双台风下江苏沿海的波浪数值模拟

聂永强，陈鹏超

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

双台风下江苏沿海的波浪数值模拟

聂永强1，2，陈鹏超1，2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

为研究江苏沿海海域受双台风布拉万和天秤的影响情况，应用Holland模型与ERA背景风场数据构建双台风布拉万和天秤的模拟风场，结合MIKE SW模块进行台风浪的数值模拟试验，通过与卫星轨道数据、实测站点数据对比对模拟的有效波高进行了验证，研究了东中国海范围和江苏沿海海域的波浪场（混合浪、风浪和涌浪）特征。其中，在模拟风场的构建中，比例系数e至为关键，通过进行参数试验确定较优系数值。研究结果表明台风布拉万主要以风浪形式影响江苏沿海海域，出现的风浪最大值为10.4 m，台风天秤是以涌浪形式影响，涌浪最大值为2.4 m，且台风布拉万的影响强度明显大于台风天秤。

双台风；Holland；风浪；涌浪

近些年来，发生多起双台风影响我国沿海，与单个台风相比，双台风强度更大，影响范围更广，风浪对于海岸的侵蚀更为严重。本研究选择2012年的1214号台风天秤和1215号台风布拉万为对象，利用MIKE 21 Spectral Waves FM（SW）模式对东中国海区域进行海浪数值模拟与验证，并选择江苏沿海进行嵌套模拟，分析其波浪场特征。

1 双台风路径、强度特点

台风天秤于2012年8月19日（世界时间）在西北太平洋洋面上生成，在该初始阶段，移动速度缓慢，出现回旋打转现象，而后缓慢北上。在21日台风转向西北偏西方向行进，24日5时在台湾省屏东县沿海登陆，登陆时中心最大风力17级。离开台湾后，强度降低，沿着逆时针方向做了一个回旋打转，而后基本沿着偏北方向移动，经过江苏沿海，之后第二次在韩国登陆［1］。

台风布拉万于2012年20日在西北太平洋洋面上生成，之后主要是先沿着西北方向移动，强度逐渐加强，在25日加强为超强台风，最大风力，中心位置，然后趋向于正北移动，经过江苏沿海，强度逐渐减弱，28日在朝鲜近海登陆［2］。

台风路径如图1所示，台风天秤和布拉万构成双台风效应，符合藤原效应［3］的定义。由于布拉万的影响，天秤在台湾西南部海域出现了回旋打转现象。

从2012年8月19日～8月23日这一段时间里，如图2所示，布拉万台风的中心气压逐渐降低，最低为920 hPa，然后逐渐增加到正常水平；天秤天辰台风的中心气压是先骤降至950 hPa，然后基本保持不变，而后是缓慢升高。与之相对应地，布拉万中心附近最大风速先是逐渐增大，在8月25日达到台风期间峰值55 m/s左右，随后逐渐减小；天秤中心附近最大风速依然是先急速增大为48 m/s左右，发生在8月20日，然后整体趋势上缓慢减小。总体而言，在19日～23日期间，天秤的中心气压小于布拉万的，风速则大于布拉万的；而23日之后，天秤的强度呈减弱趋势，布拉万仍在增强，明显地，布拉万中心气压多低于天秤，而中心附近最大风速大于天秤的。

图1 台风路径图Fig.1 Tracks of binary typhoons

在同期的移速比较上，25日之前，两者移动速度都较小，如图2-c所示，居于10 m/s左右，而之后，两台风移动速度的差距逐步拉大，布拉万移速明显偏大，在8月29日左右达到55 m/s的峰值，天秤移速在8月29日左右达到峰值40 m/s。

图2 台风中心气压、中心附近最大风速和移动速度比较Fig.2 Comparison of central pressure，the maximum wind speed and moving speed between binary typhoons

2 资料介绍及验证

2.1 水深数据

Noaa水深数据etopo1的空间精度1分（弧度），包括陆地地形和海域水深。水平坐标是WGS84地理坐标，垂直坐标是以海平面为基准。选取的水深地形范围是北纬19～42°，东经115～130°，如图3所示。

