雙臺風(fēng)下江蘇沿海的波浪數(shù)值模擬

聶永強(qiáng)，陳鵬超

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

雙臺風(fēng)下江蘇沿海的波浪數(shù)值模擬

聶永強(qiáng)1，2，陳鵬超1，2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

為研究江蘇沿海海域受雙臺風(fēng)布拉萬和天秤的影響情況，應(yīng)用Holland模型與ERA背景風(fēng)場數(shù)據(jù)構(gòu)建雙臺風(fēng)布拉萬和天秤的模擬風(fēng)場，結(jié)合MIKE SW模塊進(jìn)行臺風(fēng)浪的數(shù)值模擬試驗(yàn)，通過與衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、實(shí)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)對比對模擬的有效波高進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了東中國海范圍和江蘇沿海海域的波浪場（混合浪、風(fēng)浪和涌浪）特征。其中，在模擬風(fēng)場的構(gòu)建中，比例系數(shù)e至為關(guān)鍵，通過進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)確定較優(yōu)系數(shù)值。研究結(jié)果表明臺風(fēng)布拉萬主要以風(fēng)浪形式影響江蘇沿海海域，出現(xiàn)的風(fēng)浪最大值為10.4 m，臺風(fēng)天秤是以涌浪形式影響，涌浪最大值為2.4 m，且臺風(fēng)布拉萬的影響強(qiáng)度明顯大于臺風(fēng)天秤。

雙臺風(fēng)；Holland；風(fēng)浪；涌浪

近些年來，發(fā)生多起雙臺風(fēng)影響我國沿海，與單個臺風(fēng)相比，雙臺風(fēng)強(qiáng)度更大，影響范圍更廣，風(fēng)浪對于海岸的侵蝕更為嚴(yán)重。本研究選擇2012年的1214號臺風(fēng)天秤和1215號臺風(fēng)布拉萬為對象，利用MIKE 21 Spectral Waves FM（SW）模式對東中國海區(qū)域進(jìn)行海浪數(shù)值模擬與驗(yàn)證，并選擇江蘇沿海進(jìn)行嵌套模擬，分析其波浪場特征。

1 雙臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度特點(diǎn)

臺風(fēng)天秤于2012年8月19日（世界時間）在西北太平洋洋面上生成，在該初始階段，移動速度緩慢，出現(xiàn)回旋打轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而后緩慢北上。在21日臺風(fēng)轉(zhuǎn)向西北偏西方向行進(jìn)，24日5時在臺灣省屏東縣沿海登陸，登陸時中心最大風(fēng)力17級。離開臺灣后，強(qiáng)度降低，沿著逆時針方向做了一個回旋打轉(zhuǎn)，而后基本沿著偏北方向移動，經(jīng)過江蘇沿海，之后第二次在韓國登陸［1］。

臺風(fēng)布拉萬于2012年20日在西北太平洋洋面上生成，之后主要是先沿著西北方向移動，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，在25日加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，最大風(fēng)力，中心位置，然后趨向于正北移動，經(jīng)過江蘇沿海，強(qiáng)度逐漸減弱，28日在朝鮮近海登陸［2］。

臺風(fēng)路徑如圖1所示，臺風(fēng)天秤和布拉萬構(gòu)成雙臺風(fēng)效應(yīng)，符合藤原效應(yīng)［3］的定義。由于布拉萬的影響，天秤在臺灣西南部海域出現(xiàn)了回旋打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

從2012年8月19日～8月23日這一段時間里，如圖2所示，布拉萬臺風(fēng)的中心氣壓逐漸降低，最低為920 hPa，然后逐漸增加到正常水平；天秤天辰臺風(fēng)的中心氣壓是先驟降至950 hPa，然后基本保持不變，而后是緩慢升高。與之相對應(yīng)地，布拉萬中心附近最大風(fēng)速先是逐漸增大，在8月25日達(dá)到臺風(fēng)期間峰值55 m/s左右，隨后逐漸減??；天秤中心附近最大風(fēng)速依然是先急速增大為48 m/s左右，發(fā)生在8月20日，然后整體趨勢上緩慢減小?？傮w而言，在19日～23日期間，天秤的中心氣壓小于布拉萬的，風(fēng)速則大于布拉萬的；而23日之后，天秤的強(qiáng)度呈減弱趨勢，布拉萬仍在增強(qiáng)，明顯地，布拉萬中心氣壓多低于天秤，而中心附近最大風(fēng)速大于天秤的。

