洪新，趙瑋，候查偉

（1.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東煙臺 264006；2.中國海洋大學(xué)，山東青島 266100）

1 引言

熱帶氣旋是熱帶或副熱帶海區(qū)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其帶來的狂風(fēng)、巨浪、暴雨和風(fēng)暴潮等惡劣海洋天氣現(xiàn)象每年都對我國海上石油平臺、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸以及沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重威脅和巨大損失，準(zhǔn)確預(yù)報熱帶氣旋的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及熱帶氣旋產(chǎn)生的海浪對減災(zāi)具有重大意義。由于熱帶氣旋下海浪場的空間分布特征主要依賴于熱帶氣旋風(fēng)場，因此了解風(fēng)場的細(xì)結(jié)構(gòu)如何影響海浪場是十分必要地。

過去幾十年，通過觀測研究和數(shù)值模擬的方法做了大量努力來研究熱帶氣旋下海浪場對風(fēng)的響應(yīng)。通過數(shù)據(jù)分析已經(jīng)證實(shí)了熱帶氣旋移動速度，最大風(fēng)速，最大風(fēng)速半徑以及先前生成的并隨著氣旋移動的涌浪是海浪平均要素空間分布特征的最主要影響因素[1-7]。Wright等[8]和 Walsh 等[9]用 NASA機(jī)載掃描雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)首次研究了熱帶氣旋Bonnie在開闊大洋和登陸情況下各象限的海浪方向譜的空間分布特征。Young[10]用全面的方向海浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)提供了在熱帶氣旋通過時的海浪方向譜。另一方面，海浪模式也被用來研究熱帶氣旋下的海浪場而沒有觀測的限制，并且海浪模式的模擬結(jié)果已經(jīng)被證實(shí)了與實(shí)際觀測結(jié)果符合的很好，可以被用來研究熱帶氣旋下海浪場的特征及其影響因素[11-18]。Moon 等[11]用WAVEWATCHIII（WW3）模式模擬了熱帶氣旋Bonnie下的海浪方向譜，與實(shí)際觀測符合的很好且進(jìn)一步研究了熱帶氣旋移動速度對方向譜的影響。其他一些研究用WW3或SWAN模式探討了熱帶氣旋強(qiáng)度，風(fēng)場分布，背景風(fēng)場，最大風(fēng)速半徑，與氣旋中心相對距離以及入流角度對海浪平均要素和方向譜的影響[13-14,19-20]。然而，海浪場對熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性的響應(yīng)卻并沒有受到關(guān)注，而已有研究發(fā)現(xiàn)非對稱風(fēng)場和對稱風(fēng)場下海浪的空間分布特征是不同的[20-21]。

在Zhao and Hong文章中[21]，我們用WW3海浪模式研究了熱帶氣旋入流角度對海浪場的影響。在這個研究中我們用同樣的方法致力于探討熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性對海浪場的影響。為了這個目的，我們選了五個具有不同非對稱性風(fēng)場的理想熱帶氣旋做敏感性實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果作對比。第二部分中會介紹WW3海浪模式。第三部分我們介紹了敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案和風(fēng)場的計算方法。第四部分討論熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性對海浪場的影響。第五部分給出結(jié)論。

