王 寧 侯一筠 , 李水清 莫冬雪 劉 澤 李 健 ,

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)中心 青島 266071; 5. 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266061)

山東半島海域是海洋災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域之一, 每年都有不同程度的海洋災(zāi)害發(fā)生, 主要災(zāi)害為風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害。山東受臺(tái)風(fēng)影響情況各年不等, 為了人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全, 臺(tái)風(fēng)浪的模擬預(yù)報(bào)及其危險(xiǎn)分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

海浪數(shù)值預(yù)報(bào)經(jīng)歷了第一代到第三代的發(fā)展。第三代海浪模式SWAN(Simulation Waves Nearshore)更加適用于海岸、湖泊和河口等淺水區(qū)域。SWAN模式在我國海區(qū)的適用性研究是“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)方向, 研究人員將SWAN 模式應(yīng)用于我國不同海域, 對(duì)臺(tái)風(fēng)浪過程進(jìn)行了模擬研究。徐福敏等(2004)對(duì)SWAN 模型的適用性、數(shù)值特性、功能及局限性進(jìn)行了闡述, 模擬了海安灣有效波高、波周期場, 并分析波與波之間非線性相互作用對(duì)波浪要素預(yù)報(bào)的影響, 對(duì)SWAN 模型的應(yīng)用前景和研究趨勢進(jìn)行了展望。孫瑞等(2013)利用SWAN 模式模擬了莫拉菲臺(tái)風(fēng)的海浪場, 結(jié)果表明模式結(jié)果與實(shí)測值吻合良好。趙鑫等(2006)使用SWAN 模型計(jì)算浙江沿海海域在“9711”臺(tái)風(fēng)下的波浪場分布, 結(jié)果表明, 有效波高實(shí)測值與計(jì)算值符合良好, 說明SWAN 模型能夠合理地反映浙東沿海的波浪場。楊德周等(2005)通過對(duì)SWAN 模式的改進(jìn), 建立了適應(yīng)于各種天氣狀況的渤海海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式, 模式結(jié)果與實(shí)測符合很好。史劍等(2011)采用NCEP 再分析風(fēng)場驅(qū)動(dòng)海浪模式SWAN, 分別采用矩形網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對(duì)2000 年12 月黃渤海海域波浪場進(jìn)行模擬, 并與海洋浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)作對(duì)比分析, 結(jié)果表明, 相對(duì)于矩形網(wǎng)格, 非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格模擬有效波高效果較好。鄧兆青等(2007)利用SWAN 模式對(duì)渤海海域的波浪進(jìn)行了20a 的數(shù)值計(jì)算, 模擬值與實(shí)測值符合的較好, 說明了SWAN 模式適合渤海海域波浪的計(jì)算。蔣小平等(2007)應(yīng)用海浪模式SWAN 對(duì) Winnie(1997)引起的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了模擬, 結(jié)果表明, SWAN 在模擬較大尺度的海區(qū)時(shí)也能得到較好的模擬效果, 能較好地再現(xiàn)海浪的發(fā)展過程和合理地反映臺(tái)風(fēng)浪的分布。Wang 等(2012)使用SWAN 模式模擬了1985—2004 年渤海的海浪場, 模擬結(jié)果與臺(tái)站觀測的有效波高的對(duì)比顯示出良好的一致性。高松等(2018)利用數(shù)值模式SWAN 構(gòu)建了近30 年山東省海域有效波高分布, 并進(jìn)行近岸海浪強(qiáng)度等級(jí)劃分并給出了危險(xiǎn)性分布。李雪等(2018)利用SWAN 模式對(duì)1960—2012 年期間發(fā)生于山東沿海的50 場臺(tái)風(fēng)進(jìn)行模擬, 將模擬的有效波高與觀測數(shù)據(jù)作了對(duì)比分析, 驗(yàn)證了模型在計(jì)算海域的適用性, 并繪制50 年一遇和100 年一遇的臺(tái)風(fēng)浪波高分布圖。

