高欽欽， 朱建榮， 端義宏， 孫明華

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.國(guó)家氣象中心，北京 100081）

0 引 言

我國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)害嚴(yán)重，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東海南海沿海地區(qū)，一旦遭受臺(tái)風(fēng)襲擊，損失要比其他地區(qū)大得多.因此，加強(qiáng)這些地區(qū)的風(fēng)暴潮研究，具有重要意義.

風(fēng)暴潮的動(dòng)力成因：一是向岸的大風(fēng)驅(qū)動(dòng)海水向岸流動(dòng)，受岸線阻擋，水位暴增，二是氣壓下降引起的增水.因此在風(fēng)暴潮數(shù)值模擬中，臺(tái)風(fēng)的給出十分重要.目前，采用最多的是圓對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)模型，先給出圓對(duì)稱的氣壓分布，再根據(jù)梯度風(fēng)原理，由臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)計(jì)算臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng).臺(tái)風(fēng)模型，如Fujita（藤田）和Fujita－Takahashi（藤田高橋）模型，給出的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)是對(duì)稱的.但實(shí)際臺(tái)風(fēng)往往不是圓對(duì)稱的，特別是當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心移到近岸時(shí)，受地形影響，這種不對(duì)稱性更明顯.為了更好地給出臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，提高風(fēng)暴潮模擬的精度，許多學(xué)者作了相關(guān)研究.陳孔沫［1］利用熱帶氣旋外圍的特征等壓線替代最大風(fēng)速半徑，朱首賢［2］和沙文玨［3］等提出基于特征等壓線的方法來(lái)構(gòu)造臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).Zou［4］通過(guò)四維同化的方法從對(duì)稱臺(tái)風(fēng)模型得到不對(duì)稱的初始場(chǎng).這些改進(jìn)，在一定程度上能反映臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，但特征等壓線的給出是個(gè)較難的問題.目前，中尺度大氣數(shù)值模式逐漸被引進(jìn)并得到了廣泛應(yīng)用［5－7］，蔣小平等［8］在臺(tái)風(fēng)浪模擬中，比較了MM5模擬的風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)場(chǎng)，提出了用數(shù)值模式模擬風(fēng)場(chǎng)替代經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)場(chǎng)以改進(jìn)臺(tái)風(fēng)浪的模擬.新一代的中尺度大氣數(shù)值模式WRF由美國(guó)氣象界聯(lián)合開發(fā)，重點(diǎn)考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報(bào)，水平分辨率重點(diǎn)考慮1～10 km，模擬的各氣象要素準(zhǔn)確性優(yōu)于MM5模式［9］.

風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬精度主要受臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)精度的影響，也受風(fēng)暴潮數(shù)值模式本身的影響.以往風(fēng)暴潮的模擬大多采用四邊形有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)沿岸復(fù)雜岸線的擬合和局部加密具有局限性.三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則能完全擬合岸線和充分局部加密，有效提高風(fēng)暴潮的模擬精度.

針對(duì)以上問題，為了進(jìn)一步提高臺(tái)風(fēng)風(fēng)壓場(chǎng)的模擬精度，本文應(yīng)用WRF數(shù)值模式模擬臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，給出較為真實(shí)的具有不對(duì)稱性的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).為比較對(duì)稱和非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)暴潮的影響，采用藤田（Fujita）對(duì)稱臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).風(fēng)暴潮數(shù)值模式采用非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格的FVCOM［10，11］，能完全擬合岸線和充分加密，進(jìn)一步提高風(fēng)暴潮的模擬精度.模式的計(jì)算區(qū)域?yàn)闁|海和南海，以TC0509（Matsa）、TC0519（Longwang）和TC0814（Hagupit）臺(tái)風(fēng)為例，模擬這3個(gè)臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)暴潮.