2 WAVEWATCHIII海浪模式介紹及設(shè)置

WAVEWATCHIII（WW3）模式是由NOAA/NCEP開發(fā)的高分辨率表面海浪模式。它是繼Delft University of Technology研發(fā)的WAVEWATCHI和NASA Goddard Space Flight Center研發(fā)的WAVE?WATCHII之后的第三代海浪模式。WW3海浪模式中的源函數(shù)包括風(fēng)-浪相互作用項Sin，波-波相互作用項Snl，白冠耗散Sds，在淺水中還要考慮底摩擦耗散項Sbot。它在假設(shè)介質(zhì)（深度和海流）和海浪場在時間和空間尺度上的變化比單個波變化尺度要大得多的情況下，解決了方向波數(shù)譜的譜密度平衡方程。但是模式不包括海浪受深度限制的情況，這就意味著WW3模式可以應(yīng)用在空間尺度超過1—10km并且在海浪破碎帶之外的海域。這個海浪模式可以輸出網(wǎng)格區(qū)域的海浪方向譜以及有效波高（）、平均波長（）、平均波周期（）、平均波向、峰頻、峰向等平均海浪要素。其中，E是譜能量，k是波數(shù)，σ是角頻率。峰頻是通過對一維頻譜的離散峰值進(jìn)行拋物線擬合計算獲得的。峰的波數(shù)（波長）是利用頻散關(guān)系和峰頻計算獲得的。

本研究中WW3模式的模擬空間范圍為經(jīng)向2000 km，緯向3500 km，平均水深5000 m,空間分辨率為9 km×9 km，譜分辨率為48個方向（7.5°），25個頻率（從0.0418到0.41），風(fēng)能輸入時間間隔為600 s，海浪要素平均參數(shù)輸出時間步長為3600 s。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

我們設(shè)計實(shí)驗(yàn)來研究熱帶氣旋應(yīng)力下風(fēng)場非對稱性對海浪場的影響。實(shí)驗(yàn)中選取三級理想熱帶氣旋（根據(jù)Saffir-Simpson分級方法）的風(fēng)場作為模式的輸入風(fēng)場，其包括Willoughby理想風(fēng)剖面，移動速度和SLOSH入流角度三個部分。其中，Wil?loughby理想風(fēng)剖面是通過一個熱帶氣旋風(fēng)場統(tǒng)計參數(shù)模型計算獲得的隨半徑變化的軸對稱切向風(fēng)[22-23]，SLOSH入流角度是由美國NOAA的SLOSH技術(shù)報告中基于大量觀測數(shù)據(jù)建立的入流角度統(tǒng)計模型計算獲得[24]。在此基礎(chǔ)上，通過一個因數(shù)來改變熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱性，它可以表述為：U=U0× [a-(1-a)× cos?w]。其中，U代表非對稱風(fēng)場風(fēng)速，U0是對稱風(fēng)場風(fēng)速，a是非對稱因子，?w是風(fēng)向。

在這個研究中我們用了5個理想熱帶氣旋來探討風(fēng)場非對稱性對表面海浪場的影響（見表1）。在這些實(shí)驗(yàn)中，最大風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑分別為56 m/s和50 km。假設(shè)熱帶氣旋以5 m/s的速度在深度為5000 m，范圍為經(jīng)向3500 km，緯向2000 km的矩形大洋上勻速直線移動（見圖1）。圖1中矢量代表風(fēng)的大?。╩/s）和方向，空心長箭頭代表熱帶氣旋移動方向，等值線代表等風(fēng)速線，單位為m/s。風(fēng)場的最大風(fēng)速為56 m/s，最大風(fēng)速半徑為50 km，入流角度為SLOSH報告中入流角度統(tǒng)計模型計算獲得的隨半徑變化的值。風(fēng)場的時間分辨率為600 s，空間分辨率為9 km×9 km。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案