圖1 臺風(fēng)路徑圖Fig.1 Tracks of binary typhoons

在同期的移速比較上，25日之前，兩者移動速度都較小，如圖2-c所示，居于10 m/s左右，而之后，兩臺風(fēng)移動速度的差距逐步拉大，布拉萬移速明顯偏大，在8月29日左右達(dá)到55 m/s的峰值，天秤移速在8月29日左右達(dá)到峰值40 m/s。

圖2 臺風(fēng)中心氣壓、中心附近最大風(fēng)速和移動速度比較Fig.2 Comparison of central pressure，the maximum wind speed and moving speed between binary typhoons

2 資料介紹及驗(yàn)證

2.1 水深數(shù)據(jù)

Noaa水深數(shù)據(jù)etopo1的空間精度1分（弧度），包括陸地地形和海域水深。水平坐標(biāo)是WGS84地理坐標(biāo)，垂直坐標(biāo)是以海平面為基準(zhǔn)。選取的水深地形范圍是北緯19～42°，東經(jīng)115～130°，如圖3所示。

2.2 背景風(fēng)場

ECMWF（歐洲中尺度天氣預(yù)報中心）的ERA?interim項(xiàng)目，該項(xiàng)目始于2006年，是在原項(xiàng)目ERA-40基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的大氣模型和四維變量同化方法生成，為下一代的再分析數(shù)據(jù)庫做準(zhǔn)備。該項(xiàng)目數(shù)據(jù)的時間跨度從1979年至今，精度最大為6 h；空間上覆蓋全球，精度最大為0.125°［4］。ECMWF的數(shù)據(jù)在空間和時間上都有較好的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

選用的風(fēng)場時間范圍是2012年8月19日6點(diǎn)～2012年8月30日12點(diǎn)，時間分辨率是6 h，空間范圍是115°E～130°E，16°N～42°N，空間分辨率為0.25°×0.25°。

2.3 臺風(fēng)風(fēng)場改進(jìn)

就背景風(fēng)場數(shù)據(jù)而言，在臺風(fēng)眼外圍的風(fēng)速較真實(shí)風(fēng)速普遍偏小，在臺風(fēng)眼附近風(fēng)速有嚴(yán)重失真的現(xiàn)象，而臺風(fēng)風(fēng)場的準(zhǔn)確性對臺風(fēng)浪數(shù)值模擬效果至關(guān)重要，因此需要構(gòu)建臺風(fēng)模型改進(jìn)背景風(fēng)場。目前常用的氣壓場模型有：梅爾斯模式、藤田模式、捷氏模式和Holland模式［5-7］。

臺風(fēng)模型采用Holland經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，公式如?/p>

式中：P∞為臺風(fēng)外圍氣壓；P0為臺風(fēng)中心氣壓；r為計算點(diǎn)到臺風(fēng)中心的距離；R為臺風(fēng)的最大風(fēng)速半徑；B為Holland擬合參數(shù)，計算時取經(jīng)驗(yàn)公式：B=1.5+(980-P0)/120。臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑R取目前研究人員常用到的半經(jīng)驗(yàn)公式

式中：φ為臺風(fēng)中心緯度；V為臺風(fēng)中心移動速度。

合成風(fēng)場是通過一個權(quán)重系數(shù)將由Holland經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)場和ERA背景風(fēng)場相疊加得到

式中：V1為臺風(fēng)布拉萬的Holland模型風(fēng)場與ERA背景風(fēng)場的合成風(fēng)場；VERA為ERA背景風(fēng)場；VBolaven、VTembin為雙臺風(fēng)布拉萬、天秤的Holland模型風(fēng)場。e為比例系數(shù)［8］，，c為一個與臺風(fēng)影響范圍有關(guān)的系數(shù)，，其中n一般取9或10。比例系數(shù)e也可以在0～1范圍內(nèi)選取較為適合的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)理想的模擬效果，下面的模擬中就進(jìn)行了這樣的試驗(yàn)。

3 海浪模式介紹及設(shè)置

3.1 SW模型的基本控制方程

SW模型基于波作用守恒方程，利用波作用密度譜N(σ,θ)來描述波浪。波作用密度與波能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為

式中：σ為波頻率；θ為波向。

在直角坐標(biāo)系下，波作用守恒方程為

式中：N為波作用密度；V為波群的傳播速度；S指能量平衡方程中的源函數(shù)，可以表示成下式

式中：Sin指風(fēng)輸入的能量；Snl指波與波之間的非線性作用引起的能量耗散；Sds指由白帽引起的能量耗散；Sbot指由底摩阻引起的能量耗散；Ssurf指由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量耗散。

