李 朝 侯一筠 , 李水清 李 健 ,

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237; 5. 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266061)

熱帶氣旋是形成于熱帶或者副熱帶洋面上的低壓氣旋性渦旋, 根據(jù)中國氣象局的定義, 底層中心附近最大風(fēng)力達(dá)到12 級及以上的熱帶氣旋的被稱為臺風(fēng)(張銳銳, 2007)。海浪通常指風(fēng)引起的海面波動, 臺風(fēng)引起的海浪(臺風(fēng)浪)能摧毀沿岸的建筑、防護(hù)工程等并造成漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等巨大損失(李雪等, 2018; 馮興如等, 2018)。黃、渤海沿岸各地是我國受臺風(fēng)侵略較嚴(yán)重的區(qū)域之一, 根據(jù)自然資源部發(fā)布的《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》, 由臺風(fēng)引起的海浪、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害近些年來對黃海和渤海沿岸的人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅, 相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失巨大, 僅在2014—2018 年這5 年間在山東一省的引起的直接損失就高達(dá)5.29 億元(http://www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/ gbgg/zghyzhgb/)。1909 號超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”于2019年8 月10 日1 時(shí)45 分在浙江省溫嶺市登陸, 并于8月11 日20 時(shí)50 分二次登陸山東省青島市, “利奇馬”為2019 年登陸我國最強(qiáng)的臺風(fēng), 導(dǎo)致我國沿海地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重, 其中受災(zāi)人數(shù)共1402.4 萬人, 并造成了515.3 億元的直接經(jīng)濟(jì)損失(http://news.weather.com. cn/2019/08/3228731. shtml)。1109 號超強(qiáng)臺風(fēng)“梅花”在2011 年7 月28 日14 時(shí)生成, 并于8 月8 日18 時(shí)30 分在朝鮮沿海登陸, 該臺風(fēng)使得我國受災(zāi)人數(shù)達(dá)364.98 萬人, 且導(dǎo)致 31.28 億元的直接經(jīng)濟(jì)損失(http://news.weather.com. cn/1443798.shtml)。因此研究黃、渤海區(qū)域的臺風(fēng)浪分布和傳播特征對災(zāi)害預(yù)警和防控決策具有實(shí)際應(yīng)用意義。

臺風(fēng)浪特征近些年來得到了廣泛研究, 臺風(fēng)浪的成長過程與波-波非線性相互作用密切相關(guān)(Young, 2006; Xu et al, 2017; Wang et al, 2019a)。陳曉斌等(2013)研究了“梅花”臺風(fēng)在我國東部相關(guān)海域的臺風(fēng)浪場空間結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)中心區(qū)域?yàn)檩^大的涌浪, 且臺風(fēng)外圍區(qū)域的風(fēng)浪場波高與涌浪場波高的分布特征相反。韓樹宗等(2013)則發(fā)現(xiàn)在東中國海淺水區(qū)域的臺風(fēng)浪有效波高最大值分布與水深分布一致, 并呈現(xiàn)從西北到東南方向水越深波高越大的特點(diǎn)。鄒文峰等(2012)研究了從東海向黃、渤海傳播的臺風(fēng)浪發(fā)現(xiàn), 波高在以涌浪為主時(shí)并未達(dá)到最大。劉彬賢等(2019)利用風(fēng)-浪關(guān)系方程對渤海區(qū)域幾個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)-浪關(guān)系進(jìn)行了擬合, 發(fā)現(xiàn)訂正后的效果較好。He等(2016)則發(fā)現(xiàn)黃、渤海的有效波高與平均波周期在四個(gè)季節(jié)的空間分布上均呈現(xiàn)出由西北向東南、由近海向深海遞增的特征。Kim 等(2017)研究了臺風(fēng)“赫拔”在黃、東海造成的涌浪的發(fā)生與傳播過程, 發(fā)現(xiàn)周期較長的涌浪由于受海底地形影響易發(fā)生折射。

