大氣-海洋-海浪耦合模型在臺風過程模擬中的應用

王揚杰，張慶河，陳同慶，楊 華

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

大氣-海洋-海浪耦合模型在臺風過程模擬中的應用

王揚杰1，張慶河1，陳同慶1，楊 華2

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

采用MCT耦合器，基于大氣模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN，建立了大氣-海洋-海浪耦合模型，并將模型應用于臺風“威馬遜”過程的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，選擇合理WRF參數(shù)，耦合模型能較好地模擬“威馬遜”臺風的路徑、強度。臺風作用下的海表溫度下降、流場和波浪場的旋轉(zhuǎn)性和偏右性特征也較合理。

耦合模型；臺風“威馬遜”；上層海洋；海表溫度

我國海岸線漫長且臨近的西北太平洋海域常發(fā)生熱帶氣旋，每年有多場臺風登陸我國，沿海地區(qū)易遭受臺風災害，熱帶氣旋的準確預報和后報不僅對我國沿海組織生產(chǎn)和防范災害有重要意義，對于港口海岸工程動力設計要素等的確定也有重要價值。

熱帶氣旋過程實際上涉及到海洋和大氣耦合相互作用，氣旋風應力引起表層水體流動、海表溫度下降以及海表粗糙度變化，而上層海洋的變化又會對熱帶氣旋發(fā)展起到反饋作用，影響熱帶氣旋的強度和路徑。在大氣、海洋和波浪的數(shù)值模型中考慮大氣-海洋-海浪三者間的相互耦合作用，有助于提高熱帶氣旋過程中大氣、海洋和波浪的預報或后報精度。為此，近年來，國內(nèi)外不少學者利用各種大氣、海洋和海浪模型建立了大氣-海洋-海浪耦合模型。Wada等［1］將大氣模型NHM、第三代海浪模型MRI-III和混合層海洋模型MLOM耦合，研究了波浪與海洋的相互作用對2005年臺風Hai?Tang數(shù)值預報結(jié)果的影響。Warner等［2］利用MCT耦合器將中尺度大氣模型WRF、海洋模型ROMS與海浪模型SWAN進行耦合建立了COAWST模型，對美國東海岸颶風Isabel進行了模擬。Liu等［3］考慮了波浪狀態(tài)和海洋飛沫導致的海表面粗糙度變化、海洋飛沫引起的熱通量交換、波流相互作用等，建立了WRF?ROMS?SWAN全耦合模型，并應用于理想熱帶氣旋研究。張進峰等［4］考慮海-氣界面的熱力過程和動力過程，應用分布式多平臺耦合器將大氣模式MM5、海浪模式WAVEWATCH-III和海洋模式POM耦合建立了區(qū)域大氣-海浪-海洋耦合模式。關皓等［5］基于大氣模型MM5、海洋模型POM和海浪模型WW3，利用消息傳遞的并行計算方案，建立了適用于我國南海海區(qū)的中尺度大氣-海流-海浪耦合模型。劉磊等［6］基于大氣模型WRF、海洋模型POM和海浪模型WW3，建立了高分辨率的大氣-海洋-海浪完全耦合模型系統(tǒng)。

國內(nèi)外已建立的耦合模型主要基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，本文將采用大氣模型WRF、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格海洋模型FVCOM及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格波浪模型SWAN通過MCT耦合器建立大氣-海洋-海浪實時耦合模型（下文簡稱W?F?S），并利用耦合模型對201409號臺風“威馬遜”經(jīng)過南海的過程進行模擬，分析耦合模型與非耦合模型模擬結(jié)果的區(qū)別，討論上層海洋對臺風的響應。

1 大氣-海洋-波浪耦合模型

1.1模型簡介

大氣模型采用WRF模型，WRF模型是美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國家環(huán)境預報中心（NCEP）和預報系統(tǒng)實驗室（FSL）等共同開發(fā)的新一代中尺度大氣模型。本文應用WRF模型中的ARW動力框架。關于WRF模型的描述，詳見文獻［7］。

