馬秀玲 魏 來

(中國海洋大學(xué)三亞海洋研究院 海南三亞 572024)

中國南海是位于西北太平洋的臺風(fēng)高發(fā)海域。據(jù)國家氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)統(tǒng)計, 1950～2020 年, 西北太平洋和南海共產(chǎn)生臺風(fēng)近2 000 個, 平均每年產(chǎn)生30 個臺風(fēng), 其中達到超強臺風(fēng)級別的臺風(fēng)共425 個。臺風(fēng)引起的海浪會嚴(yán)重影響海洋工程的建設(shè)、海上交通樞紐、水產(chǎn)及漁業(yè)活動的開展, 海洋軍事活動的演習(xí)等工作。根據(jù)《2022 年中國海洋災(zāi)害公報》(2023), 2022年我國近海共發(fā)生有效波高4 m 及以上的災(zāi)害性海浪過程共計36 次, 其中臺風(fēng)浪12 次, 占比三分之一。海浪災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失達2 400 萬元以上, 死亡失蹤9 人。

災(zāi)害性海浪造成的損失與海浪波高等參數(shù)息息相關(guān), 因此準(zhǔn)確預(yù)測海浪對防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。海浪數(shù)值模擬需要使用風(fēng)場資料驅(qū)動海浪模式進行預(yù)測, 因此, 影響海浪預(yù)測準(zhǔn)確性的因素主要為風(fēng)場資料的準(zhǔn)確性及海浪模式的準(zhǔn)確性。

目前, 海浪的數(shù)值模擬技術(shù)較為成熟, 在風(fēng)場輸入準(zhǔn)確的情況下可較好的進行海浪預(yù)報。其中WAVEWATCH III (以下簡稱 WW III)及 SWAN(Simulating Waves Nearshore) 海浪模式因其分別具有深海大尺度空間、淺海小尺度空間模擬效果較優(yōu)的特點被研究者廣泛應(yīng)用于各海域海浪的數(shù)值模擬研究中。尹亞軍等(2012)模擬了墨西哥灣和印度洋的海浪, 發(fā)現(xiàn)SWAN 模擬在臺風(fēng)浪過程中誤差更小, WW III 在大范圍的海洋上提供更好地海浪模擬。Gonalves等(2018)在大西洋海域利用WW III 模式, 在法國西海岸利用SWAN 模式研究了海浪能空間分布的季節(jié)性特征, 模擬效果較好。Umesh 等(2018)分別比較了以WAM 和WW III 作為SWAN 邊界條件時印度西北海岸和東北海岸海浪后報的精度, 研究表明WW III作為SWAN 邊界條件的誤差要低5%～15%左右。為結(jié)合以上兩種模型的優(yōu)勢, Gonalves 等(2014)和Robertson 等(2014)將WW III 的結(jié)果作為邊界條件輸入SWAN, 探索加那利群島和加拿大溫哥華島西海岸的波能分布, 結(jié)果表明使用嵌套模型模擬效果較優(yōu)。Amrutha 等(2016)將SWAN 嵌套在WW III 中, 模擬2014 年阿拉伯東部近岸水域的海浪, 研究表明:在深水區(qū)域ST4 源項模擬有效波高表現(xiàn)較好。同時,預(yù)報模型的網(wǎng)格設(shè)置也會對預(yù)報結(jié)果產(chǎn)生影響, 宗芳伊(2014)在廣東省附近海域建立粗分辨率網(wǎng)格, 在茂名附件海域建立300 m 以內(nèi)的細分辨率網(wǎng)格, 利用SWAN 海浪模式對臺風(fēng)“黑格比”過程海浪進行模擬,模擬結(jié)果較理想。陳依妮(2022)在探究WW III 模式風(fēng)輸入項和耗散項方案對海浪模擬的影響時, 為提高計算效率, 在南海北部海域采用粗分辨率網(wǎng)格, 在研究區(qū)域附件采用精細化加密網(wǎng)格, 模擬結(jié)果較好。

在海浪模式較為成熟的情況下, 臺風(fēng)期間海面風(fēng)場的精度成為了影響臺風(fēng)浪數(shù)值模擬精度的最重要因素。然而, 現(xiàn)有的風(fēng)場資料存在臺風(fēng)中心附近風(fēng)速較低的問題, 會導(dǎo)致海浪波高預(yù)報結(jié)果偏低。為改進上述缺陷, 研究者將背景風(fēng)場與臺風(fēng)模型風(fēng)場結(jié)合。趙紅軍等(2010)使用Myers (Myers, 1954)模型風(fēng)場對 QSCAT/NECP (Quick Scatterometer/National Centers for Environmental Prediction)風(fēng)場進行改進,改進后的風(fēng)場作為SWAN 模型的驅(qū)動風(fēng)場, 對強臺風(fēng)“珍珠”的臺風(fēng)浪進行后報。結(jié)果表明, 使用臺風(fēng)模型風(fēng)場與背景風(fēng)場結(jié)合能有效提高海浪后報精度。唐建等(2013)和孫瑞(2013)以多平臺交叉校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(cross-calibrated multi-platform, CCMP)風(fēng)場為背景風(fēng)場, 分別結(jié)合四種模型風(fēng)場構(gòu)建新的海面風(fēng)場。研究結(jié)果表明, 改進后所獲得的合成風(fēng)場能有效解決背景風(fēng)場中臺風(fēng)中心附近風(fēng)速較低的問題, 且Holland模型合成風(fēng)場具有最佳模擬效果。潘冬冬等(2021)198采用歐洲中期天氣預(yù)報中心的再分析數(shù)據(jù)(European Centre for Medium-range Weather Forecasts Reanalysis data, ERA5)背景風(fēng)場與Holland 模型風(fēng)場結(jié)合構(gòu)建全新的臺風(fēng)輸入風(fēng)場, 利用MIKE21 SW(Mike-21 Spectral Waves)模型對中國南海大范圍的臺風(fēng)浪進行數(shù)值模擬, 表明臺風(fēng)風(fēng)速及氣壓剖面主要受HollandB參數(shù)影響, 從而對海浪場分布特征產(chǎn)生影響。

