“韋帕”臺風(fēng)過程中南黃海海域流場研究

楊靜思，張慶河，張金鳳，趙洪波，張 娜，嚴(yán) 冰，楊 華

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

我國處于地球上臺風(fēng)多發(fā)的區(qū)域，臺風(fēng)經(jīng)過海域時，海洋表面會出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)或比較劇烈的氣壓變化，臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場往往還會造成特殊的波浪場分布，造成波浪輻射應(yīng)力分布的較大變化，這些因素可能會造成臺風(fēng)經(jīng)過海域的流場發(fā)生強(qiáng)烈變化。理解流場的變化規(guī)律對于深入了解海水交換、泥沙運(yùn)動乃至生態(tài)過程的變化有著十分重要的意義。近年來，越來越多的研究開始考慮風(fēng)場影響及波流耦合作用［1-4］，研究臺風(fēng)過程流場和水位變化?！绊f帕”（WIPHA）發(fā)生于2007 年，是我國近年來遭受的一次超強(qiáng)臺風(fēng)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)66.2 億元［5］?！绊f帕”經(jīng)過江蘇連云港海域期間，較強(qiáng)波浪和水流引起的泥沙運(yùn)動曾引起連云港外航道的較大淤積。為了深入理解“韋帕”臺風(fēng)過程沿岸海域流場運(yùn)動機(jī)理，本文利用充分考慮風(fēng)場和波流耦合影響的三維水動力模型，研究臺風(fēng)中心經(jīng)過南黃海海域（含連云港海域）時的流場運(yùn)動。

關(guān)于“韋帕”臺風(fēng)過程中波浪、風(fēng)暴潮的研究，目前已有不少工作，如趙鑫［6］采用MIKE21 水動力模型，結(jié)合全球潮汐預(yù)報系統(tǒng)，對“韋帕”在浙江登陸引起的風(fēng)暴潮進(jìn)行了模擬，陳華偉等［4］采用考慮背景風(fēng)場的非對稱風(fēng)場模型、SWAN 波浪模型以及復(fù)合流場模型研究了波浪對“韋帕”過程風(fēng)暴潮的影響。譚鳳等［7］采用中尺度大氣模式WRF 為SWAN 波浪模型提供驅(qū)動風(fēng)場，研究了“韋帕”臺風(fēng)期間的波浪過程。上述工作尚未對“韋帕”臺風(fēng)過程中南黃海的流場進(jìn)行深入討論。為此，本文將依據(jù)中尺度大氣模式WRF 獲得的風(fēng)場和第三代波浪模型SWAN 獲得的波浪場，利用三維水動力模型FVCOM 對“韋帕”臺風(fēng)經(jīng)過南黃海海域時的流場進(jìn)行模擬研究，討論臺風(fēng)過程中風(fēng)場、波浪場對流場的影響。

1 采用的模型

“韋帕”臺風(fēng)過程流場模擬采用風(fēng)-浪-流耦合模型，臺風(fēng)風(fēng)場的模擬采用WRF 模型，波浪的模擬采用第三代海浪模式SWAN，流場的模擬采用三維水動力模型FVCOM。以下簡述3 個模型以及它們之間的耦合關(guān)系。

1.1 大氣模型WRF

臺風(fēng)過程中的流場和波浪場模擬需要較為準(zhǔn)確的臺風(fēng)風(fēng)場，這里采用中尺度大氣WRF 模式模擬“韋帕”臺風(fēng)過程，以獲得合理的臺風(fēng)風(fēng)場。WRF 模式模擬臺風(fēng)的初始條件與計算域邊界條件從美國環(huán)境預(yù)報中心NCEP 歷史再分析數(shù)據(jù)FNL 獲得［8］。關(guān)于WRF 大氣模式的詳細(xì)描述詳見［8-9］，這里不再贅述。

1.2 海浪模式SWAN

在考慮波浪輻射應(yīng)力對潮流場的影響時，需要合理的波浪場，這里采用第三代海浪模式SWAN 計算“韋帕”臺風(fēng)波浪場。關(guān)于SWAN 模型的描述，詳見文獻(xiàn)［10］。

1.3 水動力模式FVCOM

FVCOM 模型是由美國馬薩諸塞大學(xué)陳長勝教授課題組為主開發(fā)的三維水動力模型。FVCOM 水平方向采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，垂直方向采用σ 坐標(biāo)，數(shù)值方法為有限體積法，能夠處理復(fù)雜岸線邊界，又有較高的計算效率。關(guān)于FVCOM 模型的描述，詳見文獻(xiàn)［11］。

