“韦帕”台风过程中南黄海海域流场研究

杨静思，张庆河，张金凤，赵洪波，张 娜，严 冰，杨 华

（1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

我国处于地球上台风多发的区域，台风经过海域时，海洋表面会出现强风或比较剧烈的气压变化，台风的旋转风场往往还会造成特殊的波浪场分布，造成波浪辐射应力分布的较大变化，这些因素可能会造成台风经过海域的流场发生强烈变化。理解流场的变化规律对于深入了解海水交换、泥沙运动乃至生态过程的变化有着十分重要的意义。近年来，越来越多的研究开始考虑风场影响及波流耦合作用［1-4］，研究台风过程流场和水位变化。“韦帕”（WIPHA）发生于2007 年，是我国近年来遭受的一次超强台风，造成的直接经济损失达66.2 亿元［5］。“韦帕”经过江苏连云港海域期间，较强波浪和水流引起的泥沙运动曾引起连云港外航道的较大淤积。为了深入理解“韦帕”台风过程沿岸海域流场运动机理，本文利用充分考虑风场和波流耦合影响的三维水动力模型，研究台风中心经过南黄海海域（含连云港海域）时的流场运动。

关于“韦帕”台风过程中波浪、风暴潮的研究，目前已有不少工作，如赵鑫［6］采用MIKE21 水动力模型，结合全球潮汐预报系统，对“韦帕”在浙江登陆引起的风暴潮进行了模拟，陈华伟等［4］采用考虑背景风场的非对称风场模型、SWAN 波浪模型以及复合流场模型研究了波浪对“韦帕”过程风暴潮的影响。谭凤等［7］采用中尺度大气模式WRF 为SWAN 波浪模型提供驱动风场，研究了“韦帕”台风期间的波浪过程。上述工作尚未对“韦帕”台风过程中南黄海的流场进行深入讨论。为此，本文将依据中尺度大气模式WRF 获得的风场和第三代波浪模型SWAN 获得的波浪场，利用三维水动力模型FVCOM 对“韦帕”台风经过南黄海海域时的流场进行模拟研究，讨论台风过程中风场、波浪场对流场的影响。

1 采用的模型

“韦帕”台风过程流场模拟采用风-浪-流耦合模型，台风风场的模拟采用WRF 模型，波浪的模拟采用第三代海浪模式SWAN，流场的模拟采用三维水动力模型FVCOM。以下简述3 个模型以及它们之间的耦合关系。

1.1 大气模型WRF

台风过程中的流场和波浪场模拟需要较为准确的台风风场，这里采用中尺度大气WRF 模式模拟“韦帕”台风过程，以获得合理的台风风场。WRF 模式模拟台风的初始条件与计算域边界条件从美国环境预报中心NCEP 历史再分析数据FNL 获得［8］。关于WRF 大气模式的详细描述详见［8-9］，这里不再赘述。

1.2 海浪模式SWAN

在考虑波浪辐射应力对潮流场的影响时，需要合理的波浪场，这里采用第三代海浪模式SWAN 计算“韦帕”台风波浪场。关于SWAN 模型的描述，详见文献［10］。

1.3 水动力模式FVCOM

FVCOM 模型是由美国马萨诸塞大学陈长胜教授课题组为主开发的三维水动力模型。FVCOM 水平方向采用非结构化三角形网格，垂直方向采用σ 坐标，数值方法为有限体积法，能够处理复杂岸线边界，又有较高的计算效率。关于FVCOM 模型的描述，详见文献［11］。

1.4 波流耦合

台风过程中，强风吹动海面，风切应力本身会引起水体运动，也会产生较强的波浪；强波浪产生较大辐射应力，辐射应力梯度对驱动水体流动产生一定的作用［12］。另一方面，潮流运动造成的水位和流速变化对波浪传播也有一定影响，所以需要考虑波浪与水动力的耦合作用，即在计算过程中由FVCOM 向SWAN 模型提供潮位和流速，由SWAN 模型向FVCOM 模型提供波浪要素，以考虑波流相互作用。

2 模型的建立

“韦帕”台风过程中风场模型和波浪模型的设置和计算以及模型的验证详见文献［7］，流场的验证详见文献［13］。

水动力和波浪耦合模型计算采用非结构化网格。模型取渤海、黄海及东海北部范围（图1），对南黄海海域进行局部加密，网格单元数为42 707，节点数为21 954，网格空间步长最大为11 km，最小为150 m。模型边界取为弧形，有助于提高边界网格质量，减少边界带来的误差。模拟时间范围为：北京时间2007 年9 月17 日18 时到2007 年9 月21 日12 时。

在计算潮流时，开边界采用了Q1，P1，O1，K1，N2，M2，S2，K2，Sa等9 个分潮的调和常数来确定开边界水位和流速的变化［14］。

FVCOM 水动力模型中，模型计算时间步长为0.25 s，内模时间步长与外模式时间步长比为1/10，垂向平均分为10 层。

图1 模型地形Fig.1 Bathymetry of simulation domain

3 计算结果分析和讨论

3.1 风场、流场、波浪场分析

图2 显示了WRF 模拟“韦帕”台风路径。为了分析台风过境对南黄海海域波浪场、流场造成的影响和变化，将2007 年9 月20 日14 时、16 时的模拟风场（图3）、2007 年9 月20 日16 时、18 时的模拟波浪场（图4）和模拟流场（图5）列出进行分析，特征如下：

