傅賜福，于福江，2，劉秋興，李濤

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.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）

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮是我國(guó)頻發(fā)的重大海洋災(zāi)害，其造成的經(jīng)濟(jì)損失從20世紀(jì)90年代后已有明顯增加的趨勢(shì)，風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)及研究是海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要研究課題。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者幾十年的研究揭示了風(fēng)暴潮發(fā)生的主要機(jī)制和一般規(guī)律，總的而言，風(fēng)暴潮是氣象因素占主導(dǎo)、多種海洋要素綜合作用的結(jié)果，包括風(fēng)、氣壓、天文潮、近岸海浪、河口徑流等，風(fēng)暴潮與海洋各要素的耦合作用在近海尤為復(fù)雜。

風(fēng)場(chǎng)作為引發(fā)風(fēng)暴潮的主要因子，對(duì)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)和研究起到關(guān)鍵作用。到目前為止，人們只能利用有限的手段去研究臺(tái)風(fēng)風(fēng)壓場(chǎng)，歸納起來，主要有三大類：第一類是圓對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型（高橋，1939；藤田，1952；Jelesnianski，1965；Holland，1980）；第二類為改進(jìn)的非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型，如非對(duì)稱結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)模型（章家彬等，1986），橢圓形對(duì)稱的風(fēng)壓模型（陳孔沫，1994），特征等壓線風(fēng)場(chǎng)模型（朱首賢等，2003）；第三類為氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模型，如MM5，WRF。這三類風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)壓場(chǎng)的刻畫各有優(yōu)劣：第一類模型便于描述計(jì)算，但未能客觀反映不同類型臺(tái)風(fēng)的風(fēng)壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征；第二類模型則要考慮天氣形勢(shì)、時(shí)空變化，較難去定其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)初始場(chǎng)資料要求較高，且空間分辨率較低，臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)也有待進(jìn)一步提高。

隨著風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)往精細(xì)化發(fā)展，更準(zhǔn)確風(fēng)場(chǎng)的獲得成為了一個(gè)重要研究方向，本文將引入一個(gè)基于Holland模型風(fēng)場(chǎng)改進(jìn)的四象限非對(duì)稱模型風(fēng)場(chǎng)，并參考美國(guó)NOAA熱帶氣旋實(shí)時(shí)產(chǎn)品提供的7級(jí)、10級(jí)、12級(jí)風(fēng)圈資料，利用ADCIRC模型建立的高分辨率風(fēng)暴潮模式對(duì)1117號(hào)熱帶氣旋“納沙”引起的強(qiáng)風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比四象限風(fēng)場(chǎng)和Holland風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)暴潮改進(jìn)效果并分析結(jié)果。

1 四象限模型風(fēng)場(chǎng)

1.1 Holland模型風(fēng)場(chǎng)

Holland模型風(fēng)場(chǎng)是較常用的臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)（Holland et al，1980），臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)分布見公式（1）：

其中，P（γ，θ）是距臺(tái)風(fēng)中心γ處的海表面氣壓值，為徑向距離γ、方位角θ的函數(shù)；Pc為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，Pn為臺(tái)風(fēng)以外不受干擾的背景氣壓，取為1 012百帕；Rmax是臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑，為方位θ角的函數(shù)。

在Holland臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算中，假設(shè)梯度風(fēng)平衡，即氣壓梯度力、離心力與科氏力的平衡所得到切向風(fēng)速，見公式（2）。

其中，V（γ）為距離臺(tái)風(fēng)中心的切向風(fēng)速，ρa(bǔ)為空氣密度，f為科氏參數(shù)；B是臺(tái)風(fēng)輪廓參數(shù)，表征臺(tái)風(fēng)眼區(qū)直徑和切向速度梯度，一般取值1.0～2.5。該模型計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)是軸對(duì)稱的，在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右半圓科氏力作用使得切向風(fēng)速加強(qiáng)，左半圓切向風(fēng)速減弱。

