熱帶氣旋風(fēng)場對海浪分布特征的影響

洪新，趙瑋，高志波，鄭東，侯查偉

（1.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 煙臺 264006；2.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

熱帶氣旋最大風(fēng)速一般都超過30 m/s，強(qiáng)風(fēng)半徑一般都達(dá)到百公里，其帶來的狂風(fēng)、巨浪、暴雨和風(fēng)暴潮等惡劣天氣現(xiàn)象出現(xiàn)在距氣旋中心約幾百公里到幾千公里的環(huán)形范圍內(nèi)，所經(jīng)之處可造成巨大的損失，是沿海地區(qū)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。因此，對熱帶氣旋引起的海浪的準(zhǔn)確模擬和預(yù)報對防災(zāi)減災(zāi)有很重要的意義。Elachi 等（1977） 用合成孔徑雷達(dá)（SAR） 觀測數(shù)據(jù)首次研究了距熱帶氣旋Gloria（1976） 中心150 km 范圍內(nèi)的波向和波長空間分布特征，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的移動速度會造成海浪空間非對稱分布。且熱帶氣旋下的海浪分布特征也會受到先行涌的影響（Gonzalez et al， 1982；McLeish et al， 1983； Holt et al， 1986）。Young（1996） 分析了100 多個熱帶氣旋下衛(wèi)星觀測波高資料，證實了熱帶氣旋的最大風(fēng)速，最大風(fēng)速半徑以及移動速度是影響熱帶氣旋下海浪波高分布的3個重要因素。Wright 等（2001） 發(fā)現(xiàn)局地風(fēng)浪會受到10 小時前熱帶氣旋的移動的影響。Walsh 等（2002） 將大洋和登陸兩種情況下的海浪分布特征進(jìn)行對比，結(jié)果顯示熱帶氣旋最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑、移動速度和陣風(fēng)等因素會影響海浪平均要素分布特征，但是由于觀測條件的時空限制，這些研究并沒有定量地分析最大風(fēng)速，移動速度和最大風(fēng)速半徑對熱帶氣旋下海浪平均要素的影響，關(guān)于不同狀態(tài)下海浪分布特征也沒有詳細(xì)地研究。

近年來，WAVEWATCH Ⅲ （簡稱WW3），SWAN 和WAM 等第三代海浪模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到國內(nèi)外熱帶氣旋下的海浪的研究和預(yù)報中（于衛(wèi)東 等，1997；陳希 等，2003a；陳希等，2003b；Tolman et al， 2005；蔣小平等，2007；Xu et al，2007；Zhou et al，2008；聞斌 等，2008；閆濤等，2009）。這些研究結(jié)果表明目前的第三代海浪模式可以較好的模擬熱帶氣旋下的海浪平均要素場。Moon 等（2003） 用WW3 海浪模式模擬了熱帶氣旋Bonnie 作用下的海浪要素和海浪方向譜，通過模式模擬的結(jié)果與機(jī)載掃描雷達(dá)高度計（SRA） 和浮標(biāo)觀測結(jié)果的對比可以看出，海浪平均要素和海浪方向譜在開闊大洋上的模擬結(jié)果與浮標(biāo)觀測結(jié)果和SRA 觀測結(jié)果吻合的非常好。而用海浪模式的模擬結(jié)果由于輸入的熱帶氣旋風(fēng)場不同，與實際觀測結(jié)果仍會有所區(qū)別。實際上，熱帶氣旋風(fēng)場并不是由熱帶氣旋最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑和移動速度3 個特征決定的簡單渦旋結(jié)構(gòu)，而是存在其他許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，比如，入流角度、熱帶氣旋表面風(fēng)場的非對稱性和熱帶氣旋移動時的加速、減速和轉(zhuǎn)向等。已有研究表明熱帶氣旋入流角度、風(fēng)場非對稱性等風(fēng)場特征對浪平均要素和海浪譜有非常重要的影響（Zhao et al，2011；洪新等，2014）。Zhao 等（2011） 用WW3 海浪模式通過理想實驗和熱帶氣旋Bonnie（1998） 的模擬實驗，發(fā)現(xiàn)高風(fēng)速下拖曳系數(shù)更可能是隨著風(fēng)速增大而逐漸減小，并且會使有效波高和平均波長量值減小，但不改變有效波高、平均波長和海浪方向譜的空間分布特征，對平均波向影響甚微，可忽略，對有效波高等量值大小和空間分布特征的對比研究影響不大。因此，WW3 海浪模式可以較好的應(yīng)用到不同狀態(tài)熱帶氣旋下的海浪分布特征的對比研究中。本文設(shè)計了一系列理想實驗，用WW3 海浪模式的模擬結(jié)果來定量的分析熱帶氣旋移動速度、最大風(fēng)速半徑、強(qiáng)度、熱帶氣旋移動過程中轉(zhuǎn)向?qū)Ρ砻婧＠藞龇植继卣鞯挠绊憽?/p>

