楊靜思，張慶河，張金鳳，趙洪波，張 娜，嚴 冰，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）

我國處于地球上臺風多發(fā)的區(qū)域，臺風經過海域時，海洋表面會出現強風或比較劇烈的氣壓變化，臺風的旋轉風場往往還會造成特殊的波浪場分布，造成波浪輻射應力分布的較大變化，這些因素可能會造成臺風經過海域的流場發(fā)生強烈變化。理解流場的變化規(guī)律對于深入了解海水交換、泥沙運動乃至生態(tài)過程的變化有著十分重要的意義。近年來，越來越多的研究開始考慮風場影響及波流耦合作用［1-4］，研究臺風過程流場和水位變化。“韋帕”（WIPHA）發(fā)生于2007 年，是我國近年來遭受的一次超強臺風，造成的直接經濟損失達66.2 億元［5］。“韋帕”經過江蘇連云港海域期間，較強波浪和水流引起的泥沙運動曾引起連云港外航道的較大淤積。為了深入理解“韋帕”臺風過程沿岸海域流場運動機理，本文利用充分考慮風場和波流耦合影響的三維水動力模型，研究臺風中心經過南黃海海域（含連云港海域）時的流場運動。

關于“韋帕”臺風過程中波浪、風暴潮的研究，目前已有不少工作，如趙鑫［6］采用MIKE21 水動力模型，結合全球潮汐預報系統(tǒng)，對“韋帕”在浙江登陸引起的風暴潮進行了模擬，陳華偉等［4］采用考慮背景風場的非對稱風場模型、SWAN 波浪模型以及復合流場模型研究了波浪對“韋帕”過程風暴潮的影響。譚鳳等［7］采用中尺度大氣模式WRF 為SWAN 波浪模型提供驅動風場，研究了“韋帕”臺風期間的波浪過程。上述工作尚未對“韋帕”臺風過程中南黃海的流場進行深入討論。為此，本文將依據中尺度大氣模式WRF 獲得的風場和第三代波浪模型SWAN 獲得的波浪場，利用三維水動力模型FVCOM 對“韋帕”臺風經過南黃海海域時的流場進行模擬研究，討論臺風過程中風場、波浪場對流場的影響。

1 采用的模型

“韋帕”臺風過程流場模擬采用風-浪-流耦合模型，臺風風場的模擬采用WRF 模型，波浪的模擬采用第三代海浪模式SWAN，流場的模擬采用三維水動力模型FVCOM。以下簡述3 個模型以及它們之間的耦合關系。

1.1 大氣模型WRF

臺風過程中的流場和波浪場模擬需要較為準確的臺風風場，這里采用中尺度大氣WRF 模式模擬“韋帕”臺風過程，以獲得合理的臺風風場。WRF 模式模擬臺風的初始條件與計算域邊界條件從美國環(huán)境預報中心NCEP 歷史再分析數據FNL 獲得［8］。關于WRF 大氣模式的詳細描述詳見［8-9］，這里不再贅述。

1.2 海浪模式SWAN

在考慮波浪輻射應力對潮流場的影響時，需要合理的波浪場，這里采用第三代海浪模式SWAN 計算“韋帕”臺風波浪場。關于SWAN 模型的描述，詳見文獻［10］。

1.3 水動力模式FVCOM

FVCOM 模型是由美國馬薩諸塞大學陳長勝教授課題組為主開發(fā)的三維水動力模型。FVCOM 水平方向采用非結構化三角形網格，垂直方向采用σ 坐標，數值方法為有限體積法，能夠處理復雜岸線邊界，又有較高的計算效率。關于FVCOM 模型的描述，詳見文獻［11］。

1.4 波流耦合

臺風過程中，強風吹動海面，風切應力本身會引起水體運動，也會產生較強的波浪；強波浪產生較大輻射應力，輻射應力梯度對驅動水體流動產生一定的作用［12］。另一方面，潮流運動造成的水位和流速變化對波浪傳播也有一定影響，所以需要考慮波浪與水動力的耦合作用，即在計算過程中由FVCOM 向SWAN 模型提供潮位和流速，由SWAN 模型向FVCOM 模型提供波浪要素，以考慮波流相互作用。

2 模型的建立

“韋帕”臺風過程中風場模型和波浪模型的設置和計算以及模型的驗證詳見文獻［7］，流場的驗證詳見文獻［13］。

水動力和波浪耦合模型計算采用非結構化網格。模型取渤海、黃海及東海北部范圍（圖1），對南黃海海域進行局部加密，網格單元數為42 707，節(jié)點數為21 954，網格空間步長最大為11 km，最小為150 m。模型邊界取為弧形，有助于提高邊界網格質量，減少邊界帶來的誤差。模擬時間范圍為：北京時間2007 年9 月17 日18 時到2007 年9 月21 日12 時。

在計算潮流時，開邊界采用了Q1，P1，O1，K1，N2，M2，S2，K2，Sa等9 個分潮的調和常數來確定開邊界水位和流速的變化［14］。

FVCOM 水動力模型中，模型計算時間步長為0.25 s，內模時間步長與外模式時間步長比為1/10，垂向平均分為10 層。

圖1 模型地形Fig.1 Bathymetry of simulation domain

3 計算結果分析和討論

3.1 風場、流場、波浪場分析

圖2 顯示了WRF 模擬“韋帕”臺風路徑。為了分析臺風過境對南黃海海域波浪場、流場造成的影響和變化，將2007 年9 月20 日14 時、16 時的模擬風場（圖3）、2007 年9 月20 日16 時、18 時的模擬波浪場（圖4）和模擬流場（圖5）列出進行分析，特征如下：

