叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究

王其松， 邓家泉， 刘诚， 严军， 叶荣辉， 陈秀华

(1.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室， 广东 广州 510611; 2.珠江水利科学研究院， 广东 广州 510611; 3.华北水利水电大学， 河南 郑州 450045; 4.广州航海学院， 广东 广州 510725)



叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究

王其松1，2， 邓家泉1，2， 刘诚1，2， 严军3， 叶荣辉1，2， 陈秀华4

(1.水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室， 广东 广州 510611; 2.珠江水利科学研究院， 广东 广州 510611; 3.华北水利水电大学， 河南 郑州 450045; 4.广州航海学院， 广东 广州 510725)

根据经验风场与NCEP再分析风场的优缺点，采用两者相叠加的方式构造了一种叠加风场，与实测风速资料对比验证显示该风场精度较高。以叠加风场数据为输入，采用WAVEWATCHⅢ模式对南海海域有显著影响的8场台风进行计算，结果显示叠加风场计算南海台风浪具有较高的精度和可靠性。

叠加风场；台风浪数值后报；经验风场；NCEP再分析风场

1 引言

南海海域是全球热带气旋发生最多的地区，也是受台风浪影响最为严重的地区。台风浪数值后报研究对减少波浪导致的人员伤亡和财产损失具有重要的现实意义[1]。

台风浪后报研究一直是学者们研究的热点问题之一，徐福敏等[2]运用WAVEWATCHⅢ和SWAN模型采用经验风场对东中国海至长江口的台风浪进行了模拟分析；任智源和包芸[3]运用SWAN模型对“0814”号台风作用下伶仃洋的波浪场进行了模拟分析。袁凯瑞等[4]采用SWAN第三代海浪模式分别应用Jelesnianski模型风场、藤田气压公式计算的梯度风场以及考虑台湾海峡和台湾岛地形影响的台风风场(陈德文台风风场)模型，对台湾海峡的台风浪进行了数值模拟。张进峰[5]采用WAVEWATCHⅢ模型对黄、东海海域及舟山群岛的台风浪进行了模拟分析；周良明等[6]采用再分析风场应用WAVEWATCHⅢ模式对南海的波浪场进行数值计算、统计分析和研究。受台风路径、风速、时间、海域等因素的影响，经验风场的经验系数较难确定，直接影响台风浪的计算精度；再分析风场(背景风场)难以反映台风的位置及台风中心位置的风速，故采用单一风场并不能完全模拟真实风场的特征。

现有研究已经考虑把再分析风场(背景风场)的数据加入到经验风场，构造新风场进行台风浪模拟计算。金罗斌等[7]运用SWAN第三代海浪模式分别采用CCMP风场、Myers理论风场及两者的合成风场对南海15个台风浪过程进行了模拟研究；梁连松等[8]采用Holland台风风场模型与CCMP背景风场相叠加构造的合成风场来驱动SWAN模型，对台风“风雷”进行了模拟研究。本文采用经验风场与NCEP再分析风场相叠加的方式构造了一种叠加风场，并用于南海台风浪的后报计算，进而分析研究叠加风场应用于南海海域的可靠性。

2 叠加风场

2.1 经验风场

经验风场采用Young和Sobey风场模型[9]：

Vg(r)=Vmax·rRmw7·exp7·1-rRmw

r

(1)

Vg(r)=Vmax·exp(0.002 5Rmw+0.05)×

1-rRmwr≥Rmw，

(2)

式中，r是计算点至台风中心的距离；Vg(r)为距台风中心r距离处的风速；Rmw为最大风速半径；Vmax为最大风速。

p(r)=pc+(pn-pc)·exp-Rmwr，

(3)

式中，p(r)为距台风中心r距离处的气压；pc是台风的中心气压；pn是台风的外围气压，一般取为1 013.2 hPa。

最大风速半径Rmw采用公式(4)[10]计算：

Rmw=28.52tanh0.087 3(φ-28)+

12.22/exp(pn-pc)/33.86+0.2Vt+37.22，

(4)

式中，φ为纬度；Vt为台风移行速度。

图1和图2为Young和Sobey[9]风场模型对1330号台风“海燕”风场的模拟结果。

图1 1330号台风“海燕”经验风场(2013/11/8 20：00)Fig.1 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

图2 1330号台风“海燕”经验风场(2013/11/10 02：00)Fig.2 Empirical wind mode of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