1 實驗設(shè)計方案

為了研究熱帶氣旋移動速度、最大風(fēng)速半徑、強(qiáng)度以及移動過程中的轉(zhuǎn)向?qū)釒庑L(fēng)應(yīng)力下表面海浪場的影響，設(shè)計了4 組理想實驗進(jìn)行研究，分別記為EXP.A、EXP.B、EXP.C、EXP.D（表1），熱帶氣旋風(fēng)場是通過一個熱帶氣旋風(fēng)場統(tǒng)計參數(shù)模型計算獲得的風(fēng)向為切線方向的軸對稱風(fēng)場（Willoughby et al，2004），稱為Willoughby 理想風(fēng)剖面，該模型是通過對美國大氣宇航局的熱帶氣旋研究中心和美國空軍研究中心航天器觀測得到的熱帶氣旋風(fēng)場數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計得出的一個統(tǒng)計模型，且通過對熱帶氣旋Mitch（1998），Hugo（1989），Edouard（1996），Erika（1997） 等風(fēng)剖面的模擬結(jié)果與實際風(fēng)場的對比顯示該熱帶氣旋統(tǒng)計模型能夠較好的模擬熱帶氣旋的風(fēng)場剖面（Willoughby et al，2005）。在此風(fēng)場基礎(chǔ)上加上由美國NOAA 的SLOSH 技術(shù)報告建立的入流角度統(tǒng)計模型計算獲得（Jelesnianski et al，1992）。根據(jù)各組實驗的研究目的，分別選取不同的熱帶氣旋強(qiáng)度，移動速度，最大風(fēng)速半徑和轉(zhuǎn)向角速度。在實驗EXP.A中，用4 個移動速度分別為0 m/s、2.5 m/s、5 m/s、7.5 m/s 的三級理想熱帶氣旋（薩菲爾-辛普森分級法，下同） 驗證熱帶氣旋移動速度對海浪空間分布特征的影響，這四個熱帶氣旋風(fēng)場是對稱的，最大風(fēng)速半徑是50 km。實驗EXP.B 用3 個具有不同最大風(fēng)速半徑的三級理想熱帶氣旋檢驗最大風(fēng)速半徑對熱帶氣旋下表面海浪場的影響。在這組實驗中，熱帶氣旋風(fēng)場是對稱的，最大風(fēng)速均定為56 m/s，移動速度為5 m/s，最大風(fēng)速半徑分別為20 km、50 km、80 km。實驗EXP.C 用5 個強(qiáng)度分別為一到五級的熱帶氣旋研究熱帶氣旋強(qiáng)度對海浪的影響，這些熱帶氣旋的風(fēng)場是對稱的，最大風(fēng)速半徑為50 km，移動速度為5 m/s。在實驗EXP.D中，用4 個以不同轉(zhuǎn)向角速度的三級熱帶氣旋來研究熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向?qū)Ρ砻婧＠藞龅挠绊憽＿@組實驗中，最大風(fēng)速半徑為50 km，最大風(fēng)速為56 m/s，移動速度為5 m/s。