1.4 波流耦合

臺風(fēng)過程中，強(qiáng)風(fēng)吹動海面，風(fēng)切應(yīng)力本身會引起水體運(yùn)動，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的波浪；強(qiáng)波浪產(chǎn)生較大輻射應(yīng)力，輻射應(yīng)力梯度對驅(qū)動水體流動產(chǎn)生一定的作用［12］。另一方面，潮流運(yùn)動造成的水位和流速變化對波浪傳播也有一定影響，所以需要考慮波浪與水動力的耦合作用，即在計算過程中由FVCOM 向SWAN 模型提供潮位和流速，由SWAN 模型向FVCOM 模型提供波浪要素，以考慮波流相互作用。

2 模型的建立

“韋帕”臺風(fēng)過程中風(fēng)場模型和波浪模型的設(shè)置和計算以及模型的驗證詳見文獻(xiàn)［7］，流場的驗證詳見文獻(xiàn)［13］。

水動力和波浪耦合模型計算采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模型取渤海、黃海及東海北部范圍（圖1），對南黃海海域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格單元數(shù)為42 707，節(jié)點數(shù)為21 954，網(wǎng)格空間步長最大為11 km，最小為150 m。模型邊界取為弧形，有助于提高邊界網(wǎng)格質(zhì)量，減少邊界帶來的誤差。模擬時間范圍為：北京時間2007 年9 月17 日18 時到2007 年9 月21 日12 時。

在計算潮流時，開邊界采用了Q1，P1，O1，K1，N2，M2，S2，K2，Sa等9 個分潮的調(diào)和常數(shù)來確定開邊界水位和流速的變化［14］。

FVCOM 水動力模型中，模型計算時間步長為0.25 s，內(nèi)模時間步長與外模式時間步長比為1/10，垂向平均分為10 層。

圖1 模型地形Fig.1 Bathymetry of simulation domain

3 計算結(jié)果分析和討論

3.1 風(fēng)場、流場、波浪場分析

圖2 顯示了WRF 模擬“韋帕”臺風(fēng)路徑。為了分析臺風(fēng)過境對南黃海海域波浪場、流場造成的影響和變化，將2007 年9 月20 日14 時、16 時的模擬風(fēng)場（圖3）、2007 年9 月20 日16 時、18 時的模擬波浪場（圖4）和模擬流場（圖5）列出進(jìn)行分析，特征如下：

（1）從風(fēng)場圖上看，臺風(fēng)過境時為逆時針旋轉(zhuǎn)風(fēng)場且向東北方向移動，臺風(fēng)中心位置在圖3 中用三角形標(biāo)示，臺風(fēng)中心處風(fēng)速較小。9 月20 日14 時，“韋帕”臺風(fēng)中心移入連云港以東約110 海里的南黃海西部海面，臺風(fēng)中心外圍最大風(fēng)力達(dá)18 m/s。16 時，臺風(fēng)中心從南黃海沿東北方向移動，至山東半島最東側(cè)的南部。

（2）從波浪場圖上看，在圍繞臺風(fēng)中心的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場作用下，臺風(fēng)經(jīng)過的海域也形成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)波浪場。旋轉(zhuǎn)波浪場呈現(xiàn)中心波高小，四周波高大的特點。9 月20 日16 時，波浪旋轉(zhuǎn)場的旋轉(zhuǎn)中心波高大小在3.5 m左右，旋轉(zhuǎn)場外圍波高在4.0～5.0 m。9 月20 日18 時，波浪旋轉(zhuǎn)場向東側(cè)移動，旋轉(zhuǎn)中心波高大小在3.5 m 左右，旋轉(zhuǎn)場外圍波高在4.0～5.0 m。從時間的角度對圖3 和圖4 進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)波浪場的出現(xiàn)時間相對于臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場有一定延遲性。

（3）從流場圖上看，在臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場作用下，流場也反映出與臺風(fēng)相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)特性，漩渦中心處流速較小，四周流速呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)外擴(kuò)分布，且流速較大。對于近岸側(cè)，臺風(fēng)過境時風(fēng)暴潮呈現(xiàn)較明顯的沿岸流現(xiàn)象。垂向上各層流態(tài)基本一致，流速由表層向底層逐漸減小。從時間的角度對圖3 和圖5 進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，旋渦狀流場的出現(xiàn)時間相對于臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場也有一定延遲性。