上述研究表明, SWAN 模式可以對(duì)我國海域的大浪特征進(jìn)行較好的模擬。值得注意的是, 強(qiáng)風(fēng)條件下近岸區(qū)域可以出現(xiàn)明顯的增減水特性, 進(jìn)而對(duì)波浪進(jìn)行調(diào)制, 因此, 考慮浪-流-水位的耦合作用, 更為接近實(shí)際情形。Feng 等(2016)將SWAN+ADCIRC 耦合模式應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)“天兔”過境過程中波浪的模擬, 結(jié)果表明, 耦合模型模擬效果好于僅采用SWAN 模式, 其結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)更加吻合。李紹武等(2016)運(yùn)用SWAN 與ADCIRC 實(shí)時(shí)耦合模型對(duì)南瑪都臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了模擬, 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好, 驗(yàn)證了模型在該區(qū)域內(nèi)的合理性。Shih 等(2018)利用ADCIRC+SWAN 耦合模式模擬了臺(tái)灣海域的124 次臺(tái)風(fēng)過程, 并給出了臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)圖。本研究采用ADCIRC+SWAN 耦合模式, 模擬山東半島附近海域的臺(tái)風(fēng)過境期間的波浪有效波高(significant wave high, SWH)的特征分布, 給出山東半島臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)。

1 資料與方法

在本文的研究中, 利用ADCIRC 和SWAN 的耦合模式進(jìn)行臺(tái)風(fēng)過程模擬, 風(fēng)場采用Holland 模型風(fēng)場與美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)再分析數(shù)據(jù)風(fēng)場組合的合成風(fēng)場, 水深地形數(shù)據(jù)采用Etopo1 數(shù)據(jù)(圖1a); 模式采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格, 網(wǎng)格覆蓋范圍 117°—128°E, 30°—41°N, 共有95682 個(gè)三角形網(wǎng)格, 49094個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn), 網(wǎng)格分辨率從開放海域邊界的10km 到山東半島沿岸海岸線的500m 不等(圖1b)。

圖1 計(jì)算區(qū)域水深及浮標(biāo)位置(a)和計(jì)算網(wǎng)格(b) Fig.1 Bathymetry and Position of buoy(a) and unstructured grid of the computational domain(b)

1.1 Holland 風(fēng)場模型

Holland 參數(shù)模型(Holland, 1980)的表達(dá)式為:

其中, V 表示模型計(jì)算的風(fēng)速大小; u、v 表示風(fēng)速的緯向和經(jīng)向分量;tcV■■→為風(fēng)速的矢量表示; B 是Holland 模式的擬合參數(shù);aρ 表示大氣的密度; R為最大風(fēng)速半徑; r 為計(jì)算位置到臺(tái)風(fēng)中心處的距離; P∞和0P 分別表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和臺(tái)風(fēng)中心出的氣壓; f 為科式力參數(shù); θ 表示計(jì)算位置相對(duì)于臺(tái)風(fēng)中心的位置角度; 另外,moveu 和movev 則表示臺(tái)風(fēng)中心移行速度分量。

1.2 海浪模式介紹與配置

海浪模擬采用ADCIRC 和SWAN 的耦合模式。

ADCIRC 模式是由美國學(xué)者開發(fā), 適用于海洋、近岸及河口地區(qū)流場模擬的數(shù)值模型。模式垂向平均的連續(xù)方程表達(dá)式為:

SWAN 模式是由DELFT 大學(xué)開發(fā)的第三代波浪數(shù)值模式。SWAN 模式的控制方程為波作用平衡方程(Booij et al, 1999), 控制方程如下:

其中, N 為波作用量; σ 為波的相對(duì)頻率; θ 為波向; S 項(xiàng)為源匯項(xiàng)。式中左端第一項(xiàng)為波作用量的局地變化; 第二、三項(xiàng)為波作用量在地理空間上的傳播, 其中xC 和yC 分別為波作用量在x 和y 方向上的傳播速度; 第四項(xiàng)為由于水深和水流變化造成的相對(duì)頻率變化, 其中σC 為波作用量在頻率空間中的傳播速度; 第五項(xiàng)為水深和流產(chǎn)生的波浪折射, 其中θC 為波作用量在波向空間中的傳播速度。