本實驗中選取東西方向3 500 km 和南北方向2 000 km 的矩形等深大洋作為研究區(qū)域，為方便起見，我們把水深定為常數(shù)5 000 m，并認(rèn)為熱帶氣旋自東向西移動。風(fēng)場的時間分辨率為600 s，空間分辨率為9 km×9 km。WW3 模式的空間分辨率為9 km×9 km，譜分辨率為48 個方向（7.5°），25個頻段（從0.041 8～0.41），風(fēng)能輸入時間間隔為600 s，海浪要素平均參數(shù)輸出時間步長為3 600 s。模式共運行72 h，在下面的討論中只對第72 h 熱帶氣旋達(dá)到成熟階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表 1 實驗設(shè)計

2 結(jié)果與討論

2.1 熱帶氣旋移動速度的影響

2.1.1 對有效波高的影響

圖1 對比了實驗EXP.A 中不同移動速度下有效波高的分布特征。實驗結(jié)果顯示熱帶氣旋移動速度會導(dǎo)致有效波高場呈現(xiàn)空間非對稱分布。隨著移動速度增大，有效波高在熱帶氣旋中心右側(cè)象限內(nèi)增高而在左側(cè)象限內(nèi)降低。模擬結(jié)果與觀測結(jié)果相同。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，距氣旋中心1 000 km 范圍內(nèi)的有效波高在右前象限增大了72 %，在左后象限降低了6.5%。最大有效波高也會隨著熱帶氣旋移動速度增大而增高，最大有效波高的位置會向前移動。這可以由King 等（1978）提出的并經(jīng)過其他科學(xué)家詳細(xì)論述的共振理論來解釋（Young，1988；Bowyer et al，2000；Moon et al，2003）。熱帶氣旋移動方向右側(cè)的風(fēng)速大于左側(cè)風(fēng)速，并且氣旋移動方向右側(cè)波傳播方向與氣旋移動方向相同，受到延長的風(fēng)應(yīng)力作用，當(dāng)熱帶氣旋移動速度增大到與主導(dǎo)波的群速度相當(dāng)時，熱帶氣旋在先前位置生成的涌浪與局地風(fēng)生成的涌浪就會發(fā)生共振。相反地，熱帶氣旋左側(cè)象限的波主要為局地生成的風(fēng)浪，由于波的傳播方向與熱帶氣旋移動方向相反而受到的風(fēng)應(yīng)力減小，因此有效波高隨移動速度增加而減小。

值得注意的是，隨著熱帶氣旋移動速度增大，有效波高在左側(cè)象限內(nèi)剛開始是降低的，但當(dāng)移動速度增大到5 m/s 時左前象限內(nèi)有效波高開始增高，當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時左后象限內(nèi)有效波高開始增高，左前象限內(nèi)有效波高比靜止熱帶氣旋的有效波高要高了4.3%。在剛開始移動速度比較小時，局地風(fēng)生成的風(fēng)浪的有效波高降低是由于波的傳播方向與風(fēng)暴移動方向相反受到風(fēng)應(yīng)力作用時間減短。但是，當(dāng)移動速度增大時，風(fēng)暴移動方向右側(cè)在“近似共振”條件下生成的波會隨著氣旋的移動傳到左側(cè)象限，進(jìn)而先前位置生成的涌浪與局地風(fēng)生成的風(fēng)浪發(fā)生共振使有效波高增高。

