大气-海洋-海浪耦合模型在台风过程模拟中的应用

王扬杰，张庆河，陈同庆，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）

大气-海洋-海浪耦合模型在台风过程模拟中的应用

王扬杰1，张庆河1，陈同庆1，杨 华2

（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）

采用MCT耦合器，基于大气模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN，建立了大气-海洋-海浪耦合模型，并将模型应用于台风“威马逊”过程的数值模拟。结果表明，选择合理WRF参数，耦合模型能较好地模拟“威马逊”台风的路径、强度。台风作用下的海表温度下降、流场和波浪场的旋转性和偏右性特征也较合理。

耦合模型；台风“威马逊”；上层海洋；海表温度

我国海岸线漫长且临近的西北太平洋海域常发生热带气旋，每年有多场台风登陆我国，沿海地区易遭受台风灾害，热带气旋的准确预报和后报不仅对我国沿海组织生产和防范灾害有重要意义，对于港口海岸工程动力设计要素等的确定也有重要价值。

热带气旋过程实际上涉及到海洋和大气耦合相互作用，气旋风应力引起表层水体流动、海表温度下降以及海表粗糙度变化，而上层海洋的变化又会对热带气旋发展起到反馈作用，影响热带气旋的强度和路径。在大气、海洋和波浪的数值模型中考虑大气-海洋-海浪三者间的相互耦合作用，有助于提高热带气旋过程中大气、海洋和波浪的预报或后报精度。为此，近年来，国内外不少学者利用各种大气、海洋和海浪模型建立了大气-海洋-海浪耦合模型。Wada等［1］将大气模型NHM、第三代海浪模型MRI-III和混合层海洋模型MLOM耦合，研究了波浪与海洋的相互作用对2005年台风Hai⁃Tang数值预报结果的影响。Warner等［2］利用MCT耦合器将中尺度大气模型WRF、海洋模型ROMS与海浪模型SWAN进行耦合建立了COAWST模型，对美国东海岸飓风Isabel进行了模拟。Liu等［3］考虑了波浪状态和海洋飞沫导致的海表面粗糙度变化、海洋飞沫引起的热通量交换、波流相互作用等，建立了WRF⁃ROMS⁃SWAN全耦合模型，并应用于理想热带气旋研究。张进峰等［4］考虑海-气界面的热力过程和动力过程，应用分布式多平台耦合器将大气模式MM5、海浪模式WAVEWATCH-III和海洋模式POM耦合建立了区域大气-海浪-海洋耦合模式。关皓等［5］基于大气模型MM5、海洋模型POM和海浪模型WW3，利用消息传递的并行计算方案，建立了适用于我国南海海区的中尺度大气-海流-海浪耦合模型。刘磊等［6］基于大气模型WRF、海洋模型POM和海浪模型WW3，建立了高分辨率的大气-海洋-海浪完全耦合模型系统。

国内外已建立的耦合模型主要基于结构化网格，本文将采用大气模型WRF、非结构化网格海洋模型FVCOM及非结构化网格波浪模型SWAN通过MCT耦合器建立大气-海洋-海浪实时耦合模型（下文简称W⁃F⁃S），并利用耦合模型对201409号台风“威马逊”经过南海的过程进行模拟，分析耦合模型与非耦合模型模拟结果的区别，讨论上层海洋对台风的响应。

1 大气-海洋-波浪耦合模型

1.1模型简介

大气模型采用WRF模型，WRF模型是美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家环境预报中心（NCEP）和预报系统实验室（FSL）等共同开发的新一代中尺度大气模型。本文应用WRF模型中的ARW动力框架。关于WRF模型的描述，详见文献［7］。

海洋模型采用FVCOM模型，FVCOM由美国马萨诸塞大学海洋科技研究院和伍兹霍尔海洋研究所联合开发，主要用于三维水动力数值模拟。模型采用三角形网格，可模拟复杂岸线对流场的影响。关于FVCOM模型的描述，详见文献［8］。

海浪模型采用SWAN模型，SWAN是由荷兰Delft大学开发的第三代近岸海浪模型，适用于海洋风浪、涌浪及混合浪的模拟，并具有模拟近岸波浪变形的能力。SWAN模型可以采用正交网格、曲线网格和三角网格，支持笛卡尔坐标和球面坐标，本文采用非结构化三角网格。关于SWAN模型的描述，详见文献［8］。

