0801号台风风浪场和涌浪场的数值模拟

韩晓伟，周林，游大鸣，萧中乐

(1.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101;2.92858部队水文气象中心，浙江宁波315812;3.96631部队，北京102208)

0 引言

热带气旋是发生在热带洋面上的一种具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，是主要的灾害性天气系统之一。我国位于太平洋西岸，是世界上受热带气旋影响最为严重的国家之一(陈玉林等，2005;曹楚等，2006;杨慧娟等，2007;王蔚等，2008;程婧和倪允琪，2009;王磊等，2009)，而由台风引起的台风浪则是我国的主要海洋灾害之一(陈希等，2002，2003)，它不仅对我国的海岸防护工程、海域船舶航行、渔业捕捞和近岸养殖业等造成危害，而且对沿海人民的生命财产和安全构成巨大威胁。因此，进行台风浪的研究，进一步提高台风浪的预报技术和精度，具有重要的现实和理论意义。

由于海上观测资料匮乏，海浪的数值模拟一直是海浪研究的重要手段，不仅被用于认识和分析海浪的生成、发展和传播规律，而且还是海浪预报和分析的主要手段和工具。海浪的数值模拟发展至今已达到比较成熟的阶段，目前已经发展至第三代海浪预报模式。WAM(wave prediction model)、WAVEWATCH和SWAN(simulating waves nearshore)是当今国际上公认的第三代海浪模式的代表，它们已被成功地应用于不同条件下的海浪研究和海浪场业务预报。

目前，对台风浪的研究也大都以数值模拟为主。近年来，国内外许多学者利用WAVEWATCHⅢ模式对不同海域的不同台风个例进行了数值模拟且均取得了较好的模拟结果(Moon et al.，2003;魏晓琳等，2007;Padilla-Hernández et al.，2007;徐福敏等，2008;Chu and Cheng，2008;Wang and Oey，2008;闫涛等，2009;Fan et al.，2009)。因此，本文拟在前人研究的基础上，采用美国国家海洋大气总局、美国国家环境预报中心(NOAA/NCEP)的海洋模拟和分析部(MMAB)于2009年5月发布的最新版WAVEWATCHⅢVersion3.14(该版本的突出特点是采用波浪谱能量分离方法实现了风浪和涌浪的分离)对在我国南海海域生成、发展的0801号台风“浣熊”进行数值模拟，并在此基础上对台风浪的发展过程和台风影响下的海面有效波高、风浪场及涌浪场的分布特征进行分析，为新版的WAVEWATCHⅢ(version3.14)在我国海域的适用性及台风浪的理论研究和数值预报提供依据。

2 模式简介和试验方案

2.1 模式简介

WAVEWATCHⅢ模式(简称WW3)是第三代海浪模式的杰出代表，在海浪业务化预报中得到了广泛应用，已经作为美国大气海洋局(NOAA)的业务化海浪模式，负责发布全球及区域海域的海浪预报。

在WW3模式中，波浪的传播方程(Tolman，2009)可以表示为。式中表示求全导;S代表与海浪谱有关的源和汇的总和。

WW3 version3.14在以往版本的基础上对源项S进行了新的定义，考虑了更多的物理过程，增加了新的参数化方案。在以往版本中，源函数项包括风能量输入项Sin、波波非线性相互作用项Snl、耗散(白冠)项Sds，在浅水区考虑了底摩擦项Sbot。而在WW3 version3.14中新加入了线性输入项Sln，在极浅水域还考虑了水深诱导的破碎项Sdb和三波相互作用项Str，同时还包含有受底地形影响的散射项Ssc以及用户自定义的源项Sxx，这样S(Tolman，2009)就可以表示为:

传统的模式嵌套只是单向(one-way)嵌套，即低分辨率区域(外区域)单方面地向高分辨率区域(内区域)提供边界值，而WW3 version3.14则实现了多重网格(multi-grid)的双向(two-way)嵌套，不仅实现了高、低分辨率区域数据的互通互传以及同等级区域数据的互通互传，而且还极大地提高了模式的分辨率和模拟精度。另外，以前版本的WW3模式自嵌套需要操作者人工去设定嵌套边界并将外区域输出的边界值人为提供给内区域，而WW3 version3.14则在模式自嵌套时完全实现了自动化，省却了人工设定的麻烦，同时也减少了错误操作的概率。

此外，WW3 version3.14采用波浪谱能量分离(wave spectrum energy partitioning，WaveSEP)方法实现了风浪和涌浪的分离，可以在模式的输出中直接获取关于风浪和涌浪的物理量，如有效波高、周期、方向等。波浪谱能量分离方法通过引入风浪分数(wind sea fraction)W来实现风浪(wind wave)和涌浪(swell)的分离计算(公式(1))(Tracy et al.，2007;Tolman，2009):

由式(1)可知，风浪分数W是局地波动相速c(c=σ/k)小于Up的那部分波动能量E|Up＞c占波浪谱总能量E的比例。式(2)中，Up是波动传播方向上的风速分量与波龄因子Cmult的乘积(U10表示海面10 m风速)。根据风浪分数W值的不同，可将波浪分为纯风浪(W=1)、纯涌浪(W=0)或混合浪(0＜W＜1)，而涌浪又可以根据频率和方向的不同按其在涌浪能量中所占比例的大小进一步划分为Swell 1(Primary Swell)和Swell 2(Second Swell)。波浪谱能量分离方法的一般步骤为:谱峰分隔、风浪谱峰的确认和合并、相关涌浪谱峰的合并、能量阈值的核验、各分离部分物理量的计算(Hanson and Phillips，2001)。

2.2 台风简介和试验方案

0801号台风“浣熊”是生成于南海的热带气旋，从生成到消亡共历时6 d(图1)。“浣熊”于2008年4月14日00:00(世界时，下同)在菲律宾群岛西南部海域由一热带低压云团发展而来，15日06:00，在南海南部海域迅速发展成为2008年第一个热带风暴，并向西北方向移动，强度迅速加强，16日00:00“浣熊”出现云卷风眼，加强为强热带风暴并向西北偏西方向移动，之后强度继续加强，仅6 h后，即16日06:00加强成台风，转向西北偏北方向移动，逐渐向西沙群岛附近海面靠近，17日12:00穿过西沙的珊瑚岛后，继续向西北偏北方向移动，到18日04:00转向偏北方向，06:00强度逐渐减弱，12:00再次转向西北偏北方向移动，14:00强度继续减弱为强热带风暴，并于18日14:30左右在海南省文昌市的龙楼镇登陆，登陆时中心最大风力达11级(30 m/s)，中心气压为980 hPa。台风“浣熊”登陆后强度逐渐减弱，18日17:00在20°N从偏北转向东北方向再次进入南海北部海面，向广东沿海靠近，19日05:00减弱为热带低压，08:15左右在广东阳东县沿海地区再次登陆，20日早晨在广东境内减弱成低气压(翁小芳等，2008)。“浣熊”具有登陆时间早、寿命短、强度变化(增强和减弱)快等特点。

本文拟采用WW3 version3.14的双向嵌套对0801号台风“浣熊”进行数值模拟，模拟区域采用三重嵌套，具体区域划分见图1，具体区域设置和模式参数设置如表1所示。三个区域的谱空间设置均相同，其中方向划分为24个，即间隔为15°，从0°开始;频率分为25级，采用对数递增间隔，即σm+1=Xσσm，Xσ为递增因子(取为1.1)，最低频率为0.041 18 Hz，最高频率为0.446 17 Hz。采用QSCAT/NCEP混合风场来驱动模式运行，模式计算时间从2008年4月14日00:00至20日00:00，每小时输出一次模拟结果。