臺風(fēng)“利奇馬”在菲律賓以東的西太平洋海面生成并沿西北方向在浙江登陸北上, 這種臺風(fēng)路徑屬于“提前登陸型”; 臺風(fēng)“梅花”在菲律賓以東的西太平洋海面生成后先沿西北向移動, 由黃海邊界傳入, 這種臺風(fēng)路徑屬于典型的“外海入侵型”。本文研究了兩類典型路徑的臺風(fēng)過程(如圖1 所示): 臺風(fēng)“利奇馬”、臺風(fēng)“梅花”在黃、渤海區(qū)域引起的海浪場的空間分布特征及風(fēng)-浪成長關(guān)系, 對今后黃、渤海沿岸各省份進(jìn)行海浪的模擬觀測以及防災(zāi)預(yù)警有著重要的意義。

1 資料與方法

1.1 ERA5 數(shù)據(jù)資料介紹

使用精準(zhǔn)的風(fēng)場資料進(jìn)行臺風(fēng)浪的研究是極為重要的。柳婧等(2019)通過對中國近海區(qū)域的ASCAT(Advanced SCATterometer)衛(wèi)星風(fēng)場資料和ERA-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Reanalysis)再分析風(fēng)場資料進(jìn)行質(zhì)量評估, 發(fā)現(xiàn)ASCAT 風(fēng)場風(fēng)速精度較優(yōu), 但其不具有ERA-Interim 風(fēng)場在時(shí)間和空間的連續(xù)性。Lv 等(2014)和Wang 等(2019b)認(rèn)為在渤海區(qū)域, 如果使用ERA-Interim 風(fēng)場數(shù)據(jù)則會低估了渤海區(qū)域的風(fēng)速和風(fēng)應(yīng)力。Rivas 等(2019)研究則發(fā)現(xiàn), ERA5 風(fēng)場資料的風(fēng)速、風(fēng)應(yīng)力旋度等均優(yōu)于ERA-Interim 風(fēng)場資料。綜合前人研究考慮, 本文選擇較優(yōu)的ERA5 風(fēng)場進(jìn)行臺風(fēng)浪的研究評估。ERA5 是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather forecasts, ECMWF)發(fā)布的第五代全球氣象再分析產(chǎn)品。該產(chǎn)品覆蓋時(shí)間從1979 年至今, 其時(shí)間分辨率為1 h, 大氣再分析數(shù)據(jù)水平分辨率為0.25°×0.25°, 海洋再分析數(shù)據(jù)水平分辨率為0.5°×0.5°, 提供了距離海面10 m 高度的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)以及海浪的有效波高、波周期等資料。下載地址為https://cds.climate. copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-l evels? tab=overview。

圖1 1909 號臺風(fēng)“利奇馬”(紅線)和1109 號臺風(fēng)“梅花”(藍(lán)線)移動路徑及各浮標(biāo)站位(黑點(diǎn)) Fig.1 Tracks of No.1909 typhoon Lekima (red line) and No.1109 typhoon Muifa (blue line) with buoy stations (black dots)

1.2 方法

在利用ERA5 數(shù)據(jù)資料與浮標(biāo)觀測資料進(jìn)行匹配時(shí), 采用均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)和相關(guān)系數(shù)(COR)這三個(gè)誤差衡量指標(biāo)進(jìn)行考量, 相應(yīng)公式如下:

其中, a 代表浮標(biāo)的觀測資料, b 為ERA5 數(shù)據(jù)資料。

1.3 研究區(qū)域

圖1中“利奇馬”和“梅花”臺風(fēng)的中心移動路徑是采用中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)的路徑信息數(shù)據(jù)(http:// typhoon.nmc.cn/web.html)繪制的。此次兩個(gè)臺風(fēng)的臺風(fēng)浪研究時(shí)間為: “利奇馬”臺風(fēng)(2019年8月10日0:00—8月13日11:00), “梅花”臺風(fēng)(2011年8月6日0:00—8月9日11:00), 所有時(shí)間均為北京時(shí)間。QF101(水深: 9.09 m, 淺水區(qū)域)、QF104(水深: 17.85 m, 深水區(qū)域)和QF114(水深: 27.98 m, 深水區(qū)域)為風(fēng)速和波高的浮標(biāo)觀測站位(深、淺水區(qū)域判定依據(jù)此處水深/波長是否大于0.5)。渤海所劃方框區(qū)域(38.0°—39.5°N, 119.5°—121.0°E)和黃海所劃方框區(qū)域(33.5°—35.75°N, 120.5°—126.0°E)為研究臺風(fēng)浪成長特性的區(qū)域。

