沈旭偉，范力陽，陳國平，高晨晨，鐘雄華

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098）

臺風“鲇魚”作用下南海波浪場的數(shù)值模擬研究

沈旭偉，范力陽，陳國平，高晨晨，鐘雄華

（河海大學港口海岸及近海工程學院海岸災害與防護教育部重點實驗室，南京210098）

運用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ，以臺風模型風場與美國NCEP風場的合成風場為驅動風場，模擬西北太平洋在臺風“鲇魚”期間的波浪變化情況。在運用衛(wèi)星高度計波高資料對預報模型進行驗證的基礎上經進一步分析認為，臺風“鲇魚”產生的波浪在北部灣以風浪為主，涌浪較少，而在北部灣以外的南海產生的波浪以涌浪為主，涌浪波高可達3～6 m，周期為12～16 s。在臺風“鲇魚”由東向變?yōu)橄虮毙羞M過程中，在南海產生的涌浪也由東向逐漸變?yōu)闁|北向。

WAVEWATCHⅢ；臺風；南海；混合浪；涌浪

西北太平洋是臺風的多發(fā)區(qū)，形成的熱帶氣旋較世界上其他任何海區(qū)都多，平均每年約有26個熱帶氣旋達到至少熱帶風暴的強度，為其他任何地區(qū)的兩倍以上。目前我國南海的臺風主要分為兩類［1］：第一類是由于太平洋次表層偏暖，生成與西北太平洋偏西的海域，易于往西北方向移動；第二類是由于太平洋次表層偏冷，季風槽位置偏南，易于向東北方向偏轉。第一類臺風直接橫穿南海，對我國影響顯著，研究較多［2-3］。第二類臺風只是在南海邊緣經過，影響比第一類臺風小，研究也較小，但這類臺風易形成長周期、傳播距離遠的涌浪，對船舶航行等造成威脅。本文以2010年臺風“鲇魚”為例，利用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ（以下簡稱WW3），將臺風模型風場與美國NCEP風場的合成風場［4］作為其驅動風場，研究第二類臺風對南海的影響。

1臺風簡介

臺風“鲇魚”于2010年10月13日20時（北京時間，下同）在西北太平洋洋面上（140.9°E、12.0°N）生成，臺風中心往西北移動，17日08時臺風中心位于127.5°E、18.7°N，加強為超強臺風，轉而往西南方向移動。18日12時25分在菲律賓呂宋島東北部沿海（122.4°E、17.3°N）登陸，登陸后減弱為強臺風，繼續(xù)往西移動，隨后進入南海東部海面，強度再度加強為超強臺風。19日20時臺風中心位于117.9°E、16.7° N，方向逐漸北移。21日9時臺風中心位于117.5°E、19.4°N，減弱為強臺風，繼續(xù)向北移動。22日21時減弱為臺風。23日12時55分在我國福建省漳浦縣登陸，登陸時中心附近最大風力13級，最低氣壓970百帕。登陸后強度迅速減弱，最終消亡。臺風“鲇魚”路徑及計算區(qū)域如圖1所示。

圖1 臺風“鲇魚”路徑圖Fig.1 The route of typhoon Megi

2海浪模式和驅動風場

2.1海浪模式

WW3風浪模式是在WAM［5］（the Wave Model）模式的基礎上發(fā)展來的。模式改進了數(shù)值和物理的處理方法、程序結構、控制方程等，該模式在風浪物理機制方面以及對波流相互作用考慮的更加合理，使波浪數(shù)值計算的精度得到了很大的提高。WW3控制方程［6］為波作用守恒方程，球坐標下的表達式為

式中：N為波能作用量密度；t為時間；λ、φ分別為經度和緯度；σ、θ分別為頻率和波向；cλ、cφ、cσ、cθ分別表示波浪在上述4個空間上的傳播速度；S為源函數(shù)。其中，源函數(shù)S考慮了風能輸入項、四項波作用項、白冠耗散項、底摩擦項、水深變化引起的波浪破碎項等。

