析及圖形化之編程語言擁有眾多內建數值分析函式與強大的圖形化能力在氣象與模式方面的數據處理及繪圖皆有廣泛應用. 產出的波浪參數 / / / / / /6 /7 Date ( Nov, ) / /9 / WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式可輸出 / 多種平均波浪參數的網格場域資料圖 WRF 風場模式結果在台東外洋浮標之示性波高時序列比對圖 WAVEWATCH III 湧浪及風浪預報模式自動輸出波浪參數資料包含 ()示性波高平均週期與平均波 STATION : PRATAS WIND DATA: WRF 向 ()主要湧浪波高週期與波向次要湧浪波高週期與波向 ()風浪波高週期與波向 ()尖峰週期與主波向. 圖形化預報產品應用 NCL 繪圖軟體將 WAVEWATCH III 湧浪 / / / / / /6 /7 Date ( Nov, ) / /9 / / 與風浪預報模式所輸出波浪參數資料圖形化繪製圖 WRF 風場模式結果在東沙島浮標之示性波高時序列比對圖出波浪等值圖與方向波譜圖.. 波浪等值圖表 NCEP 風場率定前後誤差統計分析表東沙島浮標站波浪參數等值圖如圖除了呈現波高分佈情台東外洋 BIAS RMSE SI CR..6.. 形外更提供風浪波高風浪週期湧浪波高湧浪週期及湧浪波向等資訊表 WRF 風場率定前後誤差統計分析表東沙島浮標站台東外洋 BIAS RMSE SI....9 CR 圖波浪參數等值圖五 NWWIII 湧浪及風浪預報模式預報內容與產品.. 方向波譜圖為了進一步檢視風浪與湧浪的正確性本研究為了開發預報產品資訊提供預報員預報參考繪製方向波譜圖如圖除了呈現波譜在方向與頻本章節應用 NCL 繪圖軟體將 WAVEWATCH III 湧率分佈趨勢外同時在圓心處以箭頭表示風的來向浪與風浪預報模式所輸出產品圖形化繪製出波浪由於風浪一般是由風力所引起的若風向與波向相等值圖方向波譜圖波浪時序列圖及波浪與實測近時此波浪為風浪相反的若風向與波向相差統計誤差分析圖甚遠時則此波浪為湧浪因此預報員可由風湧浪 NCL(The NCAR Command Language)是由美國特性與方向波譜圖判讀海況國家大氣研究中心研發的軟體可支援 netcdf -77-

pp. 9. Lee, B.C., Fan, Y.M., Chuang, Lauence Z.H. and Kao, C.C. (9) Paametic Sensitivity Analysis of the WAVEWATCH III Model, Teestial, Atmospheic & Oceanic Sciences, Vol., pp. -.. Tolman, H.L. (99) A Thid-geneation Model fo Wind Waves on Slowly Vaying, Unsteady and Inhomogeneous Depths and Cuents, J.

6 pp. 9. Lee, B.C., Fan, Y.M., Chuang, Lauence Z.H. and Kao, C.C. (9) Paametic Sensitivity Analysis of the WAVEWATCH III Model, Teestial, Atmospheic & Oceanic Sciences, Vol., pp. -.. Tolman, H.L. (99) A Thid-geneation Model fo Wind Waves on Slowly Vaying, Unsteady and Inhomogeneous Depths and Cuents, J. Phys. Oceanog.,, pp Tolman, H.L. (99) Effects of Numeics on the 圖方向波譜示意圖 Physics in a Thid-geneation Wind-wave Model, 六結論 J. Phys. Oceanog.,, pp. 9.. Tolman, H.L. (997) Use Manual and System 本研究為了提昇湧浪與風浪預報模式預報準確 Documentation of WAVEWATCH-III Vesion 度改進與整合湧浪與風浪預報系統及校驗模式., NOAA / NWS / NCEP / OMB Technical 並開發預報產品資訊提供預報員預報參考結論說 Note, 97 pp. 明如下. Tolman, H.L. (999) Use Manual and System 由平均周期驗證結果顯示修正後的周期較接近 Documentation of WAVEWATCH-III Vesion 實測周期且由修正周期公式前後模擬的波高顯示., NOAA / NWS / NCEP / OMB Technical 修正前後波高皆不改變由此驗證得知平均周期計 Note 66, pp. 算公式已完成修正且其他波浪參數的結果不會受. Tolman, H.L. (9) Use Manual and System 到影響由敏感度分析的結果顯示., NOAA / NWS / NCEP / MMAB Technical 等三個參數對模式計算結果較為敏感進 Note 76, 9 pp.+ Appendices. 一步對參數進行率定後確實有效改善波浪模式計算. WAMDIG, (9) The WAM model a Thid 結果 Geneation Ocean Wave Pediction Model, J. 為了提供預報員預報產品現已完成預報產品 Phys. Oceanog.,, pp 圖形化之程式開發與製作並已每日作業化執行預報產品輸出預報員可由風湧浪特性波浪等值圖與方向波譜圖判讀海況做出正確的湧浪預報謝誌本論文係中央氣象局委外開發設計案災害性天氣監測與預報作業建置計畫-改善海象預報作業之研究成果承蒙中央氣象局經費之補助使本研究得以順利完成謹致謝忱參考文獻. Komen, G.J., Cavalei, L., Donelan, Documentation of WAVEWATCH III Vesion M., Hasselmann, K., Hasselmann, S. and Janssen, P.E.A.M. (99) Dynamics and Modelling of Ocean Waves, Cambidge Univesity Pess, -7-

Microsoft Word - ACI chapter00-1ed.docx

Microsoft Word - ACI chapter00-1ed.docx 前言 Excel Excel - v - 財務管理與投資分析 -Excel 建模活用範例集 5 相關平衡敏感 - vi - 前言模擬 If-Then 規劃 ERP BI - vii - 財務管理與投資分析 -Excel 建模活用範例集 ERP + BI + ERP BI Excel 88 Excel 1. Excel Excel 2. Excel 3. Excel - viii - 前言 1.