秦曉穎， 史 劍*， 蔣國榮, 楊木勇, 邵小芳

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

?

基于不同風(fēng)場的臺風(fēng)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(xué)氣象海洋學(xué)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(fēng)浪的效果，分別以CCMP風(fēng)場和WRF模式模擬風(fēng)場構(gòu)建驅(qū)動臺風(fēng)浪的海面風(fēng)場模型，基于FVCOM海洋模式，以2010年的“凡比亞”臺風(fēng)為例進(jìn)行臺風(fēng)浪數(shù)值模擬，并用站點浮標(biāo)資料進(jìn)行了模擬結(jié)果檢驗。結(jié)果表明，F(xiàn)VCOM海洋模式模擬的水位、有效波高結(jié)果與實際觀測結(jié)果的整體誤差較小，模擬效果較好；受到風(fēng)場與地形的影響，最大增水與減水的區(qū)域分別位于臺風(fēng)中心的左側(cè)沿岸和右側(cè)沿岸；風(fēng)場與表面流場的模擬結(jié)果也符合臺風(fēng)過程中的風(fēng)生流分布特征，即風(fēng)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(fēng)場模型下的臺風(fēng)浪模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者均能較好地模擬此次臺風(fēng)過程，但存在一定的差異，增加WRF模式模擬風(fēng)場作為強(qiáng)迫驅(qū)動風(fēng)場模擬的有效波高更接近觀測值。

關(guān)鍵詞臺風(fēng)風(fēng)場；臺風(fēng)浪；FVCOM模式；WRF模式；數(shù)值模擬

臺風(fēng)作為一種災(zāi)害性的強(qiáng)對流天氣，一般是在熱帶或副熱帶海洋上生成的強(qiáng)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(yán)重災(zāi)害。我國是世界上遭受臺風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的少數(shù)國家之一，每年平均7～8個臺風(fēng)登陸，最多可達(dá)12個，一般年份影響我國的臺風(fēng)(不一定在我國登陸)可達(dá)10個左右，這些臺風(fēng)給我國造成250多億經(jīng)濟(jì)損失和數(shù)百人的人員傷亡，臺風(fēng)過程帶來的大風(fēng)、大浪給近海沿岸帶來了巨大的災(zāi)害。因此，對臺風(fēng)浪的研究具有重大的意義，而臺風(fēng)浪的數(shù)值模擬一直是研究的重要方面，海洋要素對臺風(fēng)的響應(yīng)作用前人已有不少的研究成果。如Mastenbrock等[1]建立了波浪和風(fēng)暴潮的二維聯(lián)合模式，Dietrich等[2]將風(fēng)暴潮模式與SWAN模式耦合，研究了颶風(fēng)引起的風(fēng)暴潮過程；Chen等[3]利用FVCOM模式對長江口岸風(fēng)生海流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于采用了無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，F(xiàn)VCOM海洋模式處理近岸復(fù)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(fēng)引起的風(fēng)浪數(shù)值試驗，筆者主要選用FVCOM海洋模式，臺風(fēng)個例選取2010年9月的強(qiáng)臺風(fēng)“凡比亞”，分別用CCMP[4]風(fēng)場和WRF模式產(chǎn)生的風(fēng)場作為模式的驅(qū)動風(fēng)場，對臺風(fēng)過程進(jìn)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(jìn)行檢驗，來分析不同臺風(fēng)風(fēng)場模擬的臺風(fēng)浪分布特征差異及FVCOM模式模擬臺風(fēng)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(lǐng)導(dǎo)的馬薩諸塞州達(dá)特默斯大學(xué)海洋生態(tài)動力學(xué)模型實驗室與伍茲霍爾海洋學(xué)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(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，在垂直方向上采用的是σ坐標(biāo)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(jìn)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(gòu)建了一個無結(jié)構(gòu)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(yù)報系統(tǒng)實驗室(FSL)、NCEP、Oklahoma大學(xué)的風(fēng)暴分析和預(yù)報中心(CAPS)與許多其他大學(xué)的科學(xué)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(biāo)采用追隨地形高度和質(zhì)量坐標(biāo)(也稱為靜壓坐標(biāo))[7]。

