疊加風場在南海臺風浪數值后報中的應用研究

王其松， 鄧家泉， 劉誠， 嚴軍， 葉榮輝， 陳秀華

(1.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室， 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利科學研究院， 廣東 廣州 510611; 3.華北水利水電大學， 河南 鄭州 450045; 4.廣州航海學院， 廣東 廣州 510725)

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疊加風場在南海臺風浪數值后報中的應用研究

王其松1，2， 鄧家泉1，2， 劉誠1，2， 嚴軍3， 葉榮輝1，2， 陳秀華4

(1.水利部珠江河口動力學及伴生過程調控重點實驗室， 廣東 廣州 510611; 2.珠江水利科學研究院， 廣東 廣州 510611; 3.華北水利水電大學， 河南 鄭州 450045; 4.廣州航海學院， 廣東 廣州 510725)

根據經驗風場與NCEP再分析風場的優缺點，采用兩者相疊加的方式構造了一種疊加風場，與實測風速資料對比驗證顯示該風場精度較高。以疊加風場數據為輸入，采用WAVEWATCHⅢ模式對南海海域有顯著影響的8場臺風進行計算，結果顯示疊加風場計算南海臺風浪具有較高的精度和可靠性。

疊加風場；臺風浪數值后報；經驗風場；NCEP再分析風場

1 引言

南海海域是全球熱帶氣旋發生最多的地區，也是受臺風浪影響最為嚴重的地區。臺風浪數值后報研究對減少波浪導致的人員傷亡和財產損失具有重要的現實意義[1]。

臺風浪后報研究一直是學者們研究的熱點問題之一，徐福敏等[2]運用WAVEWATCHⅢ和SWAN模型采用經驗風場對東中國海至長江口的臺風浪進行了模擬分析；任智源和包蕓[3]運用SWAN模型對“0814”號臺風作用下伶仃洋的波浪場進行了模擬分析。袁凱瑞等[4]采用SWAN第三代海浪模式分別應用Jelesnianski模型風場、藤田氣壓公式計算的梯度風場以及考慮臺灣海峽和臺灣島地形影響的臺風風場(陳德文臺風風場)模型，對臺灣海峽的臺風浪進行了數值模擬。張進峰[5]采用WAVEWATCHⅢ模型對黃、東海海域及舟山群島的臺風浪進行了模擬分析；周良明等[6]采用再分析風場應用WAVEWATCHⅢ模式對南海的波浪場進行數值計算、統計分析和研究。受臺風路徑、風速、時間、海域等因素的影響，經驗風場的經驗系數較難確定，直接影響臺風浪的計算精度；再分析風場(背景風場)難以反映臺風的位置及臺風中心位置的風速，故采用單一風場并不能完全模擬真實風場的特征。

現有研究已經考慮把再分析風場(背景風場)的數據加入到經驗風場，構造新風場進行臺風浪模擬計算。金羅斌等[7]運用SWAN第三代海浪模式分別采用CCMP風場、Myers理論風場及兩者的合成風場對南海15個臺風浪過程進行了模擬研究；梁連松等[8]采用Holland臺風風場模型與CCMP背景風場相疊加構造的合成風場來驅動SWAN模型，對臺風“風雷”進行了模擬研究。本文采用經驗風場與NCEP再分析風場相疊加的方式構造了一種疊加風場，并用于南海臺風浪的后報計算，進而分析研究疊加風場應用于南海海域的可靠性。

2 疊加風場

2.1 經驗風場

經驗風場采用Young和Sobey風場模型[9]：

Vg(r)=Vmax·rRmw7·exp7·1-rRmw

r

(1)

Vg(r)=Vmax·exp(0.002 5Rmw+0.05)×

1-rRmwr≥Rmw，

(2)

式中，r是計算點至臺風中心的距離；Vg(r)為距臺風中心r距離處的風速；Rmw為最大風速半徑；Vmax為最大風速。

p(r)=pc+(pn-pc)·exp-Rmwr，

(3)

式中，p(r)為距臺風中心r距離處的氣壓；pc是臺風的中心氣壓；pn是臺風的外圍氣壓，一般取為1 013.2 hPa。

最大風速半徑Rmw采用公式(4)[10]計算：

Rmw=28.52tanh0.087 3(φ-28)+

12.22/exp(pn-pc)/33.86+0.2Vt+37.22，

(4)

式中，φ為緯度；Vt為臺風移行速度。

圖1和圖2為Young和Sobey[9]風場模型對1330號臺風“海燕”風場的模擬結果。

圖1 1330號臺風“海燕”經驗風場(2013/11/8 20：00)Fig.1 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖2 1330號臺風“海燕”經驗風場(2013/11/10 02：00)Fig.2 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