2.2 背景风场

ECMWF（欧洲中尺度天气预报中心）的ERA⁃interim项目，该项目始于2006年，是在原项目ERA-40基础上，利用改进的大气模型和四维变量同化方法生成，为下一代的再分析数据库做准备。该项目数据的时间跨度从1979年至今，精度最大为6 h；空间上覆盖全球，精度最大为0.125°［4］。ECMWF的数据在空间和时间上都有较好的连续性和准确性。

选用的风场时间范围是2012年8月19日6点～2012年8月30日12点，时间分辨率是6 h，空间范围是115°E～130°E，16°N～42°N，空间分辨率为0.25°×0.25°。

2.3 台风风场改进

就背景风场数据而言，在台风眼外围的风速较真实风速普遍偏小，在台风眼附近风速有严重失真的现象，而台风风场的准确性对台风浪数值模拟效果至关重要，因此需要构建台风模型改进背景风场。目前常用的气压场模型有：梅尔斯模式、藤田模式、捷氏模式和Holland模式［5-7］。

台风模型采用Holland经验模型，公式如下

式中：P∞为台风外围气压；P0为台风中心气压；r为计算点到台风中心的距离；R为台风的最大风速半径；B为Holland拟合参数，计算时取经验公式：B=1.5+(980-P0)/120。台风最大风速半径R取目前研究人员常用到的半经验公式

式中：φ为台风中心纬度；V为台风中心移动速度。

合成风场是通过一个权重系数将由Holland经验模型风场和ERA背景风场相叠加得到

式中：V1为台风布拉万的Holland模型风场与ERA背景风场的合成风场；VERA为ERA背景风场；VBolaven、VTembin为双台风布拉万、天秤的Holland模型风场。e为比例系数［8］，，c为一个与台风影响范围有关的系数，，其中n一般取9或10。比例系数e也可以在0～1范围内选取较为适合的数值来实现理想的模拟效果，下面的模拟中就进行了这样的试验。

3 海浪模式介绍及设置

3.1 SW模型的基本控制方程

SW模型基于波作用守恒方程，利用波作用密度谱N(σ,θ)来描述波浪。波作用密度与波能谱密度E(σ,θ)的关系为

式中：σ为波频率；θ为波向。

在直角坐标系下，波作用守恒方程为

式中：N为波作用密度；V为波群的传播速度；S指能量平衡方程中的源函数，可以表示成下式

式中：Sin指风输入的能量；Snl指波与波之间的非线性作用引起的能量耗散；Sds指由白帽引起的能量耗散；Sbot指由底摩阻引起的能量耗散；Ssurf指由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量耗散。

在球坐标系下

式中：R为地球半径；ϕ为纬度；λ为经度。

波作用守恒方程为

式中：Sˆ为源函数，Sˆ(x,σ,θ,t)=SR2cosϕ。

3.2 模型参数设置

模拟时段为2012年8月19日6时～8月30日12时，计算区域分大小2个区域（如图3所示），模型采用无结构三角形网格。其中大区域为东中国海，其北至渤海湾，西起现有岸线，计算范围为19° N～42°N，115°E～130°E，网格数目是36 215，节点数目是18 711；在近岸和外海的网格尺寸分别为2 km和10 km。嵌套区域主要是江苏沿海，为30.8°N～35.5°N，119.2°E～124.2°E，在江苏近岸网格尺寸1 km，外海网格尺寸5 km，模拟时利用大范围的结果给小范围提供波谱边界条件，两区域的计算时间步长均为1 h，采用全谱非定常公式，方向离散数32，频率区间均为0.055～1.1 Hz，频段离散数25，其余均采用默认设置。

图3 东中国海水深图Fig.3 Bathymetric chart in the East China Sea

4 结果验证

4.1 高度计介绍

卫星Jason-2被称作“大洋表面形态任务”（Ocean Surface To⁃pography Mission，OSTM）星，为法国航天局（CNES）、美国国家航空航天局（NASA）、欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）和美国国家海洋大气管理局（NOAA）的一项联合任务。它的重访周期约为10 d，数据质量非常好，海面测高精度可达2.5～3.4 cm。根据时间和空间的一致性，如图5所示，选择第152个周期127号和138号轨道以及第153个周期51号轨道进行与上述风场比较，以及后面进行的模拟波高的验证。这3个轨道对应的大致时间为2012年的8月22日6时、8月22日16时和8月29日5时。