3 数据简介

3.1 地形数据

模式运行所需的地形数据来源于ETOPO2全球地形数据集(http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/01mgg04.html)，该数据的分辨率为2'×2';海岸线数据来源于GSHHS全球高分辨率海岸线数据库(http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/shorelines/gshhs.html)。模拟海域的地形复杂多样，岛屿和暗礁众多，既有宽广的大陆架，又有险峻的大陆坡以及广阔的深水盆地，浅水陆架区和中央深水海盆面积约各占一半。浅水陆架区深度大多小于100 m，主要由广东沿岸、北部湾和泰国湾等区域组成，深度约在50 m。中央海盆深度大于1 000 m，其最大深度超过5 000 m，海盆中部3 000 m等值线的区域呈菱形，约占深水海盆面积的一半(图略)。

图1 台风“浣熊”路径及模拟区域示意图(台风数据来源于中国台风网“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”)Fig.1 The path of typhoon Raccoon and the simulating region(Typhoon data are from China Typhoon Network“CMA-STI Best Track Dataset”)

表1 区域范围及参数设置Table 1Area coverage and parameter setting

3.2 Jason-1卫星资料简介

Jason-1卫星(http://topex-www.jpl.nasa.gov/mission/jason-1.html)是由美国和法国联合研制的海洋观测卫星，于2001年12月7日在美国加利福尼亚州成功发射升空。Jason-1是第一颗海洋长期观测卫星，其目标涉及到多个地球科学领域，包括海洋物理学、海洋气象预报、海洋气象学和地球物理学，该卫星可以测量全球海平面的变化情况及大洋上风速和波高的数值。Jason-1的卫星轨道类型为太阳同步圆形轨道，轨道高度为1 336 km，倾角为66°，该卫星采用回归轨道，周期为9.9 d，全球数据覆盖范围为66°S～66°N，其测高精度(30 d平均)为4.2 cm。

本文利用Jason-1卫星星下轨迹点上的有效波高数据来验证WW3模式对台风条件下海浪场的模拟效果，以检验模式对台风浪的模拟能力。

3.3 QSCAT/NCEP混合风场

QSCAT/NCEP混合风场是对高分辨率的QuickSCAT卫星散射计探测数据(QSCAT)和美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据的时空混合分析结果，其方法是保留了QuickSCAT的沿轨风场数据而在其空白区域加入NCEP海面风场实况分析数据场。该混合风场给出的是距海面10 m处沿经向和纬向的风速分量，具有较高的时空分辨率，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间间隔为6 h，覆盖范围为0°～360°、88°S～88°N(http://dss.ucar.edu/datasets/ds744.4/data)。

4 模拟结果检验及分析

4.1 模拟结果检验

为进一步检验模式对台风浪的模拟效果，将中区的海面有效波高模拟结果与Jason-1卫星高度计实测资料进行对比分析，模式模拟时段处于Jason卫星的第231个运行周期内，共有8条卫星轨道扫过模拟海域(图2)。将模拟结果插值到高度计数据点上进行对比，表2给出了8条轨道上模拟波高与卫星实测波高的相关系数及模拟波高的均方根误差。由表2可见，对不同轨道波高的模拟效果差别较大，对轨道7的模拟效果相对较好，相关系数达到0.918，模拟波高均方根误差为0.398 m，对轨道4的模拟效果较差，相关系数仅为0.549，这可能与轨道4位于台湾海峡附近，受外海波浪传入影响有关。

图2 卫星轨道示意图Fig.2 Sketch map of satellite orbits

台风中心大约于4月15日09时进入中区域，并于4月19日13时前后移出中区域，上述8条轨道仅有3条处于这段时间内，分别是track2、track5和track7。取这3条轨道上的数据进行分析，图3分别显示了这3条卫星轨道的位置、轨道生成时台风中心的实际位置及对应轨道上实测波高和模拟波高的逐点演变。由图3可见，3条轨道上的模拟波高与实测波高的逐点演变趋势均一致，只是在靠近台风中心的位置，模式对大浪区波高的模拟值相对偏低。对比QSCAT/NCEP混合风场与实测风场(图略)可以发现，QSCAT/NCEP混合风场中最大风速较实测值偏小，这可能是导致模式模拟的大浪区波高相对偏低的原因。