實際臺風風場是非對稱風場，而經驗風場是圓形對稱風場，離臺風中心較近的位置，經驗風場對臺風的模擬效果較好，而在遠離臺風中心的位置，偏差較大。這就導致距離臺風中心較近位置處的臺風浪模擬效果較好，遠離臺風中心位置處的臺風浪模擬效果較差。為了彌補這一缺陷，需繼續對經驗風場進行改進。

2.2 疊加風場

2.2.1 NCEP再分析風場

NCEP再分析資料是美國國家環境預報中心(NCEP)同化處理各類氣象觀測資料后研發的全球氣象資料數據庫。NCEP的再分析風場的優點是在遠離臺風中心處具有非常好的非對稱性，能夠反映背景風場特征；其缺點是在臺風中心的位置不精確，且無法反映臺風中心位置的風場特征(圖3，圖4)。

圖3 1330號臺風“海燕”NCEP再分析風場(2013/11/8 20：00)Fig.3 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖4 1330號臺風“海燕”NCEP再分析風場(2013/11/10 02：00)Fig.4 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

2.2.2 疊加風場的構造

根據前述分析，總結經驗風場和NCEP再分析風場的優缺點如表1。

表1 經驗風場和NCEP再分析風場優缺點比較

由表1可知，經驗風場和NCEP再分析風場的優缺點可以互相彌補，故本文采用經驗風場與NCEP再分析風場相疊加的方法構造一種疊加風場，實現對風場更真實、準確的描述。疊加風場的構造思路是：在距離臺風中心較近處采用經驗風場，準確描述臺風中心位置、中心風速、最大風速半徑處風場特征；在遠離臺風中心處采用NCEP再分析風場，準確描述風場的背景風速特征；中間采用平緩的過渡，保證兩種風場銜接的連續性。疊加采用以下公式：

Vx=VEx

Vy=VEyr

(5)

Vx=(1-α)VEx+αVNCEPx

Vx=(1-α)VEy+αVNCEPyR1≤r

(6)

Vx=VNCEPx

Vy=VNCEPyr≥R2，

(7)

式中，Vx、Vy分別代表疊加風場風速在x，y方向的分量；VEx、VEy分別代表經驗風場風速在x，y方向的分量；VNCEPx、VNCEPy分別代表NCEP再分析風場風速在x，y方向的分量；R1、R2為兩個特征疊加半徑。

疊加半徑的確定方法是：將風場模擬區域以臺風中心為圓心，尋找經驗風場風速與NCEP再分析風場風速最接近的圓的半徑作為基準疊加半徑R；以基準疊加半徑為基礎，向內L1距離確定R1的值，向外L2距離確定R2的值。根據多場疊加風場的構建經驗，為保證經驗風場和NCEP再分析風場的平順銜接，L1、L2取值一般介于0.05R～0.15R。

α可用式(8)計算：

α=r-R1R2-R1=r-R+L1L1+L2.

(8)

1330號臺風“海燕”的疊加風場如圖5、圖6所示。

圖5 1330號臺風“海燕”疊加風場(2013/11/8 20：00)Fig.5 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

圖6 1330號臺風“海燕”疊加風場(2013/11/10 02：00)Fig.6 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

臺風浪后報對輸入的風場反應敏感，本文中將經驗風場和NCEP背景風場相疊加，克服了模型風場計算結果中外圍風場不準確、NCEP背景風場臺風中心風速強度不足的缺陷，從而有利于臺風過程中波浪的計算。

2.2.3 各風場風速驗證

為了檢驗本文所構造疊加風場的精度，選擇0814號強臺風“黑格比”、0915號臺風“巨爵”和1117號強臺風“納沙”3場典型臺風，對疊加風場、經驗風場、NCEP再分析風場的數值結果進行驗證，臺風路徑、時刻及驗證站點位置見圖7。驗證風速站點包括珠江口外海測點、閘坡測點、硇洲測點、大萬山測點等。驗證結果見圖8至圖13。

圖7 臺風路徑、時刻及驗證站點分布
Fig.7 The typhoon track， moment and verification point location

圖8 0814號“黑格比”珠江口外海測點風速驗證Fig.8 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

圖9 0814號“黑格比”閘坡站風速驗證圖Fig.9 Validation of wind speeds at Zhapo during No.0814 Typhoon Hagupit

圖10 0814號“黑格比”硇洲島實測風速驗證圖Fig.10 Validation of wind speeds at Naozhou during No.0814 Typhoon Hagupit

