臺風(fēng)馬鞍對東中國海波浪的影響研究

尹亞軍，陳國平，許忠厚，黃璐，聶鑫，2

（1.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.中國人民解放軍92812部隊(duì)，三亞572016）

臺風(fēng)馬鞍對東中國海波浪的影響研究

尹亞軍1，陳國平1，許忠厚1，黃璐1，聶鑫1，2

（1.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.中國人民解放軍92812部隊(duì)，三亞572016）

利用第三代海浪模式WAVEWATCH III驅(qū)動(dòng)合成風(fēng)場，模擬西北太平洋臺風(fēng)馬鞍作用期間東中國海的波浪，從而研究臺風(fēng)馬鞍對東中國海波浪的影響。研究結(jié)果表明，臺風(fēng)馬鞍作用期間東中國海的中部和南部海域的混合浪以涌浪為主，涌浪波向主要為東向。臺風(fēng)對東中國海的東南部海域影響最強(qiáng)，在該海域形成5～8 m大涌浪，最遠(yuǎn)影響到黃海中部海域，同時(shí)在我國東南沿海海域形成小波高長周期涌浪。

西北太平洋臺風(fēng)；WAVEWATCH III；合成風(fēng)場；東中國海

西北太平洋是全球臺風(fēng)發(fā)生最為頻繁的海域之一，且臺風(fēng)的強(qiáng)度大、破壞性強(qiáng)，對我國東南沿海的海上生產(chǎn)活動(dòng)、航運(yùn)等影響顯著。為了降低西北太平洋臺風(fēng)給我國帶來的損失，有必要加強(qiáng)對西北太平洋的臺風(fēng)研究。王磊［1］、黃榮輝［2］等人通過對西北太平氣旋資料的分析，認(rèn)為影響我國的西北太平洋臺風(fēng)主要分為兩類：第一類是由于太平洋次表層偏暖，生成于西北太平洋偏西海域（即150°E以西）的臺風(fēng)，易于往西北方向移動(dòng)，從而穿過南中國海海域或東中國海海域，甚至直接登陸我國；第二類是由于西太平洋次表層處于冷狀態(tài)，季風(fēng)槽位置偏南，生成于150°E以東海域的臺風(fēng)，移動(dòng)路徑易于在130°E附近向東北方向偏轉(zhuǎn)。對于第一類臺風(fēng)，由于它們直接穿過南中國?；驏|中國海海域，對我國的影響尤為顯著，因而對于這類臺風(fēng)的數(shù)值模擬研究很多［3-5］。而對于第二類臺風(fēng)，它們大多在未到達(dá)我國東海海域便向東北向偏轉(zhuǎn)，對我國東海海域的影響較第一類臺風(fēng)明顯偏小，對這類臺風(fēng)的數(shù)值模擬研究還較少，但這類臺風(fēng)易于在東中國海海域形成長周期涌浪，對海上作業(yè)平臺和船舶航行等產(chǎn)生威脅。因而，本文以2011年臺風(fēng)馬鞍為例，利用第三代海浪模式WAVE?WATCHIII（3.14版本）（以下簡稱WW3）驅(qū)動(dòng)合成風(fēng)場，研究第二類西北太平洋臺風(fēng)對東中國海海域的影響。

圖1 “1106號”臺風(fēng)馬鞍路徑圖Fig.1Track of typhoon Ma?on

1 臺風(fēng)馬鞍介紹

臺風(fēng)馬鞍于北京時(shí)間2011年7月11日20時(shí)在157.3°E、18.4°N處生成，隨后臺風(fēng)中心西移，并于7月16日14時(shí)發(fā)展為超強(qiáng)臺風(fēng)，此時(shí)臺風(fēng)中心位于137.9°E、21.2°N，中心最低氣壓為935百帕，同時(shí)臺風(fēng)中心向西北向移動(dòng)。在7月18日2時(shí)，臺風(fēng)中心位于133.5°E、25.9°N，逐漸轉(zhuǎn)為北移，臺風(fēng)強(qiáng)度也逐漸減弱，直至7月19日14時(shí)，臺風(fēng)開始影響日本，中心逐漸向東南向移動(dòng)，并與7月22日8時(shí)臺風(fēng)中心向東北向移動(dòng)，最終消亡，整個(gè)臺風(fēng)期間的路徑如圖1所示。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 海浪模式簡介