2.1.2 對平均波向的影響

熱帶氣旋下海浪平均波向也會隨著移動速度的增加而發(fā)生較大的變化，尤其在左側(cè)象限（圖1）。右前象限的平均波向會有輕微的逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，平均波向旋轉(zhuǎn)10°，主導(dǎo)波沿著熱帶氣旋移動方向傳播。左前象限內(nèi)波的平均波向順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，平均波向旋轉(zhuǎn)60°～100°。在右后象限，平均波向隨移動速度增大而逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，平均波向逆時針旋轉(zhuǎn)30°～120°。在左后象限，平均波向在距氣旋中心300 km 范圍內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)，其他范圍順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度甚至達(dá)到180°在右后象限，當(dāng)移動速度達(dá)到7.5 m/s 時，平均波向在距氣旋中心300 km 范圍內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)90°～180°，在距氣旋中心300 km 范圍外順時針旋轉(zhuǎn)120°～180°。

靜止的熱帶氣旋下波的傳播方向主要由局地風(fēng)浪決定。移動的熱帶氣旋下波的傳播方向由局地風(fēng)生成的風(fēng)浪和先前位置生成的沿著風(fēng)暴移動方向傳播的涌浪共同決定。熱帶氣旋右側(cè)的局地風(fēng)浪傳播方向與涌浪傳播方向同向，因此海浪場大部分范圍平均波向發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)。風(fēng)暴左側(cè)的局地風(fēng)浪傳播方向與涌浪傳播方向反向，所以海浪場大部分范圍平均波向發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，甚至在左后象限旋轉(zhuǎn)180°。

圖1 熱帶氣旋移動速度分別為（a） 0 m/s，（b） 2.5 m/s，（c） 5 m/s，（d） 7.5 m/s 時的有效波高（等值線，單位為m）和平均波向（矢量） 的分布特征

2.1.3 對平均波長的影響

平均波長隨熱帶氣旋移動速度增大會呈現(xiàn)空間不對稱分布（圖2）。靜止的熱帶氣旋平均波長的空間分布是對稱的，隨著熱帶氣旋移動速度增大，氣旋移動方向前兩個象限的主導(dǎo)波以波長較長的涌浪為主，平均波長變長。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s時，平均波長在右前象限增長了200 m，在左前象限增長了230～250 m。熱帶氣旋移動方向后兩個象限的平均波長變化比較復(fù)雜。右后象限，平均波長除了在距氣旋中心100 km 半徑內(nèi)和氣旋正右側(cè)附近區(qū)域內(nèi)隨移動速度增大而增長，在其他范圍內(nèi)隨移動速度增大而減小。左后象限，平均波長隨移動速度增大而減小。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，左后象限和右后象限的平均波長開始增長，但是仍然比靜止熱帶氣旋下的平均波長要短。右后象限平均波長減小了20～100 m，在距氣旋中心100 km 半徑范圍內(nèi)平均波長增大了200 m，在氣旋正右方附近平均波長增大了100 m。在左后象限，平均波長減小了20～150 m。

2.1.4 對波峰向的影響

熱帶氣旋移動速度也會影響峰向的空間分布（圖2）。隨著移動速度增大，右前象限的峰向沒有明顯變化。在右后象限峰向逆時針方向旋轉(zhuǎn)。峰向在左前象限發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。左后象限，峰向在距氣旋中心300 km 半徑范圍內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)，在其他區(qū)域順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，右后象限峰向逆時針旋轉(zhuǎn)60°～120°，左前象限峰向順時針旋轉(zhuǎn)。在左后象限，峰向在300 km 半徑范圍內(nèi)逆時針轉(zhuǎn)60°～120°，在其他范圍順時針旋轉(zhuǎn)80°～180°。熱帶氣旋移動速度對峰向的影響原因與平均波向是相同的。

圖2 熱帶氣旋移動速度分別為（a） 0 m/s，（b） 2.5 m/s，（c） 5 m/s，（d） 7.5 m/s 時的的平均波長（等值線，單位是m）和峰向（矢量） 的空間分布特征

