中國沿海臺風的統(tǒng)計特征及臺風浪的數(shù)值模擬

賈 曉 ，路川藤 ，盧 堅 ，周正萍

（1.上海河口海岸科學研究中心，上海201201；2.南京水利科學研究院，南京210029；3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，杭州310006）

“熱帶氣旋”指發(fā)生在熱帶地區(qū)急速旋轉(zhuǎn)的低壓渦旋，也就是公眾通常所說的“臺風”。世界氣象組織規(guī)定，按熱帶氣旋中心附近近地面處的2 min平均最大風力等級（以蒲氏風級表示）劃分為4個等級，由弱到強依次為：熱帶低壓（10.8～17.1 m/s），熱帶風暴（17.2～24.4 m/s）、強熱帶風暴（24.5～32.6 m/s）和臺風（大于 32.6 m/s），也有氣象學者在此基礎(chǔ)上，把臺風再分為臺風（32.7～41.4 m/s）、強臺風（41.5～50.9 m/s）和超強臺風（大于50.9 m/s）3個等級。

臺風蘊涵的能量巨大，且總是伴隨著暴雨、大風、大浪、強潮等氣象水文現(xiàn)象同時出現(xiàn)。我國已成為世界上熱帶氣旋登陸最多、受災最嚴重的國家之一。臺風登陸過程中，臺風浪造成的損失尤其嚴重。進行長時間序列的臺風資料分析和臺風浪模擬，對海岸帶規(guī)劃及海岸工程防護有一定的指導意義。

1 臺風統(tǒng)計特性分析

1.1 影響中國沿海臺風的數(shù)量統(tǒng)計

中國海岸線總長度32萬km，領(lǐng)海海域廣闊。從遼寧到廣西漫長的沿海地區(qū)都可能有臺風登陸，而東南部地區(qū)更是頻繁遭受熱帶氣旋侵害。根據(jù)National Weather Service（NOAAPORT satellite data）最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1945～2009年西北太平洋共有1 898次熱帶氣旋生成，年均29.2次；西北太平洋的熱帶氣旋主要集中在7～10月，尤以8月為最高峰，達8.5個。

在西北太平洋沿岸國家中，我國是受熱帶氣旋襲擊最多的國家，1945～2009年登陸中國沿海（包括臨近中國且造成影響，即臺風中心距離陸地小于80 km）597次，年均9.2個。登陸臺風個數(shù)占西北太平洋生成臺風總數(shù)的31.5%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息見圖1。

圖1 西北太平洋臺風數(shù)量及登陸（含臨近）臺風個數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Number of typhoons in the northwest Pacific Ocean and landing（anear）typhoons

1.2 登陸臺風的時間及空間統(tǒng)計分布規(guī)律

總體來講，影響中國沿海的熱帶氣旋主要發(fā)生在7～9月，其他季節(jié)熱帶氣旋數(shù)量明顯減少且強度較弱。登陸中國大陸最早的在5月3日，最晚的在12月2日。王金博［1］、王毅［2］等統(tǒng)計分析了臺風登陸中國沿海的時空演變情況。

從登陸地點來分析，登陸中國的熱帶氣旋主要集中在廣東和海南，約占登陸中國大陸熱帶氣旋總數(shù)的2/3；其次是臺灣、福建和浙江；上海和長江以北的沿海省市極少。登陸或影響中國沿海的幾種典型路徑統(tǒng)計信息見圖2。

1.3 影響中國沿海熱帶氣旋的強度

熱帶氣旋最大強度分布圖對海上交通運輸、石油勘探、開采以及海岸工程規(guī)劃設(shè)計，均有很大的參考價值。據(jù)嚴愷院士統(tǒng)計［3］，1951～1980年間觀測到的地面最大風速極值為110 m/s，出現(xiàn)在1958年9月24日的5827號臺風。

氣旋的強度，可以通過其中心最低氣壓反映。根據(jù)National Weather Service的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，西北太平洋海域和中國沿海地區(qū)65 a來出現(xiàn)的最低氣壓見圖3。

圖2 中國沿海登陸（含臨近）臺風典型路徑統(tǒng)計（1945～2009）Fig.2 Statistic of typical paths of landing（anear）typhoons of China coast

圖3 西北太平洋海域和中國沿海地區(qū)歷史最低氣壓圖（1945～2009年）Fig.3 Historical minimum air pressure of the northwest Pacific area and Chinese coastal area

2 臺風浪的數(shù)值模擬

臺風風場的風速、風向變化均十分劇烈，故臺風風場的準確與否是臺風浪場模擬的關(guān)鍵。給定風場后，需要一個適用的數(shù)學模型來模擬臺風生成、傳播和耗散。

2.1 臺風風場模擬

進行氣旋風場模擬時，首先需選擇合適的臺風氣壓場模式。本文采用國家海洋環(huán)境預報中心的臺風暴潮模式，在距臺風中心距離r<2R0（R0為臺風最大風速半徑）時采用藤田模式，在r≥2R0時采用高橋模式計算氣壓場［4］，移行風速采用Veno Takeo公式。則臺風風場可以表達為