WW3通過波浪譜能量分離法，引入風浪分數(shù)W，實現(xiàn)對風浪和涌浪的分離，表達式為

式中：W指局地波動相速C小于UP的那部分波動能量的占總能量的比例，UP指波動傳播方向上的風速分量與波齡因子的乘積。W=0，代表純涌浪；0＜W＜1，代表混合浪；W=1，代表純風浪。

2.2驅動風場

本文采用美國NCEP風場為背景風場，將臺風模型風場與它合成的風場作為驅動風場。

2.2.1臺風模型風場

臺風的模型風場表達式如下

式中：Vg是梯度風速，采用Myers圓對稱模型公式［7］；Vt是移行風速，采用宮崎正衛(wèi)公式［8］；c1和c2為訂正系數(shù)；θ是計算點與臺風中心的連線與x軸的夾角；β是梯度風與海面風的夾角。在臺風中心附近，臺風模型風場可以較好地反映臺風大風區(qū)的風場特征，但一般僅限于幾百公里范圍內。

2.2.2美國NCEP風場

該項數(shù)據(jù)由NOAA美國環(huán)境預報中心（NCEP）研制，資料屬全球大氣、海洋、陸面再分析數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為3 h，時間起自1979年。NCEP風場對于非劇烈變化風場精度尚可，對于臺風中心的風場刻畫明顯偏小。

2.2.3合成風場

本次計算范圍較大，在臺風外圍的風場與臺風模型風場差別較大。為了更為合理地反映熱帶氣旋的風場特征，本文通過一個權重系數(shù)，將臺風模型風場和NCEP風場相疊加，這樣既保證了氣旋外圍風場的可靠性，又提高了氣旋近中心附近的空間分辨率。合成方法如下

式中：e為權重系數(shù)，根據(jù)Carr IIIL和Elsberryl的研究成果，權重系數(shù)的表達形式為e=c4/(1+c4)，c是考慮臺風影響范圍的系數(shù)。

3模型驗證

3.1參數(shù)設置

模式運行所選用的地形資料來自于美國地球物理中心發(fā)布的ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)集，分辨率為1′× 1′，岸線數(shù)據(jù)源于全球高分辨率海岸線數(shù)據(jù)庫。模式的計算范圍為100°E～150°E、0°N～50°N，空間分辨率為10′×10′；時間步長為600 s；采用球坐標系，頻率分為25個，最小頻率0.041 18，其余頻率由公式fn+1=1.1fn確定（f為頻率），劃為24個等分的方向。模型計算時間為10月13日～10月24日。

3.2過程驗證

為驗證WW3海浪模式的模擬效果，選取衛(wèi)星高度計實測值驗證。掃描帶位置見圖1，對比結果見圖2～圖3。S1掃描帶的模擬值平均波高3.06 m，實測值平均波高2.72 m，兩者相關系數(shù)為0.956。S2掃描帶的模擬值平均波高3.87 m，實測值平均波高3.75 m，兩者相關系數(shù)為0.977。

模擬值和實測值符合較好，S2掃描帶的模擬效果要優(yōu)于S1。這是由于S2掃描帶都位于開闊的海域，而S1掃描帶有部分穿過島嶼。一方面，WW3適用于大尺度深海的模擬，對靠近島嶼淺水的模擬效果一般；另一方面，合成風場采用了Myers圓對稱理論模型，深海地區(qū)地形開闊，風場對稱性較好，而島嶼地區(qū)地形復雜，風場對稱性較差，偏向橢圓的形式，風場的刻畫效果變差。這就導致S1掃描帶的部分模擬值與實測值差距較大。通過圖1，可以發(fā)現(xiàn)S1掃描帶穿越島嶼大概位于0°～13°N，周圍地形復雜，通過圖2可以發(fā)現(xiàn)在0°～13°N的波高模擬效果確實較差。在S1掃描帶13°N往北區(qū)域，模擬值和實測值符合較好，明顯優(yōu)于13°N以南區(qū)域，也與理論分析符合。

