南海台风特征及台风场数值改进研究

张泽方，陈汉宝，徐亚男，陈松贵

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

南海台风特征及台风场数值改进研究

张泽方1，陈汉宝2，徐亚男2，陈松贵2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

通过搜集南海台风资料，对近10 a南海台风的规律进行了总结。利用Ueno台风风场模型和改进的藤田公式，引入压差修正系数和后报风场数据，构建了1330和1409号台风风场，并应用测站观测资料对模拟数据进行对比与误差分析。结果表明：西北太平洋移入南海的热带气旋整体上比南海生成的热带气旋数量多、强度大；南海海域生成的登陆台风在我国登陆较少，多在越南登陆。改进的模型风场极值相对误差小；引入后报数据后，合成风场数据相关性更好，误差更小。

台风风场；数值模拟；误差分析；评估

我国是重要的海洋大国，海洋生物资源、矿产资源和化学资源丰富，海洋开发有着广阔的前景，但我国同样也是海洋灾害发生最频繁的国家之一，台风就是海洋灾害中不可忽视的一种。台风不仅频繁影响我国海域，还会引发台风浪，对海上施工、航海和近岸建筑物造成巨大破坏。

针对台风风场很多学者开展了一系列研究工作。例如：闻斌，薛彦广等［1］利用Ueno台风风场模型构建了台风风场，并以此作为驱动风场推算了台风浪场，模拟结果较为理想；尹洪强［2］基于理论风场、国家再分析风场和NCEP在分析风场，进行了对比分析，表明了风场的准确性是正确推算台风浪的关键；徐亚男，冯建国［3］利用中尺度大气模式MM5模拟历史天气状态，再现1991～2010年20 a的影响工程海域的飓风个例与大风天气风场过程。前人的成果目前还存在一些可深化研究的点，直接应用理论模型风场或做简单的同化数据并不能真实模拟南海台风情况，本文通过引入压差修正系数与后报数据风场，对影响南海海域的两场典型台风过程进行了模拟，并对模拟结果做了对比研究与误差分析。

1 南海台风特征

统计的基础资料来源于中国气象局上海台风研究所公布的2006～2015年的台风数据。

1.1 台风强度统计

2006～2015年影响南海的台风共45次，其中强台风16次，超强台风13次，说明每年平均发生3次左右的强台风过程。以中心最大风速的大小为标准进行台风强度分类统计，发现南海台风平均强度为46.71 m/s，最大强度达78 m/s（1330号台风“海燕”）。其中南海生成的台风最大强度为45 m/s（1321号台风蝴蝶），平均强度为36.25 m/s，西北太平洋移入的台风在南海活动时，平均强度为47.73 m/s。说明西北太平洋移入南海的台风数量多，强度大，风速高，对南海海域的影响要明显大于起源于南海的台风。

1.2 台风登陆统计

绝大多数台风的动向是登陆，其中热带风暴强度以上的热带气旋登陆60场，占总数的68.9%（共87场）。所有登陆的热带气旋中，27场在我国沿海城市登陆，33场在越南登陆。西北太平洋移入的台风登陆我国和越南的数量均在20场左右；南海生成台风在我国大陆区域登陆3场，其余多数登陆于越南，可见南海生成的登陆台风对越南沿海影响较大。南海台风动向统计如表1所示。

1.3 台风路径统计

影响南海的台风路径比较复杂，按类型可大致分7类路径［4］，其中西行（1325号百合）、西北行（1306号温比亚）、北行（1308号西马仑）、东北行（1406号米娜）、抛物线行（1224号宝霞）、偏南行（0722号琵琶）和特殊路径（0725号海贝思）的路径示意图如图1所示。

表1 南海台风动向统计（1996～2015）Tab.1 Statistics of typhoon trends in the South China Sea（1996-2015）

图1 各种类型台风路径示意图Fig.1 Various types of typhoon route

在10 a里影响南海的87场热带风暴强度以上的热带气旋中，西北行和西行的路径最多，分别为29个和28个，两者占总数的65.5%；北行的12个，东北、偏南行和抛物线行的路径较少，分别为5个、4个和2个；特殊台风路径7个，比如0725号台风海贝思，在西行进入南海后，路径变为东行，移出南海。台风路径统计结果如表2所示。

2 台风风场模拟方案

本文用来模拟计算南海台风场的理论模型采用Ueno Takeo［5］模型。模型表示为式（1）

若将原点取在固定的计算域上，则台风域中的中心对称风场分布取以下形式

这里，Wx,Wy分别代表风速在x，y方向的分量，ΔP=P∞-P0，代表台风中心气压示度；r和R以cm为单位，其中：

式中：xc、yc代表台风中心位置；ρa为空气密度；θ为流入角；C1、C2为常数，C1=1.0，C2=0.8，是经过大量对比计算后确定的。

最大风速半径R采用陈超辉，谭言科等［7］的改进的藤田公式的应用，利用观测的最大风速vmax来推算最大风速半径，vmax在观测资料中可以获得。

vmax在本文中采用台风路径数据观测的最大风速数据，逐时更新。

在模型实际应用过程中，发现最大风速半径R的值相对固定，为了更好的模拟南海台风的实际情况，减小与测站观测资料的偏差，引入了环境气压与台风中心气压的压差修正系数α，故最大风速半径公式如下式所示