2 ERA5 數(shù)據(jù)資料評價(jià)

2.1 風(fēng)速

圖2、圖3 給出了“利奇馬”臺風(fēng)、“梅花”臺風(fēng)期間, 在QF101、QF104、QF114 三個(gè)浮標(biāo)站位的ERA5風(fēng)場的風(fēng)速與浮標(biāo)實(shí)測風(fēng)速的對比, 可以發(fā)現(xiàn)ERA5風(fēng)場的風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速的吻合度很高, 相應(yīng)站位風(fēng)速的均方根誤差均不超過2.5 m/s, 其中臺風(fēng)“利奇馬”期間在QF101 的ERA5 風(fēng)速均方根誤差最小, 而臺風(fēng)“梅花”期間在QF104 的ERA5 風(fēng)速的均方根誤 差最小。兩個(gè)臺風(fēng)期間在各浮標(biāo)站位風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均在0.80 以上, 平均絕對誤差不超過2.0 m/s, 說明ERA5 風(fēng)場是可靠的(表1)。

圖2 臺風(fēng)“利奇馬”期間(2019 年)ERA5 風(fēng)速與實(shí)測數(shù)據(jù)(Buoy)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的對比 Fig.2 Comparison between wind speed of ERA5 with the measured data (Buoy) at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Lekima in 2019

圖3 臺風(fēng)“梅花”期間(2011 年)ERA5 風(fēng)速與實(shí)測數(shù)據(jù)(Buoy)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的對比 Fig.3 Comparison between wind speed of ERA5 with the measured data (Buoy) at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Muifa in 2011

2.2 有效波高

可以從圖4、圖5 可以看出, 兩個(gè)臺風(fēng)的ERA5的有效波高與浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)在三個(gè)浮標(biāo)站位均比較吻合, 不過兩個(gè)臺風(fēng)在QF114 站位ERA5 的有效波高的最大值都偏低, 對應(yīng)該站位的ERA5 的有效波高的均方根誤差較大, 而該站位的風(fēng)速對比結(jié)果良好。這表明ERA5 的模式的結(jié)果在深水區(qū)的模擬結(jié)果可能偏低, 這與前人的研究結(jié)論一致。盡管如此, ERA5 的模擬結(jié)果還是很好的再現(xiàn)了各個(gè)站位有效波高的時(shí)間變化特征, 如表2 所示, 兩個(gè)臺風(fēng)在各站位有效波高的相關(guān)系數(shù)均在0.89 以上, 平均絕對誤差不超過0.23 m, 表明ERA5 模擬結(jié)果基本可靠。

通過上述浮標(biāo)對比結(jié)果表明, ERA5 的風(fēng)、浪模擬結(jié)果基本可靠, 可以用來研究臺風(fēng)“利奇馬”和“梅花”期間的風(fēng)-浪特征。

表1 ERA5 風(fēng)速的誤差分析 Tab.1 Error analysis of ERA5’s wind speed

圖4 臺風(fēng)“利奇馬”期間(2019 年)ERA5 有效波高與實(shí)測數(shù)據(jù)(Buoy)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的對比 Fig.4 Comparison between significant wave height of ERA5 with the measured data (Buoy) at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Lekima in 2019

圖5 臺風(fēng)“梅花”期間(2011 年)ERA5 有效波高與實(shí)測數(shù)據(jù)(Buoy)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的對比 Fig.5 Comparison between significant wave height of ERA5 with the measured data (Buoy) at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Muifa in 2011

