付翔，仉天宇，于福江

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮計(jì)算中的應(yīng)用

付翔，仉天宇，于福江

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

業(yè)務(wù)化風(fēng)暴潮計(jì)算中多采用模型風(fēng)場(chǎng)的算法來(lái)給出風(fēng)暴潮強(qiáng)迫場(chǎng)。最大風(fēng)速半徑是模型風(fēng)場(chǎng)最難確定的參數(shù)之一。利用QuikSCAT衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)擬合臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑是確定該參數(shù)的有效方法。將擬合得到的最大風(fēng)速半徑代入模型風(fēng)場(chǎng)計(jì)算風(fēng)暴潮的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，模擬的沿岸風(fēng)暴增水與實(shí)況更為接近。

QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)；模型風(fēng)場(chǎng)；最大風(fēng)速半徑；風(fēng)暴潮

1 引言

QuikSCAT衛(wèi)星是美國(guó)太空總署（NASA）于1999年6月發(fā)射的一顆海洋科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，它上面所攜帶的SeaWinds（洋面風(fēng)場(chǎng)散射探測(cè)儀）能夠探測(cè)洋面10 m的風(fēng)向風(fēng)速[1]。該數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛的用在洋面風(fēng)場(chǎng)特征分析[2-8]，熱帶氣旋的監(jiān)測(cè)和分析研究中[6-7]。李明悝用QuikSCAT和NCEP的混合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)模擬過(guò)東中國(guó)海一次大浪過(guò)程[8]。但遙感風(fēng)場(chǎng)用于風(fēng)暴潮的計(jì)算還從未有過(guò)。

風(fēng)暴潮是指由于強(qiáng)烈的大氣擾動(dòng)（如臺(tái)風(fēng)、溫帶氣旋、冷空氣等）而引起的海面異常升高的現(xiàn)象。大多數(shù)因熱帶氣旋引起的特大自然災(zāi)害是由風(fēng)暴潮造成的（引自世界氣象組織前秘書(shū)長(zhǎng)D.A. Davies）。我國(guó)是世界上遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，根據(jù)國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害公報(bào)[9]，近5年來(lái)我國(guó)沿海平均每年發(fā)生6.8次風(fēng)暴潮災(zāi)害，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)182.254億元/年，占年平均海洋災(zāi)害總體經(jīng)濟(jì)損失的96.38%，其中臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害又尤為嚴(yán)重。

目前業(yè)務(wù)化的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值計(jì)算基本都是采用模型風(fēng)場(chǎng)來(lái)刻畫(huà)風(fēng)暴潮驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單，時(shí)效性高。缺點(diǎn)就是參數(shù)不易確定，特別是最大風(fēng)速半徑。最大風(fēng)速半徑通常是取七級(jí)大風(fēng)半徑的1/10。本文利用QuikSCAT衛(wèi)星遙感風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)提取風(fēng)場(chǎng)模型的最大風(fēng)速半徑參數(shù)，代入到風(fēng)暴潮數(shù)值計(jì)算，以期獲得更為準(zhǔn)確的風(fēng)暴潮增水模擬值。

2 QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)反演資料

采用第三級(jí)（Level 3）逐日海面風(fēng)場(chǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為研究用數(shù)據(jù)。SeaWinds第三級(jí)再分析數(shù)據(jù)是在二級(jí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)Direction Interval Retrieval with Threshold Nudging(DIRTH)的方法獲得，每日一個(gè)文件，分為升軌和降軌兩個(gè)通道數(shù)據(jù)，包含風(fēng)速、風(fēng)矢量、降水概率等格點(diǎn)數(shù)據(jù)，分辨率為0.25°，掃描幅寬為1800 km[1]。資料下載于NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室物理海洋學(xué)數(shù)據(jù)分發(fā)存檔中心（Physical Oceanography Distributed Active Archive Center at the Jet Propulsion Laboratory），利用其提供的解碼程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，提取其中的經(jīng)、緯向風(fēng)速分量和衛(wèi)星過(guò)境遙感時(shí)間。

3 風(fēng)場(chǎng)模型參數(shù)的提取

使用正圓形對(duì)稱(chēng)的臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)疊加臺(tái)風(fēng)移行風(fēng)場(chǎng)來(lái)刻畫(huà)風(fēng)暴潮驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。公式如下：

