呂 曌,伍志元*,2,3,蔣昌波,3,4,張浩鍵,高 凱,顏 仁

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024; 3.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 4.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 株洲 412007)

0 引言

臺(tái)風(fēng)是一種極具破壞性和災(zāi)害性的海洋天氣系統(tǒng),其產(chǎn)生和發(fā)展通常伴隨著狂風(fēng)、暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮等一系列極端事件[1]。我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū),是全球熱帶氣旋活動(dòng)最劇烈的地區(qū)之一。統(tǒng)計(jì)表明2000年至2019年的20年間,平均每年有8場(chǎng)臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó),其伴隨的“臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈”造成了嚴(yán)重人員傷亡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。臺(tái)風(fēng)期間海氣界面存在強(qiáng)烈的熱量、動(dòng)量和物質(zhì)交換,臺(tái)風(fēng)通過(guò)風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)海洋流場(chǎng)及風(fēng)暴增水,而海洋則通過(guò)熱通量、水氣交換等響應(yīng),改變臺(tái)風(fēng)的發(fā)展[4-5]。因此,研究臺(tái)風(fēng)與海洋之間的作用機(jī)理及熱量、動(dòng)量、物質(zhì)交換,對(duì)于抵御各種臺(tái)風(fēng)災(zāi)害、保障人民生命安全和減少國(guó)民經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間,上層海洋與大氣會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。一方面,臺(tái)風(fēng)驅(qū)動(dòng)表層海洋形成復(fù)雜的多尺度環(huán)流系統(tǒng),并伴隨著海洋內(nèi)部強(qiáng)烈的垂直混合,發(fā)生海表溫度降低、鹽度變化等現(xiàn)象[6-8];另一方面,表層海洋的動(dòng)力和熱力結(jié)果對(duì)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生調(diào)制作用[9-10]。如臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)在海洋表面形成的“冷尾流”由?？寺槲拇怪被旌蠈?dǎo)致,“冷尾流”分布使熱通量傳輸發(fā)生改變,進(jìn)而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及其發(fā)展[11-13]。

揭示臺(tái)風(fēng)的發(fā)展過(guò)程及運(yùn)動(dòng)機(jī)理需要綜合考慮大氣與海洋之間的相互作用,采用大氣和海洋雙向傳輸?shù)臄?shù)值耦合模式是一個(gè)重要手段。早在1997年,國(guó)外就開(kāi)發(fā)了COAMPS雙向耦合模式并用于北太平洋沿岸臺(tái)風(fēng)天氣的研究[14];NCEP開(kāi)發(fā)的HWRF模型在北太平洋和孟加拉灣也有良好的模擬結(jié)果[15];蔣小平 等[16]將MM5大氣模式與POM區(qū)域海洋模式耦合,分析了Krovanh(0312)臺(tái)風(fēng)引起的海面降溫對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響。近年來(lái),通過(guò)MCT耦合器(model coupling toolkit,MCT)將中尺度大氣模式(weather research and forecasting model, WRF)、區(qū)域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和海浪模式(simulating waves nearshore, SWAN)進(jìn)行耦合開(kāi)發(fā)的COAWST模式也受到了廣泛應(yīng)用[17-21]。

本文基于已建立的南中國(guó)海海氣耦合模式[18],選擇2018年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”進(jìn)行數(shù)值模擬研究,利用實(shí)測(cè)資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,針對(duì)臺(tái)風(fēng)“山竹”在南海過(guò)境期間的風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、海表流場(chǎng)和風(fēng)暴增水過(guò)程及其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行分析和討論,探究海氣耦合模式下臺(tái)風(fēng)與海洋的相互作用機(jī)制與動(dòng)力特征。

1 研究方法

1.1 模型及方法

WRF是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心開(kāi)發(fā)的天氣分析和預(yù)報(bào)模式,被廣泛用于臺(tái)風(fēng)模擬研究。WRF模式采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,模式的時(shí)間積分采用三階或者四階的Runge-Kutta方案,水平方向采用正交曲線網(wǎng)格(Arakawa C),垂直方向采用地形坐標(biāo),控制方程基于完全可壓縮的非靜力歐拉平衡方程。

