王揚(yáng)杰，張慶河，陳同慶，楊 華

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

大氣-海洋-海浪耦合模型在臺(tái)風(fēng)過(guò)程模擬中的應(yīng)用

王揚(yáng)杰1，張慶河1，陳同慶1，楊 華2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

采用MCT耦合器，基于大氣模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN，建立了大氣-海洋-海浪耦合模型，并將模型應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)“威馬遜”過(guò)程的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，選擇合理WRF參數(shù)，耦合模型能較好地模擬“威馬遜”臺(tái)風(fēng)的路徑、強(qiáng)度。臺(tái)風(fēng)作用下的海表溫度下降、流場(chǎng)和波浪場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)性和偏右性特征也較合理。

耦合模型；臺(tái)風(fēng)“威馬遜”；上層海洋；海表溫度

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)且臨近的西北太平洋海域常發(fā)生熱帶氣旋，每年有多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)，沿海地區(qū)易遭受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，熱帶氣旋的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和后報(bào)不僅對(duì)我國(guó)沿海組織生產(chǎn)和防范災(zāi)害有重要意義，對(duì)于港口海岸工程動(dòng)力設(shè)計(jì)要素等的確定也有重要價(jià)值。

熱帶氣旋過(guò)程實(shí)際上涉及到海洋和大氣耦合相互作用，氣旋風(fēng)應(yīng)力引起表層水體流動(dòng)、海表溫度下降以及海表粗糙度變化，而上層海洋的變化又會(huì)對(duì)熱帶氣旋發(fā)展起到反饋?zhàn)饔?，影響熱帶氣旋的?qiáng)度和路徑。在大氣、海洋和波浪的數(shù)值模型中考慮大氣-海洋-海浪三者間的相互耦合作用，有助于提高熱帶氣旋過(guò)程中大氣、海洋和波浪的預(yù)報(bào)或后報(bào)精度。為此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者利用各種大氣、海洋和海浪模型建立了大氣-海洋-海浪耦合模型。Wada等［1］將大氣模型NHM、第三代海浪模型MRI-III和混合層海洋模型MLOM耦合，研究了波浪與海洋的相互作用對(duì)2005年臺(tái)風(fēng)Hai?Tang數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。Warner等［2］利用MCT耦合器將中尺度大氣模型WRF、海洋模型ROMS與海浪模型SWAN進(jìn)行耦合建立了COAWST模型，對(duì)美國(guó)東海岸颶風(fēng)Isabel進(jìn)行了模擬。Liu等［3］考慮了波浪狀態(tài)和海洋飛沫導(dǎo)致的海表面粗糙度變化、海洋飛沫引起的熱通量交換、波流相互作用等，建立了WRF?ROMS?SWAN全耦合模型，并應(yīng)用于理想熱帶氣旋研究。張進(jìn)峰等［4］考慮海-氣界面的熱力過(guò)程和動(dòng)力過(guò)程，應(yīng)用分布式多平臺(tái)耦合器將大氣模式MM5、海浪模式WAVEWATCH-III和海洋模式POM耦合建立了區(qū)域大氣-海浪-海洋耦合模式。關(guān)皓等［5］基于大氣模型MM5、海洋模型POM和海浪模型WW3，利用消息傳遞的并行計(jì)算方案，建立了適用于我國(guó)南海海區(qū)的中尺度大氣-海流-海浪耦合模型。劉磊等［6］基于大氣模型WRF、海洋模型POM和海浪模型WW3，建立了高分辨率的大氣-海洋-海浪完全耦合模型系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外已建立的耦合模型主要基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，本文將采用大氣模型WRF、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格海洋模型FVCOM及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格波浪模型SWAN通過(guò)MCT耦合器建立大氣-海洋-海浪實(shí)時(shí)耦合模型（下文簡(jiǎn)稱(chēng)W?F?S），并利用耦合模型對(duì)201409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”經(jīng)過(guò)南海的過(guò)程進(jìn)行模擬，分析耦合模型與非耦合模型模擬結(jié)果的區(qū)別，討論上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)。

1 大氣-海洋-波浪耦合模型

1.1模型簡(jiǎn)介

大氣模型采用WRF模型，WRF模型是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（FSL）等共同開(kāi)發(fā)的新一代中尺度大氣模型。本文應(yīng)用WRF模型中的ARW動(dòng)力框架。關(guān)于WRF模型的描述，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

海洋模型采用FVCOM模型，F(xiàn)VCOM由美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)，主要用于三維水動(dòng)力數(shù)值模擬。模型采用三角形網(wǎng)格，可模擬復(fù)雜岸線對(duì)流場(chǎng)的影響。關(guān)于FVCOM模型的描述，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