Wx、Wy為模型風(fēng)在經(jīng)向和緯向的分量，x、y為格點(diǎn)位置，Vx、Vy為臺(tái)風(fēng)移速在經(jīng)向和緯向的分量，△P為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓與中心氣壓差，ρa(bǔ)為空氣密度,R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑，θ為流入角；C1、C2為常數(shù)，x0、y0為臺(tái)風(fēng)中心位置。

目前臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)參數(shù)基本可以滿(mǎn)足該模型風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算，除了最大風(fēng)速半徑。將Wx、Wy看做是R的函數(shù)，根據(jù)最小二乘法擬合原理（式5），利用QuikSCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)求出一個(gè)最大風(fēng)速半徑，即當(dāng)時(shí)的R，其中m為計(jì)算區(qū)內(nèi)同軌遙感風(fēng)場(chǎng)的總格點(diǎn)數(shù)，usi、vsi為衛(wèi)星遙感風(fēng)速。將R帶入方程(1)—(4)，計(jì)算得到模型風(fēng)場(chǎng)。

4 風(fēng)暴潮計(jì)算模式

采用球坐標(biāo)下深度平均的二維淺水方程計(jì)算風(fēng)暴潮，控制方程如下：

式（6）中，t代表時(shí)間，θ、φ分別代表經(jīng)度和緯度，z代表從平均海平面起算的水位高度，u、v代表深度平均流的經(jīng)向和緯向分量，F(xiàn)s、Gs代表海表面風(fēng)應(yīng)力τs的經(jīng)向和緯向分量，F(xiàn)b、Gb代表海底摩擦應(yīng)力τb的經(jīng)向和緯向分量，Pa代表海表面的大氣壓力，D代表總水深，ρ代表海水密度，假定為均勻的，R代表地球半徑，g代表重力加速度，f代表柯氏參數(shù)。

模式采用有限差分方法求解方程，網(wǎng)格為Arakawa C型網(wǎng)格（見(jiàn)圖1），采用前差-后差（半隱式）差分格式求解，分辨率為1/30度。陸地邊界為剛壁邊界，水邊界取靜壓邊界條件。

圖1 差分網(wǎng)格各物理量的分布圖

5 模擬實(shí)例與結(jié)果分析

本文采用0915號(hào)臺(tái)風(fēng)作為模擬實(shí)例。0915號(hào)臺(tái)風(fēng)“巨爵”于9月13日在菲律賓北部洋面生成，兩日后在廣東省臺(tái)山市附近登陸，在珠江口到臺(tái)山一帶沿海引起了較大風(fēng)暴潮。計(jì)算區(qū)域選取我國(guó)最易遭受臺(tái)風(fēng)影響的東海、南海區(qū)域（見(jiàn)圖2）。使用了3個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3），分別為12日19時(shí)前后、13日07時(shí)前后和13日19時(shí)前后。初始時(shí)刻與最終時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)的最大風(fēng)速半徑采用七級(jí)風(fēng)圈半徑的1/10，設(shè)臺(tái)風(fēng)登陸前最大風(fēng)速半徑等于最末一個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星擬合半徑，采用時(shí)間線(xiàn)性插值求得臺(tái)風(fēng)移行過(guò)程中的最大風(fēng)速半徑系列。

圖2 模式計(jì)算區(qū)域及臺(tái)風(fēng)路徑

圖3 0915號(hào)臺(tái)風(fēng)QuikSCAT反演風(fēng)場(chǎng)