实际台风风场是非对称风场，而经验风场是圆形对称风场，离台风中心较近的位置，经验风场对台风的模拟效果较好，而在远离台风中心的位置，偏差较大。这就导致距离台风中心较近位置处的台风浪模拟效果较好，远离台风中心位置处的台风浪模拟效果较差。为了弥补这一缺陷，需继续对经验风场进行改进。

2.2 叠加风场

2.2.1 NCEP再分析风场

NCEP再分析资料是美国国家环境预报中心(NCEP)同化处理各类气象观测资料后研发的全球气象资料数据库。NCEP的再分析风场的优点是在远离台风中心处具有非常好的非对称性，能够反映背景风场特征；其缺点是在台风中心的位置不精确，且无法反映台风中心位置的风场特征(图3，图4)。

图3 1330号台风“海燕”NCEP再分析风场(2013/11/8 20：00)Fig.3 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

图4 1330号台风“海燕”NCEP再分析风场(2013/11/10 02：00)Fig.4 NCEP reanalyzed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

2.2.2 叠加风场的构造

根据前述分析，总结经验风场和NCEP再分析风场的优缺点如表1。

表1 经验风场和NCEP再分析风场优缺点比较

由表1可知，经验风场和NCEP再分析风场的优缺点可以互相弥补，故本文采用经验风场与NCEP再分析风场相叠加的方法构造一种叠加风场，实现对风场更真实、准确的描述。叠加风场的构造思路是：在距离台风中心较近处采用经验风场，准确描述台风中心位置、中心风速、最大风速半径处风场特征；在远离台风中心处采用NCEP再分析风场，准确描述风场的背景风速特征；中间采用平缓的过渡，保证两种风场衔接的连续性。叠加采用以下公式：

Vx=VEx

Vy=VEyr

(5)

Vx=(1-α)VEx+αVNCEPx

Vx=(1-α)VEy+αVNCEPyR1≤r

(6)

Vx=VNCEPx

Vy=VNCEPyr≥R2，

(7)

式中，Vx、Vy分别代表叠加风场风速在x，y方向的分量；VEx、VEy分别代表经验风场风速在x，y方向的分量；VNCEPx、VNCEPy分别代表NCEP再分析风场风速在x，y方向的分量；R1、R2为两个特征叠加半径。

叠加半径的确定方法是：将风场模拟区域以台风中心为圆心，寻找经验风场风速与NCEP再分析风场风速最接近的圆的半径作为基准叠加半径R；以基准叠加半径为基础，向内L1距离确定R1的值，向外L2距离确定R2的值。根据多场叠加风场的构建经验，为保证经验风场和NCEP再分析风场的平顺衔接，L1、L2取值一般介于0.05R～0.15R。

α可用式(8)计算：

α=r-R1R2-R1=r-R+L1L1+L2.

(8)

1330号台风“海燕”的叠加风场如图5、图6所示。

图5 1330号台风“海燕”叠加风场(2013/11/8 20：00)Fig.5 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/8 20：00)

图6 1330号台风“海燕”叠加风场(2013/11/10 02：00)Fig.6 Superimposed wind of No.1330 Typhoon Haiyan(2013/11/10 02：00)

台风浪后报对输入的风场反应敏感，本文中将经验风场和NCEP背景风场相叠加，克服了模型风场计算结果中外围风场不准确、NCEP背景风场台风中心风速强度不足的缺陷，从而有利于台风过程中波浪的计算。

2.2.3 各风场风速验证

为了检验本文所构造叠加风场的精度，选择0814号强台风“黑格比”、0915号台风“巨爵”和1117号强台风“纳沙”3场典型台风，对叠加风场、经验风场、NCEP再分析风场的数值结果进行验证，台风路径、时刻及验证站点位置见图7。验证风速站点包括珠江口外海测点、闸坡测点、硇洲测点、大万山测点等。验证结果见图8至图13。

图7 台风路径、时刻及验证站点分布
Fig.7 The typhoon track， moment and verification point location

图8 0814号“黑格比”珠江口外海测点风速验证Fig.8 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

图9 0814号“黑格比”闸坡站风速验证图Fig.9 Validation of wind speeds at Zhapo during No.0814 Typhoon Hagupit

图10 0814号“黑格比”硇洲岛实测风速验证图Fig.10 Validation of wind speeds at Naozhou during No.0814 Typhoon Hagupit

图11 0814号“黑格比”大万山风速验证图Fig.11 Validation of wind speeds at Dawanshan during No.0814 Typhoon Hagupit