圖1 WW3海浪模式的模擬區(qū)域以及理想熱帶氣旋風(fēng)場分布圖

圖2 熱帶氣旋風(fēng)場的空間分布特征隨非對稱性增強(qiáng)的變化

圖3 有效波高（顏色，單位/m）和平均波向（矢量）的空間分布特征隨熱帶氣旋非對稱性增強(qiáng)的變化

模式共運(yùn)行72 h，由于模式積分所利用的理想風(fēng)場，熱帶氣旋中心以恒定速度自東向西移動，而其風(fēng)速大小相對于氣旋中心是恒定的，則模式計算區(qū)域內(nèi)海浪平均要素隨時間發(fā)展將會逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中有效波高在24 h后可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在下面的討論中我們只對第72 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于一個熱帶氣旋會產(chǎn)生復(fù)雜的并且空間上快速變化的海浪譜，我們模擬了第72 h所有網(wǎng)格點(diǎn)上的海浪譜。在分析海浪方向譜時，我們分別選取了4個象限內(nèi)距氣旋中心100 km半徑上的8個點(diǎn)為代表進(jìn)行對比研究。通過風(fēng)場空間分布特征的對比顯示隨著風(fēng)場非對稱性加強(qiáng)風(fēng)速減小,并且左側(cè)象限減小的比右側(cè)象限更快（見圖2）。

4 熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性對海浪場的影響

4.1 對有效波高的影響

通過對比可以看出，最大有效波高值會隨著風(fēng)場非對稱性加強(qiáng)而減小。在EXP.A中，最大有效波高為22 m，當(dāng)對稱性增加到20%時最大有效波高減小到20 m，減小了9%。1000 km半徑內(nèi)的平均有效波高隨著非對稱性增強(qiáng)除了左前象限以外，其他象限內(nèi)由于風(fēng)應(yīng)力的減小而減小。實(shí)驗(yàn)EXP.E和EXP.A之間的對比顯示，平均有效波高分別在右前象限、右后象限、左后象限減小了9.26%，20.16%，19.52%，在左前象限增大了13.01%。

圖3展示了不同熱帶氣旋風(fēng)場下有效波高的空間分布。從圖中可以清楚地看到熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱分布對海浪場的空間非對稱性有重要的影響，風(fēng)場分布越不對稱，有效波高場分布越不對稱。同時，有效波高場的非對稱軸隨著風(fēng)場非稱性加強(qiáng)逆時針旋轉(zhuǎn)，最大有效波高的位置向前移動。實(shí)驗(yàn)EXP.E與EXP.A相比看出，有效波高場的空間非對稱軸由氣旋移動方向右偏80°逆時針移動到右偏50°，逆時針旋轉(zhuǎn)了30°，與風(fēng)場逆時針旋轉(zhuǎn)的角度相同，最大有效波高的位置由右后象限移動到右前象限，這與以往的實(shí)際觀測結(jié)果一致。這是因?yàn)殡S著風(fēng)場非對稱性加強(qiáng)，風(fēng)速減小，風(fēng)能輸入減少，根據(jù)海浪能量平衡方程可知，風(fēng)能輸入源函數(shù)項Sin減小，則波浪能量E減小，而波浪有效波高與波能量E的平方根成正比減小，因此有效波高隨風(fēng)場非對稱性加強(qiáng)而減小，最大有效波高減小。在左前象限，雖然風(fēng)力減小使局地風(fēng)浪能量減少，卻更有利于先前位置生成的涌浪的傳播，涌浪部分能量增加，因此總體能量增加，有效波高增高。

4.2 對平均波向的影響

不同實(shí)驗(yàn)之間平均波向的空間分布的對比表明熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱性會影響平均波向，尤其是在左后象限最為顯著（見圖3）。在右前和左前兩個象限，風(fēng)場非對稱平均波向基本沒有影響，除了在左前象限距離風(fēng)暴中心前100 km，左300 km的長方形區(qū)域內(nèi)平均波向隨非對稱性加強(qiáng)發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)非對稱性增加到20%時，平均波向旋轉(zhuǎn)了10°—60°。這是由于在前兩個象限內(nèi)主導(dǎo)波為遠(yuǎn)處生成的涌浪，平均波向主要由涌浪的傳播方向來決定，而這兩個象限中涌浪的傳播方向主要與熱帶氣旋移動的方向有關(guān)，因此，在這兩個象限內(nèi)大多數(shù)區(qū)域波向沒有變化。在那個特殊區(qū)域，主導(dǎo)波包含了風(fēng)浪和涌浪，隨風(fēng)速減小，主導(dǎo)波中的風(fēng)浪消失，平均波向會向著涌浪的傳播方向旋轉(zhuǎn)。

