王其松， 鄧家泉， 劉誠(chéng)， 嚴(yán)軍， 葉榮輝， 陳秀華

(1.水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510611; 3.華北水利水電大學(xué)， 河南 鄭州 450045; 4.廣州航海學(xué)院， 廣東 廣州 510725)

?

疊加風(fēng)場(chǎng)在南海臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)中的應(yīng)用研究

王其松1，2， 鄧家泉1，2， 劉誠(chéng)1，2， 嚴(yán)軍3， 葉榮輝1，2， 陳秀華4

(1.水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510611; 3.華北水利水電大學(xué)， 河南 鄭州 450045; 4.廣州航海學(xué)院， 廣東 廣州 510725)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)與NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用兩者相疊加的方式構(gòu)造了一種疊加風(fēng)場(chǎng)，與實(shí)測(cè)風(fēng)速資料對(duì)比驗(yàn)證顯示該風(fēng)場(chǎng)精度較高。以疊加風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為輸入，采用WAVEWATCHⅢ模式對(duì)南海海域有顯著影響的8場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示疊加風(fēng)場(chǎng)計(jì)算南海臺(tái)風(fēng)浪具有較高的精度和可靠性。

疊加風(fēng)場(chǎng)；臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)；經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)；NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)

1 引言

南海海域是全球熱帶氣旋發(fā)生最多的地區(qū)，也是受臺(tái)風(fēng)浪影響最為嚴(yán)重的地區(qū)。臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)研究對(duì)減少波浪導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

臺(tái)風(fēng)浪后報(bào)研究一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，徐福敏等[2]運(yùn)用WAVEWATCHⅢ和SWAN模型采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)對(duì)東中國(guó)海至長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了模擬分析；任智源和包蕓[3]運(yùn)用SWAN模型對(duì)“0814”號(hào)臺(tái)風(fēng)作用下伶仃洋的波浪場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。袁凱瑞等[4]采用SWAN第三代海浪模式分別應(yīng)用Jelesnianski模型風(fēng)場(chǎng)、藤田氣壓公式計(jì)算的梯度風(fēng)場(chǎng)以及考慮臺(tái)灣海峽和臺(tái)灣島地形影響的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)(陳德文臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng))模型，對(duì)臺(tái)灣海峽的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了數(shù)值模擬。張進(jìn)峰[5]采用WAVEWATCHⅢ模型對(duì)黃、東海海域及舟山群島的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了模擬分析；周良明等[6]采用再分析風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用WAVEWATCHⅢ模式對(duì)南海的波浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析和研究。受臺(tái)風(fēng)路徑、風(fēng)速、時(shí)間、海域等因素的影響，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)較難確定，直接影響臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算精度；再分析風(fēng)場(chǎng)(背景風(fēng)場(chǎng))難以反映臺(tái)風(fēng)的位置及臺(tái)風(fēng)中心位置的風(fēng)速，故采用單一風(fēng)場(chǎng)并不能完全模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)的特征。

現(xiàn)有研究已經(jīng)考慮把再分析風(fēng)場(chǎng)(背景風(fēng)場(chǎng))的數(shù)據(jù)加入到經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，構(gòu)造新風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪模擬計(jì)算。金羅斌等[7]運(yùn)用SWAN第三代海浪模式分別采用CCMP風(fēng)場(chǎng)、Myers理論風(fēng)場(chǎng)及兩者的合成風(fēng)場(chǎng)對(duì)南海15個(gè)臺(tái)風(fēng)浪過(guò)程進(jìn)行了模擬研究；梁連松等[8]采用Holland臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型與CCMP背景風(fēng)場(chǎng)相疊加構(gòu)造的合成風(fēng)場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)SWAN模型，對(duì)臺(tái)風(fēng)“風(fēng)雷”進(jìn)行了模擬研究。本文采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)與NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)相疊加的方式構(gòu)造了一種疊加風(fēng)場(chǎng)，并用于南海臺(tái)風(fēng)浪的后報(bào)計(jì)算，進(jìn)而分析研究疊加風(fēng)場(chǎng)應(yīng)用于南海海域的可靠性。

2 疊加風(fēng)場(chǎng)

2.1 經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)采用Young和Sobey風(fēng)場(chǎng)模型[9]：