1 非結(jié)構(gòu)東海南海風(fēng)暴潮模式的建立

本文的風(fēng)暴潮數(shù)值模式基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的FVCOM，它是由Chen等［10，11］發(fā)展起來(lái)的，基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)原始方程進(jìn)行離散并數(shù)值求解.本文重點(diǎn)模擬長(zhǎng)江口和杭州灣、福建、海南和珠江口3個(gè)區(qū)域風(fēng)暴潮，因計(jì)算范圍很大，故將渤海黃海東海和南海北部作為整個(gè)計(jì)算區(qū)域（見圖1a），在各重點(diǎn)區(qū)域作網(wǎng)格加密（圖1b—d），形成3套網(wǎng)格.在重點(diǎn)加密區(qū)域，網(wǎng)格分辨率2 km，大區(qū)域外海開邊界分辨率放大到80 km.3套網(wǎng)格的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別是37 199和19 805（長(zhǎng)江口區(qū)域）、53 849和28 535（福建區(qū)域）、68 624和36 008（珠江口區(qū)域）.模式的地形資料來(lái)源于British Oceanographic Data Centre，資料精度1′×1′，長(zhǎng)江口和珠江口臨近海域地形資料來(lái)自歷次觀測(cè)，分辨率從幾百米到幾千米不等.模式外海開邊界考慮16個(gè)分潮 M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，MU2，NU2，T2，L2，2N2，J1，M1及OO1，以潮汐調(diào)和常數(shù)的形式合成給出，資料從全球潮汐數(shù)值模式NAOTIDE中計(jì)算結(jié)果得到（http：／／www.miz.nao.ac.jp／staffs／nao99／index＿En.html）.陸地開邊界主要考慮長(zhǎng)江徑流.為減小計(jì)算量，模式垂向均勻分2層，時(shí)間步長(zhǎng)外模5 s，內(nèi)模30 s.

圖1 模式范圍（a）和局部區(qū)域網(wǎng)格放大圖（b 長(zhǎng)江口，c 福建沿海，d 珠江口）Fig.1 Model domain（a）and the enlarged view of grid in the local regions（b the Changjiang Estuary，c Fujian coast，d the Pearl River Estuary）

2 天文潮位驗(yàn)證

風(fēng)暴天氣下的總水位是由天文潮和風(fēng)暴潮兩部分組成，一般天文大潮的水位比風(fēng)暴潮大，因此模擬好天文潮位是基礎(chǔ).本文采用2004年1月的潮位表潮位資料分別對(duì)3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的潮位進(jìn)行驗(yàn)證.圖2是3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的潮位站點(diǎn)分布圖，限于篇幅，本文從3個(gè)區(qū)域各列舉兩個(gè)潮位站的驗(yàn)證結(jié)果，分別是中浚（長(zhǎng)江口）和蘆潮港（杭州灣）、三沙和崇武（福建）、大萬(wàn)山（珠江口）和清瀾（海南）.從潮位驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看（見圖3），長(zhǎng)江口地區(qū)和福建沿海地區(qū)半日潮特征顯著，潮差較大；珠江口、海南地區(qū)半日潮的日不等現(xiàn)象顯著，大潮期間比小潮期間顯著，潮差較小.各個(gè)站點(diǎn)的振幅和相位與潮汐表潮位吻合良好，少數(shù)近內(nèi)河的站點(diǎn)略有偏差.表1是各潮位站模式計(jì)算潮位與潮汐表潮位的均方根誤差和最大誤差統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)站點(diǎn)均方根誤差小于50 cm，最大誤差小于90 cm，總體上，模式較好的模擬了東海南海潮位站的潮汐變化過(guò)程.

圖2 3個(gè)區(qū)域的潮位站分布和臺(tái)風(fēng)路徑圖Fig.2 Distribution of tide gauge stations around three key areas and the track of typhoons

3 對(duì)稱和非對(duì)稱氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)

風(fēng)暴潮模式是在天文潮模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上增加風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)和氣壓項(xiàng)，因此風(fēng)壓場(chǎng)模擬的好壞關(guān)系到風(fēng)暴潮模擬的結(jié)果.