在球坐標(biāo)系下

式中：R為地球半徑；?為緯度；λ為經(jīng)度。

波作用守恒方程為

式中：S?為源函數(shù)，S?(x,σ,θ,t)=SR2cos?。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

模擬時段為2012年8月19日6時～8月30日12時，計算區(qū)域分大小2個區(qū)域（如圖3所示），模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。其中大區(qū)域?yàn)闁|中國海，其北至渤海灣，西起現(xiàn)有岸線，計算范圍為19° N～42°N，115°E～130°E，網(wǎng)格數(shù)目是36 215，節(jié)點(diǎn)數(shù)目是18 711；在近岸和外海的網(wǎng)格尺寸分別為2 km和10 km。嵌套區(qū)域主要是江蘇沿海，為30.8°N～35.5°N，119.2°E～124.2°E，在江蘇近岸網(wǎng)格尺寸1 km，外海網(wǎng)格尺寸5 km，模擬時利用大范圍的結(jié)果給小范圍提供波譜邊界條件，兩區(qū)域的計算時間步長均為1 h，采用全譜非定常公式，方向離散數(shù)32，頻率區(qū)間均為0.055～1.1 Hz，頻段離散數(shù)25，其余均采用默認(rèn)設(shè)置。

圖3 東中國海水深圖Fig.3 Bathymetric chart in the East China Sea

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 高度計介紹

衛(wèi)星Jason-2被稱作“大洋表面形態(tài)任務(wù)”（Ocean Surface To?pography Mission，OSTM）星，為法國航天局（CNES）、美國國家航空航天局（NASA）、歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）和美國國家海洋大氣管理局（NOAA）的一項(xiàng)聯(lián)合任務(wù)。它的重訪周期約為10 d，數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好，海面測高精度可達(dá)2.5～3.4 cm。根據(jù)時間和空間的一致性，如圖5所示，選擇第152個周期127號和138號軌道以及第153個周期51號軌道進(jìn)行與上述風(fēng)場比較，以及后面進(jìn)行的模擬波高的驗(yàn)證。這3個軌道對應(yīng)的大致時間為2012年的8月22日6時、8月22日16時和8月29日5時。

圖4 衛(wèi)星軌道圖Fig.4 Satellite orbits

4.2 軌道數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在模型的調(diào)試過程中，系數(shù)e對模型的準(zhǔn)確性影響很大，通過設(shè)置該參數(shù)的模擬試驗(yàn)來確定較為合理的參數(shù)值，模擬結(jié)果與衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，經(jīng)過一系列參數(shù)設(shè)定試驗(yàn)得到如圖5所示的結(jié)果。當(dāng)e1、e2都為0.5時，結(jié)果有較大偏差。當(dāng)e1取0.2，e2取0.6時，結(jié)果較為理想，模擬獲取的軌道波高與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特征較為一致，說明了Holland模型與背景風(fēng)場組成的合成風(fēng)場能較為理想地用于波浪模擬試驗(yàn)。

圖5 模擬波高數(shù)據(jù)與衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的對比Fig.5 Comparison of simulated wave height with Jason-2 altimeter

選取參數(shù)e1為0.2，e2為0.6時的模擬結(jié)果進(jìn)行誤差分析，如表1所示。3個軌道的模擬值與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的峰值誤差均在1 m左右，平均相對誤差在0.17～0.38范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)是0.9左右，結(jié)果較為理想。

4.3 東海測站驗(yàn)證

東海浮標(biāo)的地理位置是東經(jīng)124.5°，北緯31°。觀測位置極佳，臺風(fēng)布拉萬和天秤先后經(jīng)過該浮標(biāo)附近，依次是8月27日左右和8月29日左右。由于資料欠缺，如圖驗(yàn)證臺風(fēng)布拉萬經(jīng)過浮標(biāo)附近時的波浪實(shí)況［2］。

如圖6所示，臺風(fēng)布拉萬經(jīng)過時引起的最大有效波高近10 m，模擬出的最大有效波高比實(shí)測稍微偏大，兩者的平均相對誤差為0.179，相關(guān)系數(shù)為0.803。說明布拉萬模型參數(shù)e1的選取較為理想，誤差略大可能是由于風(fēng)眼附近的模擬風(fēng)場與實(shí)際情況有偏差，Holland模型風(fēng)呈對稱性，而在實(shí)際中，風(fēng)眼附近風(fēng)場隨時間、空間的變化而變化，往往呈非對稱性。