Vg(r)=Vmax·rRmw7·exp7·1-rRmw

r

(1)

Vg(r)=Vmax·exp(0.002 5Rmw+0.05)×

1-rRmwr≥Rmw，

(2)

式中，r是計(jì)算點(diǎn)至臺(tái)風(fēng)中心的距離；Vg(r)為距臺(tái)風(fēng)中心r距離處的風(fēng)速；Rmw為最大風(fēng)速半徑；Vmax為最大風(fēng)速。

p(r)=pc+(pn-pc)·exp-Rmwr，

(3)

式中，p(r)為距臺(tái)風(fēng)中心r距離處的氣壓；pc是臺(tái)風(fēng)的中心氣壓；pn是臺(tái)風(fēng)的外圍氣壓，一般取為1 013.2 hPa。

最大風(fēng)速半徑Rmw采用公式(4)[10]計(jì)算：

Rmw=28.52tanh0.087 3(φ-28)+

12.22/exp(pn-pc)/33.86+0.2Vt+37.22，

(4)

式中，φ為緯度；Vt為臺(tái)風(fēng)移行速度。

圖1和圖2為Young和Sobey[9]風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果。

圖1 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)(2013/11/8 20：00)Fig.1 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖2 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)(2013/11/10 02：00)Fig.2 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)是非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)，而經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)是圓形對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)，離臺(tái)風(fēng)中心較近的位置，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的模擬效果較好，而在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的位置，偏差較大。這就導(dǎo)致距離臺(tái)風(fēng)中心較近位置處的臺(tái)風(fēng)浪模擬效果較好，遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心位置處的臺(tái)風(fēng)浪模擬效果較差。為了彌補(bǔ)這一缺陷，需繼續(xù)對(duì)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 疊加風(fēng)場(chǎng)

2.2.1 NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)

NCEP再分析資料是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)同化處理各類氣象觀測(cè)資料后研發(fā)的全球氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)。NCEP的再分析風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)是在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心處具有非常好的非對(duì)稱性，能夠反映背景風(fēng)場(chǎng)特征；其缺點(diǎn)是在臺(tái)風(fēng)中心的位置不精確，且無(wú)法反映臺(tái)風(fēng)中心位置的風(fēng)場(chǎng)特征(圖3，圖4)。

圖3 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)(2013/11/8 20：00)Fig.3 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖4 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)(2013/11/10 02：00)Fig.4 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

2.2.2 疊加風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)造

根據(jù)前述分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

由表1可知，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)可以互相彌補(bǔ)，故本文采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)與NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)相疊加的方法構(gòu)造一種疊加風(fēng)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)更真實(shí)、準(zhǔn)確的描述。疊加風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)造思路是：在距離臺(tái)風(fēng)中心較近處采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，準(zhǔn)確描述臺(tái)風(fēng)中心位置、中心風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑處風(fēng)場(chǎng)特征；在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心處采用NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)，準(zhǔn)確描述風(fēng)場(chǎng)的背景風(fēng)速特征；中間采用平緩的過(guò)渡，保證兩種風(fēng)場(chǎng)銜接的連續(xù)性。疊加采用以下公式：

Vx=VEx

Vy=VEyr

(5)

Vx=(1-α)VEx+αVNCEPx

Vx=(1-α)VEy+αVNCEPyR1≤r

(6)

Vx=VNCEPx

Vy=VNCEPyr≥R2，

(7)

式中，Vx、Vy分別代表疊加風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在x，y方向的分量；VEx、VEy分別代表經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在x，y方向的分量；VNCEPx、VNCEPy分別代表NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在x，y方向的分量；R1、R2為兩個(gè)特征疊加半徑。

疊加半徑的確定方法是：將風(fēng)場(chǎng)模擬區(qū)域以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，尋找經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速與NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速最接近的圓的半徑作為基準(zhǔn)疊加半徑R；以基準(zhǔn)疊加半徑為基礎(chǔ)，向內(nèi)L1距離確定R1的值，向外L2距離確定R2的值。根據(jù)多場(chǎng)疊加風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)，為保證經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的平順銜接，L1、L2取值一般介于0.05R～0.15R。

α可用式(8)計(jì)算：

α=r-R1R2-R1=r-R+L1L1+L2.

