秦曉穎， 史 劍*， 蔣國榮, 楊木勇, 邵小芳

(1．解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京 211101；2.安徽省寧國市氣象局，安徽寧國 242300)

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基于不同風場的臺風浪數(shù)值模擬

秦曉穎1， 史 劍1*， 蔣國榮1, 楊木勇2, 邵小芳1

(1．解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京 211101；2.安徽省寧國市氣象局，安徽寧國 242300)

摘要為了檢驗FVCOM海洋模式模擬臺風浪的效果，分別以CCMP風場和WRF模式模擬風場構建驅動臺風浪的海面風場模型，基于FVCOM海洋模式，以2010年的“凡比亞”臺風為例進行臺風浪數(shù)值模擬，并用站點浮標資料進行了模擬結果檢驗。結果表明，F(xiàn)VCOM海洋模式模擬的水位、有效波高結果與實際觀測結果的整體誤差較小，模擬效果較好；受到風場與地形的影響，最大增水與減水的區(qū)域分別位于臺風中心的左側沿岸和右側沿岸；風場與表面流場的模擬結果也符合臺風過程中的風生流分布特征，即風場與表面流場方向、大小存在一致性。此外，對比分析2種不同海面風場模型下的臺風浪模擬結果發(fā)現(xiàn)，二者均能較好地模擬此次臺風過程，但存在一定的差異，增加WRF模式模擬風場作為強迫驅動風場模擬的有效波高更接近觀測值。

關鍵詞臺風風場；臺風浪；FVCOM模式；WRF模式；數(shù)值模擬

臺風作為一種災害性的強對流天氣，一般是在熱帶或副熱帶海洋上生成的強烈的氣旋性渦旋，且迅速的移動和發(fā)展，在沿海地區(qū)登陸，造成嚴重災害。我國是世界上遭受臺風災害最嚴重的少數(shù)國家之一，每年平均7～8個臺風登陸，最多可達12個，一般年份影響我國的臺風(不一定在我國登陸)可達10個左右，這些臺風給我國造成250多億經(jīng)濟損失和數(shù)百人的人員傷亡，臺風過程帶來的大風、大浪給近海沿岸帶來了巨大的災害。因此，對臺風浪的研究具有重大的意義，而臺風浪的數(shù)值模擬一直是研究的重要方面，海洋要素對臺風的響應作用前人已有不少的研究成果。如Mastenbrock等[1]建立了波浪和風暴潮的二維聯(lián)合模式，Dietrich等[2]將風暴潮模式與SWAN模式耦合，研究了颶風引起的風暴潮過程；Chen等[3]利用FVCOM模式對長江口岸風生海流進行了數(shù)值模擬研究。由于采用了無結構三角網(wǎng)格，F(xiàn)VCOM海洋模式處理近岸復雜的海底地形更為精確，因此對近岸海浪的模擬效果可能更好。針對臺風引起的風浪數(shù)值試驗，筆者主要選用FVCOM海洋模式，臺風個例選取2010年9月的強臺風“凡比亞”，分別用CCMP[4]風場和WRF模式產(chǎn)生的風場作為模式的驅動風場，對臺風過程進行模擬試驗，并開展一些敏感性試驗，利用站點的實際觀測數(shù)據(jù)進行檢驗，來分析不同臺風風場模擬的臺風浪分布特征差異及FVCOM模式模擬臺風浪的效果。

1資料與方法

1.1FVCOM模式FVCOM模式又稱有限體積海岸海洋模式，源代碼由陳長勝博士領導的馬薩諸塞州達特默斯大學海洋生態(tài)動力學模型實驗室與伍茲霍爾海洋學協(xié)會的羅伯特C.比爾茲利博士合作開發(fā)[5]。該模式在水平方向上采用的是無結構化的三角形網(wǎng)格，在垂直方向上采用的是σ坐標變換，數(shù)值方法則采用了有限體積法(finite-volume)，可對自由表面的三圍原始控制方程進行模擬[6]。模式的控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

其中，u、v為流速分量，ω為垂向流速，ζ為水位，Km為垂向湍黏滯系數(shù)，f為科氏參數(shù)。該研究采用的是FVCOM3.1.6版本，該版本將SWAN海浪加入到FVCOM模式中，構建了一個無結構網(wǎng)格的浪流雙向耦合模型FVCOM-SWAVE，該模型可以直接實現(xiàn)浪流之間的信息交換。

1.2WRF模式介紹WRF(WeatherResearchandForecast)模式是由美國NCAR、NOAA預報系統(tǒng)實驗室(FSL)、NCEP、Oklahoma大學的風暴分析和預報中心(CAPS)與許多其他大學的科學家共同研制和發(fā)展的新一代中尺度模式。該模式是非靜力原始方程模式，水平格點為ArakawaC格式，垂直坐標采用追隨地形高度和質量坐標(也稱為靜壓坐標)[7]。