（1）從風場圖上看，臺風過境時為逆時針旋轉風場且向東北方向移動，臺風中心位置在圖3 中用三角形標示，臺風中心處風速較小。9 月20 日14 時，“韋帕”臺風中心移入連云港以東約110 海里的南黃海西部海面，臺風中心外圍最大風力達18 m/s。16 時，臺風中心從南黃海沿東北方向移動，至山東半島最東側的南部。

（2）從波浪場圖上看，在圍繞臺風中心的旋轉風場作用下，臺風經過的海域也形成相應的旋轉波浪場。旋轉波浪場呈現中心波高小，四周波高大的特點。9 月20 日16 時，波浪旋轉場的旋轉中心波高大小在3.5 m左右，旋轉場外圍波高在4.0～5.0 m。9 月20 日18 時，波浪旋轉場向東側移動，旋轉中心波高大小在3.5 m 左右，旋轉場外圍波高在4.0～5.0 m。從時間的角度對圖3 和圖4 進行比較可發(fā)現，旋轉波浪場的出現時間相對于臺風的旋轉風場有一定延遲性。

（3）從流場圖上看，在臺風的旋轉風場作用下，流場也反映出與臺風相對應的旋轉特性，漩渦中心處流速較小，四周流速呈現旋轉外擴分布，且流速較大。對于近岸側，臺風過境時風暴潮呈現較明顯的沿岸流現象。垂向上各層流態(tài)基本一致，流速由表層向底層逐漸減小。從時間的角度對圖3 和圖5 進行比較可發(fā)現，旋渦狀流場的出現時間相對于臺風的旋轉風場也有一定延遲性。

圖2 “韋帕”臺風路徑圖Fig.2 Track of WIPHA typhoon

圖3 “韋帕”臺風風場矢量及等值線圖Fig.3 Wind field of WIPHA

3.2 不同計算工況的結果比較

為了討論臺風過程中影響流場變化的各種因素，下面分析風場及輻射應力對流場的作用。將風-浪-流計算工況、潮流加風計算工況、純潮計算工況記為計算工況A、B、C。圖6 所示為A、B、C 3 種計算工況下北京時間2007 年9 月20 日18 時的表層流場分布狀況，該時刻臺風中心位于連云港以東黃海西部海面約160 海里。由圖6 可知，考慮輻射應力與否，會導致局部地區(qū)流場發(fā)生變化，主要集中于臺風所造成的旋渦狀流場及沿岸區(qū)域附近。而純潮情況下的流場與前兩者有較大差異。

圖6 不同計算工況下表層流場矢量圖（2007-09-20_18）Fig.6 Current field in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

為了進一步詳細地比較風場與輻射應力場的作用，圖7 分別顯示了A、B 兩種計算工況表層流速矢量相減后以及與A、C 兩種計算工況的表層流速矢量相減后的等值線圖。由圖7-a 可知，在臺風經過南黃海海域時，與原始潮流場相比，海域流場發(fā)生了非常明顯的變化，表層水體流速有較大變化，近岸區(qū)表層流速最大相差可達0.80 m/s。由圖7-b 所示，考慮波浪輻射應力與不考慮輻射應力相比，主要對緊靠海岸的區(qū)域流場造成影響，考慮輻射應力時沿岸流增強，流速差異的范圍在0.10～0.30 m/s。

圖7 不同計算工況下表層流速變化場圖（2007-09-20_18）Fig.7 Differences of current velocity in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

在A、B、C 3 種工況下對南黃海沿岸江蘇和山東兩地近岸區(qū)各取一測點，對表層流速進行分析，測點位置見圖2 中P1 和P2。由圖8 可知，P1 測點的表層流速在20 日9 時達到峰值，是否考慮風應力導致的流速差為0.75 m/s，是否考慮輻射應力的流速差為0.10 m/s。P2 測點在20 日19 時達到峰值，是否考慮風應力導致的流速差為0.30 m/s，是否考慮輻射應力的流速差為0.16 m/s。結果表明，在強風影響范圍內，風應力和波浪輻射應力對于近岸區(qū)流速的改變有重要影響，尤以風應力的影響最為顯著。

4 結論

本文通過WRF 模型、第三代海浪模式SWAN 和三維水動力模型FVCOM，建立了考慮風場影響與波浪影響的三維海域水動模型，針對“0713”號“韋帕”臺風期間的臺風風場、波浪場和潮流場進行數值模擬，討論了臺風過程中南黃海海域風場、波浪場對流場的影響。模擬結果表明，受旋轉臺風影響，波浪場和流場均產生一定的旋轉特性，但后兩者與臺風旋轉風場有一定的時間延遲。在臺風強風范圍內，風應力和波浪輻射應力均對近岸區(qū)海域表層流場產生明顯影響，其中臺風風場的影響最為顯著，輻射應力對表層沿岸流速的增大有一定貢獻。

臺風期間的復雜水流對于泥沙輸運起著重要作用，為了準確模擬水流運動，要合理考慮風場和波浪場的影響。本文的結果表明，采用WRF 模型和SWAN 模型為三維水動力模型FVCOM 提供風場和波浪場充分反映了“韋帕”臺風期間南黃海海域的風場和水流影響，此項工作為進一步研究臺風期間的泥沙運動奠定了基礎。

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