模擬過程, ADCIRC 的時(shí)間步長設(shè)置為1s, 以實(shí)現(xiàn)模型的穩(wěn)定性, SWAN 模式是無條件穩(wěn)定的, 其時(shí)間步長設(shè)置為 30min; 耦合間隔為 10min, 即ADCIRC 與SWAN 每10min 的計(jì)算交換一次信息。開放海域邊界選取8 個(gè)分潮K1(太陰太陽合成全日分潮)、K2(太陰太陽合成半日分潮)、M2(太陰主要半日分潮)、N2(太陰橢率主要半日分潮)、O1(太陰主要全日分潮)、P1(太陽主要全日分潮)、Q1(太陰橢率主要全日分潮)和S2(太陽主要半日分潮)作為邊界潮位驅(qū)動(dòng), 模式提前2d 開始計(jì)算, 每1h 輸出一次計(jì)算結(jié)果。

1.3 海浪等級(jí)劃分及危險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算

分別提取模擬的各例臺(tái)風(fēng)事件在研究區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)處的SWH 的最大值, 然后再提取同一類臺(tái)風(fēng)事件的最大SWH, 并將每個(gè)類別的最大SWH 劃分為四個(gè)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)(高松等, 2018), 并為山東半島近岸海域繪制臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度分布圖。當(dāng)SWH 小于 1.3m 時(shí), 臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度被視為一級(jí)(level 1); 當(dāng)SWH 在1.3—2.5m 之間時(shí), 臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度被視為二級(jí)(level 2); 當(dāng)SWH 處于2.5—4m 之間時(shí), 該強(qiáng)度被視為三級(jí)(level 3); 如果SWH 在4m 以上, 該臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度則被視為四級(jí)(level 4)。

基于海浪模擬結(jié)果, 分別計(jì)算一、二、三、四級(jí)浪高的時(shí)間頻率。根據(jù)公式(8)計(jì)算各點(diǎn)的海浪災(zāi)害危險(xiǎn)指標(biāo) wH :

式中, N1、N2、N3、N4分別為一、二、三、四級(jí)浪高的時(shí)間頻率。通過歸一化方法, 獲得山東省沿海的海浪危險(xiǎn)性指數(shù), 并繪制危險(xiǎn)性指數(shù)分布圖。

2 模擬及結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)中國氣象局熱帶氣旋資料中心的最佳路徑數(shù)據(jù)集(tcdata.typhoon.org.cn)(Ying et al, 2014), 統(tǒng)計(jì)了1949—2018 年間6—9 月對(duì)山東半島產(chǎn)生影響的72 次臺(tái)風(fēng)過程, 并根據(jù)臺(tái)風(fēng)路徑將臺(tái)風(fēng)事件分為6 種類型(以下簡稱T1—T6, 如圖2 所示)(溫連杰等, 2016)。例如, 如果臺(tái)風(fēng)直接在山東半島登陸, 則將其歸為T1; 如果臺(tái)風(fēng)路徑在山東半島東部海域北上, 則將其歸為T2; 等等。表1 列出了各種路徑臺(tái)風(fēng)相應(yīng)的發(fā)生情況, 并且在圖3 中展示了T1—T6 的臺(tái)風(fēng)軌跡。

圖2 六種臺(tái)風(fēng)路徑類型(T1—T6) Fig.2 Six categories of typhoon tracks(T1—T6)

表1 1949—2018 年期間每一類臺(tái)風(fēng)事件的數(shù)量及模擬的臺(tái)風(fēng)數(shù)量 Tab.1 The number of typhoons and simulated typhoons in each category during 1949—2018

利用浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù), 對(duì)2011 年臺(tái)風(fēng)“梅花”、2012年臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”、2015 臺(tái)風(fēng)“燦鴻”年及2019 年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的模式模擬結(jié)果的SWH 進(jìn)行驗(yàn)證。圖4 顯示模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)匹配良好, 模式能夠很好地再現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過程。

