南瑪都臺風期間平潭灣風浪及風暴增水數值模擬

李紹武，李松樵

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

南瑪都臺風期間平潭灣風浪及風暴增水數值模擬

李紹武，李松樵

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

選用WRF大氣模式模擬風場及氣壓場，利用第三代近岸海浪數值模型SWAN與潮流模型AD?CIRC的耦合模型，對福建平潭地區在1111號“南瑪都”臺風期間的風浪及灣內風暴增水過程進行模擬。臺風過境期間，平潭灣內增水最大1 m，波高可達4.5 m，計算結果與實測資料吻合較好，驗證了模型在該區域內的合理性。結果表明，WRF模式能有效地反映的大氣條件真實情況，選用Ferrier微物理過程及KF積云方案能更好地模擬該臺風過程。

WRF；SWAN與ADCIRC；耦合；風浪；風暴增水

我國東南沿海每年都會遭受不同強度的臺風或熱帶風暴襲擊，臺風引起的巨浪不僅會造成海上與近岸建筑物的破壞以及岸灘的侵蝕，臺風期間產生的增水還可能給海產養殖及陸上設施帶來嚴重危害。因此，研究臺風過程中波浪及風暴增減水既有重要的理論意義，也將為臺風的設防提供重要依據。

臺風浪及風暴增減水是一個大氣、波浪與潮流的耦合作用過程，在此過程中，風場通過與海面作用引起海浪，并通過氣壓引起海面增減水。一旦海面產生波浪變得粗糙，又會反過來影響風場，進而影響風與海面間的作用及風暴增減水。

近年來，第三代海浪數值模型SWAN與潮流模型ADCIRC得到了很好的發展與廣泛的運用。陳希等［1］利用SWAN模型進行了東南沿海各地區風暴條件下波浪場的模擬。在此基礎上，為了更為真實地反映波浪與潮流的相互作用，耦合模型越來越多地被運用到風暴過程中波浪與增減水的模擬中，鄭立松［2］討論了風暴過程中氣壓及風場對增減水的影響，并模擬了杭州灣內實際波浪及增加水的變化。Sebastian等［3］根據不同臺風路徑，模擬了極端情況下灣內的增減水過程。

平潭島位于福建省東部，東臨臺灣海峽，當地平均潮差達4.3 m，若加上風暴作用，潮位變化可達6 m。本文利用SWAN與ADCIRC耦合模型［4］，考慮波-流相互作用、風-浪相互作用、白浪耗散、底摩阻耗散及水深變化引起的波浪破碎等物理過程，對1 111號臺風“南瑪都”期間平潭地區的波浪及潮位變化進行模擬計算，將計算結果與實測結果進行對比驗證，給出灣內波高的分布情況。

1 風場模型

WRF-ARW中尺度大氣模式［5］由美國大氣研究中心（NCAR）和美國大氣海洋局（NOAA）等機構共同開發，可對區域范圍及全球的天氣、氣象條件進行模擬。本文選用該模式獲得風場。空間模擬范圍為115.5° E～125.8°E，19.2°N～28.5°N。模型采用Arakawa C網格，水平網格數量為9 801（99×99），分辨率10 km，垂向分層35層。

2SWAN與ADCIRC耦合模型

SWAN與ADCIRC耦合模型考慮近岸區域波浪與水流的相互作用，能夠較好地反映風暴條件下波浪與潮流運動的相互作用物理過程［6］。兩個模塊在同一非結構化網格體系下進行并行計算，每個CPU進行局部子區域的計算，模塊間物理信息可直接傳遞，且在各CPU內進行，不受并行計算環境的影響，具有較高效率和計算精度。

SWAN模式采用動譜平衡方程作為描述海浪的控制方程［7］，表示為

式中：N=N(σ,θ,x,y,t)=E(σ,θ,x,y,t)/σ為波作用密度譜；σ為相對波頻；θ為波向角；cx和cy為波浪傳播速度的x 和y向分量；cσ和cθ為σ、θ空間的波浪傳播速度；S為譜密度表示的源項，考慮風能輸入、白浪破碎、底部摩阻、淺水變形以及波-波相互作用等過程。

ADCIRC水動力模型考慮潮位變化及水面風應力及波浪輻射應力，包括沿水深方向積分的連續性方程和運動方程，其表達式為

式中：U和V分別為x和y方向的垂向平均流速；f為科氏力系數；ps為表面大氣壓力；ρ0為水密度；ξ為平均海平面以上的水位高度；g為重力加速度；（η+γ）表示牛頓潮勢和固體潮作用；H為總水深；τsx和τsy、τbx和τby、Dx和Dy、Bx和By分別表示表面風應力、底部切應力、擴散項及斜壓梯度的x和y向分量。

3 風浪模擬

3.1 臺風“南瑪都”

