周媛媛，周 林，關 皓

（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101；2.解放軍61741部隊，北京100085）

西北太平洋三臺風影響下海浪的數(shù)值模擬研究

周媛媛1，周 林1，關 皓2

（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京211101；2.解放軍61741部隊，北京100085）

采用NCEP-FNL（Final Operational Global Analysis）再分析風場資料及WW3（WAVEWATCHⅢ）海浪模式對2015年連續(xù)發(fā)生的1509號臺風“燦鴻”、1510號臺風“蓮花”和1511號臺風“浪卡”進行數(shù)值模擬。通過與衛(wèi)星高度計資料和浮標觀測資料對比，驗證了模擬結(jié)果的有效性，并分析臺風浪的特征。結(jié)果表明：采用再分析風場資料驅(qū)動WW3海浪模式，較好地模擬了3個臺風影響下西北太平洋海浪場的分布和演變特征；模擬波高與遙感的軌道波高資料相關性超過0.7，平均相對誤差小于0.23，風速誤差是造成模擬誤差的主要原因；臺風浪的大小不僅取決于臺風強度，還受海域的影響。近海海域由于海岸與島嶼的阻礙，波浪能量頻散受到抑制，易產(chǎn)生局地巨浪；而深海大洋開闊海域，易于臺風浪能量傳播。本文相關結(jié)論為臺風浪的定量預報及防災減災提供有益參考。

WAVEWATCHⅢ海浪模式；數(shù)值模擬；臺風浪；有效波高

1 引言

海浪作為海洋環(huán)境中一個極其重要的海洋現(xiàn)象，與人類的生產(chǎn)和生活密不可分，其在海洋動力環(huán)境和海氣相互作用等研究領域占有重要的地位，同時也對海洋開發(fā)、海上運輸具有重要影響[1-2]。作為海浪的一種，臺風浪對人們的影響十分巨大。臺風是形成于26℃以上廣闊熱帶洋面上的熱帶氣旋，較強的臺風中心風速可達50 m/s，在強風作用下，常常會在廣闊的洋面上形成十幾米，甚至幾十米的巨浪[3]。臺風浪能量巨大、破壞力強，往往會造成重大的海難事故和對海洋工程的破壞[4-5]。因此，研究臺風過程中波浪場的分布和演變特征，對臺風浪進行準確的預報，對于防災減災、海洋工程、海上艦船活動等具有重要意義。

海浪數(shù)值模式是研究海浪演變過程和機理、進行海浪業(yè)務化預報和分析的主要手段和重要工具[6]。前人基于海浪模式，對不同天氣背景下的波浪傳播過程及特征開展了大量研究工作。齊義泉等[7]運用WW3海浪模式模擬了1996年整年的南海海域的海面風浪場，并與TOPEX/Poseidon（T/P）高度計觀測資料對比，結(jié)果表明：模式對海浪場具有較好的模擬效果。從空間上看，在計算區(qū)域中心附近海域的結(jié)果一致性較好；從時間上看，冬季風期間的結(jié)果一致性較好。鄭崇偉等[8]、孔叢穎等[9]分別利用WW3模式模擬西北太平洋臺風浪的分布特征，通過與實測資料對比，驗證了海浪模式對臺風浪模擬的有效性，同時得到臺風影響下臺風浪波高的空間分布具有與海面風場近似的非對稱結(jié)構(gòu)，波高對風速有很強的依賴性。張瀝等[10]驗證了WW3和SWAN（Simulating WAves Nearshore）海浪模式，對東中國海的臺風“圓規(guī)”所致的臺風浪的模擬效果，結(jié)果表明，兩個模式對臺風浪有效波高都具有較高模擬精度，并且WW3模式模擬效果略優(yōu)于SWAN。以上研究驗證了在不同季節(jié)以及特殊天氣（臺風）條件下，海浪模式對中國海海浪的模擬效能，但前人在模擬研究臺風時，大多只研究了單一臺風海浪場，對多臺風尤其是三臺風浪場的模擬較少見。為了研究三臺風同時出現(xiàn)時的海面浪場分布特征，本文選取一次西北太平洋“三臺”共同影響的極端個例，對海浪模式的模擬效果進行研究，并進一步分析3個臺風引起的海浪場的分布和演變特征，為未來臺風浪的準確預報提供有益參考。