3 結(jié)果與討論

在回顧1949—2018 年山東半島周邊各類的臺(tái)風(fēng)事件之后, 利用組合風(fēng)場驅(qū)動(dòng)耦合模式重現(xiàn)了模擬區(qū)域內(nèi)的SWH?？紤]風(fēng)場資料時(shí)間的有限性, 選取了1979 年之后的36 次臺(tái)風(fēng)事件進(jìn)行模擬(各類別的模擬數(shù)量在表1 給出), 用于SWH 的分布分析研究。同時(shí), 根據(jù)SWH 的分布特征將山東半島海域劃分為五個(gè)區(qū)域(圖5 中Ⅰ—Ⅴ)來進(jìn)行危險(xiǎn)性分析。

圖3 1949—2018 年期間每一類臺(tái)風(fēng)的路徑 Fig.3 Typhoon tracks for each category during the period 1949—2018

圖4 模擬結(jié)果與測量的有效波高的比較 Fig.4 Comparison of the significant wave height(SWH) between model predictions and measurements

圖5 用于危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的區(qū)域(Ⅰ—Ⅴ)劃分示意圖 Fig.5 Areas Ⅰ—Ⅴ divided for hazard assessment

圖6 展示了山東半島近岸海域T1—T6 類別的臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度分布。藍(lán)色、綠色、黃色、紅色分別代表1—4 級(jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度(level 1、level 2、level 3 和level 4)。如圖6a 所示, T1 類別的臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度在區(qū)域Ⅰ西部和南部為一級(jí)、東北為二級(jí); 區(qū)域Ⅱ西部處于二級(jí), 東部達(dá)到三級(jí); 區(qū)域Ⅲ最高, 達(dá)到四級(jí)強(qiáng)度; 區(qū)域Ⅳ東部處于三級(jí), 西部處于二級(jí)強(qiáng)度; 區(qū)域Ⅴ臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度主要為二級(jí)。圖6b 顯示了T2 的臺(tái)風(fēng)浪在Ⅰ區(qū)和Ⅴ區(qū)主要處于二級(jí)強(qiáng)度; Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)主要處于三級(jí)強(qiáng)度; Ⅲ區(qū)海浪強(qiáng)度為四級(jí); T3 的臺(tái)風(fēng)影響作用較為平均, Ⅰ區(qū)西部和南部、Ⅱ區(qū)西南部和Ⅳ區(qū)西部為二級(jí), 其余各處均為三級(jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度(圖6c)。

圖6d 展示了T4 臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)分布, Ⅰ區(qū)西部和南部萊州灣內(nèi)較低處于一級(jí), Ⅰ區(qū)中部、Ⅱ區(qū)西、南部和Ⅴ區(qū)西部近岸處于二級(jí), Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)北部和南部達(dá)到三級(jí), 在Ⅳ區(qū)東部達(dá)到最高的四級(jí)。對(duì)于T5 的臺(tái)風(fēng)浪, 最高等級(jí)為三級(jí), 出現(xiàn)在Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)的大部分區(qū)域, 而Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)多處于二級(jí), Ⅰ區(qū)南部及Ⅱ區(qū)南部近岸區(qū)域?yàn)橐患?jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度(圖6e)。T6 的影響區(qū)域較小, 僅在Ⅴ區(qū)到達(dá)三級(jí), 其余都低于三級(jí), Ⅰ區(qū)大部分、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)處于二級(jí), 而Ⅰ區(qū)南部萊州灣和Ⅱ區(qū)東南則為一級(jí)強(qiáng)度。

采用相同的方法提取 T1—T6 類別中的最大SWH, 并繪制綜合臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)分布圖(圖7), 可以看出, 在臺(tái)風(fēng)的影響下, 山東半島近岸海域臺(tái)風(fēng)浪的強(qiáng)度等級(jí)都在二級(jí)以上。Ⅰ區(qū)大部分處于二級(jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度, Ⅰ區(qū)的中間部分區(qū)域、Ⅱ區(qū)、Ⅳ區(qū)西部以及Ⅴ區(qū)處于三級(jí), 而Ⅳ區(qū)東部及Ⅲ區(qū)到達(dá)臺(tái)風(fēng)浪等級(jí)四級(jí)。