1.3CCMP風場介紹CCMP(CrossCalibratedMulti-Platform)風場數(shù)據(jù)是一種具有較高的時間、空間分辨率和全球海洋覆蓋能力的新型衛(wèi)星遙感資源。CCMP海面風場計劃由NASA地球科學事業(yè)(ESE)提出的“讓地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)應用于環(huán)境研究”的合作協(xié)議公告提供項目經(jīng)費支持，在此項目中，Atlas等[8]經(jīng)過理論和方法論證，提出了具有很高精度和適用性的CCMP海面風場數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集采用一種增強的變分同化分析法(VAM)融合了QuikSCAT/SeaWinds、ADEOS-II/SeaWinds、AMSR-E、TRMMTMI和SSM/I等諸多海洋被動微波和散射計遙感平臺上采集的海面風場數(shù)據(jù)，由美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)于2009年推出。CCMP風場的時間范圍1987年7月~2014年12月，時間分辨率為6h，其空間范圍為0.125°~359.875°E、78.375°S~78.375°N，空間分辨率為0.25°×0.25°。

1.4臺風浪數(shù)值模擬

1.4.1案例選擇。選擇的臺風案例是發(fā)生于2010年9月的臺風“凡比亞”(FANAPI，國際編號：1011)，臺風“凡亞比”于 2010 年 9 月 13 日生成于臺灣島以東的太平洋洋面上并迅速發(fā)展為熱帶風暴，生成后向西北臺灣島方向移動，15日發(fā)展為臺風、強臺風，最強時中心最大風速達52m/s，中心氣壓為 944hPa，19日09：00前后于臺灣省花蓮縣豐濱鄉(xiāng)附近沿海登陸，登陸后由東向西橫穿臺灣島進入臺灣海峽，并于20日07：00左右在福建省漳浦縣沿海再次登陸，登陸時最大風速為35m/s,臺風中心氣壓為 970hPa?！胺瞾啽取闭w的移動路徑如圖1所示，臺風數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合臺風警報中心(JointTyphoonWarningCenter，JTWC)所提供的臺風最佳路徑資料。

注：紅色標志為浮標觀測站點。Note: The red signals stand for buoy observation site.圖1　臺風“凡比亞”路徑Fig.1　The track of typhoon FANAPI

圖2　FVCOM計算網(wǎng)格(a)及其計算區(qū)域地下水深(b)Fig.2　FVCOM calculation network(a) and calculated region groundwater depth(b)

1.4.2區(qū)域及網(wǎng)格的設置?？紤]到此次臺風過程的影響區(qū)域主要在中國東南沿海及臺灣海峽一帶，故模式的計算區(qū)域設定為15°~40°N、105°~140°E。模式的網(wǎng)格采用可視化地表水模擬分析軟件SMS 8.1生成的三角網(wǎng)格系統(tǒng)，為不重疊的三角形單元網(wǎng)格，為了保證風暴潮增水的模擬效果，保留了部分島嶼。海岸和島嶼的邊界為固體邊界，外邊界為開邊界。網(wǎng)格和區(qū)域的配置如圖2a所示。水深數(shù)據(jù)采用的是美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的高分辨率ETOP1[9]水深數(shù)據(jù)，其分辨率為1°×1°，模擬區(qū)域的水深如圖2b所示；海岸線數(shù)據(jù)則采用GSHHS[10]全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)。1.4.3FVCOM模式計算方案設置。此次試驗FVCOM模式的計算時間為2010年9月13日08：00~21日08：00，總共8 d。模型在水平方向上采用球坐標，在垂直方向上采用σ坐標分層，共分為20層。溫度和鹽度設置為常數(shù)，初始的水位和流場均設置為0。模型的內模式的時間步長為600 s，外模型的時間步長為60 s，每1 h輸出1次計算結果。

1.4.4WRF模式計算方案設置。臺風風場模擬所用的WRF模式是WRFv3.6版本，模擬試驗選取的范圍是以22.5°N、127.5°E為中心點，網(wǎng)格點為220×200，網(wǎng)格距為15 km，時間積分步長為60 s，模式在垂直方向上分為30層。模擬的時間范圍為2010年9月13日08：00~21日08：00。模式選用的主要參數(shù)化方案有WSM5微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面過程方案、YSU邊界層方案、Monin-Obukhov近地面層方案等。