1.3CCMP風(fēng)場介紹CCMP(CrossCalibratedMulti-Platform)風(fēng)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(fēng)場計劃由NASA地球科學(xué)事業(yè)(ESE)提出的“讓地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)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(fēng)場數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集采用一種增強(qiáng)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(fēng)場數(shù)據(jù)，由美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)于2009年推出。CCMP風(fēng)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(fēng)浪數(shù)值模擬

1.4.1案例選擇。選擇的臺風(fēng)案例是發(fā)生于2010年9月的臺風(fēng)“凡比亞”(FANAPI，國際編號：1011)，臺風(fēng)“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(fēng)暴，生成后向西北臺灣島方向移動，15日發(fā)展為臺風(fēng)、強(qiáng)臺風(fēng)，最強(qiáng)時中心最大風(fēng)速達(dá)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(jìn)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(fēng)速為35m/s,臺風(fēng)中心氣壓為 970hPa?！胺瞾啽取闭w的移動路徑如圖1所示，臺風(fēng)數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(JointTyphoonWarningCenter，JTWC)所提供的臺風(fēng)最佳路徑資料。

注：紅色標(biāo)志為浮標(biāo)觀測站點。Note: The red signals stand for buoy observation site.圖1　臺風(fēng)“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(shè)置?？紤]到此次臺風(fēng)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(shè)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(fēng)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(shè)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(biāo)，在垂直方向上采用σ坐標(biāo)分層，共分為20層。溫度和鹽度設(shè)置為常數(shù)，初始的水位和流場均設(shè)置為0。模型的內(nèi)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(jié)果。

1.4.4WRF模式計算方案設(shè)置。臺風(fēng)風(fēng)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(jié)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(fēng)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(fēng)速(b)的模擬結(jié)果與浮標(biāo)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(fēng)場和WRF模擬風(fēng)場(圖3)為強(qiáng)迫場，使用FVCOM模式對臺風(fēng)“凡比亞”進(jìn)行數(shù)值模擬試驗，輸出的結(jié)果與實測浮標(biāo)進(jìn)行對比分析，浮標(biāo)站點選取QF202與QF205 2個站點。從計算的有效波高與浮標(biāo)對比(圖4a)可以看出，2種不同風(fēng)場驅(qū)動下有效波高的變化趨勢與實際情況基本一致。在臺風(fēng)過程的初期，有效波高與實測值十分接近；但當(dāng)臺風(fēng)逐漸加強(qiáng)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(biāo)有類似情況，其產(chǎn)生原因可能與模擬風(fēng)場較之實際風(fēng)場移動更快導(dǎo)致的。為說明這一點，進(jìn)一步對比分析CCMP風(fēng)場的風(fēng)速值與觀測值，從圖4b可看出，模擬風(fēng)速與實際觀測風(fēng)速變化趨勢基本一致，但最大風(fēng)速的大小與實際值相比偏小，這與CCMP風(fēng)場最大風(fēng)速較實測值偏小有關(guān)；風(fēng)速的變化明顯比實際觀測偏早，尤其是QF202站點實測風(fēng)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(jié)果，統(tǒng)計分析了有效波高和風(fēng)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(guān)系數(shù)均超過0.9，相關(guān)性較好，QF205偏差比QF202大，偏差達(dá)0.2 m，這可能與QF205離臺風(fēng)過境路徑相對較遠(yuǎn)、受到臺風(fēng)影響較小有關(guān)。對比CCMP風(fēng)場和WRF風(fēng)場結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WRF風(fēng)場驅(qū)動模擬的有效波高的偏差和平均相對誤差均小于CCMP風(fēng)場模擬結(jié)果，效果相對較好；風(fēng)速的誤差比有效波高誤差大，相關(guān)系數(shù)也相對偏低，模擬效果有待提高，從2種風(fēng)場模擬效果對比來看，WRF風(fēng)場的模擬效果優(yōu)于CCMP風(fēng)場。對比CCMP風(fēng)場和WRF風(fēng)場驅(qū)動所得的有效波高發(fā)現(xiàn)，CCMP風(fēng)場驅(qū)動的有效波高結(jié)果比實測結(jié)果偏小，而WRF風(fēng)場驅(qū)動所得的結(jié)果與實際觀測值相當(dāng)，最大值略微偏大，這也與CCMP風(fēng)場最大風(fēng)速較實測值偏小、WRF模擬風(fēng)場和實測值接近有關(guān)。從有效波高的分布來看，WRF風(fēng)場驅(qū)動模擬的有效波高分布更接近于實際風(fēng)場的分布，與實際風(fēng)場相比略微偏西南，這是由于WRF模擬所得的初始風(fēng)場較實際風(fēng)場稍偏南而導(dǎo)致的，而CCMP風(fēng)場模擬的有效波高位置則與實測風(fēng)場偏離相對較遠(yuǎn)，模擬效果不如WRF風(fēng)場。