WW3的控制方程［6］為波作用守恒方程，球坐標(biāo)系下的表達(dá)式為

式中：N為波能作用量密度；t為時(shí)間；λ、?分別為經(jīng)度和緯度；σ、θ分別表示頻率和波向；cλ、c?、cσ、cθ分別表示波浪在上述4個(gè)空間上的傳播速度；S為源函數(shù)。其中，源函數(shù)S考慮了風(fēng)能輸入項(xiàng)、四項(xiàng)波作用項(xiàng)、白冠耗散項(xiàng)、底摩擦項(xiàng)、水深變化引起的波浪破碎項(xiàng)。

2.2 模型建立

本文數(shù)值模擬的空間范圍是100°E～160°E、0°N～50°N，包含了臺風(fēng)馬鞍的影響，空間分辨率為10′×10′，計(jì)算時(shí)間步長為600 s。WW3模式采用球坐標(biāo)系，頻率分為25個(gè)，最小頻率0.041 18，其余頻率由公式fn+1=1.1fn確定（f為頻率），方向劃為24等分。模式運(yùn)行所需的地形數(shù)據(jù)源于美國地球物理中心發(fā)布的地形數(shù)據(jù)ETOPO1，分辨率為1′×1′，岸線數(shù)據(jù)源于全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)庫（GSHHS，驅(qū)動(dòng)風(fēng)場為合成風(fēng)場，模型計(jì)算時(shí)間為7月1日至7月25日）。

2.3 合成風(fēng)場介紹

本文采用的合成風(fēng)場是以CCMP風(fēng)場為背景風(fēng)場，合成臺風(fēng)模型風(fēng)場所得。

2.3.1 CCMP風(fēng)場

CCMP風(fēng)場是由美國國家航空和宇宙航行局NASA提供的，時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.25°× 0.25°，空間覆蓋范圍為：78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E。CCMP風(fēng)場對于非臺風(fēng)中心的風(fēng)場刻畫較為準(zhǔn)確，而對于臺風(fēng)中心的風(fēng)場刻畫明顯偏小，因而較為適合作為合成風(fēng)場的背景風(fēng)場。

2.3.2 臺風(fēng)模型風(fēng)場

臺風(fēng)模型風(fēng)場的表達(dá)式為

式中：Vg是梯度風(fēng)速，采用Myers公式［6］；Vt是移行風(fēng)速，采用宮崎正衛(wèi)公式［7］；c1和c2為修正系數(shù)；β是梯度風(fēng)與海面風(fēng)的夾角；θ是計(jì)算點(diǎn)和臺風(fēng)中心的連線與x軸的夾角。

2.3.3 合成風(fēng)場

把CCMP風(fēng)場作為背景風(fēng)場，將其與臺風(fēng)模型風(fēng)場通過權(quán)重系數(shù)e相結(jié)合，構(gòu)造合成風(fēng)場，合成風(fēng)場表達(dá)形式為

式中：VC是合成風(fēng)場；VM是臺風(fēng)模型風(fēng)場；VQ是CCMP背景風(fēng)場，權(quán)重系數(shù)e=C4/(1+C4)，C=r/nr0，其中n取3。

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證WW3模式驅(qū)動(dòng)合成風(fēng)場的模擬效果，將7月5日至7月25日的數(shù)值模擬結(jié)果與響水近海波浪站（120.1°E，34.44°N），日本沿海的佐多岬觀測站（130.75°E，31.05°N）、福將島觀測站（128.63°E，32.76°N）的波浪觀測值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖2所示，統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。圖2表明模型模擬波高與三個(gè)觀測站的實(shí)測波高的變化趨勢基本一致，只是響水站和福將島站對最大波高的模擬偏小，而佐多岬站對最大波高的模擬偏大。分析表1可知，佐多岬觀測站站的波高模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)性最好，只是其對臺風(fēng)期間波高的模擬值較觀測稍微偏大；福將島觀測站的波高模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性較好，其在臺風(fēng)期間的波高模擬值稍微偏小，而在非臺風(fēng)作用期間的波高模擬值稍微偏大；響水觀測站的波高模擬值與實(shí)測值的相關(guān)性稍差，但模擬波高基本能反映實(shí)測波高的變化趨勢。由于臺風(fēng)浪的數(shù)值模擬本身存在一定的不確定性，因而認(rèn)為這三個(gè)觀測站的波高模擬值和實(shí)測值間的偏差是合理可接受的。通過對模型的驗(yàn)證可知，利用WW3驅(qū)動(dòng)合成風(fēng)場能夠較好地模擬西北太平洋的海浪。

圖2 模型模擬有效波高驗(yàn)證Fig.2Comparison of simulation wave height and measured wave height