2.1.5 對平均周期的影響

熱帶氣旋的移動速度也會影響平均周期的空間非對稱分布（圖3）。隨著移動速度的增加，左前和右前象限的平均周期增大，左后和右后象限的平均周期減小，非對稱性增強(qiáng)。當(dāng)移動速度繼續(xù)增大后，后兩個象限的平均周期逐漸增大。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，平均周期在右前象限增加了4～5 s，左前象限增加了5～6 s。當(dāng)移動速度增大到5.0 m/s 時，平均周期在后兩個象限均減小了2～4 s。當(dāng)移動速度增大到7.5 m/s 時，平均周期相比于移動速度為5.0 m/s 時在右后和右后象限均增大了1～2 s。

2.2 最大風(fēng)速半徑的影響

熱帶氣旋最大風(fēng)速半徑是影響熱帶氣旋下海浪場分布特征的一個重要因素。最大風(fēng)速半徑增大不僅會增加風(fēng)時，也會增大風(fēng)區(qū)，風(fēng)能量輸入增加，海浪的有效波高、平均波長平均周期都會增大。

2.2.1 對有效波高的影響

EXP.B 的實驗結(jié)果表明有效波高隨著最大風(fēng)速半徑增大而增高，最大有效波高的位置由右前象限向右后象限移動，有效波高場的空間非對稱軸順時針旋轉(zhuǎn)（圖4）。最大風(fēng)速半徑為20 km 時，最大有效波高位于右前象限，當(dāng)最大風(fēng)速半徑增大到80 km 時，最大有效波高移動到右后象限，并且增大了13.6%。對4 個象限內(nèi)1 000 km 半徑內(nèi)有效波高分別求平均，得到有效波高在右前象限增高了31.14%，在右后象限增高了32.62%，在左前象限增高了21.8%，在左后象限增高了44.89%。

2.2.2 對平均波向的影響

圖3 熱帶氣旋移動速度分別為（a） 0 m/s，（b） 2.5 m/s，（c） 5 m/s，（d） 7.5 m/s 時的的平均周期（單位是s） 的空間分布特征（十字線中心代表熱帶氣旋中心，箭頭代表熱帶氣旋移動方向）

隨著最大風(fēng)速半徑增大，右前象限的平均波向沒有變化；在左前象限，平均波向在氣旋中心前100 km，左300 km 的矩形區(qū)域內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)，其他范圍波傳播方向沒有明顯變化；右后象限平均波向在距氣旋中心400 km 半徑范圍內(nèi)不變，在400 km半徑外輕微的順時針旋轉(zhuǎn)；在左后象限，平均波向向著局地風(fēng)向發(fā)生順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)（圖4）。當(dāng)最大風(fēng)速半徑增大到80 km 時，平均波向在右后象限順時針旋轉(zhuǎn)5°～15°，在左前象限逆時針旋轉(zhuǎn)10°～60°，在左后象限順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)角度大于10°，甚至達(dá)到180°。平均波向的變化主要是因為最大風(fēng)速半徑增大，風(fēng)應(yīng)力增加，局地風(fēng)浪成長，平均波向向著風(fēng)浪的傳播方向發(fā)生順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)。

2.2.3 對平均波長的影響

平均波長除了在左前象限距氣旋中心前100 km矩形區(qū)域內(nèi)隨最大風(fēng)速半徑增大而減小之外，在其他區(qū)域均隨著最大風(fēng)速半徑增大逐漸增長（圖5）。當(dāng)最大風(fēng)速半徑為80 km 時，平均波長在右前象限增大50～90 m，在右后象限增大30～90 m，在左后象限增大了10～70 m，在左前象限距風(fēng)暴中心前100 km 的矩形區(qū)域內(nèi)平均波長減小0～80 m，在其他區(qū)域增大0～90 m。在左前象限內(nèi)平均波長之所以會減小，是因為在這一區(qū)域內(nèi)由于風(fēng)應(yīng)力的增加，波長較短的局地風(fēng)浪成長為主導(dǎo)波，而主導(dǎo)波中涌浪部分減弱，使波長減小。