目前研究者大多采用CCMP 風(fēng)場或ERA5 風(fēng)場資料為背景風(fēng)場結(jié)合Holland 經(jīng)驗?zāi)Ｐ惋L(fēng)場構(gòu)建合成風(fēng)場作為不同海浪模型的驅(qū)動風(fēng)場模擬各海域的風(fēng)浪場變化, 缺乏兩種合成風(fēng)場構(gòu)建方案的對比分析及其對臺風(fēng)浪模擬結(jié)果的影響分析及對比研究。同時,目前對臺風(fēng)浪的模擬通常只使用單一的海浪模式(陳雅雅等, 2017)、(潘冬冬等, 2021)196, 邊界條件可能無法完全反映臺風(fēng)期間的快速變化?；诖? 本文將利用 CCMP 及 ERA5 風(fēng)場資料為背景風(fēng)場, 結(jié)合Holland 經(jīng)驗風(fēng)場模型, 分別構(gòu)建全新的海面合成風(fēng)場, 探究不同Holland 模型構(gòu)建方案對臺風(fēng)風(fēng)場構(gòu)建的影響, 找到最優(yōu)臺風(fēng)風(fēng)場構(gòu)建方案。同時, 基于WW III 及SWAN 模式建立北太平洋、南海北部、南海北部近岸臺風(fēng)“威馬遜”入侵海域三重網(wǎng)格嵌套的高精度數(shù)值預(yù)報模型, 并以改進的風(fēng)場驅(qū)動模型對2014 年第9 號超強臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)浪進行數(shù)值模擬后報。預(yù)報結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比, 驗證以上兩種方法對提高預(yù)報精度的有效性。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 風(fēng)場數(shù)據(jù)

本文使用ERA5 再分析數(shù)據(jù)集(www.ecmwf.int)及CCMP 海洋表面風(fēng)場( https://data.remss.com/ccmp)作為背景風(fēng)場。其中ERA5 再分析數(shù)據(jù)集(Hersbachetal,2020)是利用優(yōu)化后的大氣模型及四維變量同化方法構(gòu)建完成的, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 時間分辨率為1 h, 具有時空分辨率高、全球海洋覆蓋能力廣、時間序列長等優(yōu)點。CCMP 風(fēng)場資料是以ECMWF的再分析和業(yè)務(wù)資料作為背景場, 利用變分分析方法, 融合多種衛(wèi)星探測海面風(fēng)產(chǎn)品以及部分觀測資料, 再經(jīng)海洋系泊浮標(biāo)對輻射計和散射計數(shù)據(jù)驗證而得到的一種高時空分辨率多衛(wèi)星融合資料(劉紫薇等, 2022)。其空間分辨率為0.25°×0.25°, 時間分辨率6 h, 本文將其進行線性插值處理, 得到空間分辨率為0.25°×0.25°, 時間分辨率為1 h 的海面風(fēng)場。

1.2 模式驗證實測數(shù)據(jù)

風(fēng)場初步驗證風(fēng)速實測數(shù)據(jù)來源于張俊明等(2021)廣東茂名氣象站(111.08°E, 21.48°N), 測點M1(111.28°E, 21.42°N)實測數(shù)據(jù)來源于朱現(xiàn)暉等(2017),測點M2 (115.6°E, 22.7°N)實測數(shù)據(jù)來源于國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://mds.nmdis.org.cn/)臺站遮浪(ZheLang, ZLG)。臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)來源于中國氣象局(http://typhoon.nmc.cn/)。

2 數(shù)值模式

2.1 海浪模式介紹

本文使用SWAN 海浪模式及WW III 海浪模式構(gòu)建三重海浪嵌套模型。

由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)所研制并開發(fā)的第三代近海海浪數(shù)值模型SWAN (Booijetal, 1999), 考慮了多項物理過程, 包括風(fēng)輸入項、風(fēng)產(chǎn)生的線性增長項, 風(fēng)產(chǎn)生的指數(shù)增長項、海浪能量耗散項(白帽耗散、底部摩擦和由于水深較淺導(dǎo)致的破波)、非線性相互作用項(三波、四波相互作用)和海浪引起的增水項。該模式對近岸區(qū)域風(fēng)浪的模擬精度較高, 常用于小尺度、淺水域的風(fēng)、涌浪及混合浪的模擬預(yù)報。