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 臺風(fēng)對東中國海波浪的影響性分析

為研究此次臺風(fēng)過程對東中國海的混合浪和涌浪的影響，提取了A點(diǎn)（125°E，31°N）、B點(diǎn)（124°E，36°N）進(jìn)行分析，其中B點(diǎn)位于黃海海域，點(diǎn)位如圖4、5、6所示。圖3為臺風(fēng)期間兩點(diǎn)的涌浪及混合浪的波高周期過程線。

分析圖3-a、3-b可知，從7月17日0時(shí)開始，A點(diǎn)受臺風(fēng)馬鞍影響開始顯現(xiàn)，混合浪及涌浪有效波高開始持續(xù)增大，譜峰周期則迅速增大至12～15 s，到了7月19日15時(shí)，混合浪及涌浪的波高周期均減小到臺風(fēng)影響前的水平。在整個(gè)臺風(fēng)影響期間，涌浪波高、周期與混合浪波高、周期較為接近，可見在臺風(fēng)影響期間A點(diǎn)的混合浪中以涌浪為主。

分析圖3-c、3-d可知，從7月19日0時(shí)開始，黃海海域B點(diǎn)的涌浪譜峰周期迅速增大至11～15 s，表明B點(diǎn)開始受臺風(fēng)馬鞍的影響，但混合浪周期無明顯變化，到了7月20日18時(shí)，涌浪周期迅速減小到臺風(fēng)影響前的水平。在此期間，B點(diǎn)的涌浪波高很小，混合浪中涌浪成分很小，混合浪以風(fēng)浪為主。

通過以上分析可知，臺風(fēng)馬鞍主要是通過臺風(fēng)作用下形成的涌浪來影響東海的波浪，且B點(diǎn)所受臺風(fēng)影響明顯小于A點(diǎn)。

3.2 臺風(fēng)期間東中國海波浪場特征

圖4、5、6分別為臺風(fēng)過程中的3個(gè)不同時(shí)刻的混合浪場圖、涌浪場圖、涌浪與混合浪波高比值圖。圖4表明在7月17日0時(shí)，臺風(fēng)中心位于（136.3°E，22.7°N），距離東中國海仍較遠(yuǎn)，臺風(fēng)驅(qū)動(dòng)生成的東向涌浪主要影響到了東中國海的東南部海域，使得該海域的混合浪以涌浪為主，此時(shí)的混合浪與涌浪的波向一致。該海域的涌浪與混合浪波高比值均大于0.7，大部分比值介于0.8～0.9之間。且此時(shí)由于受持續(xù)南向風(fēng)場（非臺風(fēng)馬鞍作用產(chǎn)生）的作用，黃海海域產(chǎn)生了南向涌浪，黃海大部分海域的涌浪與混合浪波高比值均大于0.9，混合浪幾乎為純涌浪。

表1 波高模擬值與實(shí)測值統(tǒng)計(jì)分析Tab.1Statistical analysis of simulation wave height and measured wave height

圖3 臺風(fēng)期間A點(diǎn)、B點(diǎn)涌浪及混合浪波高周期過程線Fig.3Wave height of swell and superposition of wind wave and swell in point A and B during the typhoon

圖5表明在7月19日0時(shí)，臺風(fēng)中心位于（132.8°E，30.8°N），距離東中國海較近，此時(shí)東中國海的大部分海域都受臺風(fēng)影響，東向涌浪影響著大部分海域，混合浪場與涌浪場基本一致，大部分海域的涌浪與混浪波高比值均大于0.7，在東中國海的中部海域比值大于0.9。此時(shí)，黃海南部海域受臺風(fēng)作用產(chǎn)生的東南向涌浪影響，而黃海北部海域的涌浪波向依然為南向，同時(shí)黃海海域的南向涌浪傳至渤海灣內(nèi)，從而使得黃海北部海域和渤海海域涌浪與混合浪波高比值較大，涌浪在混合浪中的成分占優(yōu)?？梢?，在7月19日0時(shí)，臺風(fēng)馬鞍最遠(yuǎn)只影響到了黃海的南部海域，黃海北部海域及渤海灣內(nèi)的涌浪是7月17日0時(shí)黃海的南向涌浪傳播而來。

圖6表明在7月21日2時(shí)，臺風(fēng)中心位于（138.7°E，32.0°N），已經(jīng)遠(yuǎn)離東中國海海域，臺風(fēng)作用下東中國海海域的東向涌浪均已耗散，相比于7月19日0時(shí)，東中國海海域的混合浪中的涌浪成分明顯減小。