图12 0915号“巨爵”珠江口外海测点风速验证图Fig.12 Validation of wind speeds at the Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

图13 1117号“纳沙”珠江口外海测点风速验证图Fig.13 Validation of wind speeds at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

由图8至图13的验证结果可知，当台风中心距离验证点较近时，叠加风场和经验风场的风速特征是一致的，验证效果较好；由于NCEP再分析风场无法反映台风中心位置的风场特征，故验证结果较差。当台风中心距离验证点较远时，NCEP再分析风场起关键作用，叠加风场及NCEP再分析风场的验证效果明显好于经验风场，如0814号“黑格比”珠江口外海测点2008/9/23时刻、0814号“黑格比”闸坡站2008/9/23时刻等。采用经验风场和NCEP背景风场构造的叠加风场，弥补了这两种风场的缺陷，更接近于真实台风风场的变化趋势，风速极值误差在±15%以内。可以认为，本文建立的叠加风场模式是准确可靠的，适用于模拟南海台风风场。

3 南海海域台风浪数值后报

3.1 WAVEWATCHⅢ模式

南海海域台风浪数值后报计算采用WAVEWATCHⅢ模式，该模式已广泛应用于全球各地区的波浪研究，并取得了不错的应用效果[1-2，11-17]。

球坐标下波作用量密度谱平衡方程[17]：

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，R是地球的半径；Uφ和Uλ是水流速度在纬、经度方向上的分量；k为波数；φ和λ分别为纬度和经度；θ是角度；N为波作用量密度谱；σ是相对频率。式(12)包含了沿大曲率修正形式。

源项为：

S=Sin+Snl+Sds+Sbot，

(13)

包括风能输入项Sin，非线性波波相互作用项Snl和耗散项(白浪)Sds，底摩阻耗散项Sbot。

3.2 数值计算区域及网格划分

WAVEWATCHⅢ模式覆盖南海大部分海域，计算域范围为12.7°～29.4°N，105.6°～124.5°E，网格尺寸为2′×2′，水深起算基面为平均海平面，计算时间步长为10 min，输出时间步长为1 h。计算范围及地形分布见图14。

3.3 各风场计算台风浪结果对比验证

为验证叠加风场计算南海海域台风浪的可靠性和准确性，在其他参数不变的情况下，分别用NCEP再分析风场、经验风场与叠加风场计算台风浪，并与实测资料进行对比。

本次计算选择对南海海域有显著影响且台风路径有代表性的0814号强台风“黑格比”、0915号台风“巨爵”、1003号超强台风“灿都”、1117号强台风“纳沙”、1311号超强台风“尤特”、1329号强台风“罗莎”、1330号超强台风“海燕”及1409号超强台风“威马逊”8场典型台风进行计算，与已有实测资料进行对比验证。验证资料包括珠江口外海临时测点(2008年，2009年，2011年)、2010年三沙临时测点、2013-2014年阳西临时测点的实测波浪。台风路径及验证站点位置见图15，验证结果见图16至图23，验证误差统计见表2。

图14 计算范围及地形分布Fig.14 Computational domain and topography

图15 台风路径及验证站点分布Fig.15 The typhoon track and verification point location

图16 0814号“黑格比”波高验证对比图(珠江口外海测点)Fig.16 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0814 Typhoon Hagupit

图19 1117号“纳沙”波高验证对比图(珠江口外海测点)Fig.19 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.1117 Typhoon Nesat

图17 0915号“巨爵”波高验证对比图(珠江口外海测点)Fig.17 Validation of wave height at Pearl River Estuary during No.0915 Typhoon Koppu

图20 1311号“尤特”波高验证对比图(阳西测点)Fig.20 Validation of wave height at Yangxi during No.1311 Typhoon Utor

图18 1003号“灿都”波高验证对比图(三沙测点)Fig.18 Validation of wave height at Sansha during No.1003 Typhoon Chanthu

图21 1329号“罗莎”波高验证对比图(阳西测点)Fig.21 Validation of wave height at Yangxi during No.1329 Typhoon Krosa

图22 1330号“海燕”波高验证对比图(阳西测点)Fig.22 Validation of wave height at Yangxi during No.1330 Typhoon Haiyan

图23 1409号“威马逊”波高验证对比图(阳西测点)Fig.23 Validation of wave height at Yangxi during No.1409 Typhoon Rammasun