海浪模型采用SWAN模型，SWAN是由荷蘭Delft大學(xué)開(kāi)發(fā)的第三代近岸海浪模型，適用于海洋風(fēng)浪、涌浪及混合浪的模擬，并具有模擬近岸波浪變形的能力。SWAN模型可以采用正交網(wǎng)格、曲線網(wǎng)格和三角網(wǎng)格，支持笛卡爾坐標(biāo)和球面坐標(biāo)，本文采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格。關(guān)于SWAN模型的描述，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

1.2耦合器

大氣-海洋-波浪耦合模型基于MCT（Model Coupling Toolkit）耦合器建立。MCT耦合器是一款用來(lái)建立耦合模型的開(kāi)源程序工具包。MCT支持并行耦合系統(tǒng)的各子模型間多個(gè)分布式變量的數(shù)據(jù)交換。MCT采用FORTRAN90編寫(xiě)，包含一系列FORTRAN模塊，各子模型調(diào)用這些模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。關(guān)于MCT耦合器的描述，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［9］。

1.3耦合方案

耦合模型由主程序調(diào)用WRF、FVCOM和SWAN子模型同時(shí)獨(dú)立計(jì)算，在設(shè)定的某一計(jì)算時(shí)間，各子模型調(diào)用MCT子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)子模型兩兩之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。由于WRF采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，F(xiàn)VCOM和SWAN采用相同的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，WRF和FVCOM、SWAN之間進(jìn)行變量交換時(shí)需要進(jìn)行插值，而FVCOM和SWAN之間可以直接傳遞變量。模型耦合機(jī)制如圖1所示。

WRF和SWAN之間交換變量為：（1）WRF模型中海面以上10 m高度處風(fēng)速U10、V10；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、譜峰周期Rtp、波長(zhǎng)Wlen。

WRF和FVCOM之間交換變量為：（1）WRF模型中海面以上10 m高度處風(fēng)速U10和V10、長(zhǎng)波輻射GLW和短波輻射GSW、感熱通量LH和潛熱通量SH、降水PREC和蒸發(fā)EVAP、海表氣壓PSFC；（2）FVCOM模型中的海表面溫度SST。

FVCOM和SWAN之間交換變量為：（1）FVCOM模型中的水位Zeta和垂向平均流速Ua、Va；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、波向Dir、譜峰周期Rtp、平均周期Tm01、波長(zhǎng)Wlen、近底最大圓周速度Ubot。

2 臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的模擬試驗(yàn)

2.1臺(tái)風(fēng)“威馬遜”簡(jiǎn)介

2014年9號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”是當(dāng)年襲擊我國(guó)南海的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，給我國(guó)海南、廣東、廣西等沿海帶來(lái)較大危害，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)80.80億元［10］?！巴R遜”于2014年7月11日發(fā)展成熱帶風(fēng)暴；14日增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；15日增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，于菲律賓登陸；16日進(jìn)入南海轉(zhuǎn)趨減弱；17日重新增強(qiáng)，升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；18日再度迅速而顯著增強(qiáng)，變?yōu)槌瑥?qiáng)臺(tái)風(fēng)，并于18日下午3時(shí)半在海南省文昌市沿海短暫登陸，不久后進(jìn)入瓊州海峽，晚上7時(shí)半再于廣東省湛江市沿海登陸；19日繼續(xù)向西北或西北偏西移動(dòng)，穿越北部灣，并于早上7時(shí)10分又于中國(guó)廣西壯族自治區(qū)防城港市沿海再次登陸；7月20日，“威馬遜”橫越廣西及越南北部，進(jìn)入中國(guó)云南，直至7月22日才徹底消散。本文重點(diǎn)模擬“威馬遜”進(jìn)入南海到第3次登陸的臺(tái)風(fēng)過(guò)程，即模擬時(shí)間為北京時(shí)間2014年7月16日14時(shí)～7月19日14時(shí)。

圖1 模型耦合機(jī)制Fig.1Mechanism of the coupled model

2.2模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析耦合效應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程大氣模擬效果的影響，設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)：EXP?WRF和EXP?WFS。EXP?WRF試驗(yàn)采用WRF模型即非耦合模型模擬臺(tái)風(fēng)“威馬遜”，而EXP?WFS試驗(yàn)則采用W?F?S耦合模型模擬。非耦合和耦合模擬時(shí)，WRF模型水平方向?yàn)橐?guī)則化網(wǎng)格，分辨率取10 km，大氣垂向?yàn)?7層；近地面層方案選擇MYNN方案，邊界層方案選擇YSU方案，積云參數(shù)化方案選擇Kain?Fritsch方案，微物理方案選擇Kessler方案，長(zhǎng)波輻射方案RRTM方案，短波輻射方案選擇Dudhia方案；WRF的初、邊值場(chǎng)采用NCEP提供的逐日4個(gè)時(shí)次的1°×1°的FNL再分析資料，模型初始海溫采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率的全球日平均數(shù)據(jù)RTG_SST；模型積分時(shí)間步長(zhǎng)取30 s。