(8)

1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”的疊加風(fēng)場(chǎng)如圖5、圖6所示。

圖5 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”疊加風(fēng)場(chǎng)(2013/11/8 20：00)Fig.5 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖6 1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”疊加風(fēng)場(chǎng)(2013/11/10 02：00)Fig.6 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

臺(tái)風(fēng)浪后報(bào)對(duì)輸入的風(fēng)場(chǎng)反應(yīng)敏感，本文中將經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP背景風(fēng)場(chǎng)相疊加，克服了模型風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中外圍風(fēng)場(chǎng)不準(zhǔn)確、NCEP背景風(fēng)場(chǎng)臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)速?gòu)?qiáng)度不足的缺陷，從而有利于臺(tái)風(fēng)過(guò)程中波浪的計(jì)算。

2.2.3 各風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本文所構(gòu)造疊加風(fēng)場(chǎng)的精度，選擇0814號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”、0915號(hào)臺(tái)風(fēng)“巨爵”和1117號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”3場(chǎng)典型臺(tái)風(fēng)，對(duì)疊加風(fēng)場(chǎng)、經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)、NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，臺(tái)風(fēng)路徑、時(shí)刻及驗(yàn)證站點(diǎn)位置見(jiàn)圖7。驗(yàn)證風(fēng)速站點(diǎn)包括珠江口外海測(cè)點(diǎn)、閘坡測(cè)點(diǎn)、硇洲測(cè)點(diǎn)、大萬(wàn)山測(cè)點(diǎn)等。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖8至圖13。

圖7 臺(tái)風(fēng)路徑、時(shí)刻及驗(yàn)證站點(diǎn)分布
Fig.7 The typhoon track， moment and verification point location

圖8 0814號(hào)“黑格比”珠江口外海測(cè)點(diǎn)風(fēng)速驗(yàn)證Fig.8 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

圖9 0814號(hào)“黑格比”閘坡站風(fēng)速驗(yàn)證圖Fig.9 Validation of wind speeds at Zhapo during No.0814 Typhoon Hagupit

圖10 0814號(hào)“黑格比”硇洲島實(shí)測(cè)風(fēng)速驗(yàn)證圖Fig.10 Validation of wind speeds at Naozhou during No.0814 Typhoon Hagupit

圖11 0814號(hào)“黑格比”大萬(wàn)山風(fēng)速驗(yàn)證圖Fig.11 Validation of wind speeds at Dawanshan during No.0814 Typhoon Hagupit

圖12 0915號(hào)“巨爵”珠江口外海測(cè)點(diǎn)風(fēng)速驗(yàn)證圖Fig.12 Validation of wind speeds at the Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

圖13 1117號(hào)“納沙”珠江口外海測(cè)點(diǎn)風(fēng)速驗(yàn)證圖Fig.13 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

由圖8至圖13的驗(yàn)證結(jié)果可知，當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心距離驗(yàn)證點(diǎn)較近時(shí)，疊加風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速特征是一致的，驗(yàn)證效果較好；由于NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)無(wú)法反映臺(tái)風(fēng)中心位置的風(fēng)場(chǎng)特征，故驗(yàn)證結(jié)果較差。當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心距離驗(yàn)證點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)起關(guān)鍵作用，疊加風(fēng)場(chǎng)及NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的驗(yàn)證效果明顯好于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，如0814號(hào)“黑格比”珠江口外海測(cè)點(diǎn)2008/9/23時(shí)刻、0814號(hào)“黑格比”閘坡站2008/9/23時(shí)刻等。采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP背景風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造的疊加風(fēng)場(chǎng)，彌補(bǔ)了這兩種風(fēng)場(chǎng)的缺陷，更接近于真實(shí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的變化趨勢(shì)，風(fēng)速極值誤差在±15%以內(nèi)?？梢哉J(rèn)為，本文建立的疊加風(fēng)場(chǎng)模式是準(zhǔn)確可靠的，適用于模擬南海臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。

3 南海海域臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)

3.1 WAVEWATCHⅢ模式

南海海域臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)計(jì)算采用WAVEWATCHⅢ模式，該模式已廣泛應(yīng)用于全球各地區(qū)的波浪研究，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果[1-2，11-17]。