ROMS是基于三維非線性、自由表面斜壓方程的海洋模式,使用雷諾平均的納維-斯托克斯方程。在水平方向的Arakawa C網(wǎng)格和垂直方向的地形跟隨坐標(biāo)上使用有限差分近似法,并采用非等比例分層模式。該模式相較于傳統(tǒng)水深分層可以更好模擬起伏的海底地形,提高溫躍層和底部邊界層的模擬精度。

在WRF-ROMS耦合模式中,通過(guò)耦合器實(shí)現(xiàn)大氣與海洋模式的實(shí)時(shí)雙向耦合。其中,大氣模式將10 m風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、長(zhǎng)/短波輻射以及熱通量等數(shù)據(jù)提供給海洋,海洋模式則將海表溫度提供給大氣,具體耦合方法見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

1.2 案例選取

綜合考慮臺(tái)風(fēng)軌跡、強(qiáng)度、作用范圍及受災(zāi)損失等因素,選擇2018年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”為研究對(duì)象。臺(tái)風(fēng)“山竹”于北京時(shí)間2018年9月7日10:00在西北太平洋關(guān)島以東洋面形成;9月9日02:00加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴;9月11日08:00起發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng);9月15日02:00登陸菲律賓半島,臺(tái)風(fēng)中心的最大持續(xù)風(fēng)速250 km/h(69.4 m/s);9月16日17:00在廣東臺(tái)山再次登陸,中心最高風(fēng)力14級(jí)(45 m/s),中心最低氣壓955 hPa;9月17日下午逐漸減弱為熱帶低壓。

據(jù)香港天文臺(tái)統(tǒng)計(jì),超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”導(dǎo)致香港部分海域風(fēng)暴增水超過(guò)2.0 m,其中鲗魚(yú)涌和尖鼻咀潮汐站分別增水2.35 m和2.58 m?！吧街瘛睂?dǎo)致珠江三角洲發(fā)生特大暴雨(降雨量250 mm以上),其中陽(yáng)江地區(qū)最大降雨達(dá)481.5 mm,沿海最大風(fēng)暴增水達(dá)到3.39 m(百年一遇增水),多個(gè)站點(diǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)丶t色警戒潮位50 cm以上。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

WRF計(jì)算區(qū)域覆蓋菲律賓半島、北部灣及南部沿海區(qū)域,采用蘭伯特投影和雙層嵌套網(wǎng)格,主網(wǎng)格中心為114°E,21°N,主網(wǎng)格和嵌套網(wǎng)格精度分別為9 km 和3 km,垂向分32層,參數(shù)化方案如表1所示[22],時(shí)間步長(zhǎng)取60 s。初邊界條件采用FNL (final opera-tional global analysis)全球大氣再分析資料,空間分辨率為0.25°,數(shù)據(jù)間隔為6 h。

表1 WRF模式物理參數(shù)化方案配置Tab.1 Configuration of the physical parameterization schemes in the WRF model

ROMS主網(wǎng)格位于WRF主網(wǎng)格內(nèi),空間范圍為16°N—26°N,107°E—123°E。主網(wǎng)格分辨率為9 km,與嵌套網(wǎng)格的比率為1∶3,主網(wǎng)格和嵌套網(wǎng)格的垂向分層均為16層?；谀M區(qū)域考慮,設(shè)置西邊界為閉邊界,其余為開(kāi)邊界;坐標(biāo)控制參數(shù)THETA_S=5、THETA_B=0.4;時(shí)間步長(zhǎng)dt分別為30 s和15 s;垂向混合方案采用MY2.5方案[23]。ROMS模式中水深數(shù)據(jù)來(lái)自ETOPO水深數(shù)據(jù)集,模式的初始和邊界條件分別來(lái)自HYCOM再分析資料和OSU數(shù)據(jù)庫(kù)提供的潮汐強(qiáng)迫資料,其中潮汐包含M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1共8個(gè)分潮。

