賈 曉 ，路川藤 ，盧 堅(jiān) ，周正萍

（1.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海201201；2.南京水利科學(xué)研究院，南京210029；3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006）

“熱帶氣旋”指發(fā)生在熱帶地區(qū)急速旋轉(zhuǎn)的低壓渦旋，也就是公眾通常所說(shuō)的“臺(tái)風(fēng)”。世界氣象組織規(guī)定，按熱帶氣旋中心附近近地面處的2 min平均最大風(fēng)力等級(jí)（以蒲氏風(fēng)級(jí)表示）劃分為4個(gè)等級(jí)，由弱到強(qiáng)依次為：熱帶低壓（10.8～17.1 m/s），熱帶風(fēng)暴（17.2～24.4 m/s）、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（24.5～32.6 m/s）和臺(tái)風(fēng)（大于 32.6 m/s），也有氣象學(xué)者在此基礎(chǔ)上，把臺(tái)風(fēng)再分為臺(tái)風(fēng)（32.7～41.4 m/s）、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（41.5～50.9 m/s）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（大于50.9 m/s）3個(gè)等級(jí)。

臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)涵的能量巨大，且總是伴隨著暴雨、大風(fēng)、大浪、強(qiáng)潮等氣象水文現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)。我國(guó)已成為世界上熱帶氣旋登陸最多、受災(zāi)最嚴(yán)重的國(guó)家之一。臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)浪造成的損失尤其嚴(yán)重。進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的臺(tái)風(fēng)資料分析和臺(tái)風(fēng)浪模擬，對(duì)海岸帶規(guī)劃及海岸工程防護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。

1 臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)特性分析

1.1 影響中國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)

中國(guó)海岸線總長(zhǎng)度32萬(wàn)km，領(lǐng)海海域廣闊。從遼寧到廣西漫長(zhǎng)的沿海地區(qū)都可能有臺(tái)風(fēng)登陸，而東南部地區(qū)更是頻繁遭受熱帶氣旋侵害。根據(jù)National Weather Service（NOAAPORT satellite data）最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1945～2009年西北太平洋共有1 898次熱帶氣旋生成，年均29.2次；西北太平洋的熱帶氣旋主要集中在7～10月，尤以8月為最高峰，達(dá)8.5個(gè)。

在西北太平洋沿岸國(guó)家中，我國(guó)是受熱帶氣旋襲擊最多的國(guó)家，1945～2009年登陸中國(guó)沿海（包括臨近中國(guó)且造成影響，即臺(tái)風(fēng)中心距離陸地小于80 km）597次，年均9.2個(gè)。登陸臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)占西北太平洋生成臺(tái)風(fēng)總數(shù)的31.5%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息見圖1。

圖1 西北太平洋臺(tái)風(fēng)數(shù)量及登陸（含臨近）臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Number of typhoons in the northwest Pacific Ocean and landing（anear）typhoons

1.2 登陸臺(tái)風(fēng)的時(shí)間及空間統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律

總體來(lái)講，影響中國(guó)沿海的熱帶氣旋主要發(fā)生在7～9月，其他季節(jié)熱帶氣旋數(shù)量明顯減少且強(qiáng)度較弱。登陸中國(guó)大陸最早的在5月3日，最晚的在12月2日。王金博［1］、王毅［2］等統(tǒng)計(jì)分析了臺(tái)風(fēng)登陸中國(guó)沿海的時(shí)空演變情況。

從登陸地點(diǎn)來(lái)分析，登陸中國(guó)的熱帶氣旋主要集中在廣東和海南，約占登陸中國(guó)大陸熱帶氣旋總數(shù)的2/3；其次是臺(tái)灣、福建和浙江；上海和長(zhǎng)江以北的沿海省市極少。登陸或影響中國(guó)沿海的幾種典型路徑統(tǒng)計(jì)信息見圖2。

1.3 影響中國(guó)沿海熱帶氣旋的強(qiáng)度

熱帶氣旋最大強(qiáng)度分布圖對(duì)海上交通運(yùn)輸、石油勘探、開采以及海岸工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，均有很大的參考價(jià)值。據(jù)嚴(yán)愷院士統(tǒng)計(jì)［3］，1951～1980年間觀測(cè)到的地面最大風(fēng)速極值為110 m/s，出現(xiàn)在1958年9月24日的5827號(hào)臺(tái)風(fēng)。

氣旋的強(qiáng)度，可以通過(guò)其中心最低氣壓反映。根據(jù)National Weather Service的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，西北太平洋海域和中國(guó)沿海地區(qū)65 a來(lái)出現(xiàn)的最低氣壓見圖3。

圖2 中國(guó)沿海登陸（含臨近）臺(tái)風(fēng)典型路徑統(tǒng)計(jì)（1945～2009）Fig.2 Statistic of typical paths of landing（anear）typhoons of China coast