3.1 對(duì)稱氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)模型

圓形對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型根據(jù)梯度風(fēng)原理，由臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)計(jì)算出風(fēng)場(chǎng).國(guó)內(nèi)許多風(fēng)暴潮模式應(yīng)用了藤田（Fujita）氣壓場(chǎng)公式［2，12－14］，本文也采用該公式：

其中，P（r）為距臺(tái)風(fēng)中心r處的氣壓值；P∞為臺(tái)風(fēng)外圍無(wú)窮遠(yuǎn)處的大氣壓（計(jì)算中取1 010hPa）；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑，其與臺(tái)風(fēng)中心氣壓P0的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為R＝Rk－0.4×（P0－900）＋0.01×（P0－900）2，Rk為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，基本在30～60之間取值，推薦取40；r為計(jì)算時(shí)某點(diǎn)離開臺(tái)風(fēng)中心的距離.

圖3 潮位過(guò)程驗(yàn)證Fig.3 Tidal process validation

表1 各潮位站模式計(jì)算潮位與潮汐表潮位均方根誤差和最大誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 RMS and maximum error statistics of simulated values and tidal gauges values

求得氣壓場(chǎng)后根據(jù)梯度風(fēng)公式計(jì)算對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)，梯度風(fēng)速由下式計(jì)算：

其中，f是科氏力參數(shù)；ρa(bǔ)是空氣密度，取為1.292 9 g／m3.

臺(tái)風(fēng)移行產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)采用 Ueno（1981）公式［15］：

其中，Vdx，Vdy是臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度在x，y方向的分量.

臺(tái)風(fēng)模型的風(fēng)場(chǎng)是由臺(tái)風(fēng)的對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)風(fēng)場(chǎng)兩部分疊加而成，由以上公式推得：

其中，臺(tái)風(fēng)流入角θ取20o；C1和C2是訂正系數(shù)，本文取0.8；ΔP＝P∞－P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓示度.

本文中考慮外圍背景風(fēng)場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)外圍背景風(fēng)場(chǎng)采用QSCAT／NCEP的0.5°×0.5°的數(shù)據(jù)（http：／／dss.ucar.edu／datasets／ds744.4），QSCAT／NCEP背景風(fēng)場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)模型提供的風(fēng)場(chǎng)的合成方法為

3.2 非對(duì)稱氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)

本文非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)由中尺度數(shù)值模式WRF（Weather Research Forecast）計(jì)算結(jié)果提供.WRF是美國(guó)氣象界聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式，是在MM5模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，模式采用地形跟隨靜力氣壓垂直坐標(biāo)，Arakawa C格點(diǎn)，3階Runge－Kutta分裂顯式時(shí)間差分，質(zhì)量守恒，動(dòng)量、干熵和標(biāo)量利用通量形式的預(yù)報(bào)方程.模式包含高分辨率非靜力應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、大量的物理選擇、與模式本身相協(xié)調(diào)的先進(jìn)的資料同化系統(tǒng)，在預(yù)報(bào)各種天氣中都具有較好的性能.