圖4 最大風(fēng)速半徑分別為（a） 20 km，（b） 50 km，（c） 80 km 時的有效波高（等值線，單位為m） 和平均波向（矢量） 的分布特征（圖中信息代表的意義與圖1 相同）

2.2.4 對峰向的影響

最大風(fēng)速半徑對峰向的影響與平均波向類似（圖5）。隨著最大風(fēng)速半徑增大，峰向在氣旋右前象限沒有變化；在左前象限距氣旋中心前100 km左300 km 的范圍內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)，其他區(qū)域峰向不變；在右后象限峰向發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)；在左后象限峰向發(fā)生順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，甚至反向。當(dāng)最大風(fēng)速半徑為80 km 時，左前象限峰向逆時針旋轉(zhuǎn)0°～120°，右后象限順時針旋轉(zhuǎn)0°～100°，在左后象限向著局地風(fēng)的方向順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)0°～180°。

圖5 最大風(fēng)速半徑分別為（a） 20 km，（b） 50 km，（c） 80 km 時的平均波長（等值線，單位為m） 和峰向（矢量） 的分布特征（圖中信息代表的意義與圖2 相同）

2.2.5 對平均周期的影響

隨著最大風(fēng)速半徑增大，各個象限的平均周期均有所增大（圖6）。當(dāng)最大風(fēng)速半徑增大到80 km時，右前象限的平均周期增大了2 s，左前象限的平均周期增大了1 s，右后象限的平均周期增大了2 s，左后象限平均周期增大了3 s。

2.3 熱帶氣旋強(qiáng)度的影響

2.3.1 對有效波高的影響

在實驗EXP.C 中，當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)時，最大風(fēng)速增大，波成長的時間和傳播的速度都會增大，有效波高增高，最大有效波高增大，但是對有效波高場的非對稱性沒有顯著地影響（圖7）。當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時，最大有效波高是一級熱帶氣旋下最大有效波高的2.3 倍。通過求1 000 km 半徑內(nèi)有效波高的平均得到有效波高在右前象限增高70.82%，在左前象限增高51.68%，在右后象限增大63.61%，在左后象限增大91%。

2.3.2 對平均波向的影響

圖6 最大風(fēng)速半徑分別為（a） 20 km，（b） 50 km，（c） 80 km 時的平均周期（單位為s） 的分布特征（圖中信息代表的意義與圖3 相同）

熱帶氣旋的強(qiáng)度越強(qiáng)，平均波向的變化越顯著（圖7）。在右前象限，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時，平均波向才開始有輕微的順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為0°～10°。在左前象限，平均波向在距氣旋中心前100 km左300 km 范圍內(nèi)隨著強(qiáng)度增強(qiáng)逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時逆時針旋轉(zhuǎn)0°～60°，在其他區(qū)域沒有明顯變化。在右后象限，平均波向在強(qiáng)度增強(qiáng)到三級開始順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時，平均波向順時針旋轉(zhuǎn)10°～90°。在左后象限，由于風(fēng)浪逐漸成長為主導(dǎo)波，平均波向發(fā)生順時針或逆時針的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時，平均波向旋轉(zhuǎn)角度均大于10°，某些區(qū)域甚至反向。平均波向隨熱帶氣旋強(qiáng)度的變化表明，當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度比較弱時波的傳播方向主要由移動速度決定，隨著強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，波的傳播方向由移動速度和與氣旋中心的距離共同決定，當(dāng)熱帶氣旋很強(qiáng)時，移動速度對波的傳播方向影響減弱，而距氣旋中心的距離起決定作用。

圖7 熱帶氣旋強(qiáng)度分別為（a） 一級，（b） 二級，（c） 三級，（d） 四級，（e） 五級時有效波高（等值線，單位為m） 和平均波向（矢量） 的分布特征對比（圖中各項所代表的意義與圖1 相同）