由NOAA/NCEP 提出的WW III 模型(Tolman,1989)解決了波數(shù)-方向譜的隨機相位譜作用密度平衡方程。介質(zhì)性質(zhì)以及波場本身在空間和時間尺度上的變化遠遠大于單波的變化尺度是該方程所隱含的假設(shè)。采用譜作用平衡方程, 并在計算過程中選擇了超高精度的三階差分格式是該模式最基本的特點, 其模擬結(jié)果的可靠性得到了有效提升, 在大尺度海浪模擬研究中該模型得到了非常廣泛的應(yīng)用。它主要適用于模擬大范圍、大尺度、長時間海浪的演化過程,分析海浪的時空分布特性。

結(jié)合以上兩種海浪模式的優(yōu)點, 嵌套模型中在南海北部及其近岸海域使用SWAN 模型, 在西北太平洋海域使用WW III 模型。嵌套結(jié)構(gòu)及測點M1、M2 具體位置如圖 1, 模型最外層在北太平洋(0°～45°N, 100°～155°E, D1), 網(wǎng)格精度0.25°×0.25°, 使用適于大尺度空間海浪傳播的WW III 海浪模型, 構(gòu)建矩形網(wǎng)格進行計算, 其結(jié)果作為第二層模型的邊界條件; 第二層在南海北部(10°～30°N, 105°～125°E,D2), 網(wǎng)格精度0.1°×0.1°, 使用適于近岸、小尺度空間海浪傳播的SWAN 海浪模型, 構(gòu)建三角形網(wǎng)格進行計算, 計算結(jié)果作為第三層模型的邊界條件; 最后一層在南海北部近岸 “威馬遜”臺風(fēng)入侵海域(13°～23°N, 105°～115°E, SD3), (15°～25°N, 113°～123°E, SD4),最小網(wǎng)格精度0.01°×0.01°, 同樣使用適于近岸、小尺度空間海浪傳播的SWAN 海浪模型、構(gòu)建精細化三角網(wǎng)格、嵌套邊界進行計算, 以提高臺風(fēng)浪模擬精度。

2.2 風(fēng)場模型

本文使用Holland 經(jīng)驗風(fēng)場模型對風(fēng)場資料進行改進, 構(gòu)建全新的合成風(fēng)場。

Schloemer (1954)提出了臺風(fēng)壓力徑向變化模型,同時提出了由該模型計算而來的梯度平衡風(fēng)。Holland(1980)在Schloemer 提出的模型基礎(chǔ)上, 增加了描述風(fēng)場輪廓線的B參數(shù), 因此臺風(fēng)壓力徑向變化模型由最大風(fēng)速半徑(maximum wind radius of the typhoon, RMW)及HollandB參數(shù)共同控制, 其方程式如下:

式中,P(r)為到臺風(fēng)中心距離為r處的表面氣壓;P0為中心氣壓;B為氣壓剖面參數(shù); ΔP為中心壓差;RMW表示最大風(fēng)速半徑。

Holland 經(jīng)驗臺風(fēng)模型主要是利用實測資料獲取風(fēng)速半徑及最大風(fēng)速等臺風(fēng)關(guān)鍵要素, 由經(jīng)驗關(guān)系式直接求解出臺風(fēng)風(fēng)場, 因此具有高效、準(zhǔn)確構(gòu)建臺風(fēng)風(fēng)場的特點。關(guān)系式如下(潘冬冬等, 2021)195:

式中: 空氣密度ρa取1.2 kg/m3; 臺風(fēng)外圍氣壓P取1 010 hPa; 計算點到臺風(fēng)中心的距離r; 科氏力參數(shù)f。

RMW 及HollandB參數(shù)是構(gòu)建臺風(fēng)經(jīng)驗風(fēng)場的兩個關(guān)鍵要素。臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑有多個經(jīng)驗公式(Graham, 1959; Willoughbyetal, 2004; 江志輝等,2008), 在西北太平洋臺風(fēng)浪數(shù)值模擬中由Graham 及Willoughby 兩學(xué)者提出的RMW1(趙紅軍等, 2010)129及RMW2(林金波等, 2021)被廣泛使用。4 個常用的HollandB參數(shù)B1～B4計算公式(Holland, 1980; Hubbertetal, 1991; Vickeryetal, 2000; Powelletal, 2005)。為尋找臺風(fēng)“威馬遜”入侵南海北部期間三重嵌套海浪模式的最優(yōu)風(fēng)場構(gòu)建方案。將臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑公式RMW1、RMW2分別與HollandB參數(shù)公式B1～B4進行組合研究。風(fēng)場實驗方案如表1。

表1 風(fēng)場實驗方案Tab.1 Wind field experiment scheme

利用背景風(fēng)場及Holland 模型風(fēng)場構(gòu)建的全新海面合成風(fēng)場(Carr Ⅲetal, 1997)主要受權(quán)重系數(shù)e的影響, 權(quán)重系數(shù)e隨風(fēng)速半徑的變化而改變。在臺風(fēng)合成風(fēng)場的構(gòu)建中, Holland 模型風(fēng)場解決了背景風(fēng)場在臺風(fēng)中心位置風(fēng)速偏小的難題, 背景風(fēng)場解決了Holland 模型風(fēng)場在臺風(fēng)中心外圍風(fēng)速偏大的問題,因此合成風(fēng)場作為臺風(fēng)風(fēng)場具備了以上兩種風(fēng)場的優(yōu)勢。其構(gòu)建關(guān)系式如下(聞斌等, 2008):