本文對(duì)WRF模式（V3.2）設(shè)置了三重嵌套（見圖4），大網(wǎng)格區(qū)域范圍設(shè)置較大，包括了整個(gè)風(fēng)暴潮模擬區(qū)域，第三重嵌套區(qū)域根據(jù)重點(diǎn)模擬的臺(tái)風(fēng)區(qū)域設(shè)置（見圖4a～c），第二重嵌套區(qū)域介于二者之間.其中對(duì)于長(zhǎng)江口和福建沿海區(qū)域，模式采用的是適用于中緯度地區(qū)的蘭伯特投影，對(duì)于珠江口地區(qū)，采用的是適用于低緯度地區(qū)的莫卡托投影.三重嵌套網(wǎng)格的分辨率分別設(shè)置為30、10和3.3 km.模式垂向分28層，頂層氣壓取50 hPa.在臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬中，物理過(guò)程參數(shù)化是個(gè)敏感問題，不同的積云對(duì)流和微物理過(guò)程參數(shù)化方案對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生不同的影響，本文參照了相關(guān)文章［16，17］，選用了較為簡(jiǎn)單的 WSM3微物理方案和Kain－Fritsch淺對(duì)流積云參數(shù)化方案，這兩個(gè)方案的組合對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬與實(shí)測(cè)值相比誤差較小［16］.其他參數(shù)均采用模式默認(rèn)設(shè)置，如rrtm長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，Monin－Obukhov近地面層方案，Noah陸面過(guò)程方案，YSU邊界層方案等.本文考慮海表面溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響，具體設(shè)置參考 WRF官方網(wǎng)站（http：／／www.wrf－model.org／index.php）.初始場(chǎng)及側(cè)邊界資料選用NCEP的1°×1°全球再分析資料，每6 h一次.海表氣溫?cái)?shù)據(jù)由NCEP／MMAB提供的0.5°×0.5°，每日一次.模式計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為180 s，每6 h輸出一次結(jié)果.由于WRF模式在模擬臺(tái)風(fēng)時(shí)模式計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)路徑偏差會(huì)越大，本文每3 d設(shè)置一次試驗(yàn)，模式計(jì)算到第2天時(shí)較為穩(wěn)定，因此取第2天的結(jié)果較為可靠.為了得到更多的風(fēng)壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要設(shè)置多個(gè)WRF試驗(yàn).最后分別提取三重嵌套結(jié)果中10 m處的風(fēng)場(chǎng)和表層氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將3層數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后供風(fēng)暴潮模式使用.

圖4 WRF模式中三重嵌套區(qū)域圖Fig.4 The three nested domains in the WRF model

4 風(fēng)暴潮模擬

在長(zhǎng)江口和杭州灣、福建沿海、珠江口和海南3個(gè)研究區(qū)域分別選取了TC0509（Matsa）、TC0519（Longwang）TC0814（Hagupit）3個(gè)臺(tái)風(fēng).這幾個(gè)臺(tái)風(fēng)特征各異，0509號(hào)臺(tái)風(fēng)在浙江登陸，登陸后移動(dòng)路徑復(fù)雜多變，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不對(duì)稱特征；0519號(hào)臺(tái)風(fēng)穿過(guò)臺(tái)灣島后登陸福建，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性；0814號(hào)在廣東登陸，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度很大，給珠三角地區(qū)造成嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害.對(duì)每個(gè)臺(tái)風(fēng)，分別設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)來(lái)計(jì)算風(fēng)暴潮：試驗(yàn)Ⅰ，由WRF模式提供氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)；試驗(yàn)Ⅱ，由藤田公式計(jì)算氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，其中臺(tái)風(fēng)路徑和中心氣壓資料是由中國(guó)氣象局整編的最佳臺(tái)風(fēng)路徑資料給出，時(shí)間間隔為6 h.風(fēng)暴潮模式在計(jì)算風(fēng)暴潮之前先運(yùn)行7 d，潮流場(chǎng)基本穩(wěn)定之后再輸入氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).風(fēng)暴增水是由臺(tái)風(fēng)天氣下總水位減去純天文潮的水位.

4.1 0509號(hào)“麥莎”臺(tái)風(fēng)

2005年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)麥莎生成于西北太平洋，朝西北方向移動(dòng)（見圖2a），登陸浙江省時(shí)中心最大風(fēng)速達(dá)45 m·s－1，影響范圍較廣［18］.WRF模式模擬的“麥莎”臺(tái)風(fēng)在路徑上與實(shí)測(cè)路徑偏差較大，WRF模式由于在模式初始化，地表通量參數(shù)化，海氣間相互反饋機(jī)制以及微物理方案上還存在著一些不足，因此模式在模擬臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度上還有一定的誤差［17］.這也是目前大氣模式模擬臺(tái)風(fēng)時(shí)普遍遇到的問題，林惠娟等人［16］發(fā)現(xiàn) WRF在模擬臺(tái)風(fēng)路徑上誤差最小有9 km，最大可達(dá)272 km.針對(duì)以上問題，本文將偏離較大的中心修正到實(shí)際臺(tái)風(fēng)中心位置，即對(duì)模擬的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)作平移，當(dāng)臺(tái)風(fēng)離岸較遠(yuǎn)影響較小時(shí)，不做修正.