1.2耦合器

大气-海洋-波浪耦合模型基于MCT（Model Coupling Toolkit）耦合器建立。MCT耦合器是一款用来建立耦合模型的开源程序工具包。MCT支持并行耦合系统的各子模型间多个分布式变量的数据交换。MCT采用FORTRAN90编写，包含一系列FORTRAN模块，各子模型调用这些模块实现数据的发送和接收。关于MCT耦合器的描述，详见文献［9］。

1.3耦合方案

耦合模型由主程序调用WRF、FVCOM和SWAN子模型同时独立计算，在设定的某一计算时间，各子模型调用MCT子程序进行数据的发送和接收，实现子模型两两之间的实时数据交换。由于WRF采用结构化网格，FVCOM和SWAN采用相同的非结构化三角形网格，WRF和FVCOM、SWAN之间进行变量交换时需要进行插值，而FVCOM和SWAN之间可以直接传递变量。模型耦合机制如图1所示。

WRF和SWAN之间交换变量为：（1）WRF模型中海面以上10 m高度处风速U10、V10；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、谱峰周期Rtp、波长Wlen。

WRF和FVCOM之间交换变量为：（1）WRF模型中海面以上10 m高度处风速U10和V10、长波辐射GLW和短波辐射GSW、感热通量LH和潜热通量SH、降水PREC和蒸发EVAP、海表气压PSFC；（2）FVCOM模型中的海表面温度SST。

FVCOM和SWAN之间交换变量为：（1）FVCOM模型中的水位Zeta和垂向平均流速Ua、Va；（2）SWAN波浪模型中的波高Hs、波向Dir、谱峰周期Rtp、平均周期Tm01、波长Wlen、近底最大圆周速度Ubot。

2 台风“威马逊”的模拟试验

2.1台风“威马逊”简介

2014年9号台风“威马逊”是当年袭击我国南海的超强台风，给我国海南、广东、广西等沿海带来较大危害，直接经济损失达80.80亿元［10］。“威马逊”于2014年7月11日发展成热带风暴；14日增强为强热带风暴；15日增强为强台风，于菲律宾登陆；16日进入南海转趋减弱；17日重新增强，升级为强台风；18日再度迅速而显著增强，变为超强台风，并于18日下午3时半在海南省文昌市沿海短暂登陆，不久后进入琼州海峡，晚上7时半再于广东省湛江市沿海登陆；19日继续向西北或西北偏西移动，穿越北部湾，并于早上7时10分又于中国广西壮族自治区防城港市沿海再次登陆；7月20日，“威马逊”横越广西及越南北部，进入中国云南，直至7月22日才彻底消散。本文重点模拟“威马逊”进入南海到第3次登陆的台风过程，即模拟时间为北京时间2014年7月16日14时～7月19日14时。

图1 模型耦合机制Fig.1Mechanism of the coupled model

2.2模拟试验设计

为分析耦合效应对台风过程大气模拟效果的影响，设计两组试验：EXP⁃WRF和EXP⁃WFS。EXP⁃WRF试验采用WRF模型即非耦合模型模拟台风“威马逊”，而EXP⁃WFS试验则采用W⁃F⁃S耦合模型模拟。非耦合和耦合模拟时，WRF模型水平方向为规则化网格，分辨率取10 km，大气垂向为27层；近地面层方案选择MYNN方案，边界层方案选择YSU方案，积云参数化方案选择Kain⁃Fritsch方案，微物理方案选择Kessler方案，长波辐射方案RRTM方案，短波辐射方案选择Dudhia方案；WRF的初、边值场采用NCEP提供的逐日4个时次的1°×1°的FNL再分析资料，模型初始海温采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率的全球日平均数据RTG_SST；模型积分时间步长取30 s。

耦合模拟时，首先模拟北京时间2014年7月09日08时～7月16日14时的风场，作为海洋模型和海浪模型计算流速、波浪初始场的强迫风场。海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN的水平网格为非结构化三角形网格，近岸和水深变化剧烈处网格较密，最小网格点间距约500 m，开边界处网格较疏，最大网格点间距约20 km。各模型计算范围和海洋、海浪模型网格示意图见图2。FVCOM海洋模型垂向采用σ坐标分为15层，为排除非耦合和耦合试验初始海表温度不同导致的海气界面差异，温度初始场的海表温度同样采用NECP的全球日平均数据RTG_SST，温度垂向分布根据HYCOM1/12（°）同化数据确定，潮位开边界使用CHINATIDE提取［11］，并提前计算7 d获得耦合模拟时的初始流场；FVCOM模型积分时间步长取5 s。SWAN模型由较大范围的波浪模拟结果提供边界场和初始场，计算时间步长300 s。耦合交换时间步长取600 s。