1.2 四象限非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型

而實(shí)際上，大部分的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱的，這樣的熱帶氣旋在靠近或者登陸時(shí)會(huì)對(duì)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)帶來較大誤差。而如果能將所觀測(cè)較精確的風(fēng)場(chǎng)資料分為四個(gè)象限使我們構(gòu)造出來的風(fēng)場(chǎng)更接近觀測(cè)，就能進(jìn)一步減少預(yù)報(bào)誤差。Xie等（2006）提出了四象限非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型，具體的風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造及計(jì)算如下：

假設(shè)已知1117號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”實(shí)況見表1。為了易于求解，將Rmax寫成方位角θ的多項(xiàng)式函數(shù)，見公式（3）。

對(duì)于公式（2）中，已知實(shí)況點(diǎn)的信息，在Vmax=V(γ=Rmax)的情況下（Vmax是最大風(fēng)速），可得：

對(duì)于某個(gè)象限的風(fēng)力（例如7級(jí)）的風(fēng)圈半徑是已知的，利用公式（2）即可求解得到Rmax。通過每個(gè)象限算出的Rmax（共4個(gè)）代入公式（3）中，其中n=5，通過多項(xiàng)式擬合即可求解出P1、P2、P3、P4、P5，這樣就可以求得距離臺(tái)風(fēng)中心任意位置點(diǎn)的風(fēng)速。由于每個(gè)象限某個(gè)風(fēng)力風(fēng)圈半徑不盡相同，因此所計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)分布是非對(duì)稱的。

表1 1117號(hào)熱帶氣旋“納沙”某一時(shí)刻的風(fēng)場(chǎng)特征信息

2 風(fēng)暴潮模式及數(shù)據(jù)來源

2.1 ADCIRC風(fēng)暴潮模式

ADCIRC模式是基于有限元方法的跨尺度（大洋、近岸、河口）水動(dòng)力計(jì)算模型，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格（Westerink et al，2006）。通過基于垂直平均的原始連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程來求解自由表面起伏、二維流速等3個(gè)變量，在球坐標(biāo)系下，連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程可表示為：初始條件為：ζ=u=v=0；海岸邊界條件為：邊界的法向速度為0；

開邊界條件：靜壓邊界；

模式中求解所需物理變量的過程中，空間采用有限元法離散，時(shí)間采用有限差分法。將連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程通過引入空間變量數(shù)值加權(quán)參數(shù)進(jìn)行結(jié)合求解，提高了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，時(shí)間步長(zhǎng)取為20 s；

底摩擦力與深度平均流呈二次平方律關(guān)系，底摩擦系數(shù)采用線性與二次律混合形式；海面風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)速呈二次平方律關(guān)系，風(fēng)拖曳系數(shù)采用Garratt公式，Cd=0.001×（0.75+0.667）×W，（2‰≤Cd≤3‰）。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

模型的計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格分布見圖1所示，計(jì)算區(qū)域包括了東海南部和大部分南海，開邊界網(wǎng)格分辨率為20～30 km，除粵西的近海網(wǎng)格分辨率為1～4 km，粵西近海網(wǎng)格分辨率為0.4～0.8 km，整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括121 880個(gè)計(jì)算格點(diǎn)，236 554個(gè)計(jì)算單元。

2.2 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來源

文中四象限臺(tái)風(fēng)資料采用美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心（NHC）的熱帶氣旋最佳路徑資料，該資料同化了被動(dòng)微波傳感器資料（Special Sensor Microwave Imager，簡(jiǎn)稱SSM/I）、快速遙感主動(dòng)散射計(jì)數(shù)據(jù)（Quick Scatterometer，簡(jiǎn)稱SCAT）、微波探測(cè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（Advanced Microwave Sounding Unit，簡(jiǎn)稱AMSU）等海面觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料（Mueller et al，2006）。目前，NHC所提供的熱帶氣旋最佳路徑資料（包含四象限風(fēng)圈半徑預(yù)報(bào)信息）已被美國(guó)海洋與大氣管理局（NOAA）業(yè)務(wù)化使用。