2.3.3 對平均波長的影響

隨著熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)，最大風(fēng)速增大，波成長的時間和傳播速度增大，局地風(fēng)浪和涌浪的波長均變長。因此，平均波長隨著熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)而增大（圖8），除了在左前象限距氣旋中心前100 km左300 km 的范圍內(nèi)主導(dǎo)波由波長較長的涌浪變?yōu)椴ㄩL相對較短的風(fēng)浪，從而使平均波長減小。當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度為五級時，平均波長在右前象限增長130～240 m；在左前象限距離氣旋中心前100 km 左300 km 的范圍內(nèi)平均波長減小0～10 m，其他區(qū)域增長0～250 m；平均波長在右后象限增長50～180 m；在左后象限平均波長增長50～160 m。

2.3.4 對峰向的影響

熱帶氣旋強(qiáng)度對峰向的影響與平均波向類似（圖8）。在右前象限，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到四級時峰向開始在氣旋右側(cè)很小的范圍內(nèi)輕微地順時針旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時峰向順時針旋轉(zhuǎn)0°～10°。在左前象限，強(qiáng)度增強(qiáng)到三級時氣旋左側(cè)很小范圍內(nèi)峰向發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到五級時，在氣旋中心前100 km 以左范圍內(nèi)峰向逆時針旋轉(zhuǎn)0°～30°。在右后象限，峰向隨強(qiáng)度增強(qiáng)順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)強(qiáng)度為五級時，峰向旋轉(zhuǎn)10°～100°。在左后象限，峰向隨強(qiáng)度增強(qiáng)發(fā)生順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)度越強(qiáng)旋轉(zhuǎn)角度越大，當(dāng)強(qiáng)度增強(qiáng)到三級以后會在某些區(qū)域出現(xiàn)反向的情況。

2.3.5 對平均周期的影響

隨著熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)，平均周期在各個象限內(nèi)均有所增大（圖9）。當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度增大到五級時，平均周期在右前象限增大了4 s，在左前象限增大了2～3 s，在右后象限增大了3～4 s，在左后象限增大了4～5 s。

圖8 熱帶氣旋強(qiáng)度分別為（a） 一級，（b） 二級，（c） 三級，（d） 四級，（e） 五級的平均周長（等值線，單位是m） 和峰向（矢量） 的分布特征對比（其他均與圖2 相同）

2.4 熱帶氣旋轉(zhuǎn)向的影響

2.4.1 對有效波高的影響

由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用，真實的熱帶氣旋并不是沿著直線運動的，而是在移動過程中向右偏轉(zhuǎn)（北半球）。實驗EXP.D 中，有效波高在不同轉(zhuǎn)向角速度下的空間分布特征的對比顯示熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向會影響有效波高場的非對稱性，有效波高除了在右后象限隨著轉(zhuǎn)向角速度增大而減小外，在其他象限內(nèi)均增加，但是最大有效波高并沒有明顯的變化（圖10）。當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度增大到1.2°/h 時，距氣旋中心1 000 km 半徑內(nèi)的平均有效波高在右前象限增高2.09%，在左前象限增高20.57%，在左后象限增大2.13%，在右后象限減小8.05%。隨著轉(zhuǎn)向角速度增大，有效波高場的非對稱性增強(qiáng)，非對稱軸逆時針方向旋轉(zhuǎn)，最大有效波高位置向前移動，但是仍然在右后象限。當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度增大到1.2°/h 時，有效波高場的非對稱軸逆時針旋轉(zhuǎn)大約35°。