（1）从风场图上看，台风过境时为逆时针旋转风场且向东北方向移动，台风中心位置在图3 中用三角形标示，台风中心处风速较小。9 月20 日14 时，“韦帕”台风中心移入连云港以东约110 海里的南黄海西部海面，台风中心外围最大风力达18 m/s。16 时，台风中心从南黄海沿东北方向移动，至山东半岛最东侧的南部。

（2）从波浪场图上看，在围绕台风中心的旋转风场作用下，台风经过的海域也形成相应的旋转波浪场。旋转波浪场呈现中心波高小，四周波高大的特点。9 月20 日16 时，波浪旋转场的旋转中心波高大小在3.5 m左右，旋转场外围波高在4.0～5.0 m。9 月20 日18 时，波浪旋转场向东侧移动，旋转中心波高大小在3.5 m 左右，旋转场外围波高在4.0～5.0 m。从时间的角度对图3 和图4 进行比较可发现，旋转波浪场的出现时间相对于台风的旋转风场有一定延迟性。

（3）从流场图上看，在台风的旋转风场作用下，流场也反映出与台风相对应的旋转特性，漩涡中心处流速较小，四周流速呈现旋转外扩分布，且流速较大。对于近岸侧，台风过境时风暴潮呈现较明显的沿岸流现象。垂向上各层流态基本一致，流速由表层向底层逐渐减小。从时间的角度对图3 和图5 进行比较可发现，旋涡状流场的出现时间相对于台风的旋转风场也有一定延迟性。

图2 “韦帕”台风路径图Fig.2 Track of WIPHA typhoon

图3 “韦帕”台风风场矢量及等值线图Fig.3 Wind field of WIPHA

3.2 不同计算工况的结果比较

为了讨论台风过程中影响流场变化的各种因素，下面分析风场及辐射应力对流场的作用。将风-浪-流计算工况、潮流加风计算工况、纯潮计算工况记为计算工况A、B、C。图6 所示为A、B、C 3 种计算工况下北京时间2007 年9 月20 日18 时的表层流场分布状况，该时刻台风中心位于连云港以东黄海西部海面约160 海里。由图6 可知，考虑辐射应力与否，会导致局部地区流场发生变化，主要集中于台风所造成的旋涡状流场及沿岸区域附近。而纯潮情况下的流场与前两者有较大差异。

图6 不同计算工况下表层流场矢量图（2007-09-20_18）Fig.6 Current field in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

为了进一步详细地比较风场与辐射应力场的作用，图7 分别显示了A、B 两种计算工况表层流速矢量相减后以及与A、C 两种计算工况的表层流速矢量相减后的等值线图。由图7-a 可知，在台风经过南黄海海域时，与原始潮流场相比，海域流场发生了非常明显的变化，表层水体流速有较大变化，近岸区表层流速最大相差可达0.80 m/s。由图7-b 所示，考虑波浪辐射应力与不考虑辐射应力相比，主要对紧靠海岸的区域流场造成影响，考虑辐射应力时沿岸流增强，流速差异的范围在0.10～0.30 m/s。

图7 不同计算工况下表层流速变化场图（2007-09-20_18）Fig.7 Differences of current velocity in surface layer for different calculation conditions（2007-09-20_18）

在A、B、C 3 种工况下对南黄海沿岸江苏和山东两地近岸区各取一测点，对表层流速进行分析，测点位置见图2 中P1 和P2。由图8 可知，P1 测点的表层流速在20 日9 时达到峰值，是否考虑风应力导致的流速差为0.75 m/s，是否考虑辐射应力的流速差为0.10 m/s。P2 测点在20 日19 时达到峰值，是否考虑风应力导致的流速差为0.30 m/s，是否考虑辐射应力的流速差为0.16 m/s。结果表明，在强风影响范围内，风应力和波浪辐射应力对于近岸区流速的改变有重要影响，尤以风应力的影响最为显著。

4 结论

本文通过WRF 模型、第三代海浪模式SWAN 和三维水动力模型FVCOM，建立了考虑风场影响与波浪影响的三维海域水动模型，针对“0713”号“韦帕”台风期间的台风风场、波浪场和潮流场进行数值模拟，讨论了台风过程中南黄海海域风场、波浪场对流场的影响。模拟结果表明，受旋转台风影响，波浪场和流场均产生一定的旋转特性，但后两者与台风旋转风场有一定的时间延迟。在台风强风范围内，风应力和波浪辐射应力均对近岸区海域表层流场产生明显影响，其中台风风场的影响最为显著，辐射应力对表层沿岸流速的增大有一定贡献。

台风期间的复杂水流对于泥沙输运起着重要作用，为了准确模拟水流运动，要合理考虑风场和波浪场的影响。本文的结果表明，采用WRF 模型和SWAN 模型为三维水动力模型FVCOM 提供风场和波浪场充分反映了“韦帕”台风期间南黄海海域的风场和水流影响，此项工作为进一步研究台风期间的泥沙运动奠定了基础。

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