文中的另一個(gè)風(fēng)場(chǎng)Holland模型的資料也是取自NHC的熱帶氣旋最佳路徑資料。這樣可以客觀地比較兩種不同模型風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)暴潮的影響。

3 1117“納沙”風(fēng)暴潮模擬分析

3.1 1117“納沙”概況

2011第17號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”（NESAT）于2011年9月24日上午在西北太平洋洋面上生成，9月26日夜間和29日7時(shí)兩度加強(qiáng)成為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，并以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度于29日14時(shí)30分前后在海南文昌市登陸，29日21時(shí)前后在廣東徐聞再次登陸，是2011年登陸我國(guó)強(qiáng)度最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)。受其影響，9月28日至30日，從廣東省、海南省、廣西省沿海先后出現(xiàn)了一次強(qiáng)風(fēng)暴潮過程，廣東三灶、閘坡、湛江、南渡、海南秀英潮位站均出現(xiàn)了超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽?，以上三省直接?jīng)濟(jì)損失超過30億元。圖2為9月29日-30日上午的臺(tái)風(fēng)路徑、驗(yàn)潮站和浮標(biāo)分布及關(guān)心區(qū)域水深分布。

3.2 風(fēng)暴潮模擬

利用已建立的風(fēng)暴潮模式，分別用原Holland模型風(fēng)場(chǎng)和四象限非對(duì)稱模型風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)計(jì)算風(fēng)暴潮進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3和圖4分別為珠海、臺(tái)山、海安、秀英、水東、硇洲、湛江、南渡等8個(gè)潮位站模擬與實(shí)測(cè)的對(duì)比圖，表1為各站模擬最大風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)的對(duì)比及誤差。從圖和表中可以看出，位于雷州半島東岸的水東、硇洲、湛江、南渡潮位站在兩種風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下模擬風(fēng)暴潮曲線、最大風(fēng)暴增水?dāng)?shù)值均相差不大，與實(shí)測(cè)值接近；而位于珠江口東岸和瓊州海峽的潮位站在四象限風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下模擬效果明顯優(yōu)于原Holland風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，更接近實(shí)測(cè)值，原Holland風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的最大風(fēng)暴增水平均相對(duì)誤差為23.3%，而四象限風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的最大風(fēng)暴增水平均相對(duì)誤差僅為5.4%。

3.3 風(fēng)暴潮模擬差異分析

圖2 關(guān)心區(qū)域水深、“納沙”路徑（紫）及所涉及驗(yàn)潮站、浮標(biāo)（紅）示意

表2 各站最大風(fēng)暴增水模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比（單位：cm）

“納沙”是較典型的西北路徑影響粵西的熱帶氣旋，在500 hpa高空?qǐng)D天氣形勢(shì)是副高穩(wěn)定地位于熱帶氣旋的北側(cè)，反映在地面天氣圖上是熱帶氣旋的北側(cè)為高壓控制，因此此路徑下熱帶氣旋東北和西北象限的風(fēng)力及風(fēng)圈往往要比東南和西南大。

為了考察風(fēng)暴潮差異的原因，本文選取了廣東近海3個(gè)浮標(biāo)的風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比，這3個(gè)浮標(biāo)均位于“納沙”路徑的北側(cè)（詳見圖2），圖5為其在兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)模型輸出風(fēng)速、風(fēng)向與實(shí)測(cè)的對(duì)比。從圖中可以看出，通過同化更多風(fēng)場(chǎng)資料的四象限風(fēng)場(chǎng)參數(shù)所構(gòu)造的風(fēng)場(chǎng)在“納沙”路徑的北側(cè)得到了加強(qiáng)，無論風(fēng)速還是風(fēng)向均比Holland模型構(gòu)造得到的風(fēng)場(chǎng)更加接近實(shí)測(cè)值。