此次臺風(fēng)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(biāo)站點QF202和QF205的有效波高從17、18日開始明顯增加，說明臺風(fēng)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(dá)最大值，之后由于臺風(fēng)的遠(yuǎn)離，又逐漸下降。從有效波高與風(fēng)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(fēng)中心移動方向的右側(cè)區(qū)域，且越靠近臺風(fēng)中心，有效波高越小，越遠(yuǎn)離臺風(fēng)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(biāo)編號BuoyNo.偏差Deviationm平均相對誤差A(yù)veragerelativeerror相關(guān)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(fēng)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(biāo)編號BuoyNo.偏差Deviationm平均相對誤差A(yù)veragerelativeerror相關(guān)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(fēng)“凡比亞”過程中的最大增水和減水(圖6)可以看出，此次臺風(fēng)過程中，由于臺風(fēng)分別在臺灣和福建兩地登陸，故臺風(fēng)帶來的增水和減水區(qū)主要位于臺灣海峽兩岸沿岸，當(dāng)臺風(fēng)經(jīng)過臺灣海峽時，福建沿海區(qū)域處于臺風(fēng)中心的右側(cè)，且位于臺風(fēng)的最大風(fēng)速半徑內(nèi)，而臺風(fēng)中心右側(cè)區(qū)域的風(fēng)向為朝向陸地的風(fēng)，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(fēng)中心區(qū)域左側(cè)的臺灣沿海區(qū)域，臺風(fēng)為離岸風(fēng)，該區(qū)域也在臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑內(nèi)，較大的風(fēng)速導(dǎo)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(fēng)的移動路徑、風(fēng)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(fēng)中心右側(cè)沿岸區(qū)域，減水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風(fēng)中心左側(cè)風(fēng)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(yīng)。

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(fēng)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(fēng)“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(fēng)“凡比亞”過程中風(fēng)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(jié)論

基于FVCOM模式，利用不同臺風(fēng)風(fēng)場作為強(qiáng)迫場，對臺風(fēng)個例進(jìn)行數(shù)值模擬，分析臺風(fēng)過程中我國近海海域的風(fēng)浪分布特征，并對比分析不同風(fēng)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(jié)論：

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

(2) 臺風(fēng)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(fēng)的移動路徑、風(fēng)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(fēng)中心右側(cè)沿岸區(qū)域，減水值較大的區(qū)域出現(xiàn)在臺風(fēng)中心左側(cè)風(fēng)速較大的區(qū)域。

(3) 通過對比2種不同風(fēng)場模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種風(fēng)場均能對此次臺風(fēng)過程有較好的模擬，但CCMP風(fēng)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(fēng)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(xué)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(xué)基金項目(BK20131066)。

中圖分類號S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-224-05