图2 计算范围和网格Fig.2Computational domain and mesh

3 模拟结果分析

3.1台风路径和强度

以日本JMA台风最佳路径数据集（http：//www.jma.go.jp/jma/jma⁃eng/jma⁃center/rsmc⁃hp⁃pub⁃eg/trackar⁃chives.html）为参照，单WRF模型与W⁃F⁃S模型台风路径模拟结果的比较如图3所示。各模型模拟的台风移动路径相比最佳路径均偏北。EXP⁃WFS试验模拟48 h时路径平均误差为39 km，模拟72 h时平均误差44 km，EXP⁃WRF试验模拟48 h时路径平均误差42 km，模拟72 h时平均误差45 km。耦合模拟的台风路径比非耦合模拟更接近JMA最佳路径，非耦合模拟路径略偏北，路径误差略大。

选取模拟12 h（进入南海约12 h）与模拟60 h（第一次登陆）之间的时间段以比较台风强度模拟效果。和最佳路径资料一致，各试验的台风中心最低气压（图4-a）在模拟期间总体上呈现先减小再增大的过程，即进入南海后台风强度不断增强，登陆过程中强度又迅速减小；各试验台风中心最低气压变化和最佳路径资料吻合较好，中心最低气压值的平均误差约为4 hPa。以JMA最大稳定风速为参照，台风中心附近最大风速模拟结果的比较如图4-b所示。各试验的台风中心附近最大风速在模拟期间先增大再减小；台风中心附近最大风速和JMA最大稳定风速变化趋势较为一致，但模拟风速均大于JMA风速；非耦合试验模拟的风速大于耦合试验。因此耦合试验台风强度模拟效果较好。

图3 台风路径模拟结果与JMA数据比较Fig.3Simulated typhoon track and JMA data

3.2台风风场特征

上层海洋对台风的响应主要受制于风应力，风场强迫使上层海洋产生波浪与海流，改变海水温度分布，台风风场是影响台风过程上层海洋状态的主要因素。耦合试验EXP⁃WFS各时刻海面上10 m处风速见图5，台风风场绕台风中心逆时针旋转。台风登陆前，风速等值线近圆形分布，全场风速最大值出现在台风移动路径的右侧，大风速的偏右性会导致上层海洋响应的偏右性。模拟24 h时台风中心最大风速约46 m/s，模拟48 h约48 m/s，风速较大，会使海面降温幅度较大，流速和波高较大。台风登陆后，模拟72 h时，台风中心最大风速21 m/s，海南岛附近风速10 m/s以上，南海大范围海域风速仍在10 m/s左右，造成上层海洋对台风的响应在台风登陆后能维持较长时间。

将耦合试验的风场结果和非耦合试验结果（图6）对比，以模拟24 h为例，耦合与非耦合的模拟风场都具有旋转性和偏右性特征，风场的分布也基本一致。非耦合试验模拟的台风中心附近风速要略大于耦合试验（图4-b）。

图4 台风强度模拟结果与JMA数据比较Fig.4Simulated typhoon intensity and JMA data

图5 台风风场耦合模型模拟结果Fig.5Simulated wind field by the coupled model

图6 WRF台风风场模拟Fig.6Simulated wind field of the typhoon by WRF

3.3上层海洋对台风的响应特征

耦合模拟可以获得台风“威马逊”较好的大气模拟结果，下面分析上层海洋对台风“威马逊”的响应特征，进一步探讨耦合模型模拟的合理性。台风移动时，移动路径附近洋面的风应力增强，使海洋上层发生混合层夹卷，温跃层的冷水被夹卷到混合层，导致海表温度降低。耦合模型模拟时，由于台风风场的大风区位于台风路径右侧，台风路径右侧海域的SST下降幅度较大（图7）。模拟49 h，台风路径右侧的海域发生最大降温4.27°C（图7-b），对比模拟48 h时的SST场（图7-a），两个时刻温度分布基本不变，只有低温区加强。模拟48 h时台风中心已通过低温区附近，同时模拟72 h时（图7-c）温度变化仍较大，可见温度场的变化较风场的移动有一定的延迟，降温会保持较长时间。对比AVHRR卫星数据（http：//rda.ucar.edu/datasets/ ds277.7/）的SST变化（图7-d），模拟72 h的结果中台风路径右侧仍保持两个降温中心，降温中心位置与降温范围与卫星遥感结果比较一致，表明台风过程的海洋表面降温过程模拟较合理。