近岸淺水風(fēng)暴潮對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)非常敏感，因此臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑的選取對(duì)風(fēng)暴潮增水的模擬結(jié)果有著顯著影響。我們分別采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合的最大風(fēng)速半徑與七級(jí)風(fēng)圈半徑的1/10為最大風(fēng)速半徑來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，七級(jí)風(fēng)圈半徑的值由中央氣象臺(tái)發(fā)布的臺(tái)風(fēng)定位GTS報(bào)文獲得。由圖4可以看出，以七級(jí)風(fēng)圈半徑的1/10近似為最大風(fēng)速半徑與衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)的擬合半徑有一定差別。表1為臺(tái)風(fēng)右半圓主要影響區(qū)域內(nèi)驗(yàn)潮站的最大風(fēng)暴潮對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果。由模擬結(jié)果可以看出，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合最大風(fēng)速半徑的模型驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，能更好的模擬出沿岸風(fēng)暴潮最大增水分布。與七級(jí)風(fēng)圈半徑的1/10為最大風(fēng)速半徑的模擬結(jié)果比較來(lái)看，除了離登陸點(diǎn)最遠(yuǎn)的赤灣站和最近的臺(tái)山站，其它站增水模擬的相對(duì)誤差都明顯減小，說(shuō)明衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合的大風(fēng)半徑更接近實(shí)際情況。但是由于衛(wèi)星軌道覆蓋的原因，數(shù)據(jù)不夠全面，特別是缺乏臺(tái)風(fēng)登陸前的數(shù)據(jù)，因此不能刻畫(huà)臺(tái)風(fēng)登陸前風(fēng)場(chǎng)的變化，加上模型本身對(duì)風(fēng)場(chǎng)分布的刻畫(huà)誤差，導(dǎo)致個(gè)別站風(fēng)暴增水的模擬誤差變大。

圖4 最大風(fēng)速半徑序列

表1 0915號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮最大增水對(duì)比檢驗(yàn)（單位/cm）

5 小結(jié)

利用QuikSCAT第三級(jí)遙感數(shù)據(jù)提取臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的最大風(fēng)速半徑，是獲取模型風(fēng)場(chǎng)重要參數(shù)的一個(gè)有效方法。所計(jì)算出的模型風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)更為接近，作為臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，能較準(zhǔn)確的模擬出臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的增水情況。但由于衛(wèi)星自身運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)的限制，其數(shù)據(jù)缺乏一定的連續(xù)性和時(shí)效性，影響了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效利用。若采用多衛(wèi)星源數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的覆蓋區(qū)域和覆蓋時(shí)間，將會(huì)大大提高衛(wèi)星資料的利用率和模擬的準(zhǔn)確度。

[1]JPL SeaWinds Project.SeaWinds on QuikSCAT Level 3 Daily,ridded Ocean Wind Vectors[K].Physical Oceanography DAAC.

[2]劉春霞,何溪澄.QuikSCAT散射計(jì)矢量風(fēng)統(tǒng)計(jì)特征及南海大風(fēng)遙感分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2003,9（19S）:107-117.

[3]Simona B,Bjorn S.Principal ComponentAnalysis of the Summertime Winds over the Gulf of California:A Gulf Surge Index[J]. MonthlyWeatherReview,2006,134:3395-3414.

[4]陳德文,商少平,商少凌,等.臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)灣島周邊海域海面風(fēng)場(chǎng)特征的衛(wèi)星遙感研究[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,46（1）:141-145.

[5]劉付前,駱永軍,王超.應(yīng)用衛(wèi)星散射計(jì)資料研究中國(guó)海海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空特征[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2009,29（10）:37-38.

[6]方翔,咸迪,李小龍,等.QuikSCAT洋面風(fēng)資料及其在熱帶氣旋分析中的應(yīng)用[J].氣象,2007,33（3）:33-39.

[7]鄒巨洪,林明森,潘德?tīng)t,等.QuikSCAT在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].遙感學(xué)報(bào),2009,13（5）:847-853.

[8]李明悝,侯一筠.利用QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)及WAVEWATCH模擬東中國(guó)海風(fēng)浪場(chǎng)[J].海洋科學(xué),2005,29(6）:9-12.

[9]國(guó)家海洋局.海洋災(zāi)害公報(bào)[G].2005-2009.

Application of QuikSCAT wind in typhoon storm surge simulation

FU Xiang,ZHANG Tian-yu,YU Fu-jiang
(Key laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,State Oceanic Administration，Beijing100081 China)

Model wind is usually used as forcing field in the operational storm surge simulation.The maximum wind speed radius is one of the parameters which is the hardest to be determined in most wind models.By using QuikSCAT wind data fitting maximum wind speed radii,the storm surge forcing field is assimilated.As a result, the simulated surge is more approximate to the observations.

QuikSCAT wind field;model wind field;maximum wind speed radius;storm surge

book=83,ebook=83

P444

：A

：1003-0239（2012）04-0018-05

2012-02-16

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“自主海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星微波遙感處理技術(shù)研究示范”（201102032-4）

付翔（1980-），女，助理研究員，現(xiàn)從事風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)技術(shù)研究。E-mail：fx@nmefc.gov.cn