表2 ERA5 有效波高的誤差分析 Tab.2 Error analysis of ERA5’s significant wave height

3 臺風(fēng)風(fēng)場與海浪場的關(guān)系

3.1 空間分布特征

圖6、圖7 分別給出了臺風(fēng)“利奇馬”、臺風(fēng)“梅花”在黃、渤海區(qū)域的ERA5 風(fēng)場與海浪場的空間分布, 圖中列出了風(fēng)速、風(fēng)向與海浪有效波高、波平均周期與波向等特征要素, 同時(shí)此處及后文的臺風(fēng)路徑從ERA5 產(chǎn)品獲得, 以保證臺風(fēng)風(fēng)場的研究一致。分別取了臺風(fēng)在黃海與東海交界附近、黃海中部區(qū)域附近、渤海附近、出渤海這四個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為分析(具體時(shí)刻為, 臺風(fēng)“利奇馬”(2019 年8 月11 日0 時(shí)、8 月11 日12 時(shí)、8 月12 日2 時(shí)、8 月13 日11 時(shí)), 臺風(fēng)“梅花”(2011 年8 月7 日6 時(shí)、8 月7 日22 時(shí)、8 月8 日12 時(shí), 8 月8 日22 時(shí)))。可以看到, 兩個(gè)臺風(fēng)引起的海浪的有效波高分布存在明顯的差異, 其中臺風(fēng)“利奇馬”在山東、江蘇沿岸海域和渤海區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的波浪, 而臺風(fēng)“梅花”在朝鮮半島沿海區(qū)域產(chǎn)生了較大的波高值; 波高的分布與風(fēng)速的分布特征基本一致, 臺風(fēng)風(fēng)速關(guān)于移動路徑存在不對稱性, 臺風(fēng)移動方向右側(cè)風(fēng)速偏大。海浪周期的分布與風(fēng)速和有效波高的分布關(guān)系不大, 兩個(gè)臺風(fēng)中心附近海域均產(chǎn)生較大周期的海浪; 值得注意的是, 臺風(fēng)“利奇馬”和臺風(fēng)“梅花”在進(jìn)入黃、渤海之前, 在山東半島“頭部”沿海區(qū)域和黃、渤海交界區(qū)域存在較大的周期的海浪, 這是由于臺風(fēng)在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的大浪過程傳播至此, 涌浪的傳播速度要明顯大于臺風(fēng)的移動速度; 另外臺風(fēng)“利奇馬”在黃、東海交界區(qū)持續(xù)存在較大周期的海浪, 這應(yīng)該是受附近的1910 號臺風(fēng)“羅莎”的影響導(dǎo)致。波向與風(fēng)向之間存在著顯著的偏差, 波向相對于風(fēng)向偏于臺風(fēng)移動方向位置, 這表明臺風(fēng)浪是風(fēng)浪和涌浪的混合形式, 下文將對風(fēng)浪和涌浪的成分特征進(jìn)行細(xì)致分析。