圖5是兩個(gè)試驗(yàn)計(jì)算的吳淞站風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間變化，臺(tái)風(fēng)登陸之前兩個(gè)試驗(yàn)計(jì)算的風(fēng)速和風(fēng)矢與實(shí)測(cè)值都很接近.臺(tái)風(fēng)登陸后，8月6日到9日期間，WRF模式模擬的風(fēng)速和風(fēng)矢比較接近實(shí)測(cè)值，6日20時(shí)和7日2時(shí)模擬的風(fēng)速偏大.對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)模型由于不考慮下墊面因素，模擬的風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)登陸以后比實(shí)測(cè)值偏大，風(fēng)向模擬尚可.圖6是6日20時(shí)風(fēng)場(chǎng)的平面分布，可以看出模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)為圓對(duì)稱的，WRF模擬的風(fēng)場(chǎng)具有非對(duì)稱的性質(zhì)，兩者在形態(tài)和量值上具有較明顯的差別.

圖5 臺(tái)風(fēng)麥莎期間吳淞站風(fēng)速（上）和風(fēng)矢（下）隨時(shí)間變化Fig.5 Temporal variation of wind speed（upper）and wind vector（lower）at Wusong station during typhoon Matsa

以下是杭州灣幾個(gè)潮位站點(diǎn)（位置詳見圖2a）的總水位（見圖7）和增水（見圖8）風(fēng)暴潮模式計(jì)算值與實(shí)測(cè)資料的比較.杭州灣幾個(gè)潮位站都位于臺(tái)風(fēng)右側(cè)，在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，杭州灣內(nèi)凹形海岸線有利于向岸風(fēng)吹動(dòng)造成的水體堆積，造成水位的抬升.從圖7和圖8看，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的總水位和增水過(guò)程與實(shí)測(cè)值比較基本吻合，但個(gè)別站點(diǎn)有些差異.最高水位發(fā)生在7日0時(shí)，此時(shí)在岱山站和灘滸站，試驗(yàn)Ⅰ模擬的的總水位比試驗(yàn)Ⅱ高一些，最高水位更接近實(shí)測(cè)值.從增水過(guò)程來(lái)看，在岱山站試驗(yàn)Ⅰ模擬的增水值比實(shí)測(cè)偏大，試驗(yàn)Ⅱ與實(shí)測(cè)值更接近.從6日20時(shí)到7日6時(shí)期間，在鎮(zhèn)海站試驗(yàn)Ⅰ模擬的總水位和增水值與實(shí)測(cè)值更吻合，試驗(yàn)Ⅱ增水比實(shí)測(cè)值小.鎮(zhèn)海站位于杭州灣南部，地理位置特殊，左邊有凸形岸線阻擋，從圖6的風(fēng)場(chǎng)圖可以看出，6日20時(shí)，在鎮(zhèn)海站附近，試驗(yàn)Ⅰ模擬的風(fēng)向東南偏東，而試驗(yàn)Ⅱ模擬的風(fēng)向東南偏南，風(fēng)向的差異造成兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的增水值的不同.在蘆潮港和灘滸站，實(shí)測(cè)增水過(guò)程具有明顯的半日波動(dòng)性，這是由于在淺水區(qū)天文潮和風(fēng)暴潮的相互作用所致，模式也能模擬出半日的波動(dòng)特征，但是振幅比實(shí)測(cè)小.總體上，從增水過(guò)程看，試驗(yàn)Ⅰ和試驗(yàn)Ⅱ兩者計(jì)算的風(fēng)暴潮差別不大.