圖11 0814號“黑格比”大萬山風速驗證圖Fig.11 Validation of wind speeds at Dawanshan during No.0814 Typhoon Hagupit

圖12 0915號“巨爵”珠江口外海測點風速驗證圖Fig.12 Validation of wind speeds at the Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

圖13 1117號“納沙”珠江口外海測點風速驗證圖Fig.13 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

由圖8至圖13的驗證結果可知，當臺風中心距離驗證點較近時，疊加風場和經驗風場的風速特征是一致的，驗證效果較好；由于NCEP再分析風場無法反映臺風中心位置的風場特征，故驗證結果較差。當臺風中心距離驗證點較遠時，NCEP再分析風場起關鍵作用，疊加風場及NCEP再分析風場的驗證效果明顯好于經驗風場，如0814號“黑格比”珠江口外海測點2008/9/23時刻、0814號“黑格比”閘坡站2008/9/23時刻等。采用經驗風場和NCEP背景風場構造的疊加風場，彌補了這兩種風場的缺陷，更接近于真實臺風風場的變化趨勢，風速極值誤差在±15%以內。可以認為，本文建立的疊加風場模式是準確可靠的，適用于模擬南海臺風風場。

3 南海海域臺風浪數值后報

3.1 WAVEWATCHⅢ模式

南海海域臺風浪數值后報計算采用WAVEWATCHⅢ模式，該模式已廣泛應用于全球各地區的波浪研究，并取得了不錯的應用效果[1-2，11-17]。

球坐標下波作用量密度譜平衡方程[17]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，R是地球的半徑；Uφ和Uλ是水流速度在緯、經度方向上的分量；k為波數；φ和λ分別為緯度和經度；θ是角度；N為波作用量密度譜；σ是相對頻率。式(12)包含了沿大曲率修正形式。

源項為：

S=Sin+Snl+Sds+Sbot，

(13)

包括風能輸入項Sin，非線性波波相互作用項Snl和耗散項(白浪)Sds，底摩阻耗散項Sbot。

3.2 數值計算區域及網格劃分

WAVEWATCHⅢ模式覆蓋南海大部分海域，計算域范圍為12.7°～29.4°N，105.6°～124.5°E，網格尺寸為2′×2′，水深起算基面為平均海平面，計算時間步長為10 min，輸出時間步長為1 h。計算范圍及地形分布見圖14。

3.3 各風場計算臺風浪結果對比驗證

為驗證疊加風場計算南海海域臺風浪的可靠性和準確性，在其他參數不變的情況下，分別用NCEP再分析風場、經驗風場與疊加風場計算臺風浪，并與實測資料進行對比。

本次計算選擇對南海海域有顯著影響且臺風路徑有代表性的0814號強臺風“黑格比”、0915號臺風“巨爵”、1003號超強臺風“燦都”、1117號強臺風“納沙”、1311號超強臺風“尤特”、1329號強臺風“羅莎”、1330號超強臺風“海燕”及1409號超強臺風“威馬遜”8場典型臺風進行計算，與已有實測資料進行對比驗證。驗證資料包括珠江口外海臨時測點(2008年，2009年，2011年)、2010年三沙臨時測點、2013-2014年陽西臨時測點的實測波浪。臺風路徑及驗證站點位置見圖15，驗證結果見圖16至圖23，驗證誤差統計見表2。

圖14 計算范圍及地形分布Fig.14 Computational domain and topography

圖15 臺風路徑及驗證站點分布Fig.15 The typhoon track and verification point location

圖16 0814號“黑格比”波高驗證對比圖(珠江口外海測點)Fig.16 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

圖19 1117號“納沙”波高驗證對比圖(珠江口外海測點)Fig.19 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

圖17 0915號“巨爵”波高驗證對比圖(珠江口外海測點)Fig.17 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

圖20 1311號“尤特”波高驗證對比圖(陽西測點)Fig.20 Validation of wave height at Yangxi during No.1311 Typhoon Utor

圖18 1003號“燦都”波高驗證對比圖(三沙測點)Fig.18 Validation of wave height at Sansha during No.1003 Typhoon Chanthu

圖21 1329號“羅莎”波高驗證對比圖(陽西測點)Fig.21 Validation of wave height at Yangxi during No.1329 Typhoon Krosa

圖22 1330號“海燕”波高驗證對比圖(陽西測點)Fig.22 Validation of wave height at Yangxi during No.1330 Typhoon Haiyan

圖23 1409號“威馬遜”波高驗證對比圖(陽西測點)Fig.23 Validation of wave height at Yangxi during No.1409 Typhoon Rammasun