表2 台风浪计算平均误差统计表

由图16至图23及表2可知：NCEP再分析风场的验证效果最差，最大波高值及出现时刻与实测值比较均偏差较大，主要原因是NCEP再分析风场中台风中心的位置不精确，且无法反映台风中心位置的风场特征，即最大风速值、出现时刻和位置均无法准确体现。当台风中心距离验证站点较远时，NCEP再分析风场的优势得以体现，验证结果优于经验风场，如0814号“黑格比”强台风的2008/9/25时刻、0915号台风“巨爵”2009/9/15至2009/9/16时刻及1003号超强台风“灿都”2010/7/19时刻等。

经验风场的验证结果优于NCEP再分析风场，最大波高值和出现时刻较实测值偏差均较小；而当台风中心距离验证站点较远时，经验风场计算台风浪的效果较差，如1117号强台风“纳沙”2011/9/27至2011/9/28时刻、1311号超强台风“尤特”2013/8/13至2013/8/14时刻及1329号强台风“罗莎”2013/11/1至2013/11/2时刻等。主要原因是经验风场对台风中心处的风场模拟较好，而没有考虑背景风场的特征。

运用叠加风场计算的台风浪结果明显好于NCEP再分析风场和经验风场，平均误差分别减小了11.5%、7.2%。在台风开始和结束时刻，过程线验证效果较经验风场改善明显，这是由于叠加风场考虑了距离台风中心较远处的背景风速特性，更加精确地模拟了整个台风风场特征，而对台风浪极大值及出现时刻的模拟也明显好于NCEP风场。

根据以上分析可知，叠加风场的运用，可以有效提高台风浪的计算精度，尤其是距离台风中心较远海域波浪计算精度，为台风波浪特性分析研究打下了良好的基础。

4 结论

本文针对经验风场模式在台风中心附近模拟效果较好，而在远离台风中心模拟偏差较大；NCEP再分析风场模式在远离台风中心模拟效果较好，而在台风中心附近模拟不精确的特点，在分析和总结两种模式优缺点的基础上，利用两种模式之优势互补，构建了一种新的叠加风场模式，该模式既能较好的模拟台风中心的风场特征，又能反映背景风场特征。与实测风速数据对比显示，叠加风场的验证结果明显优于经验风场和NCEP再分析风场，过程线变化趋势更接近于真实的台风风场，风速极值误差可控制在±15%以内。

以叠加风场数据为输入，采用WAVEWATCHⅢ模式对南海海域有显著影响的8场台风进行计算，叠加风场的台风浪计算结果对比NCEP再分析风场和经验风场平均误差分别减小了11.5%、7.2%，尤其是距离台风中心较远海域，波高过程线变化更接近于实测数据，说明本文构造的叠加风场适用于南海海域的台风风场模拟，并具有较高的精度和可靠性。

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Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea

Wang Qisong1，2， Deng Jiaquan1，2， Liu Cheng1，2， Yan Jun3， Ye Ronghui1，2， Chen Xiuhua4

(1.KeyLaboratoryofthePearlRiverEstuarineDynamicsandAssociatedProcessRegulation，MinistryofWaterResources，Guangzhou510611，China; 2.ThePearlRiverHydraulicResearchInstitute，Guangzhou510611，China; 3.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450045，China; 4.GuangzhouMaritimeInstitute，Guangzhou510725，China)

A superimposed wind field is constructed using empirical wind fields and NCEP reanalyzed wind fields from the advantages and disadvantages of the two， and the simulation result is good compared with the real wind field data. Eight typhoons greatly affecting the South China Sea is simulated using WAVEWATCHⅢ based on the superimposed wind field data， the superimposed wind field has shown higher accurate and more reliable in simulating typhoon-induced waves．

superimposed winds; typhoon-induced waves hindcast modelling; empirical wind fields; NCEP reanalyzed wind fields

2016-08-16；

2016-12-25。

国家自然科学基金重点项目(51039004)；广东省科技计划项目(2013B020200008)；郑州市创新型科技领军人才项目(121PLJRC527)。

王其松(1987—)，男，山东省商河县人，工程师，从事河口海岸水动力数值模拟研究。E-mail：wqisong@126.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007

P731.33

A

0253-4193(2017)07-0070-10

王其松， 邓家泉， 刘诚， 等. 叠加风场在南海台风浪数值后报中的应用研究[J]. 海洋学报， 2017， 39(7): 70-79，

Wang Qisong， Deng Jiaquan， Liu Cheng， et al. Application of superimposed wind fields to the hindcast modelling of typhoon-induced waves in the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 70-79， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.007