從增水場(chǎng)平面分布看（見圖6），在8月6日20時(shí)在杭州灣和長(zhǎng)江口采用非對(duì)稱氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的風(fēng)暴潮比對(duì)稱圓形風(fēng)壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的風(fēng)暴潮在范圍上要大.

圖6 麥莎臺(tái)風(fēng)期間2005年8月6日20時(shí)風(fēng)場(chǎng)和增水場(chǎng)Fig.6 Wind field and storm surge field at 20：00on Aug 6，2005 during the typhoon Matsa

4.2 0519號(hào)“龍王”臺(tái)風(fēng)

“龍王”臺(tái)風(fēng)生成于西北太平洋中部洋面上，10月2日5：30登陸臺(tái)灣花蓮，同日21：35登陸福建晉江圍頭鎮(zhèn)，后減弱進(jìn)入福建和江西境內(nèi)，是典型的穿島型臺(tái)風(fēng)（見圖2b）.由于“龍王”臺(tái)風(fēng)是穿島型臺(tái)風(fēng)，下墊面對(duì)其影響較大，因此要重點(diǎn)模擬臺(tái)風(fēng)穿臺(tái)灣島到登陸福建這段時(shí)間的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).從10月2日14時(shí)風(fēng)場(chǎng)分布看，WRF計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)具有較明顯的不對(duì)稱性（見圖9），當(dāng)臺(tái)風(fēng)位于臺(tái)灣海峽時(shí)，西側(cè)有大陸岸線阻擋，東側(cè)有臺(tái)灣島嶼阻隔，實(shí)際臺(tái)風(fēng)會(huì)發(fā)生變形，不對(duì)稱性明顯.WRF模式由于考慮地形因素，較好的模擬了風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱性，風(fēng)速半徑較小，受地形強(qiáng)迫基本束窄在臺(tái)灣海峽當(dāng)中，靠近福建岸線一側(cè)的風(fēng)速較大.模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)完全是對(duì)稱的，在臺(tái)灣海峽北部福建沿岸為向岸風(fēng).WRF模擬的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性與模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)對(duì)稱性差異顯著.

以下比較分析崇武站和平潭站試驗(yàn)Ⅰ和試驗(yàn)Ⅱ計(jì)算的風(fēng)速、風(fēng)矢和風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化（見圖10和圖11），風(fēng)暴潮資料取自文獻(xiàn)［19］.崇武站位于臺(tái)風(fēng)路徑北側(cè)（見圖2b），距離臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)較近.10月1日0時(shí)到2日8時(shí)期間臺(tái)風(fēng)中心還未到達(dá)臺(tái)灣海峽（見圖2b），試驗(yàn)Ⅰ模擬的風(fēng)速和風(fēng)矢與試驗(yàn)Ⅱ的差不多，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的增水都比較接近實(shí)測(cè)值；2日8時(shí)到3日0時(shí)期間，臺(tái)風(fēng)穿過(guò)臺(tái)灣島登陸福建，發(fā)生最大增水，從增水過(guò)程來(lái)看，實(shí)測(cè)增水0.5 m.試驗(yàn)Ⅰ模擬的最大增水值和最大增水時(shí)刻比較接近實(shí)測(cè)值，比實(shí)測(cè)值大了約50 cm；試驗(yàn)Ⅱ模擬的最大增水值達(dá)到2 m，比實(shí)測(cè)值大了140 cm，誤差比試驗(yàn)Ⅰ計(jì)算的結(jié)果大得多.原因在于在登陸時(shí)刻，對(duì)稱臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算的風(fēng)速偏大，風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，這樣向岸大風(fēng)引起計(jì)算的增水偏大，WRF模式模擬的風(fēng)速較小，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，與岸線基本同向，不易引起大幅增水.