球坐標(biāo)下波作用量密度譜平衡方程[17]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，R是地球的半徑；Uφ和Uλ是水流速度在緯、經(jīng)度方向上的分量；k為波數(shù)；φ和λ分別為緯度和經(jīng)度；θ是角度；N為波作用量密度譜；σ是相對(duì)頻率。式(12)包含了沿大曲率修正形式。

源項(xiàng)為：

S=Sin+Snl+Sds+Sbot，

(13)

包括風(fēng)能輸入項(xiàng)Sin，非線性波波相互作用項(xiàng)Snl和耗散項(xiàng)(白浪)Sds，底摩阻耗散項(xiàng)Sbot。

3.2 數(shù)值計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

WAVEWATCHⅢ模式覆蓋南海大部分海域，計(jì)算域范圍為12.7°～29.4°N，105.6°～124.5°E，網(wǎng)格尺寸為2′×2′，水深起算基面為平均海平面，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為10 min，輸出時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。計(jì)算范圍及地形分布見(jiàn)圖14。

3.3 各風(fēng)場(chǎng)計(jì)算臺(tái)風(fēng)浪結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證疊加風(fēng)場(chǎng)計(jì)算南海海域臺(tái)風(fēng)浪的可靠性和準(zhǔn)確性，在其他參數(shù)不變的情況下，分別用NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)、經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)與疊加風(fēng)場(chǎng)計(jì)算臺(tái)風(fēng)浪，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。

本次計(jì)算選擇對(duì)南海海域有顯著影響且臺(tái)風(fēng)路徑有代表性的0814號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”、0915號(hào)臺(tái)風(fēng)“巨爵”、1003號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“燦都”、1117號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”、1311號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”、1329號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“羅莎”、1330號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”及1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”8場(chǎng)典型臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，與已有實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證資料包括珠江口外海臨時(shí)測(cè)點(diǎn)(2008年，2009年，2011年)、2010年三沙臨時(shí)測(cè)點(diǎn)、2013-2014年陽(yáng)西臨時(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)波浪。臺(tái)風(fēng)路徑及驗(yàn)證站點(diǎn)位置見(jiàn)圖15，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖16至圖23，驗(yàn)證誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖14 計(jì)算范圍及地形分布Fig.14 Computational domain and topography

圖15 臺(tái)風(fēng)路徑及驗(yàn)證站點(diǎn)分布Fig.15 The typhoon track and verification point location

圖16 0814號(hào)“黑格比”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(珠江口外海測(cè)點(diǎn))Fig.16 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

圖19 1117號(hào)“納沙”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(珠江口外海測(cè)點(diǎn))Fig.19 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

圖17 0915號(hào)“巨爵”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(珠江口外海測(cè)點(diǎn))Fig.17 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

圖20 1311號(hào)“尤特”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(陽(yáng)西測(cè)點(diǎn))Fig.20 Validation of wave height at Yangxi during No.1311 Typhoon Utor

圖18 1003號(hào)“燦都”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(三沙測(cè)點(diǎn))Fig.18 Validation of wave height at Sansha during No.1003 Typhoon Chanthu

圖21 1329號(hào)“羅莎”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(陽(yáng)西測(cè)點(diǎn))Fig.21 Validation of wave height at Yangxi during No.1329 Typhoon Krosa

圖22 1330號(hào)“海燕”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(陽(yáng)西測(cè)點(diǎn))Fig.22 Validation of wave height at Yangxi during No.1330 Typhoon Haiyan

圖23 1409號(hào)“威馬遜”波高驗(yàn)證對(duì)比圖(陽(yáng)西測(cè)點(diǎn))Fig.23 Validation of wave height at Yangxi during No.1409 Typhoon Rammasun

表2 臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算平均誤差統(tǒng)計(jì)表

由圖16至圖23及表2可知：NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的驗(yàn)證效果最差，最大波高值及出現(xiàn)時(shí)刻與實(shí)測(cè)值比較均偏差較大，主要原因是NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)中心的位置不精確，且無(wú)法反映臺(tái)風(fēng)中心位置的風(fēng)場(chǎng)特征，即最大風(fēng)速值、出現(xiàn)時(shí)刻和位置均無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心距離驗(yàn)證站點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)，驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，如0814號(hào)“黑格比”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的2008/9/25時(shí)刻、0915號(hào)臺(tái)風(fēng)“巨爵”2009/9/15至2009/9/16時(shí)刻及1003號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“燦都”2010/7/19時(shí)刻等。