耦合模式模擬時(shí)間選擇UTC時(shí)間(下同),從2018年9月13日00:00至9月17日00:00,共計(jì)96 h,其中設(shè)置48 h的模式穩(wěn)定期,耦合模式下WRF與ROMS通過(guò)MCT每1 800 s交換1次數(shù)據(jù)[24]。本研究設(shè)置3組試驗(yàn),分別是WRF模式(R1試驗(yàn))、WRF-ROMS耦合模式(R2試驗(yàn))、ROMS模式(R3試驗(yàn))。

利用觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模式的準(zhǔn)確性,觀測(cè)數(shù)據(jù)分別來(lái)自中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心(https://tcdata.typhoon.org.cn)、日本氣象廳(https://www.jma.go.jp/jma)以及香港天文臺(tái)(https://www.hko.gov.hk),包括超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的最佳路徑、臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)、中心最低氣壓等數(shù)據(jù);風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局(NOAA)(https://www.nesdis.noaa.gov/data-research-services);氣壓數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)海洋預(yù)報(bào)網(wǎng)(http://g.hyyb.org/systems/HyybData/DataDB/)。

2 模式驗(yàn)證

基于WRF(R1試驗(yàn))和WRF-ROMS(R2試驗(yàn))模式得到了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”在南海過(guò)境期間的臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度,并與中國(guó)氣象局(CMA)、日本氣象廳(JMA)以及香港天文臺(tái)(HKO)的最佳路徑數(shù)據(jù)集進(jìn)行了對(duì)比(圖2)。結(jié)果表明,兩組試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)路徑與最佳路徑均較為吻合。圖3、圖4給出了2種模式下臺(tái)風(fēng)中心氣壓、近中心最大風(fēng)速以及臺(tái)風(fēng)路徑與CMA和JMA最佳路徑數(shù)據(jù)集的對(duì)比,從圖中可以看出,15日 00:00后(臺(tái)風(fēng)離開(kāi)菲律賓進(jìn)入南海),試驗(yàn)的中心氣壓和最大風(fēng)速均與最佳路徑數(shù)據(jù)較吻合,路徑誤差控制在60 km以內(nèi),其中R2試驗(yàn)(耦合模式)的結(jié)果更為理想,誤差維持在40 km以內(nèi); 9月16日09:00臺(tái)風(fēng)在廣東臺(tái)山再次登陸,受下墊面因素的影響,兩組試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)中心氣壓與路徑誤差較再次登陸前均顯著增大。

圖1 耦合模式計(jì)算區(qū)域及嵌套網(wǎng)格示意圖Fig.1 The simulation domain and nested grids of the coupled air-sea model(藍(lán)色實(shí)線表示W(wǎng)RF嵌套網(wǎng)格,紅色虛線表示ROMS嵌套網(wǎng)格。)(The blue solid line represents the WRF nested grid,and the red dashed line represents the ROMS nested grid.)

圖2 不同模式下超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”模擬路徑與最佳路徑的對(duì)比Fig.2 Comparison between the simulated track and the best track of super typhoon Mangkhut in different models

圖3 模式與最佳路徑數(shù)據(jù)集的臺(tái)風(fēng)中心氣壓和近中心最大風(fēng)速對(duì)比Fig.3 Comparison of typhoon central pressure and maximum wind speed from the models with those from the best-track dataset(豎向虛線代表臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻。)(Vertical dashed line represents the time of typhoon landfall.)

圖4 兩組試驗(yàn)?zāi)M路徑與最佳路徑的誤差Fig.4 Comparison of the bias of the track simulated by two different models with that from the best-track dataset(豎向虛線代表臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻。)(Vertical dashed line represents the time of typhoon landfall.)