2 方法模式及資料簡介

2.1 模式及資料

本文采用的WAVEWATCHⅢ模式（V3.14）是Tolman在第三代海浪模式WAM（Wave Model）的基礎上發(fā)展起來的，是當前國際上最成熟的幾個海浪數(shù)值模式之一[11]，具有穩(wěn)定性好、計算精度高等特點,目前已經(jīng)成功運用于全球和區(qū)域尺度的海浪業(yè)務預報[2]。

模式運行所使用的地形資料來自于ETOPO5全球水深數(shù)據(jù)，分辨率為5'×5'。風場采用NCEPFNL（Final Operational Global Analysis，全球分析資料，是由美國國家環(huán)境預報中心NCEP制作提供的再分析資料，以下簡稱為FNL）10 m風場資料，其空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6 h。臺風觀測數(shù)據(jù)來自于中國上海臺風研究所發(fā)布的臺風資料。

檢驗利用Jason-2衛(wèi)星高度計資料。Jason-2為Jason-1后繼星，采用回歸軌道，工作在Ku波段或C波段[12]，周期為9.9 d，全球數(shù)據(jù)覆蓋范圍為66°N—66°S。該衛(wèi)星可以測量全球海平面的變化情況及大洋上風速和波高的數(shù)值[13]，其海面高度的測量精度達到2—3cm，風速為1.5m/s[14]。本文選取模式試驗周期內(nèi)Jason-2衛(wèi)星軌道上訂正后的測量波高和風速數(shù)據(jù)，檢驗WW3模式對臺風影響條件下海浪場的模擬效果。同時，本文利用位于黃海、東海和南海的浮標觀測數(shù)據(jù)，對模式波高進行驗證。

2.2 個例選取

2.2.1 臺風“燦鴻”、“蓮花”、“浪卡”簡介

1509號臺風“燦鴻”于2015年6月30日20時（北京時，下同）在西北太平洋洋面上生成。在發(fā)展過程中，其東西和南北方向的螺旋云帶覆蓋范圍直徑達1 500—2 000 km左右，臺風核心區(qū)的直徑有1 000 km。

圖1 1509號臺風“燦鴻”、1510號臺風“蓮花”、1511號臺風“浪卡”移動路徑圖

繼“燦鴻”之后，2015年第10號臺風“蓮花”與第11號臺風“浪卡”于7月2日晚和7月4日凌晨相繼生成，這也是2015年以來西北太平洋上第一次出現(xiàn)3個臺風共存的局面（見圖1），從7月4日02時—10日02時，長達6 d。

2015年7月9日12時15分，臺風“蓮花”在廣東省陸豐市甲東鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心附近最大風力有12級，中心最低氣壓為970 hPa。登陸后繼續(xù)向偏西方向移動。

“燦鴻”于2015年7月11日強度達到超強臺風級，中心附近最大風力為17級（58 m/s），11日16時40分，“燦鴻”在浙江省舟山朱家尖登陸，浙江福建多地出現(xiàn)暴雨。登陸時中心附近最大風力有14級，風速45 m/s，屬于強臺風級。“燦鴻”于2015年7月13日凌晨在朝鮮西南部地區(qū)減弱為熱帶低壓。“燦鴻”具有“強度強、生命史長、體積龐大”等特點。

“浪卡”生成后沿西偏北方向移動，13日突然折向偏北方向。17日下午，“浪卡”以25 m/s以上風速穿越日本四國地區(qū)，進入日本海。由于移動路徑較偏東，“浪卡”對中國海域未有明顯影響。

在1949—2014年的65 a間，有近100次三臺風同時存在的情況。平均每年1.5次。但3個臺風同時存在的時間很短，最短的大約只同時存在幾個小時。因此，此次三臺風共存時間較長是比較罕見的[15]。

2.2.2 臺風形成的天氣形勢背景

在臺風形成初期，東亞大陸東部的大槽較深，西太平洋副熱帶高壓呈明顯的東西向分布，500 hPa的588 dagpm線向西延伸至約125°E，臺風“蓮花”生成后受到副高位置的影響，持續(xù)向西移動。臺風“燦鴻”生成后沿副高南部向西北方向移動，由于東亞大槽的影響，副高略向東撤，其對“蓮花”的影響減弱，“蓮花”的移動路徑總體呈西北方向。隨后生成的臺風“浪卡”位于副高南部，持續(xù)向西北移動，此時，東亞大槽已到達日本以東海域。當“燦鴻”登陸時，副高明顯東撤，“燦鴻”在500 hPa東北-華北的高空槽引導下開始轉(zhuǎn)向，向北偏東方向移動。此時副高已斷裂，其主體位于155°E以東，在日本四國南部，有一弱的副高單體，浪卡在此南部，移速緩慢。隨著“燦鴻”北移消失，副高再次西進至145°E，“浪卡”位于副高西側(cè)，在偏南氣流的引導下，在還未進入我國臺風48 h警戒線便已經(jīng)轉(zhuǎn)向，向北移動（圖略）。