在左后和右后兩個象限內(nèi)，平均波向隨著非對稱性增強(qiáng)而發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)非對稱性達(dá)到20%時，在右后象限旋轉(zhuǎn)了10°—30°，而在左后象限旋轉(zhuǎn)的角度甚至超過了180°。在左后象限，主導(dǎo)波包含了風(fēng)浪和涌浪。隨著非對稱性增強(qiáng)，由于風(fēng)應(yīng)力的減小，風(fēng)浪部分減弱，涌浪的影響增強(qiáng)。因此，平均波向會向著涌浪的傳播方向旋轉(zhuǎn)。在左后象限的某些區(qū)域，當(dāng)非對稱性達(dá)到15%時，主導(dǎo)波中的風(fēng)浪消失，只剩下涌浪。

4.3 對平均波長和平均周期的影響

圖4 平均波長（顏色，單位/m）和峰向（矢量）的空間分布特征隨風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)的變化

圖5 平均周期（單位/s）的空間分布特征隨風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)的變化

圖6 左前象限的海浪方向譜分布特征隨熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)的對比

圖7 左后象限的海浪方向譜分布特征隨著熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)的對比

從圖4可以看出，除了在正左側(cè)和左后象限外，隨著風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)平均波長減小。當(dāng)風(fēng)場非對稱性達(dá)到20%時，平均波長在右前象限，右后象限和左前象限分別減小了10—40 m，30—70 m，10—50 m。在熱帶氣旋中心正左側(cè)增加了0—140 m，在左后象限，平均波長在400 km半徑內(nèi)從氣旋中心向外增加100—0 m，在這之外的范圍減小了0—40 m。平均波長隨著非對稱性增強(qiáng)的這種變化可以解釋為風(fēng)浪部分的波長隨著風(fēng)速的減小而變短，因此大部分區(qū)域波長是減小的，然而，在氣旋中心左側(cè)和左后象限，隨著風(fēng)力的減小，主導(dǎo)波中風(fēng)浪部分消失，較長的低頻涌浪為主導(dǎo)波，因此，在這些范圍內(nèi)平均波長增大。

另外，隨著熱帶氣旋風(fēng)場非對稱性的增強(qiáng)，風(fēng)力減小，海浪場能量E減小，由于平均波長與波能量E成正比，因此平均周期在各個象限內(nèi)略有減小。當(dāng)非對稱性達(dá)到20%時，各個象限的平均周期均減小了2—3 s左右（見圖5）。

4.4 對波峰方向的影響

熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱性對波峰方向也有影響（見圖4中矢量方向）。隨著非對稱性加強(qiáng)，峰向在前兩個象限沒有變化，在后兩個象限逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)非對稱性增強(qiáng)到20%時，右后象限旋轉(zhuǎn)了10°—60°，在左后象限旋轉(zhuǎn)達(dá)到了180°。這種現(xiàn)象的解釋與平均波向相同。

4.5 對海浪方向譜的影響

在這個研究中，我們選了第72 h距熱帶氣旋中心100 km半徑上的5個點(diǎn)來對研究風(fēng)場非對稱性對海浪方向譜的影響（見圖6—7，以左前象限和左后象限為例）。圖中實(shí)線等值線（從外向內(nèi)）代表100 m，200 m，300 m，400 m波長。虛線等值線（從外向內(nèi)）代表150 m，250 m，350 m波長。每個譜包含五個等值線，分別為譜峰密度的10%—90%，增長率為20%，加粗的等值線代表譜峰密度的50%。左下角信息表示模擬點(diǎn)距熱帶氣旋中心的距離。加粗的黑色箭頭代表風(fēng)速，0.03 rad/m的長度相當(dāng)于30 m/s的風(fēng)速。右下角的數(shù)字代表有效波高，紅色加粗箭頭代表熱帶氣旋的移動方向和移動速度大小。不同風(fēng)場非對稱性下方向譜的對比顯示非對稱性對海浪譜的多峰性有重要作用，對海浪譜的頻率以及主導(dǎo)波的傳播方向都有重要影響。