為驗(yàn)證臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬效果,利用超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”過(guò)境期間廣東沿海氣象測(cè)量點(diǎn)及浮標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究,各站點(diǎn)位置如圖5所示。圖6和圖7分別展示了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”在不同試驗(yàn)條件下,各個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速與氣壓的驗(yàn)證結(jié)果,可以看出,試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。風(fēng)速的驗(yàn)證中,除汕頭站因距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn),吻合較差外,其余各站驗(yàn)證的相關(guān)系數(shù)均在0.83以上(圖6)。氣壓的驗(yàn)證中,在QF306、SF304浮標(biāo)站處R1試驗(yàn)的均方根誤差相較R2試驗(yàn)的更大,即在耦合海洋模式中,臺(tái)風(fēng)模擬的準(zhǔn)確性有一定程度改善(圖7)。

圖5 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”影響期間風(fēng)速、海平面氣壓、潮位測(cè)站分布位置示意圖Fig.5 Distribution diagram of wind speed, sea level pressure and tide stations during the influence of super typhoon Mangkhut

圖6 模擬風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程對(duì)比Fig.6 Time series comparison between models’ wind speed and observed wind speed

圖7 模擬與浮標(biāo)實(shí)測(cè)海平面氣壓時(shí)程對(duì)比Fig.7 Time series comparison between sea level pressure by models with that by buoy stations

3 結(jié)果與討論

3.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)

圖8給出了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”離開(kāi)菲律賓半島至登陸廣東沿海過(guò)程中WRF-ROMS耦合模式(R2試驗(yàn))風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)分布特征,圖中黑色箭頭代表海面以上10 m的風(fēng)速矢量,顏色代表氣壓場(chǎng)。從圖中可以看出,在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”影響下,南海上空形成了顯著的氣旋風(fēng)場(chǎng)和中心低壓。臺(tái)風(fēng)離開(kāi)菲律賓進(jìn)入南海后,強(qiáng)度增加,登陸廣東前臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)速基本保持在30 m/s以上,臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓保持在960 hPa以下(圖8a～8d); 9月16日00:00后,受下墊面因素的影響,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度開(kāi)始減弱(圖8e～8g);登陸后,臺(tái)風(fēng)迅速消散(圖8h～8i)。

圖8 耦合模式下超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the pressure and wind field in coupled model during super typhoon Mangkhut

圖8中,臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中心位置基本吻合,并且在科氏力的影響下,臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度高于左側(cè)。臺(tái)風(fēng)“山竹”在進(jìn)入南海后保持15級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,七級(jí)風(fēng)圈半徑為400 ～550 km,臺(tái)風(fēng)路徑右后方風(fēng)圈半徑較大、影響更為廣泛,這與實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈分布相同[25];進(jìn)入近海后,七級(jí)風(fēng)圈半徑縮減至250 ～350 km,其中大陸岸線方向半徑最小,但仍包含整個(gè)廣東沿岸,影響范圍較廣。

3.2 風(fēng)生流場(chǎng)

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”影響期間,強(qiáng)烈的氣旋風(fēng)場(chǎng)對(duì)南海北部上層海洋造成了劇烈擾動(dòng)。圖9 給出了“山竹”影響期間南海表層流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)矢量分布,可以看出,流場(chǎng)整體沿臺(tái)風(fēng)路徑呈現(xiàn)顯著的不對(duì)稱性,且流場(chǎng)中心位于臺(tái)風(fēng)中心沿路徑的左后方,表現(xiàn)出風(fēng)生流場(chǎng)滯后臺(tái)風(fēng)行進(jìn)的特征。

風(fēng)生流場(chǎng)的不對(duì)稱性主要是受臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)的影響[18,20-21],這種不對(duì)稱使南海上層海洋形成的氣旋式流場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)路徑的右側(cè)產(chǎn)生較大流速,最高可達(dá)3.1 m/s。臺(tái)風(fēng)過(guò)境前(圖9a、9b),由于表層流場(chǎng)同時(shí)受到了科氏力和下層海水黏滯力的影響,表現(xiàn)出流場(chǎng)偏向風(fēng)場(chǎng)右側(cè)45°的?？寺?yīng);臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)(圖9c～9e),在風(fēng)應(yīng)力影響下,右側(cè)高流速區(qū)的流向與風(fēng)向保持同向,左側(cè)低流速區(qū)與風(fēng)向的角度則逐漸增大,導(dǎo)致流場(chǎng)相對(duì)風(fēng)場(chǎng)整體向左后方偏移。