3.2 臺風(fēng)浪成分分析

臺風(fēng)浪一般是以風(fēng)浪和涌浪的混合形式存在(Li et al, 2012; 陳漢寶等, 2013), 其中風(fēng)浪是指臺風(fēng)過境期間由局地強(qiáng)風(fēng)驅(qū)動引起的, 涌浪是臺風(fēng)過境前在遠(yuǎn)區(qū)形成的海浪傳播至此。ERA5 提供了風(fēng)浪和涌浪的有效波高數(shù)據(jù), 它基于海浪譜的二維譜方法對風(fēng)浪和涌浪進(jìn)行分離(ECMWF, 2016; Hersbach et al, 2018; Bruno et al, 2020)。圖8、圖9 分別給出了“利奇馬”、“梅花”臺風(fēng)期間在山東沿岸海域3 個(gè)浮標(biāo)站位產(chǎn)生的風(fēng)浪有效波高、涌浪有效波高與混合浪有效波高?？梢钥吹絻蓚€(gè)臺風(fēng)過程的海浪成分特征在黃海的QF101 站位存在明顯的差異, 對于臺風(fēng)“利奇馬”, 在海浪成長期主要以風(fēng)浪占優(yōu), 而臺風(fēng)“梅花”以涌浪為主, 值得注意的是, 風(fēng)浪增長的同時(shí), 涌浪也呈現(xiàn)一定的成長, 這是由于臺風(fēng)期間存在強(qiáng)烈的波-波非線性相互作用, 風(fēng)浪可以向涌浪進(jìn)一步傳遞能量(Young, 2006; Xu et al, 2017; Wang et al, 2019a), 后文將結(jié)合海浪的無因次關(guān)系對海浪成長特性做進(jìn)一步分析。在渤海的兩個(gè)站位(QF104, QF114), 兩個(gè)臺風(fēng)過程的海浪成長期以風(fēng)浪為主, 先行涌浪特征不明顯(波高小于0.3 m), 這是由于山東半島的阻隔作用; 在海浪消衰期, 對應(yīng)著局地風(fēng)速的衰減, 海浪以涌浪為主, 海浪衰減相對于風(fēng)速過程明顯偏緩。

圖10 和圖11 給出了臺風(fēng)“利奇馬”、臺風(fēng)“梅花”的混合浪、風(fēng)浪和涌浪的有效波高空間分布圖。整體上看, 兩個(gè)臺風(fēng)進(jìn)入黃海前, 存在一個(gè)明顯的從黃海向渤海的“涌浪舌”。臺風(fēng)“利奇馬”引起的沿岸大浪主要對應(yīng)風(fēng)浪, 而臺風(fēng)梅花移動方向右側(cè)風(fēng)浪明顯占優(yōu), 左側(cè)有明顯的涌浪特征。具體來看臺風(fēng)“利奇馬”在黃、渤海區(qū)域的海浪場情況, 在2019 年8 月11 日0 時(shí)左右, 臺風(fēng)“利奇馬”從東海附近區(qū)域進(jìn)入黃海附近區(qū)域, 在黃海區(qū)域引起了較大的風(fēng)浪和較小的涌浪; 而到了8 月11 日12 時(shí), 此時(shí)臺風(fēng)“利奇馬”從陸地進(jìn)入黃海區(qū)域, 此時(shí)黃海和渤海區(qū)域均產(chǎn)生了風(fēng)浪, 渤海區(qū)域涌浪很小; 到了8 月12 日2 時(shí), 臺風(fēng)“利奇馬”進(jìn)入渤海區(qū)域, 黃、渤海區(qū)域呈現(xiàn)風(fēng)浪與涌浪互相混合但風(fēng)浪為主的狀態(tài); 最后8 月13 日11 時(shí), 臺風(fēng)“利奇馬”減弱為弱氣旋過程, 黃、渤海區(qū)域則出現(xiàn)風(fēng)浪與涌浪互相混合但主要以涌浪為主的海浪(此時(shí)海浪還受到附近1910 號臺風(fēng)“羅莎”的影響)?？梢园l(fā)現(xiàn), 大部分時(shí)間山東沿岸區(qū)域的風(fēng)浪均大于涌浪。對于臺風(fēng)“梅花”, 具體從圖11 來看, 2011 年8 月7 日 6 時(shí)左右臺風(fēng)“梅花”逐漸靠近東、黃海交界區(qū)域, 此時(shí)雖然黃、渤海區(qū)域的海浪主要以風(fēng)浪為主, 但顯然涌浪的影響范圍較風(fēng)浪廣; 8 月7 日22 時(shí), 臺風(fēng)“梅花”進(jìn)入黃海中部海域, 8 月8 日12 時(shí)臺風(fēng)“梅花”開始影響渤海區(qū)域, 從8 月7 日22 時(shí)到8 月8 日12 時(shí)這段時(shí)間黃、渤海尤其山東沿岸海域呈現(xiàn)風(fēng)浪與涌浪相混合的狀態(tài), 但海浪仍是風(fēng)浪為主。8 月8 日22 時(shí), 此時(shí)臺風(fēng)“梅花”已經(jīng)登陸, 可以明顯發(fā)現(xiàn)黃、渤海區(qū)域的海浪主要是涌浪。