圖3 西北太平洋海域和中國(guó)沿海地區(qū)歷史最低氣壓圖（1945～2009年）Fig.3 Historical minimum air pressure of the northwest Pacific area and Chinese coastal area

2 臺(tái)風(fēng)浪的數(shù)值模擬

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向變化均十分劇烈，故臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確與否是臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)模擬的關(guān)鍵。給定風(fēng)場(chǎng)后，需要一個(gè)適用的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬臺(tái)風(fēng)生成、傳播和耗散。

2.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬

進(jìn)行氣旋風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)，首先需選擇合適的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)模式。本文采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的臺(tái)風(fēng)暴潮模式，在距臺(tái)風(fēng)中心距離r<2R0（R0為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑）時(shí)采用藤田模式，在r≥2R0時(shí)采用高橋模式計(jì)算氣壓場(chǎng)［4］，移行風(fēng)速采用Veno Takeo公式。則臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)可以表達(dá)為

式（1）中：ΔP為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓與臺(tái)風(fēng)中心氣壓的氣壓差；R0為最大風(fēng)速半徑；r為計(jì)算點(diǎn)至臺(tái)風(fēng)中心距離；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；Φ為地理緯度；ρa(bǔ)為空氣密度；d為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度；β為梯度風(fēng)與海面風(fēng)的訂正角，取β=20°；C1、C2為常數(shù)，取 C1=0.8，C2=1.0。

這種計(jì)算方法在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用［5-6］，實(shí)踐證明，合理選擇最大風(fēng)速半徑的前提下，這種方法基本能夠模擬海面上的氣旋風(fēng)場(chǎng)。

2.2 SWAN模型簡(jiǎn)介

SWAN模型［7］采用與WAM模型相同的方程及源匯項(xiàng)，在算法上做了改進(jìn)，并且加入了額外的淺水控制項(xiàng)。SWAN模型對(duì)不同水深的適應(yīng)性較好，且較為全面地考慮了包括能量輸入、損耗和非線性相互作用等在內(nèi)的一系列源匯項(xiàng)；模型以不規(guī)則譜型的方向譜表示真實(shí)海浪的隨機(jī)性特征，模擬結(jié)果更接近真實(shí)海浪。SWAN模型采用動(dòng)譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過(guò)程。在直角坐標(biāo)系中，動(dòng)譜平衡方程可表示為

SWAN模型采用全隱式有限差分格式，無(wú)條件穩(wěn)定，允許較大的時(shí)間步長(zhǎng)。

2.3 臺(tái)風(fēng)浪模擬及驗(yàn)證

2008年8號(hào)臺(tái)風(fēng)莫拉克（MORAKOT）路徑見圖4。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻中心氣壓970 kPa，中心最大風(fēng)速33 m/s。通過(guò)調(diào)整最大風(fēng)速半徑、外圍氣壓等參數(shù)，擬合大陳島測(cè)站的風(fēng)速和風(fēng)向，驗(yàn)證情況見圖5。

在本次計(jì)算中，風(fēng)浪成長(zhǎng)模式及白帽破碎采用Janssen格式和Komen格式。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較見圖6。從圖6的波高對(duì)比情況中可以看出，SWAN模型對(duì)亞熱帶氣旋的模擬結(jié)果（即風(fēng)速不是特別大的情況下）較好，且風(fēng)能輸入和白帽破碎采用Janssen格式在周期模擬方面明顯優(yōu)于Komen格式。

圖4 臺(tái)風(fēng)莫拉克路徑圖Fig.4 Path of typhoon MORAKOT

圖5 大陳島海洋站莫拉克臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速風(fēng)向驗(yàn)證情況Fig.5 Validation of wind speed and wind direction during typhoon MORAKOT at Dachen ocean station

圖6 大陳島海洋站波高及周期驗(yàn)證情況Fig.6 Validation of wave height and wave period during typhoon MORAKOT at Dachen ocean station

另外對(duì)于強(qiáng)熱帶臺(tái)風(fēng)下的波浪場(chǎng)，因?yàn)槿狈﹄x岸較遠(yuǎn)的實(shí)用測(cè)點(diǎn)資料，本文未做詳細(xì)計(jì)算。針對(duì)有學(xué)者提出的極端風(fēng)速下SWAN模型波高模擬結(jié)果偏大的問題，可以參考相關(guān)文獻(xiàn)［8］進(jìn)行修正計(jì)算。

3 結(jié)論

本文分析了自1945年以來(lái)的中國(guó)東部外海的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，得出了中國(guó)沿海登陸臺(tái)風(fēng)的幾種典型路徑以及東部外海最低氣壓場(chǎng)的空間分布；然后采用第三代海浪數(shù)學(xué)模型SWAN，計(jì)算了亞熱帶臺(tái)風(fēng)“莫拉克”的波浪情況，并采用大陳島海洋站實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)論證明SWAN模型模擬亞熱帶氣旋的適用性較好。

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