李紹武，李松樵

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

南瑪都臺風(fēng)期間平潭灣風(fēng)浪及風(fēng)暴增水?dāng)?shù)值模擬

李紹武，李松樵

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

選用WRF大氣模式模擬風(fēng)場及氣壓場，利用第三代近岸海浪數(shù)值模型SWAN與潮流模型AD?CIRC的耦合模型，對福建平潭地區(qū)在1111號“南瑪都”臺風(fēng)期間的風(fēng)浪及灣內(nèi)風(fēng)暴增水過程進(jìn)行模擬。臺風(fēng)過境期間，平潭灣內(nèi)增水最大1 m，波高可達(dá)4.5 m，計算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好，驗(yàn)證了模型在該區(qū)域內(nèi)的合理性。結(jié)果表明，WRF模式能有效地反映的大氣條件真實(shí)情況，選用Ferrier微物理過程及KF積云方案能更好地模擬該臺風(fēng)過程。

WRF；SWAN與ADCIRC；耦合；風(fēng)浪；風(fēng)暴增水

我國東南沿海每年都會遭受不同強(qiáng)度的臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴襲擊，臺風(fēng)引起的巨浪不僅會造成海上與近岸建筑物的破壞以及岸灘的侵蝕，臺風(fēng)期間產(chǎn)生的增水還可能給海產(chǎn)養(yǎng)殖及陸上設(shè)施帶來嚴(yán)重危害。因此，研究臺風(fēng)過程中波浪及風(fēng)暴增減水既有重要的理論意義，也將為臺風(fēng)的設(shè)防提供重要依據(jù)。

臺風(fēng)浪及風(fēng)暴增減水是一個大氣、波浪與潮流的耦合作用過程，在此過程中，風(fēng)場通過與海面作用引起海浪，并通過氣壓引起海面增減水。一旦海面產(chǎn)生波浪變得粗糙，又會反過來影響風(fēng)場，進(jìn)而影響風(fēng)與海面間的作用及風(fēng)暴增減水。

近年來，第三代海浪數(shù)值模型SWAN與潮流模型ADCIRC得到了很好的發(fā)展與廣泛的運(yùn)用。陳希等［1］利用SWAN模型進(jìn)行了東南沿海各地區(qū)風(fēng)暴條件下波浪場的模擬。在此基礎(chǔ)上，為了更為真實(shí)地反映波浪與潮流的相互作用，耦合模型越來越多地被運(yùn)用到風(fēng)暴過程中波浪與增減水的模擬中，鄭立松［2］討論了風(fēng)暴過程中氣壓及風(fēng)場對增減水的影響，并模擬了杭州灣內(nèi)實(shí)際波浪及增加水的變化。Sebastian等［3］根據(jù)不同臺風(fēng)路徑，模擬了極端情況下灣內(nèi)的增減水過程。

平潭島位于福建省東部，東臨臺灣海峽，當(dāng)?shù)仄骄辈钸_(dá)4.3 m，若加上風(fēng)暴作用，潮位變化可達(dá)6 m。本文利用SWAN與ADCIRC耦合模型［4］，考慮波-流相互作用、風(fēng)-浪相互作用、白浪耗散、底摩阻耗散及水深變化引起的波浪破碎等物理過程，對1 111號臺風(fēng)“南瑪都”期間平潭地區(qū)的波浪及潮位變化進(jìn)行模擬計算，將計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，給出灣內(nèi)波高的分布情況。

1 風(fēng)場模型

WRF-ARW中尺度大氣模式［5］由美國大氣研究中心（NCAR）和美國大氣海洋局（NOAA）等機(jī)構(gòu)共同開發(fā)，可對區(qū)域范圍及全球的天氣、氣象條件進(jìn)行模擬。本文選用該模式獲得風(fēng)場?？臻g模擬范圍為115.5° E～125.8°E，19.2°N～28.5°N。模型采用Arakawa C網(wǎng)格，水平網(wǎng)格數(shù)量為9 801（99×99），分辨率10 km，垂向分層35層。

2SWAN與ADCIRC耦合模型

SWAN與ADCIRC耦合模型考慮近岸區(qū)域波浪與水流的相互作用，能夠較好地反映風(fēng)暴條件下波浪與潮流運(yùn)動的相互作用物理過程［6］。兩個模塊在同一非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格體系下進(jìn)行并行計算，每個CPU進(jìn)行局部子區(qū)域的計算，模塊間物理信息可直接傳遞，且在各CPU內(nèi)進(jìn)行，不受并行計算環(huán)境的影響，具有較高效率和計算精度。

SWAN模式采用動譜平衡方程作為描述海浪的控制方程［7］，表示為

式中：N=N(σ,θ,x,y,t)=E(σ,θ,x,y,t)/σ為波作用密度譜；σ為相對波頻；θ為波向角；cx和cy為波浪傳播速度的x 和y向分量；cσ和cθ為σ、θ空間的波浪傳播速度；S為譜密度表示的源項(xiàng)，考慮風(fēng)能輸入、白浪破碎、底部摩阻、淺水變形以及波-波相互作用等過程。