综上所述，模式较好地模拟了台风过程中海浪场的分布，可以认为模式对台风浪的模拟是较成功的，模拟结果可信，这不仅证实了新版WAVEWATCHⅢ(version3.14)模式在我国南海海域台风浪模拟的适用性，也为下一步数值模拟研究工作的开展奠定了初步基础。

4.2 台风浪场特征分析

4.2.1 海面有效波高(HS)

台风能产生很强的海面风应力，从而引发海上大风浪和涌浪。图4为台风风场和海面有效波高(HS)的逐日演变，可以看出，海面有效波高的分布和演变受台风系统强度和移动的影响，有效波高大值区与台风风场大值区相对应，有效波高的大小随台风系统的增强而增大，台风系统减弱登陆后，海面有效波高也相应减小。图4a—c为台风发展增强阶段，可见，随着台风的增强，台风中心的风速也逐渐增大、气旋性风场更加明显且大风区更加集中，与之相对应的是海面有效波高也逐渐增大(图4f—h)且有效波高的大值区相对集中，主要分布在台风中心附近海域。图4c—e为台风衰减登陆阶段，台风中心风速随系统的衰减而逐渐减小，风场也随之变得较凌乱，同时，海面有效波高逐渐减小(图4h—j)，波高大值区渐渐消失，海域有效波高分布渐趋均匀。此外，有效波高的大值区并不总是分布在台风路径的右侧，有时则会出现在台风路径的左侧(图4g、h)，这可能与地形、水深及其他因素有关。

图3 卫星轨道位置、相应时间台风中心位置(a，b，c)及对应轨道上卫星实测波高与模拟波高的逐点演变(d，e，f)a，d.track2;b，e.track5;c，f.track7Fig.3 (a，b，c)Satellite orbit and typhoon center in the corresponding time，and(d，e，f)the variation of satellite measured wave heights and simulated wave heights on the same orbita，d.track2;b，e.track5;c，f.track7

4.2.2 风浪场

图5为风浪场的逐日演变。对比图4、图5可见，在台风中心附近海域，风浪场的分布与海面有效波高的分布相似，均存在着大值区，且风浪场的大值区均对应着有效波高的大值区，此外，模拟海域风浪波高(HWS)的大小与海面有效波高(HS)的大小基本一致。图6为同一时刻风浪波高与海面有效波高的比值分布。可以看出，在台风中心附近海域，风浪波高与海面有效波高的比值均高达0.9以上，这表明台风过程中所产生的大浪主要为风浪。

4.2.3 涌浪场

图7为涌浪场Swell 1和Swell 2的逐日演变情况。对比图5、图7可见，涌浪场的分布与风浪场的分布几乎相反，涌浪场的大值区均对应着风浪场的低值区，且涌浪场基本分布在远离台风中心的外围海域，此外，涌浪场波高比风浪场波高要小，这也证实了台风过程中产生的大浪主要为风浪的结论。由图7还可以看出，台风浪场中涌浪所占的比例及海域中涌浪场的分布范围均随台风的发展而增大且不随台风的衰减而减小，Swell 2涌浪场的表现尤其明显，这表明涌浪具有传播距离远、消衰慢等特点;Swell 2波高(HS2S)比Swell 1波高(HS1S)小很多，尤其是在台风发展增强阶段，两者相差较大，在台风登陆衰减后，两者相差减小，这表明涌浪场的主要成分为Swell 1。

5 结论

本文采用最新版WAVEWATCHⅢ(Version3.14)对在我国南海海域生成发展的0801号台风“浣熊”进行了数值模拟，将模拟结果与Jason-1卫星高度计实测资料进行了对比验证，并在此基础上对台风影响下的海面有效波高、风浪场及涌浪场分布特征进行了进一步分析，得到如下结论:

1)WW3(version3.14)模式较好地模拟了0801号台风过程中海浪场的分布。通过将海面有效波高的模拟结果与Jason-1卫星高度计实测资料进行对比分析可知，卫星轨道上的模拟波高与实测波高的逐点演变趋势均一致，只是在靠近台风中心的位置，模式对大浪区波高的模拟相对偏低，这可能是由于QSCAT/NCEP混合风场中最大风速较实测值偏小所引起的。

图4 4月15—19日每日12时台风风场和海面有效波高的分布(图a—e为风场，单位:m/s;图f—j为有效波高，单位:m;实线为台风路径，台风标志为该时刻台风中心位置)a，f.15日;b，g.16日;c，h.17日;d，i.18日;e，j.19日Fig.4 Distributions of typhoon wind field and sea surface significant wave height at 1200 UTC from 15 to 19 April(Fig.4 a-e are wind field with the unit of m/s.Fig.4 f-j are significant wave heights with the unit of m.Solid line represents typhoon path，and typhoon mark shows the position of typhoon center at that time)a，f.15 April;b，g.16 April;c，h.17 April;d，i.18 April;e，j.19 April

图5 4月15—19日每日12时风浪场分布(实线为台风路径，台风标志为该时刻台风中心位置;单位:m)a.15日;b.16日;c.17日;d.18日;e.19日Fig.5 Distribution of wind wave field at 1200 UTC from 15 to 19 April(Solid line represents typhoon path，and typhoon mark shows the position of typhoon center at that time;units:m)a.15 April;b.16 April;c.17 April;d.18 A-pril;e.19 April

图6 4月15—19日每日12时风浪波高与海面有效波高比值的分布a.15日;b.16日;c.17日;d.18日;e.19日Fig.6 Distribution of ratio of wind sea wave height to sea surface significant wave height at 1200 UTC from 15 to 19 April a.15 April;b.16 April;c.17 April;d.18 April;e.19 April

图7 4月15—19日每日12时涌浪场分布(图a—e为Swell 1场，图f—j为Swell 2场;实线为台风路径，台风标志为该时刻台风中心位置;单位:m)a，f.15日;b，g.16日;c，h.17日;d，i.18日;e，j.19日Fig.7 Distribution of swell field at 1200 UTC from 15 to 19 April(Fig.7 a-e are swell 1 field，and Fig.7 f-j swell 2 field.Solid line represents typhoon path，and typhoon mark shows the position of typhoon center at that time;units:m)a，f.15 April;b，g.16 April;c，h.17 April;d，i.18 April;e，j.19 April

2)海面有效波高的分布和演变受台风系统强度和移动的影响，有效波高大值区与台风风场大值区相对应，有效波高的大小随台风系统的增强而增大，台风系统减弱登陆后，海面有效波高也相应减小。此外，有效波高的大值区并不总是分布在台风路径的右侧，有时会出现在台风路径的左侧，这可能与地形、水深及其他因素有关。

3)台风过程中所产生的大浪主要为风浪。在台风中心附近海域，风浪场的分布与有效波高的分布相似，均存在着大值区，且风浪场的大值区均对应着有效波高的大值区，此外，模拟海域风浪波高的大小与有效波高的大小基本一致，风浪波高与海面有效波高的比值高达0.9以上。

4)涌浪场的分布与风浪场的分布几乎相反，涌浪场的大值区均对应着风浪场的低值区，且涌浪场基本分布在远离台风中心的外围海域，涌浪场波高比风浪场波高要小;此外，Swell 2波高比Swell 1波高要小得多，表明涌浪场的主要成分为Swell 1。

需要指出的是，本文的模拟研究及结论仅限于南海海域一次台风过程的海面有效波高、风浪场及涌浪场分布，是否具有普遍的代表性，还有待于对不同海域的不同台风个例进行更多的模拟研究。

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