經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)于NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)，最大波高值和出現(xiàn)時(shí)刻較實(shí)測(cè)值偏差均較??；而當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心距離驗(yàn)證站點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算臺(tái)風(fēng)浪的效果較差，如1117號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“納沙”2011/9/27至2011/9/28時(shí)刻、1311號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”2013/8/13至2013/8/14時(shí)刻及1329號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“羅莎”2013/11/1至2013/11/2時(shí)刻等。主要原因是經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)中心處的風(fēng)場(chǎng)模擬較好，而沒(méi)有考慮背景風(fēng)場(chǎng)的特征。

運(yùn)用疊加風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的臺(tái)風(fēng)浪結(jié)果明顯好于NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，平均誤差分別減小了11.5%、7.2%。在臺(tái)風(fēng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻，過(guò)程線驗(yàn)證效果較經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)改善明顯，這是由于疊加風(fēng)場(chǎng)考慮了距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)處的背景風(fēng)速特性，更加精確地模擬了整個(gè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)特征，而對(duì)臺(tái)風(fēng)浪極大值及出現(xiàn)時(shí)刻的模擬也明顯好于NCEP風(fēng)場(chǎng)。

根據(jù)以上分析可知，疊加風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)用，可以有效提高臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算精度，尤其是距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)海域波浪計(jì)算精度，為臺(tái)風(fēng)波浪特性分析研究打下了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模式在臺(tái)風(fēng)中心附近模擬效果較好，而在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心模擬偏差較大；NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)模式在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心模擬效果較好，而在臺(tái)風(fēng)中心附近模擬不精確的特點(diǎn)，在分析和總結(jié)兩種模式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用兩種模式之優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建了一種新的疊加風(fēng)場(chǎng)模式，該模式既能較好的模擬臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)場(chǎng)特征，又能反映背景風(fēng)場(chǎng)特征。與實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，疊加風(fēng)場(chǎng)的驗(yàn)證結(jié)果明顯優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)，過(guò)程線變化趨勢(shì)更接近于真實(shí)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速極值誤差可控制在±15%以內(nèi)。

以疊加風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為輸入，采用WAVEWATCHⅢ模式對(duì)南海海域有顯著影響的8場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，疊加風(fēng)場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算結(jié)果對(duì)比NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)平均誤差分別減小了11.5%、7.2%，尤其是距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)海域，波高過(guò)程線變化更接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明本文構(gòu)造的疊加風(fēng)場(chǎng)適用于南海海域的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬，并具有較高的精度和可靠性。

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Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea

Wang Qisong1，2， Deng Jiaquan1，2， Liu Cheng1，2， Yan Jun3， Ye Ronghui1，2， Chen Xiuhua4

(1.KeyLaboratoryofthePearlRiverEstuarineDynamicsandAssociatedProcessRegulation，MinistryofWaterResources，Guangzhou510611，China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute，Guangzhou510611，China; 3.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，China; 4.GuangzhouMaritimeInstitute，Guangzhou510725，China)

A superimposed wind field is constructed using empirical wind fields and NCEP reanalyzed wind fields from the advantages and disadvantages of the two， and the simulation result is good compared with the real wind field data. Eight typhoons greatly affecting the South China Sea is simulated using WAVEWATCHⅢ based on the superimposed wind field data， the superimposed wind field has shown higher accurate and more reliable in simulating typhoon-induced waves．

superimposed winds; typhoon-induced waves hindcast modelling; empirical wind fields; NCEP reanalyzed wind fields

2016-08-16；

2016-12-25。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51039004)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B020200008)；鄭州市創(chuàng)新型科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(121PLJRC527)。

王其松(1987—)，男，山東省商河縣人，工程師，從事河口海岸水動(dòng)力數(shù)值模擬研究。E-mail：wqisong@126.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007

P731.33

A

0253-4193(2017)07-0070-10

王其松， 鄧家泉， 劉誠(chéng)， 等. 疊加風(fēng)場(chǎng)在南海臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值后報(bào)中的應(yīng)用研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2017， 39(7): 70-79，

Wang Qisong， Deng Jiaquan， Liu Cheng， et al. Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 70-79， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007