ADCIRC水動力模型考慮潮位變化及水面風(fēng)應(yīng)力及波浪輻射應(yīng)力，包括沿水深方向積分的連續(xù)性方程和運(yùn)動方程，其表達(dá)式為

式中：U和V分別為x和y方向的垂向平均流速；f為科氏力系數(shù)；ps為表面大氣壓力；ρ0為水密度；ξ為平均海平面以上的水位高度；g為重力加速度；（η+γ）表示牛頓潮勢和固體潮作用；H為總水深；τsx和τsy、τbx和τby、Dx和Dy、Bx和By分別表示表面風(fēng)應(yīng)力、底部切應(yīng)力、擴(kuò)散項(xiàng)及斜壓梯度的x和y向分量。

3 風(fēng)浪模擬

3.1 臺風(fēng)“南瑪都”

“南瑪都”（Nanmadol）是2011年第11號熱帶風(fēng)暴，2011年8月23日在菲律賓以東洋面生成，25日晚加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，并于26日加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，27日8時左右于菲律賓呂宋島東北部沿海首次登陸，29日4時左右于我國臺灣省臺東縣附近第二次登陸，近中心最大風(fēng)力12級，最大風(fēng)速33 m/s，中心氣壓975 hPa，31日2時左右于我國福建省晉江市第三次登陸，最大風(fēng)力8級，最大風(fēng)速20 m/s，中心氣壓992 hPa。臺灣海峽測站觀測到浪高可達(dá)5.5 m，對東南沿海及臺灣造成了重大影響，臺風(fēng)路徑如圖1所示。

圖1 南瑪都臺風(fēng)路徑Fig.1 Path of Typhoon Nanmadol

3.2 風(fēng)場的模擬

利用WRF大氣模式對臺風(fēng)區(qū)風(fēng)場進(jìn)行模擬并利用天津氣象局提供的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，風(fēng)速測站位于臺灣海峽北部，坐標(biāo)120.306°E，25.497°N。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameter

WRF模型中有多種物理參數(shù)化方案，其中，微物理過程方案涉及對溫濕場結(jié)構(gòu)、水汽蒸發(fā)、降水等過程的求解，積云參數(shù)化方案則根據(jù)不同的假定及對積云降水的處理，通過垂直加熱的差異，影響對流過程，特別是強(qiáng)降水過程。李響［8］比較了不同的積云參數(shù)化方案，指出不同的臺風(fēng)過程應(yīng)選取不同的參數(shù)。為了更準(zhǔn)確地模擬1111號臺風(fēng)“南瑪都”，本文選取3種微物理過程方案及2種積云參數(shù)化方案進(jìn)行組合，組次試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。其它參數(shù)化方案中，長波輻射采用rrtm方案，短波輻射采用Goddard方案，路面過程采用Noah方案。

6組試驗(yàn)計算對比如圖2所示，可以看出風(fēng)速模擬結(jié)果差異不大，與測站實(shí)測結(jié)果大體相符?？傮w來看，K-F積云參數(shù)化方案的結(jié)果好于B-M-J積云參數(shù)化方案，特別是在臺風(fēng)過后的風(fēng)場模擬中，后者明顯偏大，且有明顯振蕩。在K-F積云參數(shù)化方案中，新Thompson和WSM6方案的模擬最大風(fēng)速均高于實(shí)測值，而Ferrier方案對臺風(fēng)過后的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果更接近。據(jù)此，本次計算參數(shù)選擇Ferrier微物理過程方案及K-F積云參數(shù)化方案，風(fēng)速平均絕對誤差2.57 m/s。圖3給出典型時刻2011-08-28_16：00 UTC風(fēng)場模擬結(jié)果。

3.3 風(fēng)浪模型計算區(qū)域及網(wǎng)格剖分

模型計算區(qū)域包括福建省及臺灣島大部分海域以及浙江省部分海域（20.3°N～28.1°N，116.8°E～125.2°E）（圖4）。模型采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)11 679，網(wǎng)格單元數(shù)22 347，對平潭地區(qū)海潭灣附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，分辨率最小約200 m（圖5）。

圖2WRF計算參數(shù)比選Fig.2 Parameter selection in WRF computation

圖3 臺風(fēng)場模擬結(jié)果Fig.3 Simulated result of wind field

圖4計算區(qū)域Fig.4 Computation domain

圖5計算網(wǎng)格Fig.5 Numerical meshes

3.4 波浪及潮流模型計算參數(shù)

模擬時間從2011年8月28日00時至2011年8月31日23時，共計4 d（96 h）。SWAN模型時間步長10 min，ADCIRC模型時間步長2 s，耦合模型時間步長設(shè)置與SWAN模型相同，取為10 min。模型開邊界給定潮位過程，用WRF模型得到的風(fēng)場和氣壓場作為大氣驅(qū)動條件。計算過程中考慮了潮流、風(fēng)場與波浪的耦合作用，風(fēng)暴增水計算中考慮了風(fēng)場、氣壓場、波浪輻射應(yīng)力的影響。