式中:Vm為Holland 經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M風(fēng)場;Ven為背景風(fēng)場;c表示一個與臺風(fēng)影響范圍有關(guān)的參數(shù), 系數(shù)n本文取9。

3 數(shù)值模擬

3.1 風(fēng)場模擬及驗證

2014 年第9 號臺風(fēng)“威馬遜”為超強臺風(fēng), 中央氣象臺統(tǒng)計的實測資料顯示其最大風(fēng)速及臺風(fēng)中心最低氣壓分別為: 72 m/s、888 hPa。臺風(fēng)路徑如圖2 所示。

圖2 臺風(fēng)“威馬遜”路徑圖Fig.2 Path of Typhoon Rammasun

3.1.1 風(fēng)場構(gòu)建參數(shù)選取 由氣壓公式及Holland模型風(fēng)場公式可知, HollandB參數(shù)及RMW 是影響Holland 模型風(fēng)場的兩個最關(guān)鍵因素。由圖3a 可以看出, 當(dāng)臺風(fēng)的中心氣壓、外圍氣壓和RMW 一定時,RMW 處的風(fēng)速與HollandB參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。相反, 當(dāng)HollandB參數(shù)在0.75～2.25 范圍內(nèi)變化時, 遠離臺風(fēng)中心的風(fēng)速與HollandB參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,具有相反的變化趨勢, 風(fēng)速隨HollandB參數(shù)的增加而減小, 壓差越大, 風(fēng)廓線斜率也就越大。由圖3b 可知, 在RMW 處風(fēng)速達到頂峰值, 并向兩端遞減。在臺風(fēng)中心未到達RMW 時, RMW 與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 風(fēng)速隨RMW 的增加而減小。當(dāng)離臺風(fēng)中心的距離達到RMW 時, RMW 與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系, RMW增大, 風(fēng)速越大。因此, 臺風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)及最大風(fēng)速半徑的關(guān)鍵影響要素為RMW、HollandB參數(shù)。為初步驗證合成風(fēng)場的可靠性, 將模擬風(fēng)速與實測風(fēng)速進行對比分析研究。

圖3 風(fēng)速隨Holland B 參數(shù)(a)和RMW 參數(shù)(b)的變化Fig.3 Wind speed changes with Holland B parameters (a) and RMW parameters (b)

風(fēng)場初步驗證結(jié)果如圖4 和表2 所示。據(jù)中央氣象網(wǎng)記載2014 年7 月18 日6 時臺風(fēng)威馬遜達到最大風(fēng)速72 m/s, 臺風(fēng)中心最大風(fēng)速半徑約為200 km。由表2 可知, 當(dāng)以ERA5、CCMP 兩種背景風(fēng)場分別結(jié)合臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑公式RMW1及RMW2, 并保持HollandB參數(shù)公式一致的情況下。ERA5 背景風(fēng)場與RMW1結(jié)合, CCMP 背景風(fēng)場與RMW2結(jié)合為最佳方案, 能夠更精確地構(gòu)造出該臺風(fēng)中心最大風(fēng)速半徑。為減少風(fēng)場初步驗證工作量, 在風(fēng)場初步驗證中, 對ERA5 風(fēng)場采用RMW1結(jié)合不同HollandB參數(shù)進行對比研究, 對CCMP 風(fēng)場采用RMW2結(jié)合不同HollandB參數(shù)進行對比研究, 研究結(jié)果如圖5～6 所示。

圖4 ERA5、CCMP 背景風(fēng)場分別結(jié)合RMW1 (a、c), RMW2 (b、d)及Holland B2 參數(shù)公式構(gòu)造的臺風(fēng)風(fēng)場對比圖Fig.4 Comparison of the background wind fields ERA5 and CCMP combined with RMW1 (a, c), RMW2 (b, d), respectively, to the typhoon wind field built by Holland B2 parameter formulas

表2 ERA5、CCMP 風(fēng)場分別結(jié)合RMW1、RMW2 及Holland B2 參數(shù)公式構(gòu)造的臺風(fēng)中心最大風(fēng)速半徑Tab.2 ERA5 and CCMP wind fields combined with RMW1,RMW2, respectively, and to the maximum wind speed radius at the center of the typhoon constructed with Holland B2 parameters in combination with

圖5 CCMP 風(fēng)場與RMW2 結(jié)合不同Holland B 參數(shù)公式構(gòu)造合成風(fēng)場(a)、ERA5 風(fēng)場與RMW1 結(jié)合不同Holland B 參數(shù)公式構(gòu)造合成風(fēng)場(b)在測點(111.08°E, 21.48°N)位置的模擬值與實測值對比圖Fig.5 CCMP wind field and RMW2 combined with different Holland B parameter formulas to construct a synthetic wind field (a) and ERA5 wind field and RMW1 combined with different Holland B parameter formulas to construct a synthetic wind field (b) at the measuring point (111.08°E, 21.48°N).