耦合模擬時(shí)，首先模擬北京時(shí)間2014年7月09日08時(shí)～7月16日14時(shí)的風(fēng)場(chǎng)，作為海洋模型和海浪模型計(jì)算流速、波浪初始場(chǎng)的強(qiáng)迫風(fēng)場(chǎng)。海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN的水平網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，近岸和水深變化劇烈處網(wǎng)格較密，最小網(wǎng)格點(diǎn)間距約500 m，開(kāi)邊界處網(wǎng)格較疏，最大網(wǎng)格點(diǎn)間距約20 km。各模型計(jì)算范圍和海洋、海浪模型網(wǎng)格示意圖見(jiàn)圖2。FVCOM海洋模型垂向采用σ坐標(biāo)分為15層，為排除非耦合和耦合試驗(yàn)初始海表溫度不同導(dǎo)致的海氣界面差異，溫度初始場(chǎng)的海表溫度同樣采用NECP的全球日平均數(shù)據(jù)RTG_SST，溫度垂向分布根據(jù)HYCOM1/12（°）同化數(shù)據(jù)確定，潮位開(kāi)邊界使用CHINATIDE提取［11］，并提前計(jì)算7 d獲得耦合模擬時(shí)的初始流場(chǎng)；FVCOM模型積分時(shí)間步長(zhǎng)取5 s。SWAN模型由較大范圍的波浪模擬結(jié)果提供邊界場(chǎng)和初始場(chǎng)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)300 s。耦合交換時(shí)間步長(zhǎng)取600 s。

圖2 計(jì)算范圍和網(wǎng)格Fig.2Computational domain and mesh

3 模擬結(jié)果分析

3.1臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度

以日本JMA臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集（http：//www.jma.go.jp/jma/jma?eng/jma?center/rsmc?hp?pub?eg/trackar?chives.html）為參照，單WRF模型與W?F?S模型臺(tái)風(fēng)路徑模擬結(jié)果的比較如圖3所示。各模型模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑相比最佳路徑均偏北。EXP?WFS試驗(yàn)?zāi)M48 h時(shí)路徑平均誤差為39 km，模擬72 h時(shí)平均誤差44 km，EXP?WRF試驗(yàn)?zāi)M48 h時(shí)路徑平均誤差42 km，模擬72 h時(shí)平均誤差45 km。耦合模擬的臺(tái)風(fēng)路徑比非耦合模擬更接近JMA最佳路徑，非耦合模擬路徑略偏北，路徑誤差略大。

選取模擬12 h（進(jìn)入南海約12 h）與模擬60 h（第一次登陸）之間的時(shí)間段以比較臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬效果。和最佳路徑資料一致，各試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓（圖4-a）在模擬期間總體上呈現(xiàn)先減小再增大的過(guò)程，即進(jìn)入南海后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，登陸過(guò)程中強(qiáng)度又迅速減小；各試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓變化和最佳路徑資料吻合較好，中心最低氣壓值的平均誤差約為4 hPa。以JMA最大穩(wěn)定風(fēng)速為參照，臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速模擬結(jié)果的比較如圖4-b所示。各試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速在模擬期間先增大再減??；臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速和JMA最大穩(wěn)定風(fēng)速變化趨勢(shì)較為一致，但模擬風(fēng)速均大于JMA風(fēng)速；非耦合試驗(yàn)?zāi)M的風(fēng)速大于耦合試驗(yàn)。因此耦合試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬效果較好。

圖3 臺(tái)風(fēng)路徑模擬結(jié)果與JMA數(shù)據(jù)比較Fig.3Simulated typhoon track and JMA data