2.2.3 模式設置

根據(jù)臺風個例情況，模式計算范圍取為5°S—50°N，99°—160°E，空間分辨率0.25°×0.25°；風場數(shù)據(jù)為全球風場，采用雙線性插值方法插值到模式計算網(wǎng)格；模式運算時間步長取為900 s，結(jié)果輸出時間間隔為3 h。模式模擬計算時間為2015年7月1日12時—18日00時（世界時，下同），包含了3次臺風過程。

3 臺風浪的特征分析

3.1 臺風浪的時間分布

09號臺風“燦鴻”自太平洋海域生成后，逐漸發(fā)展并向西移動，于7月4日稍有減弱，5日再持續(xù)增強，發(fā)展至10日時達到最強，其中心位于東海海域，大約在27°N，125°E附近，海面最大波高約為16 m，中心最大風速達40 m/s。隨后，于11日12—18時之間登陸，之后，臺風中心向日本海移動，強度逐漸減弱。

圖2 最大有效波高和最大風速變化對比圖

圖3 最大有效波高和中心最低氣壓變化對比圖

10號臺風“蓮花”于7月2日生成于菲律賓群島以東洋面，逐漸發(fā)展并向西北移動，8日達到最強，其中心位于臺灣島西南附近，海面最大浪高約為6 m，最大風速達30 m/s，后逐漸減弱消失。

11號臺風“浪卡”于太平洋海域生成后逐漸向西移動發(fā)展，于10日達到最強，海面最大波高約為17 m，中心最大風速達54 m/s，之后臺風中心逐漸向北移動減弱。

圖2—3分別為“燦鴻”、“蓮花”、“浪卡”臺風中心附近的最大有效波高與最大風速的時間變化圖和最大有效波高與中心最低氣壓變化圖。最大有效波高為模式模擬的數(shù)據(jù)，風速為NCEP資料插值所得，中心最低氣壓為中國上海臺風研究所發(fā)布的實測數(shù)據(jù)。當臺風位于我國臺風48 h警戒線以外時，臺風數(shù)據(jù)每6 h發(fā)布一次；當臺風位于我國臺風24 h警戒線以外、48 h警戒線以內(nèi)時，臺風數(shù)據(jù)每3 h發(fā)布一次；當臺風位于我國臺風24 h警戒線以內(nèi)時，臺風數(shù)據(jù)每1 h發(fā)布一次。因此為了對應模式3 h一次的數(shù)據(jù)，將6 h發(fā)布一次的中心氣壓值插值為3 h一次。由于模擬時間范圍比“燦鴻”生成略晚、“浪卡”消失略早，“蓮花”末期于廣東省附近登陸，且7月6日12時之前，“浪卡”未進入模擬區(qū)域，因此選取“燦鴻”的數(shù)據(jù)時間范圍為7月1日12時—7月12日15時，“蓮花”的數(shù)據(jù)時間范圍為7月2日12時—7月9日06時，“浪卡”的數(shù)據(jù)時間范圍為7月6日12時—7月17日18時。從圖2可以看出，三臺風中心的臺風浪的最大有效波高與近中心最大風速的演變趨勢較吻合，大風對應大浪?？傮w上看，臺風浪最大有效波高與中心氣壓呈反比，除“燦鴻”的有效波高最大值比中心氣壓最小值的發(fā)生時間略偏早以外（見圖3a），其余的反比趨勢均有較好對應（見圖3b—c）。

由于“燦鴻”和“浪卡”均達到強臺風級，因此計算二者級別較強時間段（7日00時—10日12時）的最大風速、最大波高和移速平均值進行對比（其中移速為實測值），見表1。

表1 “燦鴻”和“浪卡”一定時間范圍內(nèi)的風速、波高、移速平均值

圖4 臺風發(fā)生期間的海面風場和模擬海浪場（背景色代表海浪場，白色箭頭代表風向，箭頭長度代表風速/(m/s)）

從表1中可以看出：在計算時間段內(nèi)，“浪卡”的平均最大風速比“燦鴻”大，而平均移速相對較慢，但是二者的平均最大波高相近。說明在此時間段，臺風所在海域?qū)ε_風浪有較大的影響。“浪卡”位于開闊的大洋海域，有利于能量的傳播。而“燦鴻”所在位置偏西，靠近我國近海（見圖4b—c），受到海岸線與島嶼的影響，能量頻散受到抑制，使得波高的梯度和極值較大。因此，位于近岸或狹長海域的臺風更容易造成災害性海浪過程，在臺風預報警報中應重點關注。