在右前象限，實(shí)驗(yàn)EXP.A中，主導(dǎo)波為波長較長的沿著熱帶氣旋移動方向傳播的涌浪且傳播方向?yàn)?0°。隨著非對稱性加強(qiáng)，方向譜的譜形沒有明顯變化，只是頻率變高。在左前象限大部分區(qū)域，主導(dǎo)波為在氣旋移動方向左偏20°—50°方向傳播的涌浪，且隨著風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)沒有明顯變化。但是在氣旋中心左側(cè)，方向譜隨著非對稱性增強(qiáng)有顯著地變化。在這里，主導(dǎo)波包含涌浪和風(fēng)浪兩部分，隨著非對稱性增強(qiáng)，風(fēng)浪部分消失，主導(dǎo)波只包含涌浪，在非對稱性達(dá)到15%之前，海浪譜仍然是雙峰的。當(dāng)非對稱性達(dá)到15%之后，雙峰結(jié)構(gòu)消失，主導(dǎo)波沿著氣旋移動方向左偏30°—60°方向傳播。顯而易見，在氣旋前面的兩個象限內(nèi)，主導(dǎo)波為涌浪且海浪譜是單峰的，這與觀測結(jié)果一致。在右后象限，主導(dǎo)波為局地生成的風(fēng)浪。隨著非對稱性增強(qiáng)，局地風(fēng)能量減小，風(fēng)浪減弱，主導(dǎo)波的傳播方向向著氣旋移動方向逆時針旋轉(zhuǎn)，而譜形基本沒有變化。在左后象限，實(shí)驗(yàn)EXP.A中主導(dǎo)波為風(fēng)浪。隨著風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)，涌浪逐漸增強(qiáng)成長為主導(dǎo)波，而風(fēng)浪逐漸減弱，但是沒有消失，海浪譜出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，這與觀測結(jié)果也很吻合。

5 結(jié)論

在這個研究中，我們用WW3模式研究了熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱性對表面海浪場的影響。模擬結(jié)果顯示風(fēng)場的非對稱性對海浪平均要素和海浪方向譜都有很重要的影響。從非對稱性分別為0%,5%,10%,15%和20%的五個理想熱帶氣旋的模擬中，我們詳細(xì)地討論了非對稱風(fēng)場對表面海浪場的作用。

熱帶氣旋下的海浪場包含遠(yuǎn)處傳來的涌浪和局地生成的風(fēng)浪兩部分。隨風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)，由于風(fēng)應(yīng)力減小風(fēng)浪減弱，有效波高在所有象限內(nèi)減小，除了左前象限。波高場的非對稱性增強(qiáng)且非對稱軸逆時針旋轉(zhuǎn)，最大有效波高位置向前移動，同時平均波長變短，平均周期變短。

在熱帶氣旋中心前兩個象限內(nèi)主導(dǎo)波為先前位置生成的隨著氣旋移動的涌浪。因此，平均波向和波峰方向隨風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)基本沒有變化。在右后象限，隨著風(fēng)場非對稱性加強(qiáng)，平均波向和波峰方向會向著氣旋移動方向逆時針旋轉(zhuǎn)。在左后象限，隨著風(fēng)場非對稱性增強(qiáng)，平均波長和峰向變化很大，甚至達(dá)到180°，并且波長在左后象限也變長。

熱帶氣旋風(fēng)場的非對稱性會影響海浪譜的多峰結(jié)構(gòu)以及主導(dǎo)波的頻率和傳播方向。但是風(fēng)場非對稱性對海浪譜的影響主要依賴于與氣旋中心的相對位置。

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