图4 卫星轨道图Fig.4 Satellite orbits

4.2 轨道数据验证

在模型的调试过程中，系数e对模型的准确性影响很大，通过设置该参数的模拟试验来确定较为合理的参数值，模拟结果与卫星轨道数据进行对比，经过一系列参数设定试验得到如图5所示的结果。当e1、e2都为0.5时，结果有较大偏差。当e1取0.2，e2取0.6时，结果较为理想，模拟获取的轨道波高与卫星数据的特征较为一致，说明了Holland模型与背景风场组成的合成风场能较为理想地用于波浪模拟试验。

图5 模拟波高数据与卫星轨道数据的对比Fig.5 Comparison of simulated wave height with Jason-2 altimeter

选取参数e1为0.2，e2为0.6时的模拟结果进行误差分析，如表1所示。3个轨道的模拟值与卫星数据的峰值误差均在1 m左右，平均相对误差在0.17～0.38范围内，相关系数是0.9左右，结果较为理想。

4.3 东海测站验证

东海浮标的地理位置是东经124.5°，北纬31°。观测位置极佳，台风布拉万和天秤先后经过该浮标附近，依次是8月27日左右和8月29日左右。由于资料欠缺，如图验证台风布拉万经过浮标附近时的波浪实况［2］。

如图6所示，台风布拉万经过时引起的最大有效波高近10 m，模拟出的最大有效波高比实测稍微偏大，两者的平均相对误差为0.179，相关系数为0.803。说明布拉万模型参数e1的选取较为理想，误差略大可能是由于风眼附近的模拟风场与实际情况有偏差，Holland模型风呈对称性，而在实际中，风眼附近风场随时间、空间的变化而变化，往往呈非对称性。

4.4 江苏两站验证

将江苏沿海小范围嵌套模拟结果与响水、蛎蚜山2个测站的有效波高实测值进行对比分析，来检验嵌套模拟的效果。如图7所示，显示的是响水和蛎蚜山两测站地理位置，响水位于东经120.1°，北纬34.437°，蛎蚜山是东经121.556°，北纬32.147°。两个测站的模拟值均与实测值吻合较好。两测站都出现双峰，如图8所示，在8月21日～22日之间，均出现第一个波峰，响水站的最大波高是2 m，蛎蚜山站的是1 m，从时间因素上考虑，这是由江苏沿海出现的临时较强风场引起的，与研究的两个台风无直接关系；在8月27日左右，两测站均出现第二个波峰，响水站最大波高达2.5 m，而蛎蚜山站的为1.5 m，蛎蚜山站在响水站南部，较为提前出现这次波峰，说明了台风布拉万先后影响江苏南北海域的过程。蛎蚜山站在8月29日又出现一个小波峰，约0.6 m的波高，而响水站没有出现，分析时间可知是台风天秤引起的台风浪，不过对江苏南部海域影响较小，对北部海域影响更小。

表1 模拟波高与卫星数据统计分析Tab.1 Statistical analysis of simulated wave height with Jason-2 altimeter

图6 东海浮标有效波高对比Fig.6 Comparison between simulated wave height and buoy data in the East China Sea

图7 江苏沿海地形图及两测站位置Fig.7 Bathymetric chart in Jiangsu coastal area and the location of two stations

图8 两测站波高验证Fig.8 Verification of significant wave heights in two stations

5 数值结果分析

5.1 东中国海大范围海域风场和波浪场特征分析

如图9所示展示了2012年8月26日0时和2012年8月27日0时两个特征时刻东中海区域内的风场矢量图和模拟得出的有效波高等值线图。从风场矢量图上可以明显看出，存在双台风的两个台风眼，一南一北，位于西南部的台风天秤的风眼半径明显小于台风布拉万的半径，台风中心附近风力也有相同特点，台风布拉万的强度等级明显大于台风天秤，整个研究区域主要是受到台风布拉万的较大影响，而台风天秤的影响较小。在双台风期间，波浪场与风场的分布特征相一致，最大风速和最大有效波高均出现在台风中心附近，而两个台风的风速最大值是不同步的，对应产生的波高最大值也是不同步的。