圖7 麥莎臺(tái)風(fēng)期間杭州灣潮位站總水位隨時(shí)間變化Fig.7 Temporal variation of total water level at the tidal gauge stations in the Hangzhou Bay during the typhoon Matsa

平潭站位于臺(tái)風(fēng)路徑的北側(cè)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)還未到達(dá)臺(tái)灣海峽時(shí)，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，風(fēng)速在7 m／s左右；兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M出來(lái)的均是小幅增水，東北風(fēng)會(huì)引起向岸的Ekman輸運(yùn)，在動(dòng)力機(jī)制是一致的.但實(shí)測(cè)值為大約10 cm左右的減水，可能是平潭站地形特殊造成的.當(dāng)臺(tái)風(fēng)到達(dá)臺(tái)灣海峽之后，試驗(yàn)Ⅰ模擬的增水過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程比較接近，最大增水比實(shí)測(cè)值大約5 cm，試驗(yàn)Ⅱ模擬的增水值比實(shí)測(cè)大，最大增水比實(shí)測(cè)值大了約40 cm，原因與崇武站分析的一樣.

圖8 麥莎臺(tái)風(fēng)期間杭州灣潮位站增水隨時(shí)間變化Fig.8 Temporal variation of storm surge at the tidal gauge stations in the Hangzhou Bay during the typhoon Matsa

圖9 臺(tái)風(fēng)龍王期間2005年10月2日14時(shí)風(fēng)場(chǎng)和增水場(chǎng)Fig.9 Wind field and storm surge field at 14：00on Oct 2，2005 during typhoon Longwang

圖10 臺(tái)風(fēng)龍王期間崇武站風(fēng)速、風(fēng)矢和風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化Fig.10 Temporal variation of wind speed，wind vector and storm surge at Chongwu station during typhoon Longwang

圖11 臺(tái)風(fēng)龍王期間平潭站風(fēng)速、風(fēng)矢和風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化Fig.11 Temporal variation of wind speed，wind vector and storm surge at Pingtan station during typhoon Longwang

從10月2日14時(shí)增水分布看（見圖9），因臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分布的顯著差異，試驗(yàn)Ⅰ模擬的增水范圍和量值遠(yuǎn)比試驗(yàn)Ⅱ小.

由以上分析可知，對(duì)于穿島型臺(tái)風(fēng)，地形對(duì)臺(tái)風(fēng)形狀結(jié)構(gòu)影響很大，臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱性顯著，對(duì)稱臺(tái)風(fēng)模型給出的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)不適用于模擬該地區(qū)的風(fēng)暴潮.

4.3 0814號(hào)“黑格比”臺(tái)風(fēng)

2008年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”是襲擊粵西的一個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓940 hPa，中心附近最大平均風(fēng)速48 m／s，給廣東沿海帶來(lái)嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害，圖2c是0814號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑圖.

圖12 臺(tái)風(fēng)黑格比期間站點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)矢隨時(shí)間變化Fig.12 Temporal variation of wind speed and wind vector at stations during typhoon Hagupit

圖12是兩種模式計(jì)算的幾個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)矢過(guò)程對(duì)比，風(fēng)速資料取自文獻(xiàn)［20］.由于風(fēng)向缺少驗(yàn)證資料，本文只比較了風(fēng)速.大萬(wàn)山站和硇洲站各位于臺(tái)風(fēng)路徑的兩側(cè)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)離岸較遠(yuǎn)時(shí)，WRF模式和模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的風(fēng)速都比實(shí)測(cè)值大，從實(shí)測(cè)風(fēng)過(guò)程線可以看出這兩個(gè)站點(diǎn)在臺(tái)風(fēng)靠近時(shí)，短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速有突然增大的過(guò)程，這一特征較難計(jì)算.閘坡站離臺(tái)風(fēng)路徑比較近，風(fēng)速驗(yàn)證較好，但風(fēng)速極值模擬的偏小些，這可能是因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)結(jié)果是每6 h輸出一次，難以捕捉到風(fēng)速極值.

從9月24日2時(shí)風(fēng)場(chǎng)分布看（見圖13），“黑格比”臺(tái)風(fēng)對(duì)稱性較好，WRF和模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的結(jié)果相差不大.