海洋模型采用FVCOM模型，F(xiàn)VCOM由美國馬薩諸塞大學海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)，主要用于三維水動力數(shù)值模擬。模型采用三角形網(wǎng)格，可模擬復雜岸線對流場的影響。關于FVCOM模型的描述，詳見文獻［8］。

海浪模型采用SWAN模型，SWAN是由荷蘭Delft大學開發(fā)的第三代近岸海浪模型，適用于海洋風浪、涌浪及混合浪的模擬，并具有模擬近岸波浪變形的能力。SWAN模型可以采用正交網(wǎng)格、曲線網(wǎng)格和三角網(wǎng)格，支持笛卡爾坐標和球面坐標，本文采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格。關于SWAN模型的描述，詳見文獻［8］。

1.2耦合器

大氣-海洋-波浪耦合模型基于MCT（Model Coupling Toolkit）耦合器建立。MCT耦合器是一款用來建立耦合模型的開源程序工具包。MCT支持并行耦合系統(tǒng)的各子模型間多個分布式變量的數(shù)據(jù)交換。MCT采用FORTRAN90編寫，包含一系列FORTRAN模塊，各子模型調(diào)用這些模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。關于MCT耦合器的描述，詳見文獻［9］。

1.3耦合方案

耦合模型由主程序調(diào)用WRF、FVCOM和SWAN子模型同時獨立計算，在設定的某一計算時間，各子模型調(diào)用MCT子程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實現(xiàn)子模型兩兩之間的實時數(shù)據(jù)交換。由于WRF采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，F(xiàn)VCOM和SWAN采用相同的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，WRF和FVCOM、SWAN之間進行變量交換時需要進行插值，而FVCOM和SWAN之間可以直接傳遞變量。模型耦合機制如圖1所示。

WRF和SWAN之間交換變量為：（1）WRF模型中海面以上10 m高度處風速U10、V10；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、譜峰周期Rtp、波長Wlen。

WRF和FVCOM之間交換變量為：（1）WRF模型中海面以上10 m高度處風速U10和V10、長波輻射GLW和短波輻射GSW、感熱通量LH和潛熱通量SH、降水PREC和蒸發(fā)EVAP、海表氣壓PSFC；（2）FVCOM模型中的海表面溫度SST。

FVCOM和SWAN之間交換變量為：（1）FVCOM模型中的水位Zeta和垂向平均流速Ua、Va；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、波向Dir、譜峰周期Rtp、平均周期Tm01、波長Wlen、近底最大圓周速度Ubot。

2 臺風“威馬遜”的模擬試驗

2.1臺風“威馬遜”簡介

2014年9號臺風“威馬遜”是當年襲擊我國南海的超強臺風，給我國海南、廣東、廣西等沿海帶來較大危害，直接經(jīng)濟損失達80.80億元［10］?！巴R遜”于2014年7月11日發(fā)展成熱帶風暴；14日增強為強熱帶風暴；15日增強為強臺風，于菲律賓登陸；16日進入南海轉(zhuǎn)趨減弱；17日重新增強，升級為強臺風；18日再度迅速而顯著增強，變?yōu)槌瑥娕_風，并于18日下午3時半在海南省文昌市沿海短暫登陸，不久后進入瓊州海峽，晚上7時半再于廣東省湛江市沿海登陸；19日繼續(xù)向西北或西北偏西移動，穿越北部灣，并于早上7時10分又于中國廣西壯族自治區(qū)防城港市沿海再次登陸；7月20日，“威馬遜”橫越廣西及越南北部，進入中國云南，直至7月22日才徹底消散。本文重點模擬“威馬遜”進入南海到第3次登陸的臺風過程，即模擬時間為北京時間2014年7月16日14時～7月19日14時。