綜上分析，臺風(fēng)馬鞍對黃海北部海域及渤海海域的影響較小，對東中國海其它海域的影響明顯，使得該海域產(chǎn)生東向涌浪，且混合浪中的涌浪成分較高，混合浪以涌浪為主。

圖4 7月17日0時(shí)混合浪場圖、涌浪場圖、涌浪與混合浪波高比值圖Fig.4Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 0∶00 on July 17

圖 57月19日0時(shí)混合浪場圖、涌浪場圖、涌浪與混合浪波高比值圖Fig.5Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 0∶00 on July 19

圖6 7月21日2時(shí)混合浪場圖、涌浪場圖、涌浪與混合浪波高比值圖Fig.6Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 2∶00 on July 21

3.3 臺風(fēng)期間東中國海波浪分布特征

圖7為臺風(fēng)作用期間（7月17日至7月20日）東中國海海域的混合浪、涌浪的有效波高和譜峰周期最大值的分布圖。

圖7-a、7-b表明臺風(fēng)期間混合浪和涌浪有效波高的最大值分布基本一致，東中國海南部海域混合浪和涌浪最大值基本相同，北部海域混合浪波高最大值顯著大于涌浪。東中國海的東南部海域距離臺風(fēng)路徑較近，受臺風(fēng)影響最為明顯，涌浪和混合浪的波高最大，隨著涌浪向東部及北部海域傳播，涌浪逐漸衰減，涌浪波高逐漸減小，到了近岸地區(qū)，波高最大值均小于1 m，同時(shí)在黃海及渤海海域涌浪波高均較小。

圖7-c、7-d表明，臺風(fēng)期間混合浪和涌浪的譜峰周期最大值分布基本相同，東中國海的大部分海域的混合浪及涌浪的譜峰周期均大于10 s，且10 s以上長周期涌浪主要影響到了黃海的中部海域，可見此次臺風(fēng)期間，臺風(fēng)影響到的最遠(yuǎn)海域?yàn)辄S海中部海域，黃海北部海域及渤海海域基本未受影響。對于中國東南地區(qū)近海海域，受10 s以上長周期涌浪的影響。

圖7 臺風(fēng)期間混合浪、涌浪的有效波高和譜峰周期最大值分布圖Fig.7Distribution of maximum wave height and peak period of superposition of wind wave and swell，swell during typhoon period

4 結(jié)論

本文利用WW3海浪模式驅(qū)動(dòng)合成風(fēng)場模擬了西北太平洋臺風(fēng)馬鞍作用期間的東中國海的波浪，從而研究臺風(fēng)馬鞍對東中國海的波浪影響，主要得出以下結(jié)論：

（1）臺風(fēng)馬鞍主要通過臺風(fēng)作用形成的涌浪來影響東中國海，使得臺風(fēng)期間東中國海產(chǎn)生了東向涌浪，且東中國海的中部及南部海域的混合浪以涌浪為主；

（2）臺風(fēng)馬鞍最遠(yuǎn)影響到了黃海中部海域，對東中國海的東南部海域影響明顯，產(chǎn)生了5-8m的大涌浪，在我國東南沿海近岸海域形成了小波高長周期涌浪。

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Study of influence on the wave in East China Sea caused by typhoon Ma?on

YIN Ya?jun1，CHEN Guo?ping1，XU Zhong?hou1，HUANG Lu1，NIE Xin1，2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education，College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.92812 PLA troops，Sanya 572016，China）

Simulation of the typhoon Ma?on in northwest Pacific Ocean forced by combined wind field has been performed using WAVEWATCH III.And the study of the influence on the wave in East China Sea caused by ty?phoon Ma?on has been carried out.The results show that swell wave is the major component of the wave field during typhoon period,and the swell wave direction is almost in east.Typhoon Ma?on has the heavily influence on the south?east area of East China Sea,which makes the swell wave height reaches 5～8 m.The middle of Yellow Sea is the far?thest area that typhoon Ma?on has influence on.Along the southeast coast,the swell with little wave height and long period emerges.

typhoon in northwest Pacific Ocean;WAVEWATCH III;combined wind field;East China Sea

U 656.3；TV 142

A

1005-8443（2015）05-0385-06

2015-05-18；

2015-06-24

尹亞軍(1990-)，男，江蘇省南通人，碩士研究生，主要從事港口、海岸與近海工程研究。

Biography：YIN Ya?jun（1990-），male，master student.