圖13 臺(tái)風(fēng)黑格比期間2008年9月24日2時(shí)風(fēng)場(chǎng)和增水場(chǎng)Fig.13 The wind and storm surge field at 2：00on Sep 24，2008 during typhoon Hagupit

圖14是珠江口幾個(gè)潮位站的增水過(guò)程，站點(diǎn)的增水資料取自文獻(xiàn)［20－22］.潮位站的增水過(guò)程呈明顯的單峰特征.在三灶站，實(shí)測(cè)最大增水1.9 m，試驗(yàn)Ⅰ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值略大約10 cm，試驗(yàn)Ⅱ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值略小約20 cm.在燈籠山站，實(shí)測(cè)最大增水1.9 m，試驗(yàn)Ⅰ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值大約80 cm，試驗(yàn)Ⅱ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值略大約20 cm.因該站位于磨刀門內(nèi)，河道水深的誤差會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的差異.在大萬(wàn)站，實(shí)測(cè)最大增水1.5 m，試驗(yàn)Ⅰ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值小約30 cm，試驗(yàn)Ⅱ計(jì)算的最大增水比實(shí)測(cè)值小約60 cm.

從9月24日2時(shí)增水分布看（見圖13），試驗(yàn)Ⅰ計(jì)算的風(fēng)暴潮范圍明顯比試驗(yàn)Ⅱ大，量值略大.總體上，在南海非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)計(jì)算的風(fēng)暴潮與對(duì)稱臺(tái)風(fēng)計(jì)算的風(fēng)暴潮較為接近，前者略好于后者.

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的FVCOM數(shù)值模式，重點(diǎn)模擬長(zhǎng)江口和杭州灣、福建沿海、珠江口和海南風(fēng)暴潮，比較分析非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)和對(duì)稱臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)暴潮的影響.非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)由WRF模式計(jì)算，對(duì)稱臺(tái)風(fēng)的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)由藤田圓形臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算.通過(guò)3個(gè)區(qū)域風(fēng)暴潮的模擬，得出以下結(jié)論.

圖14 臺(tái)風(fēng)黑格比期間潮位站風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化Fig.14 Temporal variation of storm surge at tidal gauge stations during typhoon Hagupit

對(duì)于登陸長(zhǎng)江口和杭州灣、珠江口和南海一帶的臺(tái)風(fēng)，地形對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響較小，臺(tái)風(fēng)較對(duì)稱，利用WRF模式和模型臺(tái)風(fēng)計(jì)算的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)都能較好的模擬風(fēng)暴潮，WRF模擬的風(fēng)壓場(chǎng)精度更高，因此計(jì)算結(jié)果略好于后者；對(duì)于過(guò)臺(tái)灣島登陸福建沿海的臺(tái)風(fēng)，臺(tái)灣島特殊地形對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響很大，臺(tái)風(fēng)呈現(xiàn)出明顯不對(duì)稱特征，此時(shí)圓對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)模型是不適用的，WRF模式由于考慮地形因素，能較好的模擬出真實(shí)的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，因此模擬的風(fēng)暴潮遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)稱臺(tái)風(fēng).總體上來(lái)說(shuō)，利用中尺度大氣數(shù)值模式WRF，能提供非對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，解決臺(tái)風(fēng)登陸前非對(duì)稱的問題，提高了風(fēng)暴潮的模擬精度.

在風(fēng)暴潮模擬上，本文著重于比較對(duì)稱與不對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)暴潮模擬的影響.除了風(fēng)應(yīng)力和氣壓的影響，實(shí)際風(fēng)暴潮還受諸多因素影響，比如局部地形水深、風(fēng)暴潮與天文潮的非線性作用強(qiáng)度都會(huì)影響到風(fēng)暴潮的模擬精度，并且WRF模式本身在模擬臺(tái)風(fēng)路徑上也有一定的誤差，這些問題都有待于在今后的模擬中進(jìn)一步提高.

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