圖6 風(fēng)速誤差統(tǒng)計分析Fig.6 Statistical analysis of wind speed error

由圖5 可知, 經(jīng)ERA5、CCMP 背景風(fēng)場與Holland模型采用不同的RMW 經(jīng)驗公式及HollandB參數(shù)公式構(gòu)建的多個臺風(fēng)“威馬遜”合成風(fēng)場風(fēng)速模擬值與實測值吻合度較高, 不同HollandB參數(shù)構(gòu)建的臺風(fēng)風(fēng)場風(fēng)速差異較小。該臺風(fēng)在臺風(fēng)影響前期, 風(fēng)速實測值較模擬值小, 其主要原因為臺風(fēng)經(jīng)驗風(fēng)場為理論風(fēng)場導(dǎo)致臺風(fēng)風(fēng)場外圍風(fēng)圈的風(fēng)速較大, 而實際臺風(fēng)風(fēng)場為具有特定風(fēng)圈結(jié)構(gòu)的不規(guī)則風(fēng)圈。但在臺風(fēng)影響期間, 各個風(fēng)場構(gòu)建方案的風(fēng)速模擬值均與實測值基本吻合。由圖6 誤差統(tǒng)計可知, 均方根誤差在1～3 m/s 范圍內(nèi); 偏差Bias 值在-0.2～0.8 范圍內(nèi);相關(guān)系數(shù)均在89.1%～95.0%左右。當(dāng)ERA5 作為背景風(fēng)場構(gòu)建合成臺風(fēng)風(fēng)場時, RMW1及B2構(gòu)建的合成風(fēng)場誤差最低, 最接近實測值, 均方根誤差為1.7 m/s,平均絕對誤差為1.36 m/s, 偏差值為0.2 m/s, 相關(guān)系數(shù)為94.6 %。當(dāng)CCMP 作為背景風(fēng)場構(gòu)建合成臺風(fēng)風(fēng)場時, RMW2及B4構(gòu)建的合成風(fēng)場誤差最低, 均方根誤差為2.9 m/s, 平均絕對誤差為2.39 m/s, 偏差值為0.12 m/s, 相關(guān)系數(shù)為90.1%。風(fēng)場初步驗證表明,基于ERA5 數(shù)據(jù)及CCMP 風(fēng)場數(shù)據(jù)作為背景風(fēng)場結(jié)合HollandB模型構(gòu)建臺風(fēng)合成風(fēng)場時, 相同時間分辨率及空間分辨率的兩種背景風(fēng)場, 基于ERA5 數(shù)據(jù)構(gòu)建的合成風(fēng)場更為準(zhǔn)確, 這是由于ERA5、CCMP兩種再分析數(shù)據(jù)集的再分析方法及原始數(shù)據(jù)分辨率差異造成的。兩種優(yōu)化后的全新海面合成風(fēng)場模擬臺風(fēng)“威馬遜”期間的風(fēng)場效果良好, 其中ERA5 合成風(fēng)場較CCMP 合成風(fēng)場更優(yōu)。

3.1.2 風(fēng)場構(gòu)建驗證 ERA5、CCMP 兩種背景風(fēng)場; ERA5 與RMW1和B2結(jié)合, CCMP 與RMW2和B4結(jié)合分別構(gòu)建的兩種 Holland 模型風(fēng)場; 以及由ERA5 背景風(fēng)場與Holland 模型風(fēng)場, CCMP 背景風(fēng)場與Holland 模型風(fēng)場組合而成的兩種合成風(fēng)場的對比如圖7 所示。由圖7 可知, ERA5 及CCMP 原始風(fēng)場能較好地反應(yīng)臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)中心位置及臺風(fēng)浪特性, 但其風(fēng)速遠小于實際風(fēng)速。ERA5、CCMP合成風(fēng)場均能準(zhǔn)確地反應(yīng)臺風(fēng)“威馬遜”臺風(fēng)中心的最大風(fēng)速及最大風(fēng)速半徑, 臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑在200 km左右。合成風(fēng)場將背景風(fēng)場及Holland 模型風(fēng)場的優(yōu)勢結(jié)合, 在臺風(fēng)中心附近Holland 模型風(fēng)場起關(guān)鍵作用, 在遠離臺風(fēng)中心位置臺風(fēng)風(fēng)場則由背景風(fēng)場主導(dǎo); 從合成風(fēng)場結(jié)果可以看出臺風(fēng)中心位置右側(cè)風(fēng)速大于左側(cè)風(fēng)速, 即臺風(fēng)風(fēng)場在空間上同樣呈現(xiàn)出“右偏性”的不對稱性分布特征, 最大風(fēng)速位于臺風(fēng)中心的右側(cè), 與ERA5 及CCMP 背景場一致。此外,ERA5 合成風(fēng)場較CCMP 合成風(fēng)場具有更為明顯的風(fēng)場空間分布特征; 采用RMW2公式構(gòu)建的合成風(fēng)場其臺風(fēng)中心風(fēng)速較RMW1更大。當(dāng)臺風(fēng)中心靠近海南島及廣東省近岸時, 臺風(fēng)“威馬遜”風(fēng)速達到最大值,對兩省造成巨大海浪災(zāi)害。