图7 台风过程海表温度变化Fig.7SST cooling during the typhoon

图8 台风过程流场模拟结果Fig.8Simulated current field during the typhoon

图9 Jason-2地面轨迹Fig.9Jason-2 ground track

图10 有效波高模拟值与卫星数据对比Fig.10Comparison of measured and simulated wave height

根据前人研究成果［12-13］，台风旋转风场作用下，台风路径附近海域会形成旋转流场和波浪场。图8显示了台风“威马逊”下流场模拟结果，流场中心位于台风移动路径左后方，围绕旋转中心流场逆时针转动，流速向四周扩散。台风移动路径右侧流速较大，路径左侧流速相对较小，且较大流速值发生在台风中心的右后方，流场对风场的响应有一定的延迟。模拟24 h的流场矢量如图8-a所示，当台风处于深海洋面上方、离陆地较远时，较大流速分布在台风路径右侧，流速最大可达2 m/s左右。在台风登陆过程中（图8-b），台风强度仍较大，模拟48 h时最大风速超过45 m/s，且受近岸地形影响，形成较强的沿岸流。

采用AVISO发布的Jason-2卫星高度计数据（http：// www.aviso.altimetry.fr/en/data.html）作为波高验证资料。在耦合试验模拟的时间范围内，Jason-2卫星经过南海并有数据的时刻为北京时间2014年7月18日16时50分左右，卫星地面轨迹如图9。提取耦合试验2014年7月18日17时即模拟51 h对应坐标位置的有效波高进行对比（图10），耦合模型计算结果与卫星高度计数据吻合较好。

图11显示了台风“威马逊”下波浪场。波浪场中心波高较小，四周波高较大，台风路径右侧波高大，较大值发生在台风移动方向的右前方，波浪场中心位于台风路径左后方。模拟40 h时，波浪场有效波高达到最大值14.8 m，此时波浪场中心有效波高约7.2 m。模拟24 h和模拟48 h波浪场的波浪中心均位于台风中心的后方，可见波浪对台风的响应有一定的延迟性。提取台风移动路径上两点A（模拟24 h台风中心）和B（模拟48 h台风中心）有效波高历时变化（图12）。A点有效波高在模拟22 h时达到最大值9.2 m，26 h时减小到6.5 m，在28 h时又增大到8.8 m，之后一直减小。B点有效波高在模拟46 h时达到最大值11.0 m，49 h时减小到7.4 m，在52 h时又增大到10.8 m，之后一直减小。因此，台风经过海域位于台风路径上的各点有效波高经历4个阶段，在台风前眼壁通过之前波高保持增加，台风眼通过时波高减小，在台风后眼壁通过之后波高再次增加，但要小于前眼壁时的波高，台风中心远离后波高一直减小，和已有研究结果一致［14］。

图11 台风过程波浪场模拟结果Fig.11Simulated wave field during the typhoon

图12 台风过程测点有效波高Fig.12Significant wave height at observation points during the typhoon

4 结论

本文利用MCT耦合器，考虑海气相互作用，将大气模型WRF、海洋模型FVCOM和海浪模型SWAN耦合，建立了大气—海洋—海浪耦合模型，并利用耦合模型对“威马逊”台风进行了模拟，获得以下主要结论：

（1）单WRF模型和W⁃F⁃S耦合模型模拟结果与最佳路径资料的对比表明，耦合模型考虑海气间相互作用，台风路径与强度模拟结果均优于单独WRF模型模拟结果。

（2）选择合理WRF参数，耦合模型能较好地模拟“威马逊”台风，台风移动路径模拟期间平均误差较小，台风强度先增大后减小的变化趋势和实际情况一致。

（3）耦合模型能合理模拟上层海洋对台风的响应特征，包括海表温度下降、流场与波浪场的旋转性和偏右性。

（4）耦合模型中的海洋、海浪子模型采用非结构化网格，能较好地拟合近岸复杂岸线，对于进一步研究大风、台风过程中的近岸工程区海洋动力有重要意义。

［1］Wada A，Kohno N，Kawai Y.Impact of wave⁃ocean interaction on Typhoon Hai⁃Tang in 2005［J］.Sola，2010，6（S1）：13-16.