2結果與分析

注：a.17日08:00;b.18日08：00；c.19日08：00；d.20日08：00。Note: a. 17th 08:00; b. 18th 08:00; c. 19th 08:00; d. 20th 08:00.圖3　WRF模擬的2010年9月17~20日海表面10 m高的風場Fig.3　10 m height wind field above sea surface during Sep.17-20th 2010 simulated by WRF model

注：a1、b1為QF202；a2、b2為QF205。Note: a1,b1. QF202; a2, b2.QF205.圖4　2010年9月13~21日有效波高(a) 和風速(b)的模擬結果與浮標實測對比Fig.4　The effective wave height (a) and wind speed(b) simulation results and comparison with buoy measured results during Sep.13-21 2010

分別以CCMP混合風場和WRF模擬風場(圖3)為強迫場，使用FVCOM模式對臺風“凡比亞”進行數(shù)值模擬試驗，輸出的結果與實測浮標進行對比分析，浮標站點選取QF202與QF205 2個站點。從計算的有效波高與浮標對比(圖4a)可以看出，2種不同風場驅動下有效波高的變化趨勢與實際情況基本一致。在臺風過程的初期，有效波高與實測值十分接近；但當臺風逐漸加強接近時，有效波高計算值的上升期比實際觀測值偏早，如QF202有效波高值在17日有明顯的上升，而觀測值18日才開始上升，QF205浮標有類似情況，其產(chǎn)生原因可能與模擬風場較之實際風場移動更快導致的。為說明這一點，進一步對比分析CCMP風場的風速值與觀測值，從圖4b可看出，模擬風速與實際觀測風速變化趨勢基本一致，但最大風速的大小與實際值相比偏小，這與CCMP風場最大風速較實測值偏小有關；風速的變化明顯比實際觀測偏早，尤其是QF202站點實測風速更為明顯，這可能是造成上述有效波高變化趨勢的原因。

為了給出更為定量化的比較結果，統(tǒng)計分析了有效波高和風速計算值與實測值的誤差。從表1~2可以看出，模擬有效波高的平均相對誤差為17%~21%，相關系數(shù)均超過0.9，相關性較好，QF205偏差比QF202大，偏差達0.2 m，這可能與QF205離臺風過境路徑相對較遠、受到臺風影響較小有關。對比CCMP風場和WRF風場結果發(fā)現(xiàn)，WRF風場驅動模擬的有效波高的偏差和平均相對誤差均小于CCMP風場模擬結果，效果相對較好；風速的誤差比有效波高誤差大，相關系數(shù)也相對偏低，模擬效果有待提高，從2種風場模擬效果對比來看，WRF風場的模擬效果優(yōu)于CCMP風場。對比CCMP風場和WRF風場驅動所得的有效波高發(fā)現(xiàn)，CCMP風場驅動的有效波高結果比實測結果偏小，而WRF風場驅動所得的結果與實際觀測值相當，最大值略微偏大，這也與CCMP風場最大風速較實測值偏小、WRF模擬風場和實測值接近有關。從有效波高的分布來看，WRF風場驅動模擬的有效波高分布更接近于實際風場的分布，與實際風場相比略微偏西南，這是由于WRF模擬所得的初始風場較實際風場稍偏南而導致的，而CCMP風場模擬的有效波高位置則與實測風場偏離相對較遠，模擬效果不如WRF風場。

此次臺風生成于9月13日，并一路西移，于19日登陸臺灣島后，繼續(xù)西移，于20日登陸福建后逐漸減弱。有效波高的變化也隨之變化，所選取的浮標站點QF202和QF205的有效波高從17、18日開始明顯增加，說明臺風在這個時刻開始影響到了站點所在的位置，到了19~20日有效波高達最大值，之后由于臺風的遠離，又逐漸下降。從有效波高與風場疊加的分布(圖5)可以看到，有效波高的大值區(qū)出現(xiàn)在臺風中心移動方向的右側區(qū)域，且越靠近臺風中心，有效波高越小，越遠離臺風中心，有效波高越大。

表1有效波高模擬值與實測值對比誤差

Table 1Contrast error of simulated value and measured value of effective wave height

浮標編號BuoyNo.偏差Deviationm平均相對誤差Averagerelativeerror相關系數(shù)CorrelationcoefficientQF202(CCMP)0.05700.20820.9127QF202(WRF)0.01660.18890.9363QF205(CCMP)0.22810.19210.9448QF205(WRF)0.13970.17360.9681

表2風速值模擬值與實測值對比誤差

Table 2Comparison error between simulated value and measured value of wind speed value

浮標編號BuoyNo.偏差Deviationm平均相對誤差Averagerelativeerror相關系數(shù)CorrelationcoefficientQF202(CCMP)0.35980.32790.6872QF202(WRF)0.09510.29290.8400QF205(CCMP)0.31000.31350.8188QF205(WRF)0.03120.29740.8328