在8月26日0时，台风布拉万中心附近最大风力50 m/s，相应出现的有效波高最大值17.09 m；台风天秤中心附近最大风力38 m/s，相应出现的有效波高最大值6.69 m。在8月27日0时，台风布拉万中心附近最大风力45 m/s，相应出现的有效波高最大值18.61 m；台风天秤中心附近最大风力33 m/s，相应出现的有效波高最大值7.15 m。从这些数据比较发现，台风布拉万在26日出现的最大风力要大于27日的，但相应的波高最大值反而比27日的略小些，同样地，台风天秤也是类似的情况，说明中心附近最大风力与相应海域出现的波高最大值不是绝对正相关的，有可能有多方面因素影响，这说明了台风浪问题研究的复杂性。

图9 东中海风场矢量图和波高图Fig.9 Wind vectors and significant wave heights of the East China Sea

图11 2012年8月29日22时江苏沿海的有效波高图Fig.11 Significant wave heights of Jiangsu coastal area at 22：00 on 2012-08-29

5.2 江苏近海海域波浪场特征分析

江苏沿海研究范围约为东经118°～125°，北纬31°～36°，如图7是江苏沿海水深地形图。台风布拉万于2012年8月28日1时靠近江苏沿海，台风眼位置坐标为（124.6°，34.6°），距离江苏海岸线约4°（经度）的距离，出现混合浪最大值为11.2 m，风浪最大值为10.4 m，涌浪最大值为4.8 m。如图10所示，此时，风浪场图与混合浪场图的分布特征相一致，而涌浪场图与混合浪场图的分布特征不一致，说明台风浪的影响以风浪为主，江苏沿海受布拉万影响显著。

台风天秤于2012年8月29日22时靠近江苏沿海，台风眼位置坐标为（125.7°，33.2°），距离江苏海岸线约5°（经度）的距离，出现混合浪最大值为2.6 m，风浪最大值为0.8 m，涌浪最大值为2.4 m。如图11所示，此时，涌浪场图与混合浪场图的分布特征相一致，而风浪场图与混合浪场图的分布特征不一致，说明台风天秤对江苏沿海的波浪场的影响以涌浪为主。

横向对比这两个台风，布拉万比天秤强度大，更为靠近江苏沿海，即使是涌浪值也大于天秤产生的混合浪高，差值多达2.2 m。由此说明与天秤相比，布拉万对江苏沿海造成了更大的影响。

6 结论

通过Holland模型风场和背景风场叠加构建合成风场进行台风浪数值模拟，卫星数据和实测数据均较为理想，进一步研究了江苏沿海的波浪场特征，结论如下：

（1）可以运用Holland模型对双台风进行海浪的数值模拟，结果较为理想。模拟过程中，比例参数e的大小对模拟结果影响较大，一般需要费时调试确定。

（2）双台风布拉万和天秤先后经过江苏沿海，由于路径和强度的差异，布拉万对江苏沿海的波浪场影响很大，而天秤的影响相对小些。其中，布拉万的影响以风浪形式为主，而天秤的影响以涌浪形式为主。

（3）在台风影响江苏沿海期间，辐射沙洲海域由于独特的地形特征，台风浪较小，似乎沙洲对涌浪有明显的“阻挡”效应，需要进一步研究。

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Numerical simulation of the wave off Jiangsu coast under binary typhoons

NIE Yong⁃qiang1,2,CHEN Peng⁃chao1,2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to study the Jiangsu coastal area influenced by the binary typhoon Tembin and Bolaven,the driven wind under the binary typhoon was built by mixing the Holland typhoon model with the blended wind field from ERA,and nested wave model off Jiangsu coast was constructed by the MIKE 21 SW model.The comparison be⁃tween simulation results and satellite data,situ measurements about the significant wave height was done.And the wave field(including mixed wave,wind wave and swell)was analyzed.Among them,the scale factor e is the key to the construction of the simulated wind field,and the optimal value of e is determined by the parameter tests.The re⁃sults show that the wind wave is the main form of sea wave in Jiangsu coastal waters in the course of typhoon Bolav⁃en and the maximum value is 10.4 m,but the swell is generated during typhoon Tembin and the maximum value is 2.4 m.The influence strength of typhoon Bolaven is significantly greater than typhoon Tembin.

binary typhoons；Holland；wind wave；swell

TV 139.2

A

1005-8443（2017）02-0143-07

2016-08-12；

2017-01-22

聂永强（1990-），男，河南人，硕士研究生，主要从事海岸动力学相关研究。

Biography：NIE Yong⁃qiang（1990-），male，master student.