圖7 ERA5 (a)、CCMP (b)的背景風(fēng)場、Holland 模型風(fēng)場及合成風(fēng)場對比圖Fig.7 Comparison of background wind field of ERA5 (a) and CCMP (b), Holland model wind field and composite wind field

3.2 海浪場模擬及驗證

將以ERA5、CCMP 為背景風(fēng)場構(gòu)建的兩種最優(yōu)合成風(fēng)場, 作為WW III 及SWAN 海浪模式建立的三重嵌套臺風(fēng)浪模型的驅(qū)動風(fēng)場對2014 年第9 號超強臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)浪進行數(shù)值模擬。計算時間取2014 年7 月3 日00 時至2014 年7 月26 日00 時, 北太平洋外部計算域時間步長為1 h, 南海北部計算域時間步長為30 min, 近岸海域內(nèi)部計算域時間步長為15 min。為驗證兩種合成風(fēng)場及三重嵌套模型的可靠性, 取臺風(fēng)期間觀測點M1, M2 處數(shù)值模擬風(fēng)速、有效波高及平波周期數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。

如圖8a 所示, 測點M1 處風(fēng)速在2014 年7 月18日18 時左右取得最大風(fēng)速23 m/s, 這與臺風(fēng)“威馬遜”達到最大風(fēng)速的時間點一致。如圖8b 所示, 測點M2 處風(fēng)速在2014 年7 月18 日及7 月23 日取得最大風(fēng)速, 7 月18 日風(fēng)速稍大于7 月23 日風(fēng)速, 其主要原因是2014 年7 月20～26 日期間在南海北部海域內(nèi)臺風(fēng)麥德姆相繼生成。臺風(fēng)麥德姆生成后沿菲律賓海域向臺灣海域運動, 離測點M2 較近, 因此測點M2 在2014 年7 月10～26 日受雙臺風(fēng)影響, 風(fēng)速出現(xiàn)兩次最值, 其中臺風(fēng)“威馬遜”為超強臺風(fēng), 最大風(fēng)速半徑更大, 臺風(fēng)影響范圍更廣, 因此測點2 處7 月18 日風(fēng)速稍大于7 月23 日風(fēng)速。由圖8 知, 兩測點處模擬風(fēng)速與實測風(fēng)速吻合度較好, 說明ERA5 及CCMP 構(gòu)建的高精度合成風(fēng)場均可作為三重嵌套模型的驅(qū)動風(fēng)場用于臺風(fēng)浪的準(zhǔn)確模擬。測點M1 處風(fēng)速模擬值與實測值吻合度更高, 其主要原因為測點M1 離臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)中心較近, 受其影響更為明顯。在風(fēng)速峰值區(qū), CCMP 合成風(fēng)場模擬值較ERA5 合成風(fēng)場更低, 差異在2～3 m/s。在其他時刻兩風(fēng)場風(fēng)速差異很小。

測點M1、M2 實測有效波高與模擬值的散點圖如圖9 所示, 對比如圖10a、10b 所示。由圖9a、9b 可知, 兩種風(fēng)場在測點處有效波高模擬值與實測值相關(guān)系數(shù)R達到0.9 以上, 其中ERA5、CCMP 兩種合成風(fēng)場在測點M1 處的有效波高實測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.97、0.93, 偏差值為-0.06 m、-0.27 m, 平均絕對誤差為0.22 m、0.33 m, 均方根誤差為0.276 m、0.464 m, 兩種風(fēng)場驅(qū)動三重嵌套海浪模式對有效波高的模擬效果很好, 精確度較高。由圖9c、9d 可知, 由于測點M2 處實測數(shù)據(jù)等值較多, 導(dǎo)致有效波高模擬值與實測值較為集中。ERA5 合成風(fēng)場在測點M2 處有效波高模擬精度更高, 相關(guān)系數(shù)達到0.928, 平均絕對誤差為 0.188 m, 偏差值為-0.033, 均方根誤差為0.256 m, 誤差較低, 在有效波高最值處, ERA5 合成風(fēng)場模擬值與實測值更為接近, 誤差在0.15 m 左右。而CCMP 合成風(fēng)場在測點M2 處有效波高峰值區(qū)與實測值相對誤差較大, 誤差達到1 m 左右, 如圖10b 所示,表明CCMP 合成風(fēng)場作為三重嵌套海浪模式的驅(qū)動風(fēng)場模擬臺風(fēng)期間的有效波高時在峰值區(qū)有偏小的問題。

圖8 測點M1 (a)、測點M2 (b)位置的ERA5、CCMP 合成風(fēng)場模擬風(fēng)速與實測值對比Fig.8 Comparison between simulated wind speed and measured value of ERA5 and CCMP synthesized wind field at measuring point M1 (a) and measuring point M2 (b)

圖9 測點M1 (a, b)與測點M2 (c, d)位置的ERA5、CCMP 合成風(fēng)場模擬有效波高模擬值與實測值散點圖Fig.9 Scatter diagram of simulated and measured effective wave height of the ERA5 and CCMP synthesized wind field at measuring points M1 (a, b) and M2 (c, d)