此外，為了全面考察兩種風(fēng)場(chǎng)模型構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)對(duì)風(fēng)暴潮的差異，本文選取了最大風(fēng)暴增水出現(xiàn)時(shí)段、即恰好也是臺(tái)風(fēng)登陸前和登陸后陸后的兩個(gè)時(shí)次（29日14時(shí)和29日18時(shí)），考察上述兩種風(fēng)場(chǎng)模型構(gòu)造的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)差異及對(duì)風(fēng)暴潮引起的差異。

圖6為29日14時(shí)和29日18時(shí)兩個(gè)時(shí)次兩種模型構(gòu)造的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)暴潮差值（四象限-Holland）。從圖6a、圖6b和圖6c、圖6d來看，四象限模型所構(gòu)造的風(fēng)場(chǎng)在西北和東北象限的風(fēng)圈明顯大于Holland模型且呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性，即西北和東北象限比西南和東南象限的風(fēng)力和風(fēng)圈明顯要大。從圖6e和圖6f來看（四象限-Holland的風(fēng)暴潮差值，在這段落簡(jiǎn)稱“風(fēng)暴潮差值”），在“納沙”登陸前（29日14時(shí)），在珠江口到珠江口以西、海南省東北部沿海風(fēng)暴潮差值為0.2～0.4 m；在“納沙”登陸后（29日18時(shí)），在珠江口到珠江口以西沿海的風(fēng)暴潮差值減小為0.1～0.3 m，在瓊州海峽附近沿海的風(fēng)暴潮差值增加為0.3～0.5 m；而在粵西到雷州半島東岸沿海的風(fēng)暴潮差值幾乎為0。這些變化反應(yīng)在潮位站的時(shí)間序列上正如圖3和圖4所示。

圖4 水東（a）、硇洲（b）、湛江（c）、南渡（d）潮位站風(fēng)暴潮模擬值與實(shí)測(cè)值比較（原Holland風(fēng)場(chǎng)-黑色，四象限風(fēng)場(chǎng)-藍(lán)色，實(shí)測(cè)-紅色）

圖5 近海浮標(biāo)一（a）、浮標(biāo)二（b）、浮標(biāo)三（c）的風(fēng)速風(fēng)向兩個(gè)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較（原Holland風(fēng)場(chǎng)-黑色，四象限風(fēng)場(chǎng)-藍(lán)色，實(shí)測(cè)-紅色）

究其原因：Holland模型在臺(tái)風(fēng)實(shí)況已知的情況下只能通過改變來調(diào)整風(fēng)圈大小，容易造成熱帶氣旋各象限風(fēng)場(chǎng)的顧此失彼，而四象限模型可調(diào)整風(fēng)場(chǎng)參數(shù)較多，因而四象限模型能夠比Holland模型更好地刻畫“納沙”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的非對(duì)稱性。

4 結(jié)論

（1）本文介紹了Holland模型風(fēng)場(chǎng)和四象限非對(duì)稱模型風(fēng)場(chǎng)的求解思路，并分析了兩者所構(gòu)造風(fēng)場(chǎng)的差異和適用性。

圖6 29日14時(shí)和29日18時(shí)兩種模型構(gòu)造的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)暴潮差值

（2）利用ADCIRC模型建立了適合華南沿海的高分辨率風(fēng)暴潮模式，將上述兩種模型風(fēng)場(chǎng)作為強(qiáng)迫場(chǎng)模擬1117號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”風(fēng)暴潮過程，證明該模型是可信的。

（3）通過風(fēng)暴潮模擬結(jié)果可知：在雷州半島東岸沿海潮位站模擬最大增水平均相對(duì)誤差基本一致的情況下，珠江口到粵西沿海、瓊州海峽附近沿海潮位站模擬最大增水平均相對(duì)誤差由23.3%降低到5.4%，能夠全面地刻畫整個(gè)受影響岸段的風(fēng)暴潮發(fā)生發(fā)展情況。究其原因：四象限模型相比Holland模型更靈活、能夠更好刻畫“納沙”臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)。

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