3.2臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征

上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)主要受制于風(fēng)應(yīng)力，風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫使上層海洋產(chǎn)生波浪與海流，改變海水溫度分布，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是影響臺(tái)風(fēng)過(guò)程上層海洋狀態(tài)的主要因素。耦合試驗(yàn)EXP?WFS各時(shí)刻海面上10 m處風(fēng)速見(jiàn)圖5，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)繞臺(tái)風(fēng)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。臺(tái)風(fēng)登陸前，風(fēng)速等值線近圓形分布，全場(chǎng)風(fēng)速最大值出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的右側(cè)，大風(fēng)速的偏右性會(huì)導(dǎo)致上層海洋響應(yīng)的偏右性。模擬24 h時(shí)臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速約46 m/s，模擬48 h約48 m/s，風(fēng)速較大，會(huì)使海面降溫幅度較大，流速和波高較大。臺(tái)風(fēng)登陸后，模擬72 h時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速21 m/s，海南島附近風(fēng)速10 m/s以上，南海大范圍海域風(fēng)速仍在10 m/s左右，造成上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)在臺(tái)風(fēng)登陸后能維持較長(zhǎng)時(shí)間。

將耦合試驗(yàn)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果和非耦合試驗(yàn)結(jié)果（圖6）對(duì)比，以模擬24 h為例，耦合與非耦合的模擬風(fēng)場(chǎng)都具有旋轉(zhuǎn)性和偏右性特征，風(fēng)場(chǎng)的分布也基本一致。非耦合試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)中心附近風(fēng)速要略大于耦合試驗(yàn)（圖4-b）。

圖4 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬結(jié)果與JMA數(shù)據(jù)比較Fig.4Simulated typhoon intensity and JMA data

圖5 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)耦合模型模擬結(jié)果Fig.5Simulated wind field by the coupled model

圖6 WRF臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬Fig.6Simulated wind field of the typhoon by WRF

3.3上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征

耦合模擬可以獲得臺(tái)風(fēng)“威馬遜”較好的大氣模擬結(jié)果，下面分析上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的響應(yīng)特征，進(jìn)一步探討耦合模型模擬的合理性。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)路徑附近洋面的風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)，使海洋上層發(fā)生混合層夾卷，溫躍層的冷水被夾卷到混合層，導(dǎo)致海表溫度降低。耦合模型模擬時(shí)，由于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的大風(fēng)區(qū)位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)海域的SST下降幅度較大（圖7）。模擬49 h，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的海域發(fā)生最大降溫4.27°C（圖7-b），對(duì)比模擬48 h時(shí)的SST場(chǎng)（圖7-a），兩個(gè)時(shí)刻溫度分布基本不變，只有低溫區(qū)加強(qiáng)。模擬48 h時(shí)臺(tái)風(fēng)中心已通過(guò)低溫區(qū)附近，同時(shí)模擬72 h時(shí)（圖7-c）溫度變化仍較大，可見(jiàn)溫度場(chǎng)的變化較風(fēng)場(chǎng)的移動(dòng)有一定的延遲，降溫會(huì)保持較長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)比AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)（http：//rda.ucar.edu/datasets/ ds277.7/）的SST變化（圖7-d），模擬72 h的結(jié)果中臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)仍保持兩個(gè)降溫中心，降溫中心位置與降溫范圍與衛(wèi)星遙感結(jié)果比較一致，表明臺(tái)風(fēng)過(guò)程的海洋表面降溫過(guò)程模擬較合理。

圖7 臺(tái)風(fēng)過(guò)程海表溫度變化Fig.7SST cooling during the typhoon

圖8 臺(tái)風(fēng)過(guò)程流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.8Simulated current field during the typhoon

圖9 Jason-2地面軌跡Fig.9Jason-2 ground track

圖10 有效波高模擬值與衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.10Comparison of measured and simulated wave height

根據(jù)前人研究成果［12-13］，臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)作用下，臺(tái)風(fēng)路徑附近海域會(huì)形成旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和波浪場(chǎng)。圖8顯示了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”下流場(chǎng)模擬結(jié)果，流場(chǎng)中心位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑左后方，圍繞旋轉(zhuǎn)中心流場(chǎng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，流速向四周擴(kuò)散。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑右側(cè)流速較大，路徑左側(cè)流速相對(duì)較小，且較大流速值發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心的右后方，流場(chǎng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)有一定的延遲。模擬24 h的流場(chǎng)矢量如圖8-a所示，當(dāng)臺(tái)風(fēng)處于深海洋面上方、離陸地較遠(yuǎn)時(shí)，較大流速分布在臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)，流速最大可達(dá)2 m/s左右。在臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中（圖8-b），臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度仍較大，模擬48 h時(shí)最大風(fēng)速超過(guò)45 m/s，且受近岸地形影響，形成較強(qiáng)的沿岸流。