式（1）中：ΔP為臺風外圍氣壓與臺風中心氣壓的氣壓差；R0為最大風速半徑；r為計算點至臺風中心距離；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；Φ為地理緯度；ρa為空氣密度；d為臺風移動速度；β為梯度風與海面風的訂正角，取β=20°；C1、C2為常數(shù)，取 C1=0.8，C2=1.0。

這種計算方法在實際中得到廣泛應用［5-6］，實踐證明，合理選擇最大風速半徑的前提下，這種方法基本能夠模擬海面上的氣旋風場。

2.2 SWAN模型簡介

SWAN模型［7］采用與WAM模型相同的方程及源匯項，在算法上做了改進，并且加入了額外的淺水控制項。SWAN模型對不同水深的適應性較好，且較為全面地考慮了包括能量輸入、損耗和非線性相互作用等在內(nèi)的一系列源匯項；模型以不規(guī)則譜型的方向譜表示真實海浪的隨機性特征，模擬結(jié)果更接近真實海浪。SWAN模型采用動譜平衡方程描述風浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程。在直角坐標系中，動譜平衡方程可表示為

SWAN模型采用全隱式有限差分格式，無條件穩(wěn)定，允許較大的時間步長。

2.3 臺風浪模擬及驗證

2008年8號臺風莫拉克（MORAKOT）路徑見圖4。臺風登陸時刻中心氣壓970 kPa，中心最大風速33 m/s。通過調(diào)整最大風速半徑、外圍氣壓等參數(shù)，擬合大陳島測站的風速和風向，驗證情況見圖5。

在本次計算中，風浪成長模式及白帽破碎采用Janssen格式和Komen格式。計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較見圖6。從圖6的波高對比情況中可以看出，SWAN模型對亞熱帶氣旋的模擬結(jié)果（即風速不是特別大的情況下）較好，且風能輸入和白帽破碎采用Janssen格式在周期模擬方面明顯優(yōu)于Komen格式。

圖4 臺風莫拉克路徑圖Fig.4 Path of typhoon MORAKOT

圖5 大陳島海洋站莫拉克臺風期間風速風向驗證情況Fig.5 Validation of wind speed and wind direction during typhoon MORAKOT at Dachen ocean station

圖6 大陳島海洋站波高及周期驗證情況Fig.6 Validation of wave height and wave period during typhoon MORAKOT at Dachen ocean station

另外對于強熱帶臺風下的波浪場，因為缺乏離岸較遠的實用測點資料，本文未做詳細計算。針對有學者提出的極端風速下SWAN模型波高模擬結(jié)果偏大的問題，可以參考相關(guān)文獻［8］進行修正計算。

3 結(jié)論

本文分析了自1945年以來的中國東部外海的臺風數(shù)據(jù)，得出了中國沿海登陸臺風的幾種典型路徑以及東部外海最低氣壓場的空間分布；然后采用第三代海浪數(shù)學模型SWAN，計算了亞熱帶臺風“莫拉克”的波浪情況，并采用大陳島海洋站實測波浪數(shù)據(jù)進行了驗證。結(jié)論證明SWAN模型模擬亞熱帶氣旋的適用性較好。

［1］王金博，錢維宏.半個世紀來熱帶海洋風暴對中國大陸的影響［J］.地球物理學報，2005，48（5）：992-998.WANG J B，QIAN W H.Statistic analysis of tropical cyclone impact on the China mainland during the last half century［J］.Chinese Journal of Geophysics，2005，48（5）：992-998.

［2］王毅，石漢青，黃思訓.西北太平洋熱帶氣旋的時空分布特征分析［J］.自然災害學報，2009，18（6）：166-174.WANG Y，SHI H Q，HUANG S X.Spatiotemporal distribution of tropic cyclones in north-west Pacific Ocean［J］.Journal of Natural Disasters，2009，18（6）：166-174.

［3］嚴愷.海岸工程［M］.北京：海洋出版社，2002.

［4］王喜年，尹慶江，張保明.中國海臺風風暴潮預報模式的研究與應用［J］.水科學進展，1991，2（1）：1-10.WANG X N，YIN Q J，ZHANG B M.Research and Applications of a Forecasting Model of Typhoon Surges in China Seas［J］.Advances in Water Science，1991，2（1）：1-10.

［5］趙鑫，黃世昌.浙東沿?！?711”臺風波浪場數(shù)值模擬研究［J］.浙江水利科技，2006（3）：24-27.ZHAO X，HUANG S C.Research on numerical modeling of 9711 typhoon wave field in coastal area of East Zhejiang［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2006（3）：24-27.

［6］黃君寶，趙鑫，李志永.南海北部灣臺風浪數(shù)值模擬方法研究［J］.水運工程，2008（1）：7-10.HUANG J B，ZHAO X，LI Z Y.Numerical Simulation for Typhoon Wave at North Bay of the South Sea ［J］.Port&Waterway Engineering，2008（1）：7-10.

［7］SWAN Team.SWAN User&Tecnical Manual（40.72）［M］.Delft：Delft University of Technology，2008.

［8］賈曉.多島海域風浪數(shù)值模擬［D］.南京：南京水利科學研究院，2010.