圖2 “韋帕”臺風(fēng)路徑圖Fig.2 Track of WIPHA typhoon

圖3 “韋帕”臺風(fēng)風(fēng)場矢量及等值線圖Fig.3 Wind field of WIPHA

3.2 不同計算工況的結(jié)果比較

為了討論臺風(fēng)過程中影響流場變化的各種因素，下面分析風(fēng)場及輻射應(yīng)力對流場的作用。將風(fēng)-浪-流計算工況、潮流加風(fēng)計算工況、純潮計算工況記為計算工況A、B、C。圖6 所示為A、B、C 3 種計算工況下北京時間2007 年9 月20 日18 時的表層流場分布狀況，該時刻臺風(fēng)中心位于連云港以東黃海西部海面約160 海里。由圖6 可知，考慮輻射應(yīng)力與否，會導(dǎo)致局部地區(qū)流場發(fā)生變化，主要集中于臺風(fēng)所造成的旋渦狀流場及沿岸區(qū)域附近。而純潮情況下的流場與前兩者有較大差異。

圖6 不同計算工況下表層流場矢量圖（2007-09-20_18）Fig.6 Current field in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

為了進(jìn)一步詳細(xì)地比較風(fēng)場與輻射應(yīng)力場的作用，圖7 分別顯示了A、B 兩種計算工況表層流速矢量相減后以及與A、C 兩種計算工況的表層流速矢量相減后的等值線圖。由圖7-a 可知，在臺風(fēng)經(jīng)過南黃海海域時，與原始潮流場相比，海域流場發(fā)生了非常明顯的變化，表層水體流速有較大變化，近岸區(qū)表層流速最大相差可達(dá)0.80 m/s。由圖7-b 所示，考慮波浪輻射應(yīng)力與不考慮輻射應(yīng)力相比，主要對緊靠海岸的區(qū)域流場造成影響，考慮輻射應(yīng)力時沿岸流增強(qiáng)，流速差異的范圍在0.10～0.30 m/s。

圖7 不同計算工況下表層流速變化場圖（2007-09-20_18）Fig.7 Differences of current velocity in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

在A、B、C 3 種工況下對南黃海沿岸江蘇和山東兩地近岸區(qū)各取一測點，對表層流速進(jìn)行分析，測點位置見圖2 中P1 和P2。由圖8 可知，P1 測點的表層流速在20 日9 時達(dá)到峰值，是否考慮風(fēng)應(yīng)力導(dǎo)致的流速差為0.75 m/s，是否考慮輻射應(yīng)力的流速差為0.10 m/s。P2 測點在20 日19 時達(dá)到峰值，是否考慮風(fēng)應(yīng)力導(dǎo)致的流速差為0.30 m/s，是否考慮輻射應(yīng)力的流速差為0.16 m/s。結(jié)果表明，在強(qiáng)風(fēng)影響范圍內(nèi)，風(fēng)應(yīng)力和波浪輻射應(yīng)力對于近岸區(qū)流速的改變有重要影響，尤以風(fēng)應(yīng)力的影響最為顯著。

4 結(jié)論

本文通過WRF 模型、第三代海浪模式SWAN 和三維水動力模型FVCOM，建立了考慮風(fēng)場影響與波浪影響的三維海域水動模型，針對“0713”號“韋帕”臺風(fēng)期間的臺風(fēng)風(fēng)場、波浪場和潮流場進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了臺風(fēng)過程中南黃海海域風(fēng)場、波浪場對流場的影響。模擬結(jié)果表明，受旋轉(zhuǎn)臺風(fēng)影響，波浪場和流場均產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)特性，但后兩者與臺風(fēng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場有一定的時間延遲。在臺風(fēng)強(qiáng)風(fēng)范圍內(nèi)，風(fēng)應(yīng)力和波浪輻射應(yīng)力均對近岸區(qū)海域表層流場產(chǎn)生明顯影響，其中臺風(fēng)風(fēng)場的影響最為顯著，輻射應(yīng)力對表層沿岸流速的增大有一定貢獻(xiàn)。

臺風(fēng)期間的復(fù)雜水流對于泥沙輸運(yùn)起著重要作用，為了準(zhǔn)確模擬水流運(yùn)動，要合理考慮風(fēng)場和波浪場的影響。本文的結(jié)果表明，采用WRF 模型和SWAN 模型為三維水動力模型FVCOM 提供風(fēng)場和波浪場充分反映了“韋帕”臺風(fēng)期間南黃海海域的風(fēng)場和水流影響，此項工作為進(jìn)一步研究臺風(fēng)期間的泥沙運(yùn)動奠定了基礎(chǔ)。

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