本文理论模型模拟采用的压差修正系数α在0.75～0.85。

3 模拟结果对比与误差分析

3.1 台风概况与测站数据介绍

2013年11月生成的1330号台风“海燕”以巅峰状态登陆菲律宾，登陆时中心附近最大风速75 m/s，中心最低气压达到890百帕，对菲律宾和我国沿海城市造成严重破坏，在菲律宾受台风影响的死亡人数达6 100人以上。2014年7月生成的1409号台风“威马逊”最大风力达17级，造成至少8人死亡，多地遭受重创。这两场台风均较快的升级为强台风级别，对沿海居民的安全造成了极大威胁。图2为1330号“海燕”和1409号“威马逊”的台风路径图。本文使用的风速测站数据来自海南岛周围的59948号三亚测站、59838号东方测站、59758号海口测站，以及位于海南岛北部沿岸的某工程测站数据，坐标19.98N，109.82E。

3.2 模型模拟结果

图2 1330号“海燕”、1409号“威马逊”台风路径图Fig.2 1330,1409 typhoon route

本次台风模型计算范围为16N～22N，105.3E～112.9E，模型网格经度0.08°，共计算7 296个格点。台风逐时的路径、气压、风速、移速数据来自浙江省水利信息管理中心主办的台风信息发布系统。为保证模拟数据和实测数据的时间分辨率一致，风速结果均为每小时输出一次。为保证数据样本数量，每场台风过程均采用两个测站数据进行误差分析，使得每个序列的样本数均在110个以上。统计的误差量包括极值相对误差、风速平均偏差、风速均方根误差、相关系数与STDEV（样本的标准偏差，反映了数据相对于平均值的离散程度）。公式如下所示。

式中：xi代表测站观测的风速；xi′代表风场资料的风速；x为样本风速平均值，n为样本大小。

3场台风过程的过程线和散点数据对比如图3～图5所示。误差分析结果如表3所示。

由图3～图4的过程线验证图可以看出，台风模型计算出的模拟值与实测数据符合良好，模拟值的过程线基本反应出了实测风速变化的趋势；模型的模拟值对风速极值模拟较为准确，两场台风过程的极值相对误差分别为9.14%和7.40%，均在10%以内。模拟值与实测数据的相关性模拟良好，台风“海燕”和台风“威马逊”模拟值的相关系数分别为0.92和0.95；台风“海燕”和台风“威马逊”模拟值与实测数据的平均误差分别为0.97 m/s和-0.98 m/s，均在1 m/s以内，均方根误差分别为3.23 m/s和4.26 m/s，STDEV偏差为7.01 m/s和8.16 m/s。由于模拟时间约为3 d，包括了台风过境的整个风速变化过程，可以看出模型的模拟值对台风过程中的风速小值模拟偏小，说明理论模型风场距离台风中心较远时风速偏小。风速小值模拟的偏差也会对误差分析结果产生影响。

图3 台风“海燕”期间59948号测站数据对比验证图（2013年11月）Fig.3 Data validation of No.59948 station during typhoon Haiyan

图4 台风“威马逊”期间工程测站数据对比验证图（2014年7月）Fig.4 Data validation of project station during typhoon Rammasun（2014-07）

3.3 后报数据合成结果

针对理论模型存在的外围风速较实际风速偏小的问题，可通过引入后报数据做背景风场，构造其与理论模型风场和的合成风场予以解决。前人经过大量的科学研究与工程实践发现，后报数据对台风过程的拟合偏小，不可直接用于台风的模拟研究，但一些应用广泛的后报风场数据对长时间序列的风速过程描述效果良好。例如欧洲中长期天气预报中心（European Centre for Medium⁃Range Weather Forecasts，简称ECMWF）提供的ERA⁃interim后报数据使用了分辨率更高的气象模式，并在观测资料的应用及同化方法上有很大改进［7］。徐亚男，高峰［8］以ERA⁃interim后报风速资料为基础，统计大风天气与飓风天气为样本进行加密计算，采用SWAN建立数值模型，计算结果与实测结果总体趋势符合良好。本文引入ERA⁃interim后报数据做背景风场，构造与模型风场的合成风场，对合成风场数据结果进行分析与对比研究。合成风场采用的计算公式如下所示

表3 模拟值误差分析与相关性结果Tab.3 Error statistics and correlation analysis of simulation

式中：Vc为合成风场；V为理论模型风场；VERA为ERA⁃interim后报风场；e为权重系数，e=C4/（1+C4），C为考虑台风影响范围的系数，C=r/nr0，n一般取9或者10。本文n取10。