采用AVISO發(fā)布的Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)（http：// www.aviso.altimetry.fr/en/data.html）作為波高驗(yàn)證資料。在耦合試驗(yàn)?zāi)M的時(shí)間范圍內(nèi)，Jason-2衛(wèi)星經(jīng)過(guò)南海并有數(shù)據(jù)的時(shí)刻為北京時(shí)間2014年7月18日16時(shí)50分左右，衛(wèi)星地面軌跡如圖9。提取耦合試驗(yàn)2014年7月18日17時(shí)即模擬51 h對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置的有效波高進(jìn)行對(duì)比（圖10），耦合模型計(jì)算結(jié)果與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖11顯示了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”下波浪場(chǎng)。波浪場(chǎng)中心波高較小，四周波高較大，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)波高大，較大值發(fā)生在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右前方，波浪場(chǎng)中心位于臺(tái)風(fēng)路徑左后方。模擬40 h時(shí)，波浪場(chǎng)有效波高達(dá)到最大值14.8 m，此時(shí)波浪場(chǎng)中心有效波高約7.2 m。模擬24 h和模擬48 h波浪場(chǎng)的波浪中心均位于臺(tái)風(fēng)中心的后方，可見(jiàn)波浪對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)有一定的延遲性。提取臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑上兩點(diǎn)A（模擬24 h臺(tái)風(fēng)中心）和B（模擬48 h臺(tái)風(fēng)中心）有效波高歷時(shí)變化（圖12）。A點(diǎn)有效波高在模擬22 h時(shí)達(dá)到最大值9.2 m，26 h時(shí)減小到6.5 m，在28 h時(shí)又增大到8.8 m，之后一直減小。B點(diǎn)有效波高在模擬46 h時(shí)達(dá)到最大值11.0 m，49 h時(shí)減小到7.4 m，在52 h時(shí)又增大到10.8 m，之后一直減小。因此，臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)海域位于臺(tái)風(fēng)路徑上的各點(diǎn)有效波高經(jīng)歷4個(gè)階段，在臺(tái)風(fēng)前眼壁通過(guò)之前波高保持增加，臺(tái)風(fēng)眼通過(guò)時(shí)波高減小，在臺(tái)風(fēng)后眼壁通過(guò)之后波高再次增加，但要小于前眼壁時(shí)的波高，臺(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)離后波高一直減小，和已有研究結(jié)果一致［14］。

圖11 臺(tái)風(fēng)過(guò)程波浪場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.11Simulated wave field during the typhoon

圖12 臺(tái)風(fēng)過(guò)程測(cè)點(diǎn)有效波高Fig.12Significant wave height at observation points during the typhoon

4 結(jié)論

本文利用MCT耦合器，考慮海氣相互作用，將大氣模型WRF、海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN耦合，建立了大氣—海洋—海浪耦合模型，并利用耦合模型對(duì)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了模擬，獲得以下主要結(jié)論：

（1）單WRF模型和W?F?S耦合模型模擬結(jié)果與最佳路徑資料的對(duì)比表明，耦合模型考慮海氣間相互作用，臺(tái)風(fēng)路徑與強(qiáng)度模擬結(jié)果均優(yōu)于單獨(dú)WRF模型模擬結(jié)果。

（2）選擇合理WRF參數(shù)，耦合模型能較好地模擬“威馬遜”臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑模擬期間平均誤差較小，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度先增大后減小的變化趨勢(shì)和實(shí)際情況一致。

（3）耦合模型能合理模擬上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征，包括海表溫度下降、流場(chǎng)與波浪場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)性和偏右性。

（4）耦合模型中的海洋、海浪子模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能較好地?cái)M合近岸復(fù)雜岸線，對(duì)于進(jìn)一步研究大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的近岸工程區(qū)海洋動(dòng)力有重要意義。

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Application of a coupled atmosphere-ocean-wave model in typhoon process simulation

WANG Yang?jie1,ZHANG Qing?he1,CHEN Tong?qing1,YANG Hua2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University，Tianjin 300072，China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Using the Model Coupling Toolkit(MCT),based on the atmosphere model WRF,the ocean model FVCOM and the wave model SWAN,a coupled atmosphere-ocean-wave model was developed and applied in the simulation of the typhoon Rammasun.With proper WRF parameters,the coupled model has a good performance on the simulation of typhoon track and intensity.The sea surface temperature cooling,the features of rotation and right?ward trend of ocean current and wave height were also reasonably described by the coupled model.

coupled model;typhoon Rammasun;upper ocean;sea surface temperature

P 732.6；P 444

A

1005-8443（2016）02-0135-07

2015-10-27；

2015-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51509183）

王揚(yáng)杰(1990-)，男，江蘇省南通人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程研究。

Biography：WANG Yang?jie（1990-），male，master student.