圖9 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)生流場(chǎng)的空間分布Fig.9 Spatial distribution of typhoon wind fields and wind-generated current fields(表示臺(tái)風(fēng)中心;表示流場(chǎng)中心。)( represents the typhoon center; represents the center of the flow field.)

為進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)影響下近岸海表流速的特性,本文選取圖5中QF303、QF305、 QF306、 SF304四個(gè)站點(diǎn),分別繪制風(fēng)向、流向的時(shí)間演變特征圖(圖10),其中QF303、QF305位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè),QF306位于左側(cè),SF304位于臺(tái)風(fēng)路徑中心附近。由圖可知,QF303、QF305初始為東北風(fēng),隨著臺(tái)風(fēng)臨近,風(fēng)向逐漸偏南,在16日03:00風(fēng)速達(dá)到30 m/s,臺(tái)風(fēng)過(guò)境后變?yōu)闁|南風(fēng),整體風(fēng)向呈順時(shí)針變化。根據(jù)QF303和QF305處流速、流向可以看出,流速相較于風(fēng)速最大值滯后約3 h,風(fēng)生海流由西南逐漸變?yōu)槲鞅绷飨?且在海表黏滯力的影響下流向的改變相較風(fēng)向有明顯滯后。QF306位于臺(tái)風(fēng)路徑左側(cè),風(fēng)向由北風(fēng)逆時(shí)針變?yōu)槟巷L(fēng),流向保持西南方向不變,在16日14:00時(shí)該處風(fēng)速達(dá)到20 m/s,受到潮汐影響,海表流速數(shù)小時(shí)保持較低值。SF304流速最大值變化落后風(fēng)速6 h。從風(fēng)生流場(chǎng)的空間分布特征可以得出,臺(tái)風(fēng)影響下,表層海洋流場(chǎng)呈現(xiàn)出空間上的右偏性特征,并且其流速和流向的變化相較風(fēng)場(chǎng)存在顯著滯后。

圖10 特征站點(diǎn)風(fēng)速、流速以及風(fēng)向、流向歷時(shí)曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of wind speed and current velocity as well as wind direction and current direction at the stations(黑色虛線表示臺(tái)風(fēng)途經(jīng)站點(diǎn)時(shí)刻。)(The black dotted line indicates the time when the typhoon passes through the stations.)

3.3 風(fēng)暴增水

分別對(duì)天文潮和風(fēng)暴潮數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(圖11),模擬結(jié)果基本再現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)期間橫門、三灶、蛇口潮位站的風(fēng)暴增水過(guò)程,模擬的最大水位分別為2.6 m、2.6 m、2.1 m。