圖1 模型耦合機制Fig.1Mechanism of the coupled model

2.2模擬試驗設計

為分析耦合效應對臺風過程大氣模擬效果的影響，設計兩組試驗：EXP?WRF和EXP?WFS。EXP?WRF試驗采用WRF模型即非耦合模型模擬臺風“威馬遜”，而EXP?WFS試驗則采用W?F?S耦合模型模擬。非耦合和耦合模擬時，WRF模型水平方向為規(guī)則化網(wǎng)格，分辨率取10 km，大氣垂向為27層；近地面層方案選擇MYNN方案，邊界層方案選擇YSU方案，積云參數(shù)化方案選擇Kain?Fritsch方案，微物理方案選擇Kessler方案，長波輻射方案RRTM方案，短波輻射方案選擇Dudhia方案；WRF的初、邊值場采用NCEP提供的逐日4個時次的1°×1°的FNL再分析資料，模型初始海溫采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率的全球日平均數(shù)據(jù)RTG_SST；模型積分時間步長取30 s。

耦合模擬時，首先模擬北京時間2014年7月09日08時～7月16日14時的風場，作為海洋模型和海浪模型計算流速、波浪初始場的強迫風場。海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN的水平網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，近岸和水深變化劇烈處網(wǎng)格較密，最小網(wǎng)格點間距約500 m，開邊界處網(wǎng)格較疏，最大網(wǎng)格點間距約20 km。各模型計算范圍和海洋、海浪模型網(wǎng)格示意圖見圖2。FVCOM海洋模型垂向采用σ坐標分為15層，為排除非耦合和耦合試驗初始海表溫度不同導致的海氣界面差異，溫度初始場的海表溫度同樣采用NECP的全球日平均數(shù)據(jù)RTG_SST，溫度垂向分布根據(jù)HYCOM1/12（°）同化數(shù)據(jù)確定，潮位開邊界使用CHINATIDE提?。?1］，并提前計算7 d獲得耦合模擬時的初始流場；FVCOM模型積分時間步長取5 s。SWAN模型由較大范圍的波浪模擬結(jié)果提供邊界場和初始場，計算時間步長300 s。耦合交換時間步長取600 s。

圖2 計算范圍和網(wǎng)格Fig.2Computational domain and mesh

3 模擬結(jié)果分析

3.1臺風路徑和強度

以日本JMA臺風最佳路徑數(shù)據(jù)集（http：//www.jma.go.jp/jma/jma?eng/jma?center/rsmc?hp?pub?eg/trackar?chives.html）為參照，單WRF模型與W?F?S模型臺風路徑模擬結(jié)果的比較如圖3所示。各模型模擬的臺風移動路徑相比最佳路徑均偏北。EXP?WFS試驗模擬48 h時路徑平均誤差為39 km，模擬72 h時平均誤差44 km，EXP?WRF試驗模擬48 h時路徑平均誤差42 km，模擬72 h時平均誤差45 km。耦合模擬的臺風路徑比非耦合模擬更接近JMA最佳路徑，非耦合模擬路徑略偏北，路徑誤差略大。

選取模擬12 h（進入南海約12 h）與模擬60 h（第一次登陸）之間的時間段以比較臺風強度模擬效果。和最佳路徑資料一致，各試驗的臺風中心最低氣壓（圖4-a）在模擬期間總體上呈現(xiàn)先減小再增大的過程，即進入南海后臺風強度不斷增強，登陸過程中強度又迅速減小；各試驗臺風中心最低氣壓變化和最佳路徑資料吻合較好，中心最低氣壓值的平均誤差約為4 hPa。以JMA最大穩(wěn)定風速為參照，臺風中心附近最大風速模擬結(jié)果的比較如圖4-b所示。各試驗的臺風中心附近最大風速在模擬期間先增大再減?。慌_風中心附近最大風速和JMA最大穩(wěn)定風速變化趨勢較為一致，但模擬風速均大于JMA風速；非耦合試驗模擬的風速大于耦合試驗。因此耦合試驗臺風強度模擬效果較好。