圖2 10月18日19時衛(wèi)星高度計實測值與模擬值對比圖（S1掃描帶）Fig.2 Comparison of simulation values and measured values at 19：00 on October 18（Scanning stripe S1）

圖3 10月20日08時衛(wèi)星高度計實測值與模擬值對比圖（S2掃描帶）Fig.3 Comparison of simulation values and measured values at 8：00 on October 20（Scanning stripe S2）

圖4 A點波高過程線Fig.4 Wave heights of swells and mixed waves in point A

圖5 A點周期過程線Fig.5 Wave periods of swells and mixed waves in point A

圖6 B點波高過程線Fig.6 Wave heights of swells and mixed waves in point B

圖7 B點周期過程線Fig.7 Wave periods of swells and mixed waves in point B

圖8 C點波高過程線Fig.8 Wave heights of swells and mixed waves in point C

圖9 C點周期過程線Fig.9 Wave periods of swells and mixed waves in point C

總體而言，模擬值和實測值之間的偏差是合理并且可以接受的?；诤铣娠L場的WW3海浪模式能較好反映出臺風“鲇魚”過程西北太平洋的波要素變化情況。

4結果分析

4.1臺風“鲇魚”對南海局部點的影響分析

本文選取了A（107°E、20°N）、B（109°E、17°N）、C（111°E、21°N）3個點（如圖10～圖18所示）進行分析，比較混合浪和涌浪對所選位置的影響。

A點位于北部灣內，圖4～圖5表明，大部分涌浪的波高、周期與混合浪差距較大，A點以風浪影響為主。A點位于0.2 m到0.8 m的涌浪等高線間，變化劇烈，部分值跳躍較大。北部灣內為北風，涌浪從南往北涌入北部灣，北風會減弱涌浪的傳入。A處幾個涌浪大值，是由于A點風速近乎為零，涌浪得以繼續(xù)往北傳播，涌浪變大。

B點位于海南島與越南的中間地帶，C點位于廣東東南沿海。圖6～圖9表明，B、C兩點整個臺風過程的涌浪波高、周期與混合浪較為接近，B、C兩點以涌浪影響為主。B點的涌浪波高最大值3.4 m，而C點的涌浪波高最大值為1.6 m，B點受涌浪影響遠大于C處，主要是B點周圍地形開闊，水深條件較好，受涌浪影響更大。通過A、B、C三點的涌浪周期過程線可以發(fā)現(xiàn)，臺風“鲇魚”產生涌浪的周期集中在12～16 s。

綜上，B、C兩點受涌浪影響較大，且B點受涌浪影響高于C點。A點由于海南島和雷州半島的庇護作用，受涌浪影響較小。

圖10 19日8時混合浪場圖Fig.10 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 19

圖11 19日8時涌浪場圖Fig.11 Wave fields of swells at 8：00 on 19

圖12 19日8時涌浪與混合浪的波高比圖Fig.12 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 19

圖13 21日8時混合浪場圖Fig.13 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 21

圖14 21日8時涌浪場圖Fig.14 Wave fields of swells at 8：00 on 21

圖15 21日8時涌浪與混合浪的波高比圖Fig.15 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 21

4.2臺風“鲇魚”對南海波浪場的影響分析

19日8時，臺風中心位于118.9°E、16.5°N。圖10～圖12表明，涌浪為東向，混合浪為東北向，以風浪影響為主。在越靠近臺風中心的區(qū)域，混合浪場南偏程度更高，這是由于臺風中心位于區(qū)域右側，產生逆時針風場，使靠近中心的左側流場也呈現(xiàn)逆時針狀態(tài)。北部灣由于涌浪還未進入，仍以風浪影響為主。