基于耦合模式得到了臺(tái)風(fēng)“山竹”影響下南海北部的風(fēng)暴增水分布情況(圖12)。由圖可以看出,自9月15日06:00(圖12b)起,臺(tái)風(fēng)中心附近產(chǎn)生0.4 m的增水現(xiàn)象,隨著臺(tái)風(fēng)的向岸移動(dòng),增水范圍和增水高度都有明顯增強(qiáng);9月16日06:00(圖12f),珠江三角洲東南沿岸最大增水可達(dá)1.5 m,臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)部分地區(qū)增水可達(dá)2.0 m。在圖10的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)比氣壓及風(fēng)暴增水的時(shí)程曲線,結(jié)果如圖13所示:位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的站位(QF303、QF305)的風(fēng)暴增水極大值時(shí)刻落后風(fēng)速最大時(shí)刻2 h,最大增水超過(guò)1.0 m;路徑左側(cè)站位(QF306)的風(fēng)暴增水極大值時(shí)刻為臺(tái)風(fēng)過(guò)境后6 h,最大增水約0.8 m;位于深水區(qū)域的SF304處風(fēng)暴增水較小,最大僅為0.4 m,且增水極值時(shí)間與氣壓極值同步。綜上所述,風(fēng)暴增水在近岸淺水區(qū)表現(xiàn)出相對(duì)風(fēng)速、氣壓滯后以及臺(tái)風(fēng)軌跡右側(cè)增水大于左側(cè)的特點(diǎn)。LIU等[26]對(duì)臺(tái)風(fēng)“瑪利亞”期間風(fēng)暴增水的模擬也同樣呈現(xiàn)出右偏的特征。這是由于臺(tái)風(fēng)進(jìn)入近岸淺水區(qū)后,臺(tái)風(fēng)右側(cè)的流速矢量方向垂直于岸線,導(dǎo)致右側(cè)的風(fēng)暴增水較大;而淺水區(qū)同時(shí)會(huì)受到風(fēng)應(yīng)力的作用,使得增水持續(xù)增強(qiáng),最終表現(xiàn)出風(fēng)暴增水過(guò)程相較臺(tái)風(fēng)存在一定滯后的現(xiàn)象。深水區(qū)的風(fēng)暴增水主要受臺(tái)風(fēng)中心低壓影響,發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心處,因此與臺(tái)風(fēng)響應(yīng)并無(wú)時(shí)間滯后特征。

圖12 海表流場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴增水的空間分布Fig.12 Spatial distribution of sea surface current fields and surge caused by super typhoon Mangkhut(表示臺(tái)風(fēng)中心; 表示流場(chǎng)中心。)( represents the typhoon center; represents the center of the flow field.)

圖13 特征站點(diǎn)風(fēng)速、氣壓、流速及風(fēng)暴增水歷時(shí)曲線Fig.13 Time series of wind speed, pressure, current velocity and storm surge at the stations(黑色虛線表示臺(tái)風(fēng)途經(jīng)站點(diǎn)時(shí)刻。)(The black dotted line indicates the time when the typhoon passes through the stations.)

4 結(jié)論

基于中尺度大氣模式WRF和區(qū)域海洋模式ROMS,構(gòu)建了南海WRF-ROMS海氣雙向耦合模式,針對(duì)2018年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”進(jìn)行模擬,并結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證,分析南海北部區(qū)域臺(tái)風(fēng)影響下的大氣與上層海洋要素特征及其相互作用,并探討了大氣和海洋動(dòng)力要素的時(shí)空分布特征,得到以下主要結(jié)論。

1)受臺(tái)風(fēng)影響,海表風(fēng)生流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)整體表現(xiàn)出顯著的?？寺?yīng),流向與風(fēng)向基本呈45°。

2)空間上,受科氏力影響,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)生流場(chǎng)、近岸風(fēng)暴增水在臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)存在極大值,整體呈現(xiàn)空間上的“右偏性”特征。

3)時(shí)間上,風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)時(shí)空分布特征相似且與臺(tái)風(fēng)中心同步;深水區(qū)風(fēng)暴增水主要受臺(tái)風(fēng)中心氣壓作用并與氣壓保持一致;風(fēng)生流場(chǎng)和近岸風(fēng)暴增水對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)存在時(shí)間滯后特征,滯后時(shí)長(zhǎng)約3 h。

綜上,本文采用大氣-海洋耦合模式的模擬結(jié)果較為理想,能有效反映臺(tái)風(fēng)作用下大氣與海流之間的動(dòng)態(tài)變化,為海氣相互作用研究提供參考。本文未考慮波浪對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響,而在實(shí)際場(chǎng)景中,波浪會(huì)影響海洋表面的粗糙度和海洋內(nèi)部的垂直混合,因此針對(duì)波浪與大氣的相互影響還需開(kāi)展進(jìn)一步的研究。