圖3 臺風路徑模擬結(jié)果與JMA數(shù)據(jù)比較Fig.3Simulated typhoon track and JMA data

3.2臺風風場特征

上層海洋對臺風的響應主要受制于風應力，風場強迫使上層海洋產(chǎn)生波浪與海流，改變海水溫度分布，臺風風場是影響臺風過程上層海洋狀態(tài)的主要因素。耦合試驗EXP?WFS各時刻海面上10 m處風速見圖5，臺風風場繞臺風中心逆時針旋轉(zhuǎn)。臺風登陸前，風速等值線近圓形分布，全場風速最大值出現(xiàn)在臺風移動路徑的右側(cè)，大風速的偏右性會導致上層海洋響應的偏右性。模擬24 h時臺風中心最大風速約46 m/s，模擬48 h約48 m/s，風速較大，會使海面降溫幅度較大，流速和波高較大。臺風登陸后，模擬72 h時，臺風中心最大風速21 m/s，海南島附近風速10 m/s以上，南海大范圍海域風速仍在10 m/s左右，造成上層海洋對臺風的響應在臺風登陸后能維持較長時間。

將耦合試驗的風場結(jié)果和非耦合試驗結(jié)果（圖6）對比，以模擬24 h為例，耦合與非耦合的模擬風場都具有旋轉(zhuǎn)性和偏右性特征，風場的分布也基本一致。非耦合試驗模擬的臺風中心附近風速要略大于耦合試驗（圖4-b）。

圖4 臺風強度模擬結(jié)果與JMA數(shù)據(jù)比較Fig.4Simulated typhoon intensity and JMA data

圖5 臺風風場耦合模型模擬結(jié)果Fig.5Simulated wind field by the coupled model

圖6 WRF臺風風場模擬Fig.6Simulated wind field of the typhoon by WRF

3.3上層海洋對臺風的響應特征

耦合模擬可以獲得臺風“威馬遜”較好的大氣模擬結(jié)果，下面分析上層海洋對臺風“威馬遜”的響應特征，進一步探討耦合模型模擬的合理性。臺風移動時，移動路徑附近洋面的風應力增強，使海洋上層發(fā)生混合層夾卷，溫躍層的冷水被夾卷到混合層，導致海表溫度降低。耦合模型模擬時，由于臺風風場的大風區(qū)位于臺風路徑右側(cè)，臺風路徑右側(cè)海域的SST下降幅度較大（圖7）。模擬49 h，臺風路徑右側(cè)的海域發(fā)生最大降溫4.27°C（圖7-b），對比模擬48 h時的SST場（圖7-a），兩個時刻溫度分布基本不變，只有低溫區(qū)加強。模擬48 h時臺風中心已通過低溫區(qū)附近，同時模擬72 h時（圖7-c）溫度變化仍較大，可見溫度場的變化較風場的移動有一定的延遲，降溫會保持較長時間。對比AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)（http：//rda.ucar.edu/datasets/ ds277.7/）的SST變化（圖7-d），模擬72 h的結(jié)果中臺風路徑右側(cè)仍保持兩個降溫中心，降溫中心位置與降溫范圍與衛(wèi)星遙感結(jié)果比較一致，表明臺風過程的海洋表面降溫過程模擬較合理。

圖7 臺風過程海表溫度變化Fig.7SST cooling during the typhoon

圖8 臺風過程流場模擬結(jié)果Fig.8Simulated current field during the typhoon

圖9 Jason-2地面軌跡Fig.9Jason-2 ground track

圖10 有效波高模擬值與衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比Fig.10Comparison of measured and simulated wave height

根據(jù)前人研究成果［12-13］，臺風旋轉(zhuǎn)風場作用下，臺風路徑附近海域會形成旋轉(zhuǎn)流場和波浪場。圖8顯示了臺風“威馬遜”下流場模擬結(jié)果，流場中心位于臺風移動路徑左后方，圍繞旋轉(zhuǎn)中心流場逆時針轉(zhuǎn)動，流速向四周擴散。臺風移動路徑右側(cè)流速較大，路徑左側(cè)流速相對較小，且較大流速值發(fā)生在臺風中心的右后方，流場對風場的響應有一定的延遲。模擬24 h的流場矢量如圖8-a所示，當臺風處于深海洋面上方、離陸地較遠時，較大流速分布在臺風路徑右側(cè)，流速最大可達2 m/s左右。在臺風登陸過程中（圖8-b），臺風強度仍較大，模擬48 h時最大風速超過45 m/s，且受近岸地形影響，形成較強的沿岸流。