表2 臺風浪計算平均誤差統計表

由圖16至圖23及表2可知：NCEP再分析風場的驗證效果最差，最大波高值及出現時刻與實測值比較均偏差較大，主要原因是NCEP再分析風場中臺風中心的位置不精確，且無法反映臺風中心位置的風場特征，即最大風速值、出現時刻和位置均無法準確體現。當臺風中心距離驗證站點較遠時，NCEP再分析風場的優勢得以體現，驗證結果優于經驗風場，如0814號“黑格比”強臺風的2008/9/25時刻、0915號臺風“巨爵”2009/9/15至2009/9/16時刻及1003號超強臺風“燦都”2010/7/19時刻等。

經驗風場的驗證結果優于NCEP再分析風場，最大波高值和出現時刻較實測值偏差均較?。欢斉_風中心距離驗證站點較遠時，經驗風場計算臺風浪的效果較差，如1117號強臺風“納沙”2011/9/27至2011/9/28時刻、1311號超強臺風“尤特”2013/8/13至2013/8/14時刻及1329號強臺風“羅莎”2013/11/1至2013/11/2時刻等。主要原因是經驗風場對臺風中心處的風場模擬較好，而沒有考慮背景風場的特征。

運用疊加風場計算的臺風浪結果明顯好于NCEP再分析風場和經驗風場，平均誤差分別減小了11.5%、7.2%。在臺風開始和結束時刻，過程線驗證效果較經驗風場改善明顯，這是由于疊加風場考慮了距離臺風中心較遠處的背景風速特性，更加精確地模擬了整個臺風風場特征，而對臺風浪極大值及出現時刻的模擬也明顯好于NCEP風場。

根據以上分析可知，疊加風場的運用，可以有效提高臺風浪的計算精度，尤其是距離臺風中心較遠海域波浪計算精度，為臺風波浪特性分析研究打下了良好的基礎。

4 結論

本文針對經驗風場模式在臺風中心附近模擬效果較好，而在遠離臺風中心模擬偏差較大；NCEP再分析風場模式在遠離臺風中心模擬效果較好，而在臺風中心附近模擬不精確的特點，在分析和總結兩種模式優缺點的基礎上，利用兩種模式之優勢互補，構建了一種新的疊加風場模式，該模式既能較好的模擬臺風中心的風場特征，又能反映背景風場特征。與實測風速數據對比顯示，疊加風場的驗證結果明顯優于經驗風場和NCEP再分析風場，過程線變化趨勢更接近于真實的臺風風場，風速極值誤差可控制在±15%以內。

以疊加風場數據為輸入，采用WAVEWATCHⅢ模式對南海海域有顯著影響的8場臺風進行計算，疊加風場的臺風浪計算結果對比NCEP再分析風場和經驗風場平均誤差分別減小了11.5%、7.2%，尤其是距離臺風中心較遠海域，波高過程線變化更接近于實測數據，說明本文構造的疊加風場適用于南海海域的臺風風場模擬，并具有較高的精度和可靠性。

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Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea

Wang Qisong1，2， Deng Jiaquan1，2， Liu Cheng1，2， Yan Jun3， Ye Ronghui1，2， Chen Xiuhua4

(1.KeyLaboratoryofthePearlRiverEstuarineDynamicsandAssociatedProcessRegulation，MinistryofWaterResources，Guangzhou510611，China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute，Guangzhou510611，China; 3.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，China; 4.GuangzhouMaritimeInstitute，Guangzhou510725，China)

A superimposed wind field is constructed using empirical wind fields and NCEP reanalyzed wind fields from the advantages and disadvantages of the two， and the simulation result is good compared with the real wind field data. Eight typhoons greatly affecting the South China Sea is simulated using WAVEWATCHⅢ based on the superimposed wind field data， the superimposed wind field has shown higher accurate and more reliable in simulating typhoon-induced waves．

superimposed winds; typhoon-induced waves hindcast modelling; empirical wind fields; NCEP reanalyzed wind fields

2016-08-16；

2016-12-25。

國家自然科學基金重點項目(51039004)；廣東省科技計劃項目(2013B020200008)；鄭州市創新型科技領軍人才項目(121PLJRC527)。

王其松(1987—)，男，山東省商河縣人，工程師，從事河口海岸水動力數值模擬研究。E-mail：wqisong@126.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007

P731.33

A

0253-4193(2017)07-0070-10

王其松， 鄧家泉， 劉誠， 等. 疊加風場在南海臺風浪數值后報中的應用研究[J]. 海洋學報， 2017， 39(7): 70-79，

Wang Qisong， Deng Jiaquan， Liu Cheng， et al. Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 70-79， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007