以台风“海燕”为例，对合成风场与模型风场进行对比与误差分析。台风“海燕”期间理论风场模型的模拟值与合成风场的风速值的对比过程线如图5所示。

如图所示可以看出，就风速极值与风速大值过程的模拟结果来说，合成风场与理论模型几乎没有区别；而对于风速小值过程的模拟结果来说，合成风场的风速值比理论模型模拟更加准确，对实测数据的变化趋势模拟的更好一些。台风“海燕”过程中测站风速最大的时刻（10日4时）模型模拟风场图和合成风场图如图6所示。

如图所示，经过对比可以发现，模型风场与合成风场在台风中心处风速大小和风场分布一致；模型风场在远离台风中心处风速较小，合成风场在远离台风中心的海面上风速有明显的提高，说明合成风场对理论模型风场远离台风中心的风速进行了修正；而由于地形的影响，后报数据在陆地上的风速也相对较小，所以对模型风场的陆地部分修正效果不明显。

对模型模拟风速值和合成风场风速值进行误差分析与对比，结果如表4所示。可以看出，由于合成风场靠近台风中心的风场主要由模型风场决定，合成风场与模型风场在极值相对误差上没有区别，均为9%；合成风场数据的平均误差为0.39 m/s，均方根误差为2.78 m/s，结果低于理论模型风场的平均误差和均方根误差；合成风场数据的相关系数为0.921，相关性较模型风场稍好一些；合成风场的STDEV值为6.73 m/s，离散程度也小于模型风场的离散程度。总体来说，合成风场对于台风过程的模拟效果良好，对于风速小值期间的模拟也较为准确，相对于模型风场来说，相关性更好，误差更小一些。

图5 台风“海燕”期间模型风场和合成风场过程线图Fig.5 Procedure line of model and synthetic wind field during typhoon Haiyan

图6 台风“海燕”期间模型风场和合成风场对比图Fig.6 Model and synthetic wind field during typhoon Haiyan

表4 台风“海燕”过程两种风场的误差分析与相关性结果Tab.4 Error statistics and correlation analysis of two wind fields during typhoon Haiyan

4 结论与展望

本文通过搜集近10 a（2006～2015）南海台风数据，对南海台风的强度、路径等特征进行总结。引入压差修正系数和后报风场数据，构建了1330和1409号台风风场，应用测站观测资料对模拟数据进行对比与误差分析。主要结论如下：

（1）2006～2015年间南海共出现强台风16次，超强台风13次，台风中心最大风速可达78 m/s；西北太平洋移入的热带气旋整体上比南海生成的热带气旋数量多、强度大；南海生成的登陆台风在我国登陆较少，仅有3场，多在越南登陆；影响南海的西北行和西行台风路径最多，分别为29个和28个。

（2）利用改进的理论模型对两次典型的台风过程进行了模拟计算，将模型模拟值与测站风速数据进行对比分析，发现改进台风场对两场台风的模拟极值相对误差均在10%以内，模拟值的相关系数分别为0.915和0.947，对台风过程模拟效果良好；但对于远离台风中心的小值风速过程模拟偏小。

（3）针对外围风速偏小的问题，引入后报数据构造合成风场，发现合成风场对台风过程中的大值风速过程和小值风速过程模拟效果均相对较好。合成风速数据相对于模型模拟数据来说，相关性更好，误差更小。

结合本次研究成果，下阶段研究将利用改进的合成风场，对南海北部台风浪的计算提供准确的驱动风场条件。

［1］闻斌，薛彦广，赵建宇.基于模型风场的台风浪数值模拟［J］.海洋预报，2014，31（2）：14-19. WEN B，XUE Y G，ZHAO J Y.Numerical simulation of typhoon wave field based on typhoon wind field model［J］.Marine Fore⁃casts，2014，31（2）：14-19.

［2］尹洪强.基于SWAN模式下南海台风浪的推算［D］.大连：大连理工大学，2014.

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Typhoon characteristics and numerical improvement of typhoon field of the South China Sea

ZHANG Ze⁃fang1,CHEN Han⁃bao2,XU Ya⁃nan2,CHEN Song⁃gui2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China）

Based on the data collected from the South China Sea,the regularity of the typhoon in the past ten years was summarized.Wind fields of typhoon 1330 and 1409 were reconstructed by using Ueno typhoon wind field model and the improved Fujita formula.The correction coefficient of pressure difference and the hindcast wind data were introduced.By comparing and evaluating simulation results with observation data of survey stations,the main conclusions are as follows:The amount of typhoon from the Northwest Pacific is large and the wind speed is much higher.The landing times of landfall typhoon from the South China Sea in Vietnam are more than in our country. The extreme relative error of the improved simulated typhoon is lower.After the introduction of hindcast data,syn⁃thetic wind field data has better correlation and less error.

typhoon wind field;numerical simulation;error analysis;evaluation

P 444；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0150-06

2017-02-16；

2017-03-10

张泽方（1992-），男，天津市人，硕士研究生，主要从事近岸动力学数值模拟研究。

Biography：ZHANG Ze⁃fang（1992-），male，master student.