圖6 臺風(fēng)“利奇馬”期間風(fēng)速與波高(a、d、g、j)、波周期與波高(b、e、h、k)、風(fēng)向與波向(c、f、i、l)的空間分布 Fig.6 Spatial distribution of wind speeds with significant wave height (a, d, g, j), wave period with significant wave height (b, e, h, k), and wind direction with wave direction (c, f, i, l) during typhoon Lekima

圖7 臺風(fēng)“梅花”期間風(fēng)速與波高(a、d、g、j)、波周期與波高(b、e、h、k)、風(fēng)向與波向(c、f、i、l)的空間分布 Fig.7 Spatial distribution of wind speeds with significant wave height (a, d, g, j), wave period with significant wave height (b, e, h, k), and wind direction with wave direction (c, f, i, l) during typhoon Muifa

圖8 臺風(fēng)“利奇馬”期間(2019 年)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的混合浪、風(fēng)浪、涌浪的有效波高 Fig.8 Significant wave height of combined wind waves and swell, wind waves, and swell at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Lekima in 2019

圖9 臺風(fēng)“梅花”期間(2011)在QF101(a)、QF104(b)和QF114(c)站位的混合浪、風(fēng)浪、涌浪的有效波高 Fig.9 Significant wave height of combined wind waves and swell, wind waves and swell at buoy stations QF101(a), QF104(b), and QF114(c) during typhoon Muifa in 2011

3.3 臺風(fēng)浪成長特性

在風(fēng)的強(qiáng)迫作用下, 風(fēng)浪的周期和波高并不是相互獨(dú)立的, 而是在波-波相互作用下存在內(nèi)在聯(lián)系, 前人研究發(fā)現(xiàn), 風(fēng)浪無因次波高和無因次周期存在顯著的相關(guān)性, 目前已經(jīng)提出了諸多模型關(guān)系(Hasselmann et al, 1976; Kahma, 1981; Zakharov et al, 1983; Donelan et al, 1985; Dobson et al, 1989; Wen et al, 1989; Ewans et al, 1990; Babanin et al, 1998; Hsu et al, 2017), 這些模型可概括表示為:

圖10 臺風(fēng)“利奇馬”期間混合浪(a、d、g、j)、風(fēng)浪(b、e、h、k)、涌浪(c、f、i、l)場的有效波高空間分布 Fig.10 Spatial distribution of combined wind waves and swell (a, d, g, j), wind waves (b, e, h, k) and swell (c, f, i, l) during typhoon Lekima

圖11 臺風(fēng)“梅花”期間混合浪(a、d、g、j)、風(fēng)浪(b、e、h、k)、涌浪(c、f、i、l)場的有效波高空間分布 Fig.11 Spatial distribution of combined wind waves and swell (a, d, g, j), wind waves (b, e, h, k) and swell (c, f, i, l) during typhoon Muifa

本文將選取兩個(gè)臺風(fēng)期間的海浪數(shù)據(jù)進(jìn)行無因次分析, 以檢驗(yàn)風(fēng)浪成長過程中的波-波相互作用特性。值得注意的是, 上述式(4)僅在深水條件下適用, 因此本文選擇了黃、渤海的深水區(qū)域(水深d 和海浪 波 長Lp滿 足 關(guān) 系 d Lp＞ 0 .5)進(jìn) 行 探 究, 其 中Lp=（g 2 π） T。 u10、Hs和 Tp取自圖 1 所劃黑框區(qū)域內(nèi)的深水區(qū)域的數(shù)據(jù), 保證了模型的適用性和計(jì)算的準(zhǔn)確性。水深數(shù)據(jù)從海洋通用水深測量圖(General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO)數(shù)據(jù)集(https://www.gebco.net/)獲得, 其分辨率高達(dá)15arc-seconds。