圖5 模式結(jié)果與Jason-2衛(wèi)星實測資料比較（“燦鴻”的空間范圍為17°—25°N，135°—145°E；“蓮花”的空間范圍為15°—25°N，120°—130°E；“浪卡”的空間范圍為10°—25°N，140°—160°E；正偏差表示觀測值較大）

3.2 臺風浪的空間分布

從臺風生成、發(fā)展到減弱消失，均伴隨有臺風浪的生成。通過WW3模式模擬生成的臺風浪場，來分析臺風浪的特征。圖4是三臺風在傳播的起始、增強和減弱階段的臺風浪場和海面風場。

從圖中可以看出：模擬的臺風浪場分布很好的對應了3個臺風的移動和發(fā)展過程，模式對臺風的大浪區(qū)刻畫的較為準確。臺風浪有效波高大值區(qū)隨臺風中心的移動而移動，最大波高位于臺風最大風速半徑范圍內(nèi)；在外海，臺風浪形狀較規(guī)則，主要受風場影響，其分布形態(tài)與臺風云系結(jié)構(gòu)有很好的對應（圖略）；在沿岸海區(qū)，臺風浪分布受地形影響顯著。

4 模式驗證

4.1 模式結(jié)果與衛(wèi)星資料的對比驗證

本文使用Jason-2衛(wèi)星高度計實測資料，分別選取在一定經(jīng)緯度范圍內(nèi)靠近臺風路徑的衛(wèi)星軌道上的觀測數(shù)據(jù)，與模式生成的波高和再分析風速插值所得的數(shù)據(jù)進行對比（見圖5a—f）。

從圖5中可以看出：無論是波高還是風速，模擬的結(jié)果都與實測結(jié)果較接近，且波高與風速的變化趨勢一致，波高與風速大小呈正相關關系。對上述6個比較結(jié)果進行相關性分析和誤差分析，可以看出：3個臺風的模擬波高與衛(wèi)星高度計資料的相關性較高，相關系數(shù)達到0.7以上，均通過顯著性水平為0.01的信度檢驗，因此模式對三次臺風過程的模擬效果較好。對比不同臺風過程的模擬結(jié)果，可以得到模擬波高偏差方向與風速偏差方向一致，模擬波高與實測資料的相關性也直接受風速相關性影響，因此，風速誤差是造成海浪模式波高模擬誤差的主要原因。此外，“蓮花”過程海浪模擬誤差較大除考慮模式本身模擬誤差外，還要考慮臺風路徑靠近大陸沿岸，衛(wèi)星資料本身測量誤差的影響。對比以上3部分數(shù)據(jù)，大洋海域與近海相比，相關系數(shù)更高，偏差更小，說明模式在大洋海域模擬的效果更準確。

圖6 浮標站分布圖

4.2 模式結(jié)果與浮標資料的對比驗證

為驗證在近海海區(qū)該模式對有效波高的模擬效果，分別在黃海、東海和南海選取較為典型的4個浮標（浮標位置如圖6），將模擬波高與4個浮標站點收集到的波高數(shù)據(jù)進行對比分析（見圖7）。

圖7 模式結(jié)果與浮標站點實測資料的比較

從圖7可見，模式的波高與浮標的實測波高在增減趨勢上較一致，其最大值比浮標觀測的值略小，但差值不大。將上述4個對比結(jié)果進行相關性分析，可以看出，各浮標的波高資料與模擬的波高相關系數(shù)達到0.85以上，均通過顯著性水平為0.01的信度檢驗，相關性很高，均方根誤差和平均相對誤差較小。除了福建浮標0087，其余3個浮標的偏差均較小，0087偏差較大的原因可能是因為浮標靠近海岸，受到岸界的影響，使模擬的波高比實際波高偏大?？傮w看來，模式模擬的波高與浮標的實測波高較接近，模擬的效果較好。