4.4 江蘇兩站驗(yàn)證

將江蘇沿海小范圍嵌套模擬結(jié)果與響水、蠣蚜山2個測站的有效波高實(shí)測值進(jìn)行對比分析，來檢驗(yàn)嵌套模擬的效果。如圖7所示，顯示的是響水和蠣蚜山兩測站地理位置，響水位于東經(jīng)120.1°，北緯34.437°，蠣蚜山是東經(jīng)121.556°，北緯32.147°。兩個測站的模擬值均與實(shí)測值吻合較好。兩測站都出現(xiàn)雙峰，如圖8所示，在8月21日～22日之間，均出現(xiàn)第一個波峰，響水站的最大波高是2 m，蠣蚜山站的是1 m，從時間因素上考慮，這是由江蘇沿海出現(xiàn)的臨時較強(qiáng)風(fēng)場引起的，與研究的兩個臺風(fēng)無直接關(guān)系；在8月27日左右，兩測站均出現(xiàn)第二個波峰，響水站最大波高達(dá)2.5 m，而蠣蚜山站的為1.5 m，蠣蚜山站在響水站南部，較為提前出現(xiàn)這次波峰，說明了臺風(fēng)布拉萬先后影響江蘇南北海域的過程。蠣蚜山站在8月29日又出現(xiàn)一個小波峰，約0.6 m的波高，而響水站沒有出現(xiàn)，分析時間可知是臺風(fēng)天秤引起的臺風(fēng)浪，不過對江蘇南部海域影響較小，對北部海域影響更小。

表1 模擬波高與衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical analysis of simulated wave height with Jason-2 altimeter

圖6 東海浮標(biāo)有效波高對比Fig.6 Comparison between simulated wave height and buoy data in the East China Sea

圖7 江蘇沿海地形圖及兩測站位置Fig.7 Bathymetric chart in Jiangsu coastal area and the location of two stations

圖8 兩測站波高驗(yàn)證Fig.8 Verification of significant wave heights in two stations

5 數(shù)值結(jié)果分析

5.1 東中國海大范圍海域風(fēng)場和波浪場特征分析

如圖9所示展示了2012年8月26日0時和2012年8月27日0時兩個特征時刻東中海區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場矢量圖和模擬得出的有效波高等值線圖。從風(fēng)場矢量圖上可以明顯看出，存在雙臺風(fēng)的兩個臺風(fēng)眼，一南一北，位于西南部的臺風(fēng)天秤的風(fēng)眼半徑明顯小于臺風(fēng)布拉萬的半徑，臺風(fēng)中心附近風(fēng)力也有相同特點(diǎn)，臺風(fēng)布拉萬的強(qiáng)度等級明顯大于臺風(fēng)天秤，整個研究區(qū)域主要是受到臺風(fēng)布拉萬的較大影響，而臺風(fēng)天秤的影響較小。在雙臺風(fēng)期間，波浪場與風(fēng)場的分布特征相一致，最大風(fēng)速和最大有效波高均出現(xiàn)在臺風(fēng)中心附近，而兩個臺風(fēng)的風(fēng)速最大值是不同步的，對應(yīng)產(chǎn)生的波高最大值也是不同步的。

在8月26日0時，臺風(fēng)布拉萬中心附近最大風(fēng)力50 m/s，相應(yīng)出現(xiàn)的有效波高最大值17.09 m；臺風(fēng)天秤中心附近最大風(fēng)力38 m/s，相應(yīng)出現(xiàn)的有效波高最大值6.69 m。在8月27日0時，臺風(fēng)布拉萬中心附近最大風(fēng)力45 m/s，相應(yīng)出現(xiàn)的有效波高最大值18.61 m；臺風(fēng)天秤中心附近最大風(fēng)力33 m/s，相應(yīng)出現(xiàn)的有效波高最大值7.15 m。從這些數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)布拉萬在26日出現(xiàn)的最大風(fēng)力要大于27日的，但相應(yīng)的波高最大值反而比27日的略小些，同樣地，臺風(fēng)天秤也是類似的情況，說明中心附近最大風(fēng)力與相應(yīng)海域出現(xiàn)的波高最大值不是絕對正相關(guān)的，有可能有多方面因素影響，這說明了臺風(fēng)浪問題研究的復(fù)雜性。

圖9 東中海風(fēng)場矢量圖和波高圖Fig.9 Wind vectors and significant wave heights of the East China Sea