圖10 測點M1 與測點M2 位置的ERA5、CCMP 合成風(fēng)場模擬有效波高(a, b), 平均波周期(c, d)模擬值與實測值對比Fig.10 Comparison in simulated effective wave height (a, b) and the average wave period (c, d) of wind field that synthesized by ERA5 and CCMP between simulated values and measured values at measuring points M1 and M2

測點M1、M2 處的平均波周期模擬值與實測值如圖10c、10d。由圖10c、10d 可知, 在測點M1 處ERA5 合成風(fēng)場模擬的平均波周期與實測波周期吻合度較高, CCMP 合成風(fēng)場模擬的平均波周期在臺風(fēng)取得最大風(fēng)速半徑期間略低于實測值, 最大誤差在1 s左右。在測點M2 處兩種合成風(fēng)場模擬的平均波周期均略小于實測值, 平均波周期在臺風(fēng)“威馬遜”到達臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑之前誤差大于臺風(fēng)達到最大風(fēng)速半徑之后的誤差。這可能是由于測點M2 受到臺風(fēng)“威馬遜”及臺風(fēng)麥德姆的影響。

由表3 可知, ERA5、CCMP 合成風(fēng)場模擬測點M1 處各海浪要素的模擬值與實測值的誤差較測點M2 處更小, 主要原因為: (1) 測點M1 離臺風(fēng)“威馬遜”臺風(fēng)中心較近, 在該臺風(fēng)的最大風(fēng)速半徑范圍內(nèi);(2) 測點M2 所在位置在7 月15～19 日受超強臺風(fēng)“威馬遜”影響, 在7 月22～25 日受臺風(fēng)麥德姆影響。兩種合成風(fēng)場模擬測點M1 處有效波高, 波周期, 風(fēng)速,除CCMP 合成風(fēng)場模擬的風(fēng)速以外, 模擬值與實測值相關(guān)系數(shù)均能達到90%以上, 其中有效波高模擬與實測相關(guān)系數(shù)分別為 97%、93%, 偏差值分別為-0.06 m、-0.28 m, 均方根誤差分別為0.28 m、0.46 m。在測點M2 處, ERA5 合成風(fēng)場模擬有效波高及風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在88%～93%之間, ERA5 及CCMP 合成風(fēng)場模擬有效波高的偏差及均方根誤差較測點M1 更低分別為-0.03 m、-0.18 m, 0.26 m、0.36 m。誤差統(tǒng)計表明, 本文構(gòu)建ERA5、CCMP 合成風(fēng)場的模型方案均能較好的對臺風(fēng)“威馬遜”入侵的近岸海域臺風(fēng)浪進行后報。

表3 臺風(fēng)“威馬遜”模擬值與實測值對比Tab.3 Statistical results of comparison between simulated and measured data

不同嵌套結(jié)構(gòu)及驅(qū)動風(fēng)場模擬有效波高模擬值與測點M1 位置實測值對比如圖11 所示, 結(jié)果表明,三重嵌套海浪模型及合成風(fēng)場都有提高有效波高后報精度的作用, 且采用Holland 經(jīng)驗臺風(fēng)模型構(gòu)建的ERA5 合成風(fēng)場驅(qū)動三重嵌套海浪模型模擬的有效波高最接近實測值。誤差統(tǒng)計分析如表4 所示, 驗證了本文構(gòu)建的合成風(fēng)場驅(qū)動三重嵌套海浪模型后報精度較高, 可以進一步作為超強臺風(fēng)浪預(yù)報的高精度模型。

表4 測點M1 位置的不同嵌套結(jié)構(gòu)及驅(qū)動風(fēng)場模擬有效波高模擬值與實測值誤差統(tǒng)計Tab.4 Statistic errors between simulated and measured effective wave height simulated by different nested structures and driving wind fields

圖11 測點M1 位置的不同嵌套結(jié)構(gòu)及驅(qū)動風(fēng)場模擬有效波高模擬值與實測值對比Fig.11 Comparison of simulated and the measured effective wave heights in different nested structures and driving wind fields at measuring point M1