圖8 海面波高（m）隨經(jīng)度和時間的變化

選取浮標所在的兩個緯度上的波高數(shù)據(jù)，研究同一緯度的波高隨時間的變化。圖8a是福建浮標QF306所在緯度的波高數(shù)據(jù)，明顯看出圖中有兩個大值中心，西邊的為臺風“燦鴻”，東邊的為臺風“浪卡”，在120°E有一小片區(qū)域比周圍數(shù)值略大，此為“蓮花”。波高的大值區(qū)隨時間變化而向西移動。圖8 b是福建浮標0087和溫州外海浮標所在緯度的波高數(shù)據(jù)，圖中也可看出兩個明顯的臺風浪大值區(qū)隨著時間向西移動。對比浮標驗證數(shù)據(jù)，福建浮標0087所在的121°E的數(shù)據(jù)從7日18時—10日06時一直呈現(xiàn)增大的趨勢，溫州外海浮標所在的112.3°E的數(shù)據(jù)從9日00時—12日15時呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，均有較好的對應關系。

5 結(jié)論

采用FNL再分析10 m風場資料，通過WW3模式對1509號臺風“燦鴻”、1510號臺風“蓮花”和1511號臺風“浪卡”進行數(shù)值模擬，并通過模式結(jié)果與衛(wèi)星高度計資料和浮標觀測資料的對比驗證，分析臺風浪的特征，得到以下結(jié)論：

（1）以FNL風場資料驅(qū)動WW3海浪模式，模擬的臺風浪場能夠很好地刻畫臺風“燦鴻”“蓮花”“浪卡”的結(jié)構(gòu)特征，臺風浪與臺風云系有較好的對應。在外海，臺風浪形狀主要受風場影響；在沿岸海區(qū)，臺風浪分布還受到地形影響；

（2）對于“燦鴻”和“浪卡”而言，雖然在級別較強時期“浪卡”的平均最大風速比“燦鴻”大，平均移速小，但由于“燦鴻”位置偏西，靠近近海海域，受到海岸與島嶼影響，能量堆積，形成大浪；

（3）從衛(wèi)星高度計資料對比結(jié)果來看，模擬的波高與衛(wèi)星高度計資料較接近，相關系數(shù)較高，平均相對誤差和偏差均較小。模擬波高的偏差主要受到風速偏差的影響，因此，模擬結(jié)果的誤差主要來源于風速誤差。通過對3個海域的結(jié)果進行對比，可看出模式在大洋海域模擬的臺風浪效果更好；

（4）將模擬的波高結(jié)果與沿岸的4個浮標資料對比可以看出，其相關系數(shù)很高，均方根誤差和平均相對誤差均較小。福建浮標0087偏差較大的原因可能是因為浮標位于近海，岸界和地形的影響使得模擬的波高比實際波高偏大?？傮w看來，模式模擬的結(jié)果與實測值較接近，模擬效果較好。

雖然本文整體模擬效果比較理想，但仍存在些許不足。風場與水深數(shù)據(jù)的精度會大大影響到模式模擬的結(jié)果，因此，提高二者的準確性十分必要。

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Numerical simulation of typhoon waves in the Northwest Pacific Ocean

ZHOU Yuan-yuan1，ZHOU Lin1，GUAN Hao2
（1.Meteorological Institute of PLAUST,Nanjing 211101 China;2.Army 61741 of PLA,Beijing 100085 China）

The third-generation wave model WAVEWATCH was used to simulate the wave field caused by typhoon“Chan-hom”,“Linfa”and“Nangka”with wind input of NCEP-FNL wind field.The numerical typhoon wave distribution in time and space is analyzed and compared with those of observation by the Jason-2 satellite altimeter and the nearshore-located wave recorder which show good agreements.The results show that:The simulation typhoon wave field does well in embodying the structure characteristics of the 3 typhoons when use NCEP-FNL wind field to drive WAVEWATCHⅢwave model.The correlation coefficient between simulated wave height and observed data of Jason-2 is greater than 0.7 while the average relative error is less than 0.23 m with the simulation error mainly caused by the wind speed error.The size of typhoon wave not only depends on the wind speed,but also affected by the sea area.In this paper,the related conclusions provide some useful reference for quantitative forecast of typhoon wave and disaster prevention.

WAVEWATCHⅢwave model;numerical simulation;typhoon wave;significant wave heights

P731.22

A

1003-0239（2016）05-0023-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.003

2015-11-23

國家自然科學基金（41106014）

周媛媛（1991-），女，碩士在讀，從事海氣相互作用方面的研究。E-mail：284095260@qq.com

周林（1963-），男，教授，碩士，從事海氣相互作用方面的研究。E-mail：zhou_lin4458@sohu.com