［2］Warner J C，Armstrong B，He R，et al.Development of a coupled ocean-atmosphere-wave-sediment transport（COAWST）model⁃ing system［J］.Ocean Modelling，2010，35（3）：230-244.

［3］Liu B，Liu H，Xie L，et al.A coupled atmosphere-wave-ocean modeling system：Simulation of the intensity of an idealized tropical cyclone［J］.Monthly Weather Review，2011，139（1）：132-152.

［4］张进峰，黄立文，文元桥，等.区域大气-海浪-海洋耦合模式的建立［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011，35（3）：587-590. ZHANG J F，HUANG L W，WEN Y Q，et al.Development of regional atmosphere-wave-ocean coupled model［J］.Journal of Wu⁃han University of Technology：Transportation Science&Engineering，2011，35（3）：587-590.

［5］关皓，周林，薛彦广，等.南海中尺度大气-海流-海浪耦合模式的建立及应用［J］.热带气象学报，2012，28（2）：211-218. GUAN H，ZHOU L，XUE Y G，et al.An applied study on the atmosphere-ocean-wave coupled model in the South China Sea［J］. Journal of Tropical Meteorology，2012，28（2）：211-218.

［6］刘磊，费建芳，黄小刚，等.大气-海浪-海流耦合模式的建立和一次台风过程的初步试验［J］.物理学报，2012，61（14）：149201-1-149201-9. LIU L，FEI J F，HUANG X G，et al.The development of atmosphere-current-wave fully coupled model and its application during a typhoon process［J］.Acta Physica Sinica，2012，61（14）：149201-1-149201-9.

［7］谭凤.基于WRF大气模式的大风过程波浪模拟［D］.天津：天津大学，2011.

［8］杨静思.波流实时耦合模式的建立及应用［D］.天津：天津大学，2012.

［9］Warner J C，Perlin N，Skyllingstad E D.Using the Model Coupling Toolkit to couple earth system models［J］.Environmental Model⁃ling&Software，2008，23：1 240-1 249.

［10］国家海洋局.2014年中国海洋灾害公报［EB/OL］.［2015-10-27］.http：//www.coi.gov.cn/gongbao/zaihai/201503/t20150324_ 32264.html.

［11］李孟国，郑敬云.中国海域潮汐预报软件Chinatide的应用［J］.水道港口，2007，28（1）：65-68. LI M G，ZHENG J Y.Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007，28（1）：65-68.

［12］谭凤，张庆河，庞启秀，等.基于WRF⁃SWAN模式的韦帕台风波浪场模拟［J］.水道港口，2012，33（1）：14-18. TAN F，ZHANG Q H，PANG Q X，et al.Numerical simulation of WIPHA typhoon waves using WRF⁃SWAN model［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（1）：14-18.

［13］杨静思，张庆河，张金凤，等.“韦帕”台风过程中南黄海海域流场研究［J］.水道港口，2013，34（3）：225-231. YANG J S，ZHANG Q H，ZHANG J F，et al.Study on flow fields around South Yellow Sea area during the Typhoon WIPHA［J］. Journal of Waterway and Harbor，2013，34（3）：225-231.

［14］夏璐一.浙江省近岸台风浪特征分析［D］.大连：大连海洋大学，2014.

Application of a coupled atmosphere-ocean-wave model in typhoon process simulation

WANG Yang⁃jie1,ZHANG Qing⁃he1,CHEN Tong⁃qing1,YANG Hua2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University，Tianjin 300072，China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Using the Model Coupling Toolkit(MCT),based on the atmosphere model WRF,the ocean model FVCOM and the wave model SWAN,a coupled atmosphere-ocean-wave model was developed and applied in the simulation of the typhoon Rammasun.With proper WRF parameters,the coupled model has a good performance on the simulation of typhoon track and intensity.The sea surface temperature cooling,the features of rotation and right⁃ward trend of ocean current and wave height were also reasonably described by the coupled model.

coupled model;typhoon Rammasun;upper ocean;sea surface temperature

P 732.6；P 444

A

1005-8443（2016）02-0135-07

2015-10-27；

2015-11-23

国家自然科学基金青年科学基金项目（51509183）

王扬杰(1990-)，男，江苏省南通人，硕士研究生，主要从事港口海岸及近海工程研究。

Biography：WANG Yang⁃jie（1990-），male，master student.