“南瑪都”（Nanmadol）是2011年第11號熱帶風暴，2011年8月23日在菲律賓以東洋面生成，25日晚加強為強熱帶風暴，并于26日加強為超強臺風，27日8時左右于菲律賓呂宋島東北部沿海首次登陸，29日4時左右于我國臺灣省臺東縣附近第二次登陸，近中心最大風力12級，最大風速33 m/s，中心氣壓975 hPa，31日2時左右于我國福建省晉江市第三次登陸，最大風力8級，最大風速20 m/s，中心氣壓992 hPa。臺灣海峽測站觀測到浪高可達5.5 m，對東南沿海及臺灣造成了重大影響，臺風路徑如圖1所示。

圖1 南瑪都臺風路徑Fig.1 Path of Typhoon Nanmadol

3.2 風場的模擬

利用WRF大氣模式對臺風區風場進行模擬并利用天津氣象局提供的實測風速數據對模型進行驗證，風速測站位于臺灣海峽北部，坐標120.306°E，25.497°N。

表1 試驗參數Tab.1 Test parameter

WRF模型中有多種物理參數化方案，其中，微物理過程方案涉及對溫濕場結構、水汽蒸發、降水等過程的求解，積云參數化方案則根據不同的假定及對積云降水的處理，通過垂直加熱的差異，影響對流過程，特別是強降水過程。李響［8］比較了不同的積云參數化方案，指出不同的臺風過程應選取不同的參數。為了更準確地模擬1111號臺風“南瑪都”，本文選取3種微物理過程方案及2種積云參數化方案進行組合，組次試驗參數如表1所示。其它參數化方案中，長波輻射采用rrtm方案，短波輻射采用Goddard方案，路面過程采用Noah方案。

6組試驗計算對比如圖2所示，可以看出風速模擬結果差異不大，與測站實測結果大體相符?？傮w來看，K-F積云參數化方案的結果好于B-M-J積云參數化方案，特別是在臺風過后的風場模擬中，后者明顯偏大，且有明顯振蕩。在K-F積云參數化方案中，新Thompson和WSM6方案的模擬最大風速均高于實測值，而Ferrier方案對臺風過后的模擬結果與實測結果更接近。據此，本次計算參數選擇Ferrier微物理過程方案及K-F積云參數化方案，風速平均絕對誤差2.57 m/s。圖3給出典型時刻2011-08-28_16：00 UTC風場模擬結果。

3.3 風浪模型計算區域及網格剖分

模型計算區域包括福建省及臺灣島大部分海域以及浙江省部分海域（20.3°N～28.1°N，116.8°E～125.2°E）（圖4）。模型采用非結構化三角形網格，節點數11 679，網格單元數22 347，對平潭地區海潭灣附近進行網格加密，分辨率最小約200 m（圖5）。

圖2WRF計算參數比選Fig.2 Parameter selection in WRF computation

圖3 臺風場模擬結果Fig.3 Simulated result of wind field

圖4計算區域Fig.4 Computation domain

圖5計算網格Fig.5 Numerical meshes

3.4 波浪及潮流模型計算參數

模擬時間從2011年8月28日00時至2011年8月31日23時，共計4 d（96 h）。SWAN模型時間步長10 min，ADCIRC模型時間步長2 s，耦合模型時間步長設置與SWAN模型相同，取為10 min。模型開邊界給定潮位過程，用WRF模型得到的風場和氣壓場作為大氣驅動條件。計算過程中考慮了潮流、風場與波浪的耦合作用，風暴增水計算中考慮了風場、氣壓場、波浪輻射應力的影響。

3.5 數值計算結果與驗證

3.5.1 波浪驗證

波浪及潮位驗證測點位于平潭灣內，坐標119.857°E，25.51°N。波高、波向及波周期計算結果與實測結果對比如圖6所示。

波高模擬結果與實測結果大體相符，波高與潮位有一定跟隨性，大浪時符合較好，一般天氣跟隨性均不夠理想，短時間內對波高極值的模擬有所欠缺，其原因尚待探討。波向與潮位雖有一定跟隨性，但變化幅度不大。周期模擬結果在一般天氣與實測基本一致，但臺風過后偏小。

3.5.2 潮位及增減水驗證

潮位模擬結果與實測結果對比如圖7所示，計算值與實測值吻合。

將有無風暴情況下的潮位進行對比，得到海面增減水過程（圖8）。結果在一定程度上能反映增減水的隨時間的變化。臺風引起的測點處增水可達1 m，且臺風過境后，增水隨水位變化會發生一定幅度的波動。

3.5.3 實時耦合與離線耦合對比

離線耦合由ADCIRC單向為SWAN提供水位和潮流數據，時間間隔為1 h，實時耦合為兩個模型交替計算（表2）。得到兩種耦合計算的結果對比如圖9所示，可以看出二者總體差異不明顯。