從臺風“凡比亞”過程中的最大增水和減水(圖6)可以看出，此次臺風過程中，由于臺風分別在臺灣和福建兩地登陸，故臺風帶來的增水和減水區(qū)主要位于臺灣海峽兩岸沿岸，當臺風經(jīng)過臺灣海峽時，福建沿海區(qū)域處于臺風中心的右側，且位于臺風的最大風速半徑內，而臺風中心右側區(qū)域的風向為朝向陸地的風，所以造成了沿岸的海水堆積，又由于地形的阻擋，使得在附近區(qū)域出現(xiàn)了較大的增水，相反，在位于臺風中心區(qū)域左側的臺灣沿海區(qū)域，臺風為離岸風，該區(qū)域也在臺風最大風速半徑內，較大的風速導致了較大的離岸流，使得水位出現(xiàn)明顯的下降，出現(xiàn)最大減水區(qū)。從最大增水和最大減水區(qū)的位置可以看出，對水位影響較大的因素是臺風的移動路徑、風場的范圍和地形的作用，增水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風中心右側沿岸區(qū)域，減水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風中心左側風速較大的區(qū)域。流場的分布也與最大增水和減水的位置相符合，從流場圖(圖7)可以看出，流場流速最大的區(qū)域與最大增水和最大減水區(qū)對應。

圖5　2010年9月19日08：00CCMP模擬(a)和WRF模擬(b)的有效波高與風場疊加Fig.5　Wave height and wind field superposition simulated by CCMP(a) and WRF(b) at 08:00 on Sep. 19th2010

圖6　2010年9月19日20：00臺風“凡比亞”過程中的最大增水與減水(單位：m)Fig.6　The maximum increasing water and decreasing water during process of typhoon Fanapi at 20:00 on Sep. 19th2010

圖7　2010年9月19日08：00臺風“凡比亞”過程中風生流場(單位：m/s)Fig.7　Wind-driven current during process of typhoon Fanapi at 20:00 on Sep. 19th2010

3結論

基于FVCOM模式，利用不同臺風風場作為強迫場，對臺風個例進行數(shù)值模擬，分析臺風過程中我國近海海域的風浪分布特征，并對比分析不同風場下的模擬效果。通過與實際觀測數(shù)據(jù)對比驗證，主要得到以下結論：

(1) 我國近海海域的海浪分布受到過境臺風的影響，與臺風的路徑、強度、風速等要素直接相關，有效波高最大值分布于臺風中心移動路徑的右側，且越靠近臺風中心，有效波高越小，越遠離臺風中心，有效波高越大。

(2) 臺風過程帶來的增水和減水區(qū)主要位于臺灣海峽兩岸沿岸，對水位影響較大的因素是臺風的移動路徑、風場的范圍和地形的作用，增水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風中心右側沿岸區(qū)域，減水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風中心左側風速較大的區(qū)域。

(3) 通過對比2種不同風場模擬結果發(fā)現(xiàn)，2種風場均能對此次臺風過程有較好的模擬，但CCMP風場模擬的海浪較實際觀測值較小，且有效波高分布位置有所偏離，WRF風場模擬與實際觀測相近，效果更好。

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Numerical Simulation of Typhoon Waves Based on FVCOM Model

QIN Xiao-ying, SHI Jian*, JIANG Guo-rong et al (Institute of Meteorological Oceanographic, PLA University of Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 211100)

AbstractIn order to test the effect of FVCOM ocean model simulating typhoon waves, using CCMP wind field and WRF model to simulate wind field, based on FVCOM ocean model, taking typhoon “Fanapi” in 2010 as an example for numerical simulation of typhoon waves, and the simulation results were carried out with the site data. The results showed that the overall error of the water level, significant wave height results from FVCOM model is small, the simulation effect is good. Affected by the wind field and the terrain, the area of maximum increase and decrease water located at the left side of the typhoon center and the right side of the coast. Wind field and surface flow field simulation results is also accord to the characteristics in typhoon process. In addition, through comparing and analyzing the simulation results of the typhoon waves in two different sea surface wind fields, it was found that the two wind fields can simulate the typhoon process, but there are some differences, the simulation of wave height is closer to the observed when increase the wind field simulated from the WRF model.

Key wordsTyphoon wind field; Wave of typhoon; FVCOM model; WRF model; Numerical simulation

收稿日期2015-12-17

作者簡介秦曉穎(1990- )，男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：氣象學數(shù)值模擬。*通訊作者，講師，博士，從事物理海洋研究。

基金項目江蘇省自然科學基金項目(BK20131066)。

中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-224-05