3.5 數(shù)值計算結(jié)果與驗(yàn)證

3.5.1 波浪驗(yàn)證

波浪及潮位驗(yàn)證測點(diǎn)位于平潭灣內(nèi)，坐標(biāo)119.857°E，25.51°N。波高、波向及波周期計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如圖6所示。

波高模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果大體相符，波高與潮位有一定跟隨性，大浪時符合較好，一般天氣跟隨性均不夠理想，短時間內(nèi)對波高極值的模擬有所欠缺，其原因尚待探討。波向與潮位雖有一定跟隨性，但變化幅度不大。周期模擬結(jié)果在一般天氣與實(shí)測基本一致，但臺風(fēng)過后偏小。

3.5.2 潮位及增減水驗(yàn)證

潮位模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如圖7所示，計算值與實(shí)測值吻合。

將有無風(fēng)暴情況下的潮位進(jìn)行對比，得到海面增減水過程（圖8）。結(jié)果在一定程度上能反映增減水的隨時間的變化。臺風(fēng)引起的測點(diǎn)處增水可達(dá)1 m，且臺風(fēng)過境后，增水隨水位變化會發(fā)生一定幅度的波動。

3.5.3 實(shí)時耦合與離線耦合對比

離線耦合由ADCIRC單向?yàn)镾WAN提供水位和潮流數(shù)據(jù)，時間間隔為1 h，實(shí)時耦合為兩個模型交替計算（表2）。得到兩種耦合計算的結(jié)果對比如圖9所示，可以看出二者總體差異不明顯。

圖6 波浪要素驗(yàn)證Fig.6 Verification of wave parameters

圖7潮位驗(yàn)證Fig.7 Verification of storm surge

圖8 增減水驗(yàn)證Fig.8 Verification of setup

圖9 不同耦合方式計算結(jié)果對比Fig.9 Comparison of calculated results by different coupling methods

表2 耦合方式特征Tab.2 Features of coupling methods

圖10波高分布Fig.10 Distribution of wave height

3.5.4 波高分布

根據(jù)計算及實(shí)測結(jié)果，灣內(nèi)波高于2011-08-29_01：00 UTC產(chǎn)生最大值，附近海域波高分布如圖10所示。圖10中顯示，該時刻計算區(qū)域內(nèi)波浪最大值位于臺灣以東海域，波高可達(dá)11 m以上。受臺灣島的影響，臺灣海峽內(nèi)波高有所減小，介于5～7 m之間，局部達(dá)8 m。圖10中顯示，灣口偏南部波高最大，可達(dá)4.5 m，向?yàn)硟?nèi)傳播時逐漸衰減，且灣內(nèi)南部地區(qū)波高總體大于北部，可能會對沿岸造成更嚴(yán)重的影響。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用WRF大氣模式進(jìn)行了區(qū)域內(nèi)風(fēng)場及氣壓場的模擬，為SWAN+ADCIRC耦合模型提供了驅(qū)動條件，結(jié)合實(shí)測資料對“南瑪都”臺風(fēng)作用過程中福建平潭地區(qū)的波浪、潮位條件及增減水變化進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，SWAN+ADCIRC耦合模型可合理地模擬區(qū)域內(nèi)波浪及潮位的變化，驗(yàn)證了該模型在福建地區(qū)及中國東南海域臺風(fēng)作用下的適用性。在波高出現(xiàn)極大值的時刻，給出了臺灣島海域及平潭灣內(nèi)波高的分布，波高極大值分別可達(dá)11 m及4.5 m。耦合方式差異對計算結(jié)果有一定影響，離線耦合計算波高較小。風(fēng)場模擬中，通過對比不同的模式及參數(shù)，臺風(fēng)個例“南瑪都”過程采用Ferrier微物理過程參數(shù)及K-F積云參數(shù)能得到更好的模擬效果。

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Simulation of waves and storm setup in Pingtan induced by typhoon Nanmadol

LI Shao?wu,LI Song?qiao
（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Atmospheric model WRF was employed to provide the wind velocity and atmospheric pressure.A coupled model of SWAN and ADCIRC was used to simulate the wave growth and the process of storm surge in Ping?tan Bay during the typhoon Nanmadol.The modeled result of the maximum surge in Pingtan Bay was 1 meter and wave height reached up to 4.5 meters during storm process.Good agreement was achieved between the numerical re?sults and observation.According to the verification results of wind velocity,the Ferrier scheme is slightly superior to the other 5 schemes and reasonable results of wind field can be obtained by using this model.

WRF;SWAN+ADCIRC;coupling;wind wave

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0242-05

2015-09-23；

2015-12-11

李紹武（1962-），男，山東萊州人，教授，主要從事海岸動力學(xué)及岸灘演變、海岸建筑物波浪數(shù)值模型研究。

Biography：LI Shao?wu（1962-），male，professor.