將兩個(gè)臺風(fēng)在黃、渤海區(qū)的無因次過程分別進(jìn)行描述, 如圖12、13 所示(雙對數(shù)坐標(biāo)繪制)。

臺風(fēng)“利奇馬”期間黃海區(qū)域的無因次風(fēng)-浪關(guān)系可表示為:

臺風(fēng)“利奇馬”期間渤海區(qū)域的無因次風(fēng)-浪關(guān)系可表示為:

臺風(fēng)“梅花”期間黃海區(qū)域的無因次風(fēng)-浪關(guān)系可表示為:

圖12 臺風(fēng)“利奇馬”期間黃海(a)、渤海(b)區(qū)域的無因次波高、周期的散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.12 Scatter diagrams and fitted curves of dimensionless wave height with dimensionless wave period in the Yellow Sea (a) and the Bohai Sea (b) during typhoon Lekima

圖13 臺風(fēng)“梅花”期間黃海(a)、渤海(b)區(qū)域的無因次波高、周期的散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.13 Scatter diagrams and fitted curves of dimensionless wave height with dimensionless wave period in the Yellow Sea (a) and the Bohai Sea (b) during typhoon Muifa

臺風(fēng)“梅花”期間渤海區(qū)域的無因次風(fēng)-浪關(guān)系可表示為:

從圖12、13 可以看到Hsu 模型比較吻合上邊界值, Zakharov 模型則較為吻合下邊界值, Donelan 模型和本文擬合模型則更接近黃、渤海區(qū)域的真實(shí)情況(擬合模型的可決系數(shù) R2(擬合優(yōu)度)在黃、渤海區(qū)域分別為, 臺風(fēng)“利奇馬”: 0.8587、0.9598; 臺風(fēng)“梅花”:0.7341、0.8893, 說明擬合模型較佳)。從擬合的關(guān)系模型不難發(fā)現(xiàn), 臺風(fēng)“利奇馬”期間黃、渤海區(qū)域的冪律系數(shù)a、b 值與臺風(fēng)“梅花”接近, 整體來說, 兩個(gè)臺風(fēng)的無因次關(guān)系較為一致。對比來看, 冪律系數(shù)b 在黃海區(qū)域明顯小于渤海區(qū)域, 該系數(shù)能反應(yīng)波浪的成長階段, 系數(shù)值越小, 波浪成長越充分(Badulin et al, 2012)。因此, 可以推論黃海的風(fēng)浪成長更為充分,這與黃海開闊的海區(qū)對應(yīng)的長風(fēng)區(qū)特性有關(guān)。下面將對結(jié)合波高關(guān)于風(fēng)速的變化對風(fēng)浪成長關(guān)系做進(jìn)一步分析。

通過臺風(fēng)浪的空間分布特征發(fā)現(xiàn)海浪的有效波高與風(fēng)速的變化幾乎一致, 有效波高與風(fēng)速之間具有較高的相關(guān)性, 已有研究表明兩者之間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系(Carter, 1982; Taylor et al, 2001; Andreas et al, 2007; Emeis et al, 2009; 王晨迪等, 2017; 王小丹等, 2019), 可表示為:

其中, m、n、r 為待求系數(shù)(二次多項(xiàng)式系數(shù))。

圖14、15 給出了兩個(gè)臺風(fēng)期間海浪的有效波高Hs與風(fēng)速 u10的風(fēng)-浪關(guān)系。

圖14 臺風(fēng)“利奇馬”期間黃海(a)、渤海(b)區(qū)域的有效波高、風(fēng)速的散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.14 Scatter diagrams and fitted curves of significant wave height with wind speed in the Yellow Sea (a) and the Bohai Sea (b)during typhoon Lekima

圖15 臺風(fēng)“梅花”期間黃海(a)、渤海(b)區(qū)域的有效波高、風(fēng)速的散點(diǎn)圖和擬合曲線Fig.15 Scatter diagrams and fitted curves of significant wave height with wind speed in the Yellow Sea (a) and the Bohai Sea (b)during typhoon Muifa