21日8時，臺風中心位于117.5°E、19.4°N。圖13～圖15表明，混合浪為東北向。涌浪波向復雜。在涌浪波向不連續(xù)的交界處，涌浪與混合浪的波高比變化劇烈。右側以風浪作用為主，涌浪波高較小，南向的涌浪是臺風北移過程的慣性引起的。左側以東北向的涌浪影響為主，是20日8時從東北方向傳過來的。北部灣灣口以涌浪影響為主，北部灣內以風浪影響為主。

23日8時，臺風中心位于118.0°E、23.4°N。圖16～圖18表明，臺風中心進一步北移，涌浪為東北向，混合浪場也為東北向。在北部灣外的區(qū)域，涌浪場和混合浪場分布規(guī)律幾乎一致，以涌浪影響為主。北部灣灣口以涌浪影響為主，北部灣內以風浪影響為主。

綜上，臺風“鲇魚”產生的波浪在北部灣以風浪為主，涌浪較少，而在北部灣以外的南海產生的波浪以涌浪為主。在臺風“鲇魚”由東向變?yōu)橄虮毙羞M過程中，在南海產生的涌浪也由東向逐漸變?yōu)闁|北向。

4.3臺風期間涌浪最大時刻分析

本文選取涌浪波高最大時刻對應的混合浪、涌浪的有效波高和譜峰周期分析。此時臺風中心位于117.3°E、18.6°N。圖19表明，離臺風中心越近，混合浪波高越大，最大波高超過6 m。圖20表明，涌浪波高最大值超過5 m，遠離臺風中心。北部灣內涌浪較小，其余區(qū)域受涌浪影響較大。

圖16 23日8時混合浪場圖Fig.16 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 23

圖17 23日8時涌浪場圖Fig.17 Wave fields of swells at 8：00 on 23

圖18 23日8時涌浪與混合浪的波高比圖Fig.18 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 23

圖19 21日0時混合浪有效波高分布圖Fig.19 Wave heights of mixed waves at 0：00 on 21

圖20 21日0時涌浪有效波高分布圖Fig.20 Wave heights of swells at 0：00 on 21

5結論

（1）合成風場驅動的WW3海浪模式能較好反映臺風“鲇魚”過程西北太平洋波浪變化情況。

（2）臺風“鲇魚”產生的波浪在北部灣以風浪為主，涌浪較少，而在北部灣以外的南海產生的波浪以涌浪為主，涌浪波高可達3～6 m，周期為12～16 s。

（3）在臺風“鲇魚”由東向變?yōu)橄虮毙羞M過程中，在南海產生的涌浪也由東向逐漸變?yōu)闁|北向。

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Numerical simulation studies of influence on wave field in the South China Sea caused by typhoon Megi

SHEN Xu?wei,FAN Li?yang,CHEN Guo?ping,GAO Chen?chen,ZHONG Xiong?hua
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education，College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

By using the third?generation wave model WAVEWATCHⅢ,numerical simulation of the wave field driven by typhoon Megi in the Northwest Pacific Ocean was carried out,in which the wind field was generated by a combination of the NCEP wind field data and a typhoon model.On the basis of good validation of satellite altimetric data,it is seen from the simulation results that wind waves take the major proportion in the Beibu Bay,and swells take the major proportion in the area outside the Beibu Bay in the South China Sea.Swells have little impact on the Beibu Bay,while great influence on the area outside the Beibu Bay in the South China Sea.The wave heights reach to 3-6 meters and wave periods reach to 12-16 seconds.As typhoon Megi moved from east to north,the swell direc?tion changed from eastward to northeastward.

WAVEWATCHⅢ;typhoon;the South China Sea;mixed waves;swells

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0369-06

2015-12-15；

2016-03-23

沈旭偉（1991-），男，江蘇省宜興人，碩士研究生，主要從事港口、海岸與近海工程研究。Biography：SHEN Xu?wei(1991-),male,master student.