采用AVISO發(fā)布的Jason-2衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)（http：// www.aviso.altimetry.fr/en/data.html）作為波高驗證資料。在耦合試驗模擬的時間范圍內(nèi)，Jason-2衛(wèi)星經(jīng)過南海并有數(shù)據(jù)的時刻為北京時間2014年7月18日16時50分左右，衛(wèi)星地面軌跡如圖9。提取耦合試驗2014年7月18日17時即模擬51 h對應坐標位置的有效波高進行對比（圖10），耦合模型計算結(jié)果與衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)吻合較好。

圖11顯示了臺風“威馬遜”下波浪場。波浪場中心波高較小，四周波高較大，臺風路徑右側(cè)波高大，較大值發(fā)生在臺風移動方向的右前方，波浪場中心位于臺風路徑左后方。模擬40 h時，波浪場有效波高達到最大值14.8 m，此時波浪場中心有效波高約7.2 m。模擬24 h和模擬48 h波浪場的波浪中心均位于臺風中心的后方，可見波浪對臺風的響應有一定的延遲性。提取臺風移動路徑上兩點A（模擬24 h臺風中心）和B（模擬48 h臺風中心）有效波高歷時變化（圖12）。A點有效波高在模擬22 h時達到最大值9.2 m，26 h時減小到6.5 m，在28 h時又增大到8.8 m，之后一直減小。B點有效波高在模擬46 h時達到最大值11.0 m，49 h時減小到7.4 m，在52 h時又增大到10.8 m，之后一直減小。因此，臺風經(jīng)過海域位于臺風路徑上的各點有效波高經(jīng)歷4個階段，在臺風前眼壁通過之前波高保持增加，臺風眼通過時波高減小，在臺風后眼壁通過之后波高再次增加，但要小于前眼壁時的波高，臺風中心遠離后波高一直減小，和已有研究結(jié)果一致［14］。

圖11 臺風過程波浪場模擬結(jié)果Fig.11Simulated wave field during the typhoon

圖12 臺風過程測點有效波高Fig.12Significant wave height at observation points during the typhoon

4 結(jié)論

本文利用MCT耦合器，考慮海氣相互作用，將大氣模型WRF、海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN耦合，建立了大氣—海洋—海浪耦合模型，并利用耦合模型對“威馬遜”臺風進行了模擬，獲得以下主要結(jié)論：

（1）單WRF模型和W?F?S耦合模型模擬結(jié)果與最佳路徑資料的對比表明，耦合模型考慮海氣間相互作用，臺風路徑與強度模擬結(jié)果均優(yōu)于單獨WRF模型模擬結(jié)果。

（2）選擇合理WRF參數(shù)，耦合模型能較好地模擬“威馬遜”臺風，臺風移動路徑模擬期間平均誤差較小，臺風強度先增大后減小的變化趨勢和實際情況一致。

（3）耦合模型能合理模擬上層海洋對臺風的響應特征，包括海表溫度下降、流場與波浪場的旋轉(zhuǎn)性和偏右性。

（4）耦合模型中的海洋、海浪子模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能較好地擬合近岸復雜岸線，對于進一步研究大風、臺風過程中的近岸工程區(qū)海洋動力有重要意義。

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Application of a coupled atmosphere-ocean-wave model in typhoon process simulation

WANG Yang?jie1,ZHANG Qing?he1,CHEN Tong?qing1,YANG Hua2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University，Tianjin 300072，China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Using the Model Coupling Toolkit(MCT),based on the atmosphere model WRF,the ocean model FVCOM and the wave model SWAN,a coupled atmosphere-ocean-wave model was developed and applied in the simulation of the typhoon Rammasun.With proper WRF parameters,the coupled model has a good performance on the simulation of typhoon track and intensity.The sea surface temperature cooling,the features of rotation and right?ward trend of ocean current and wave height were also reasonably described by the coupled model.

coupled model;typhoon Rammasun;upper ocean;sea surface temperature

P 732.6；P 444

A

1005-8443（2016）02-0135-07

2015-10-27；

2015-11-23

國家自然科學基金青年科學基金項目（51509183）

王揚杰(1990-)，男，江蘇省南通人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程研究。

Biography：WANG Yang?jie（1990-），male，master student.