臺風(fēng)“利奇馬”期間黃海區(qū)域的海浪有效波高與風(fēng)速的風(fēng)-浪關(guān)系模型為:

臺風(fēng)“利奇馬”期間渤海區(qū)域的海浪有效波高與風(fēng)速的風(fēng)-浪關(guān)系模型為:

臺風(fēng)“梅花”期間黃海區(qū)域的海浪有效波高與風(fēng)速的風(fēng)-浪關(guān)系模型為:

臺風(fēng)“梅花”期間渤海區(qū)域的海浪有效波高與風(fēng)速的風(fēng)-浪關(guān)系模型為:

由圖14、15 可以看到, Taylor 等、王晨迪等的模型較為高估了有效波高, 而王小丹等的模型則較為低估了有效波高, 本文擬合的風(fēng)-浪模型則更適合黃、渤海區(qū)域?？傮w來看, 兩個(gè)臺風(fēng)過程的有效波高與風(fēng)速關(guān)系模型中, 臺風(fēng)“利奇馬”的臺風(fēng)浪成長特性與臺風(fēng)“梅花”基本一致, 而兩者在黃海區(qū)域的臺風(fēng)浪成長較在渤海區(qū)域都更為充分(需要區(qū)別注意的是, 臺風(fēng)“利奇馬”期間的風(fēng)速普遍低于 20 m/s, 而臺風(fēng)“梅花”期間的存在風(fēng)速超過20 m/s 的情形, 從擬合關(guān)系來看,這一高風(fēng)速情形下的波高隨風(fēng)速的成長變化趨勢變緩,這可能是由于風(fēng)區(qū)的限制導(dǎo)致), 這與前面的無因次分析結(jié)果基本一致。上述結(jié)果表明, 臺風(fēng)浪的成長特性主要與區(qū)域有關(guān), 與臺風(fēng)過程關(guān)系不明顯。

4 結(jié)論

本文首先評估了 ERA5 產(chǎn)品的質(zhì)量, 研究表明ERA5 產(chǎn)品的風(fēng)速和有效波高與浮標(biāo)實(shí)測資料是吻合的。然后基于 ERA5 數(shù)據(jù)對 1909 號臺風(fēng)“利奇馬”和1109 號臺風(fēng)“梅花”(兩類典型不同移動路徑的臺風(fēng))在黃海和渤海區(qū)域的海浪場特征和風(fēng)-浪成長關(guān)系進(jìn)行研究, 得到了以下結(jié)論:

(1)兩個(gè)臺風(fēng)引起的臺風(fēng)浪的有效波高分布差異較大, 波高的分布和風(fēng)速分布基本相同, 臺風(fēng)移動路徑右側(cè)風(fēng)速偏大; 海浪的風(fēng)速、有效波高與周期之間的分布關(guān)系不大, 臺風(fēng)中心附近區(qū)域均形成了較大周期的海浪; 風(fēng)向與波向之間存在一定偏差, 波向相對風(fēng)向偏于臺風(fēng)移動方向。

(2)分析臺風(fēng)浪各成分的空間分布發(fā)現(xiàn), 一個(gè)從黃海向渤海的“涌浪舌”在兩個(gè)臺風(fēng)進(jìn)入黃海之前便存在; 臺風(fēng)“利奇馬”導(dǎo)致的沿岸海浪以風(fēng)浪為主; 臺風(fēng)“梅花”的移動方向左側(cè)主要表現(xiàn)為涌浪特征, 右側(cè)則以風(fēng)浪為主。

(3)臺風(fēng)浪的無因次波高與無因次周期呈現(xiàn)冪律關(guān)系, 臺風(fēng)浪的有效波高與風(fēng)速呈二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系; 兩個(gè)臺風(fēng)路徑下的臺風(fēng)浪的成長特性較為一致, 臺風(fēng)浪的成長特性主要與所處區(qū)域的水深、地形有關(guān), 體現(xiàn)為臺風(fēng)浪在黃海區(qū)域較渤海區(qū)域成長更為充分。