圖6 波浪要素驗證Fig.6 Verification of wave parameters

圖7潮位驗證Fig.7 Verification of storm surge

圖8 增減水驗證Fig.8 Verification of setup

圖9 不同耦合方式計算結果對比Fig.9 Comparison of calculated results by different coupling methods

表2 耦合方式特征Tab.2 Features of coupling methods

圖10波高分布Fig.10 Distribution of wave height

3.5.4 波高分布

根據計算及實測結果，灣內波高于2011-08-29_01：00 UTC產生最大值，附近海域波高分布如圖10所示。圖10中顯示，該時刻計算區域內波浪最大值位于臺灣以東海域，波高可達11 m以上。受臺灣島的影響，臺灣海峽內波高有所減小，介于5～7 m之間，局部達8 m。圖10中顯示，灣口偏南部波高最大，可達4.5 m，向灣內傳播時逐漸衰減，且灣內南部地區波高總體大于北部，可能會對沿岸造成更嚴重的影響。

4 結論

本文運用WRF大氣模式進行了區域內風場及氣壓場的模擬，為SWAN+ADCIRC耦合模型提供了驅動條件，結合實測資料對“南瑪都”臺風作用過程中福建平潭地區的波浪、潮位條件及增減水變化進行了驗證，結果表明，SWAN+ADCIRC耦合模型可合理地模擬區域內波浪及潮位的變化，驗證了該模型在福建地區及中國東南海域臺風作用下的適用性。在波高出現極大值的時刻，給出了臺灣島海域及平潭灣內波高的分布，波高極大值分別可達11 m及4.5 m。耦合方式差異對計算結果有一定影響，離線耦合計算波高較小。風場模擬中，通過對比不同的模式及參數，臺風個例“南瑪都”過程采用Ferrier微物理過程參數及K-F積云參數能得到更好的模擬效果。

［1］陳希，閔錦忠，李妍，等.臺灣島鄰近海域臺風浪模擬分析［J］.氣象科學，2003（1）：46-54. CHEN X，MIN J Z，LI Y，et al.The simulation of typhoon waves around Taiwan island［J］.Journal of the Meteorological Sciences，2003（1）：46-54.

［2］鄭立松，余錫平.杭州灣內臺風浪模擬研究［J］.南水北調與水利科技，2010（3）：128-130. ZHENG L S，YU X P.Modeling of wind wave in Hangzhou Bay［J］.South to North Water Transfers and Water Science＆Technolo?gy，2010（3）：128-130.

［3］Sebastian A，Proft J，Dietrich J C，et al.Characterizing hurricane storm surge behavior in Galveston Bay using the SWAN+ADCIRC model［J］.Coastal Engineering，2014，88：171-181.

［4］Dietrich J C，Zijlema M，Westerink J J，et al.Modeling hurricane waves and storm surge using integrally?coupled，scalable computa?tions［J］.Coastal Engineering，2011，58（1）：45-65.

［5］譚鳳.基于wrf大氣模式的大風過程波浪模擬［D］.天津：天津大學，2011.

［6］Dietrich J C，Tanaka S，Westerink J J，et al.Performance of the Unstructured?Mesh，SWAN+ADCIRC Model in Computing Hurri?cane Waves and Surge［J］.Journal of Scientific Computing，2012，52（2）：468-497.

［7］Booij N C，Ris R C，Holthuijsen L H.A third?generation wave model for coastal regions 1.Model description and validation［J］.Jour?nal of Geophysical Research，1999，104（C4）：7 649-7 666.

［8］李響.WRF模式中積云對流參數化方案對西北太平洋臺風路徑與強度模擬的影響［J］.中國科學：地球科學，2012，12：1 966-1 978.

LI X.Sensitivity of WRF simulated typhoon track and intensity over the Northwest Pacific Ocean to cumulus schemes［J］.Science China：Earth Sciences，2012，12：1 966-1 978.

Simulation of waves and storm setup in Pingtan induced by typhoon Nanmadol

LI Shao?wu,LI Song?qiao
（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Atmospheric model WRF was employed to provide the wind velocity and atmospheric pressure.A coupled model of SWAN and ADCIRC was used to simulate the wave growth and the process of storm surge in Ping?tan Bay during the typhoon Nanmadol.The modeled result of the maximum surge in Pingtan Bay was 1 meter and wave height reached up to 4.5 meters during storm process.Good agreement was achieved between the numerical re?sults and observation.According to the verification results of wind velocity,the Ferrier scheme is slightly superior to the other 5 schemes and reasonable results of wind field can be obtained by using this model.

WRF;SWAN+ADCIRC;coupling;wind wave

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0242-05

2015-09-23；

2015-12-11

李紹武（1962-），男，山東萊州人，教授，主要從事海岸動力學及岸灘演變、海岸建筑物波浪數值模型研究。

Biography：LI Shao?wu（1962-），male，professor.