結(jié)合統(tǒng)計(jì)的level 2—4 的SWH 的頻數(shù)(該等級(jí)波高在輸出結(jié)果中出現(xiàn)的次數(shù), 同時(shí)也表示歷時(shí)的小 時(shí)數(shù))分布圖(圖8), 可以看出, 山東半島海域波高處于level 4 的臺(tái)風(fēng)浪僅出現(xiàn)于東部海域, 該區(qū)域是海浪危害最高的區(qū)域, 但臺(tái)風(fēng)浪歷時(shí)較短, 最高在50h 上下; 波高處于level 3 的臺(tái)風(fēng)浪發(fā)生次數(shù)較level 4 要高, 歷時(shí)最高可達(dá)250h, 同樣集中發(fā)生在東部海域; Level 2 的臺(tái)風(fēng)浪歷時(shí)最高可達(dá)700h 以上, 是三個(gè)等級(jí)中發(fā)生最為頻繁的, 且東部和南部海域歷時(shí)均較長。

圖6 T1—T6 對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)分布 Fig.6 The distribution of the intensity of typhoon waves corresponding to T1—T6

圖7 所有臺(tái)風(fēng)類別的最高有效波高強(qiáng)度等級(jí)分布 Fig.7 Distribution of the intensity of maximum significant wave height for all typhoon categories

圖8 所有臺(tái)風(fēng)不同有效波高的頻數(shù)分布 Fig.8 The frequency distribution of different significant wave heights for all typhoon categories

圖9 展示了山東半島臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)性指數(shù)的分布, 由圖可以看出, 山東半島臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)性南部要高于北部; 萊州灣(區(qū)域Ⅰ)臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)性最小; 東部海域(區(qū)域Ⅲ)的危險(xiǎn)性最高, 是最容易遭受臺(tái)風(fēng)浪危害的區(qū)域。高松等(2018)在其圖2b 中給出了山東省 海浪危險(xiǎn)性指數(shù)分布, 本文結(jié)果與高松等的分布特征定性相似, 然而由于本文僅考慮臺(tái)風(fēng)引起的海浪危險(xiǎn)性, 因此在數(shù)值上本文結(jié)果小于高松等的特征值, 特別是在山東半島以北海域, 這些區(qū)域易受寒潮的影響。

圖9 山東半島海域臺(tái)風(fēng)浪危險(xiǎn)性指數(shù)分布圖 Fig.9 Hazard index distribution map of typhoon waves in Shandong Peninsula

4 結(jié)論

采用耦合高分辨率非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格風(fēng)暴潮-波浪模式(ADCIRC+SWAN), 對(duì)山東半島近岸海域的臺(tái)風(fēng)浪的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。模型以Holland 模型風(fēng)場與再分析風(fēng)場的組合風(fēng)場為驅(qū)動(dòng), 對(duì)1979—2018 年的36 次臺(tái)風(fēng)過程進(jìn)行后報(bào)模擬。根據(jù)SWH 的最大值范圍劃分為四級(jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí), 并統(tǒng)計(jì)2—4 級(jí)發(fā)生的歷時(shí)時(shí)長頻數(shù), 繪制了每種臺(tái)風(fēng)類別單獨(dú)的臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)圖和綜合臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度等級(jí)圖, 以及歷時(shí)分布圖和危險(xiǎn)性指數(shù)分布圖。

研究結(jié)果顯示, 山東半島東部海域(區(qū)域Ⅲ)危險(xiǎn)性最高, 臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度可以達(dá)到四級(jí); 南部(區(qū)域Ⅳ、Ⅴ)危險(xiǎn)性較高, 可以達(dá)到三級(jí)臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度, 二級(jí)強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)浪發(fā)生較為頻繁; 北部(區(qū)域Ⅰ、Ⅱ)危險(xiǎn)性最低, 臺(tái)風(fēng)浪強(qiáng)度低且歷時(shí)短。整體而言, 山東半島東部和南部較北部更易遭遇臺(tái)風(fēng)浪。