3.3 臺風(fēng)浪風(fēng)場及海浪場分布

圖12 給出了采用ERA5 合成風(fēng)場驅(qū)動三重嵌套模型模擬臺風(fēng)“威馬遜”影響期間位于北太平洋的南海北部海域內(nèi)臺風(fēng)浪的主要形成及發(fā)展過程。如圖11所示, 在臺風(fēng)影響下, 研究海域內(nèi)形成了明顯的旋轉(zhuǎn)海浪場。2014 年7 月17 凌晨, 臺風(fēng)“威馬遜”經(jīng)過菲律賓海域而后進入中國南海海域, 該海域臺風(fēng)浪開始顯著增長, 隨著臺風(fēng)進一步向海南島移動和發(fā)展,波高逐漸增大。在臺風(fēng)移動到南海北部海南島東南方向時, 形成半徑超過200 km 的狂浪區(qū), 其有效波高達7～10 m。距離海南島100 km 左右位置, 臺風(fēng)中心附近生成狂濤區(qū), 其半徑為 50 km, 有效波高達10～12 m, 直逼海南島文昌、瓊海、萬寧三市, 造成嚴(yán)重的海浪災(zāi)害。臺風(fēng)在廣西壯族自治區(qū)和海南島登陸時, 臺風(fēng)浪的最大波高仍維持在11 m 左右。強浪于7月18 日12:00 到達我國廣西壯族自治區(qū)近海, 并隨著海浪破碎及淺水變形波高逐漸減小, 一部分強浪穿過雷州半島, 此時臺風(fēng)中心在雷州半島附近, 兩者作用疊加導(dǎo)致北部灣海浪活動增強, 并于7 月19 日00:00 在北部灣區(qū)域形成一次峰值, 高度超過5 m。此外, 該臺風(fēng)的風(fēng)場及臺風(fēng)浪具有明顯的空間分布特征, 主要為: (1) 背景風(fēng)場、合成風(fēng)場具有相同的“右偏”不對稱特征, 因此臺風(fēng)風(fēng)場具有“右偏”特性; (2)臺風(fēng)路徑的中心位置左側(cè)波高小于右側(cè)波高, 因此臺風(fēng)浪在空間分布上也呈現(xiàn)出明顯“右偏”不對稱分布特征, 這與背景風(fēng)場、合成風(fēng)場的空間分布特征一致。該臺風(fēng)的風(fēng)場空間分布特征主要是由于該海域位于西北太平洋, 受北半球熱帶氣旋科氏力的作用, 臺風(fēng)本身具備左側(cè)強度小于右側(cè)的特點; 臺風(fēng)浪的空間分布特征主要的形成機理是位于臺風(fēng)中心西南方位的海面沒有持續(xù)的能量供應(yīng), 而位于臺風(fēng)中心東北方位的海浪有臺風(fēng)風(fēng)場供應(yīng)持續(xù)不斷的能量, 從而造成波高增大現(xiàn)象, 位于臺風(fēng)路徑右側(cè)的波高大于左側(cè)波高。

圖12 臺風(fēng)“威馬遜”影響下南中國海海浪場及風(fēng)場分布Fig.12 Distribution of wave field and wind field in the South China Sea under the influence of Typhoon Rammasun

4 結(jié)果與討論

本文通過使用Holland 經(jīng)驗臺風(fēng)模型改進風(fēng)場數(shù)據(jù)及使用WW III-SWAN 建立三重嵌套海浪模型提高了臺風(fēng)期間的海浪模擬效果。使用以上兩種改進方法對2014 年第9 號超強臺風(fēng)“威馬遜”的臺風(fēng)浪進行數(shù)值模擬, 并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析, 得到以下結(jié)論:

(1) 通過探究Holland 經(jīng)驗臺風(fēng)模型中兩個關(guān)鍵要素RMW 及HollandB參數(shù)對構(gòu)建臺風(fēng)風(fēng)場的影響發(fā)現(xiàn), ERA5 風(fēng)場使用RMW1 及HollandB2參數(shù)、CCMP 風(fēng)場使用RMW2及HollandB4參數(shù)構(gòu)建的合成風(fēng)場對臺風(fēng)“威馬遜”的模擬效果最好。

(2) 使用兩種合成風(fēng)場驅(qū)動海浪模式的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明, 優(yōu)化后的臺風(fēng)合成風(fēng)場與三重嵌套海浪模式相結(jié)合可有效提高臺風(fēng)浪后報精度, 其中ERA5 與Holland 經(jīng)驗臺風(fēng)模型的合成風(fēng)場能夠更好地刻畫臺風(fēng)浪的特征。

(3) 臺風(fēng)“威馬遜”期間的海面風(fēng)場及臺風(fēng)浪的空間分布特征結(jié)果表明, 兩者在空間分布上均呈現(xiàn)明顯的“右偏”不對稱性特征, 與前人研究結(jié)果一致。臺風(fēng)浪要素的分布特點為: 南海北部海域中臺風(fēng)轉(zhuǎn)移方向的中心左側(cè)為小風(fēng)速、小波高區(qū), 風(fēng)速及波高均較右側(cè)更低; 右側(cè)與之相反。近岸地形會對海浪傳播產(chǎn)生影響, 因此當(dāng)臺風(fēng)轉(zhuǎn)移到近岸海域時, 波型開始出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。臺風(fēng)中心接近測站位置出現(xiàn)風(fēng)浪波型, 而后轉(zhuǎn)換為涌浪, 這與一般臺風(fēng)浪波型轉(zhuǎn)換規(guī)律相符。

本文選取了ERA5 及CCMP 風(fēng)場作為背景風(fēng)場,其中CCMP 風(fēng)場時間分辨率為6 h, 雖然本文進行了插值處理, 但可能無法完全滿足臺風(fēng)期間的海浪預(yù)報要求, 后續(xù)工作可考慮使用更高分辨率的風(fēng)場資料或改進插值方法, 提高預(yù)報精度。同時, 地形對近海波浪有較大影響, 使用更高精度的地形建立模式網(wǎng)格也可以有效提高預(yù)報精度, 后期可使用更高分辨率風(fēng)場數(shù)據(jù)及模型網(wǎng)格以進一步提升臺風(fēng)浪預(yù)報效果。