圖11 2012年8月29日22時江蘇沿海的有效波高圖Fig.11 Significant wave heights of Jiangsu coastal area at 22：00 on 2012-08-29

5.2 江蘇近海海域波浪場特征分析

江蘇沿海研究范圍約為東經(jīng)118°～125°，北緯31°～36°，如圖7是江蘇沿海水深地形圖。臺風(fēng)布拉萬于2012年8月28日1時靠近江蘇沿海，臺風(fēng)眼位置坐標(biāo)為（124.6°，34.6°），距離江蘇海岸線約4°（經(jīng)度）的距離，出現(xiàn)混合浪最大值為11.2 m，風(fēng)浪最大值為10.4 m，涌浪最大值為4.8 m。如圖10所示，此時，風(fēng)浪場圖與混合浪場圖的分布特征相一致，而涌浪場圖與混合浪場圖的分布特征不一致，說明臺風(fēng)浪的影響以風(fēng)浪為主，江蘇沿海受布拉萬影響顯著。

臺風(fēng)天秤于2012年8月29日22時靠近江蘇沿海，臺風(fēng)眼位置坐標(biāo)為（125.7°，33.2°），距離江蘇海岸線約5°（經(jīng)度）的距離，出現(xiàn)混合浪最大值為2.6 m，風(fēng)浪最大值為0.8 m，涌浪最大值為2.4 m。如圖11所示，此時，涌浪場圖與混合浪場圖的分布特征相一致，而風(fēng)浪場圖與混合浪場圖的分布特征不一致，說明臺風(fēng)天秤對江蘇沿海的波浪場的影響以涌浪為主。

橫向?qū)Ρ冗@兩個臺風(fēng)，布拉萬比天秤強(qiáng)度大，更為靠近江蘇沿海，即使是涌浪值也大于天秤產(chǎn)生的混合浪高，差值多達(dá)2.2 m。由此說明與天秤相比，布拉萬對江蘇沿海造成了更大的影響。

6 結(jié)論

通過Holland模型風(fēng)場和背景風(fēng)場疊加構(gòu)建合成風(fēng)場進(jìn)行臺風(fēng)浪數(shù)值模擬，衛(wèi)星數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)均較為理想，進(jìn)一步研究了江蘇沿海的波浪場特征，結(jié)論如下：

（1）可以運(yùn)用Holland模型對雙臺風(fēng)進(jìn)行海浪的數(shù)值模擬，結(jié)果較為理想。模擬過程中，比例參數(shù)e的大小對模擬結(jié)果影響較大，一般需要費(fèi)時調(diào)試確定。

（2）雙臺風(fēng)布拉萬和天秤先后經(jīng)過江蘇沿海，由于路徑和強(qiáng)度的差異，布拉萬對江蘇沿海的波浪場影響很大，而天秤的影響相對小些。其中，布拉萬的影響以風(fēng)浪形式為主，而天秤的影響以涌浪形式為主。

（3）在臺風(fēng)影響江蘇沿海期間，輻射沙洲海域由于獨(dú)特的地形特征，臺風(fēng)浪較小，似乎沙洲對涌浪有明顯的“阻擋”效應(yīng)，需要進(jìn)一步研究。

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Numerical simulation of the wave off Jiangsu coast under binary typhoons

NIE Yong?qiang1,2,CHEN Peng?chao1,2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to study the Jiangsu coastal area influenced by the binary typhoon Tembin and Bolaven,the driven wind under the binary typhoon was built by mixing the Holland typhoon model with the blended wind field from ERA,and nested wave model off Jiangsu coast was constructed by the MIKE 21 SW model.The comparison be?tween simulation results and satellite data,situ measurements about the significant wave height was done.And the wave field(including mixed wave,wind wave and swell)was analyzed.Among them,the scale factor e is the key to the construction of the simulated wind field,and the optimal value of e is determined by the parameter tests.The re?sults show that the wind wave is the main form of sea wave in Jiangsu coastal waters in the course of typhoon Bolav?en and the maximum value is 10.4 m,but the swell is generated during typhoon Tembin and the maximum value is 2.4 m.The influence strength of typhoon Bolaven is significantly greater than typhoon Tembin.

binary typhoons；Holland；wind wave；swell

TV 139.2

A

1005-8443（2017）02-0143-07

2016-08-12；

2017-01-22

聶永強(qiáng)（1990-），男，河南人，碩士研究生，主要從事海岸動力學(xué)相關(guān)研究。

Biography：NIE Yong?qiang（1990-），male，master student.