2.4.2 對平均波向的影響

熱帶氣旋移動過程中轉(zhuǎn)向?qū)τ仪跋笙藓妥笄跋笙薜钠骄ㄏ驔]有大的影響，但是會使右后象限和左后象限的平均波向輕微的順時針方向旋轉(zhuǎn)（圖10）。這是因為在前兩個象限內(nèi)作為主導(dǎo)波的涌浪傳播方向不隨熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向而改變。在右前象限仍是沿著熱帶氣旋的移動方向傳播，在左前象限沿著熱帶氣旋移動方向左偏20°～50°方向傳播。在右后象限和左后象限，隨著熱帶氣旋右偏角速度增大，局地風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)浪的傳播方向順時針旋轉(zhuǎn)，而涌浪傳播方向不變，因此，平均波向輕微的順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度為1.2°/h 時，平均波向在右后象限順時針旋轉(zhuǎn)10°左右，在左后象限順時針旋轉(zhuǎn)10°～20°。

2.4.3 對平均波長的影響

平均波長隨著熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度增大而減短，除了在左后象限（圖11）。這是因為當(dāng)熱帶氣旋轉(zhuǎn)向時，風(fēng)時減短，風(fēng)浪成長時間變短。在右后象限內(nèi)當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度增到1.2°/h 時，平均波長在右前象限減短了30 m，在左前象限減短20～40 m，右后象限減短了20～40 m，左后象限增長了0～100 m。

2.4.4 對峰向的影響

熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向?qū)τ仪跋笙藓妥笄跋笙薜姆逑驔]有顯著的影響，右后象限和左后象限的風(fēng)向順時針旋轉(zhuǎn)（圖11），原因與平均波向的變化相同。當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度增大到1.2°/h 時，風(fēng)向在右后象限順時針旋轉(zhuǎn)10°左右，在左后象限順時針旋轉(zhuǎn)10°～20°。

圖9 熱帶氣旋強(qiáng)度分別為（a） 一級，（b） 二級，（c） 三級，（d） 四級，（e） 五級的平均周期（單位s） 的分布特征對比（其他均與圖3 相同）

圖10 熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度分別為 （a） 0°/h，（b） 0.4°/h，（c） 0.8°/h，（d） 1.2°/h 時有效波高（等值線，單位為m） 和平均波長（矢量） 的分布特征（其他均與圖1 相同）

圖11 熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度分別為（a） 0°/h，（b） 0.4°/h，（c） 0.8°/h，（d） 1.2°/h 時平均波長（等值線，單位為m） 和波峰方向（矢量） 的分布特征（其他均與圖2 相同）

2.4.5 對平均周期的影響

熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向?qū)ζ骄芷谝灿杏绊懀S著熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度的增加，平均周期在各個象限內(nèi)均有所減小，但減小不是十分明顯（圖12）。當(dāng)轉(zhuǎn)向角速度增大到1.2°/h 時，平均周期在右前象限和右后象限減小了1 s，在左前象限和左后象限內(nèi)減小了1～2 s。

3 結(jié)論

設(shè)計了4 組理想數(shù)值實驗，用WW3 海浪模式模擬了不同移動速度、最大風(fēng)速、不同強(qiáng)度和轉(zhuǎn)向角速度下的海浪場，實驗結(jié)果為理想條件下的理論值，實際熱帶氣旋風(fēng)場復(fù)雜多變，移動過程中強(qiáng)度、移動速度、最大風(fēng)速半徑、移動方向均處于變化中，因此實驗結(jié)果與實際熱帶氣旋海浪場是有差別的，文中從理論角度定量地分析驗證了熱帶氣旋移動速度、最大風(fēng)速半徑、熱帶氣旋強(qiáng)度以及熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向?qū)＠朔植继卣鞯挠绊憽?/p>

理想實驗結(jié)果表明熱帶氣旋的移動速度對海浪的空間非對稱分布有很重要的作用。熱帶氣旋的移動速度使有效波高、平均波長、平均周期在右前象限增大而在左后象限減小。隨著移動速度增加，平均波向和波峰方向會向著熱帶氣旋的移動方向旋轉(zhuǎn)，在左后象限波浪甚至反向傳播。當(dāng)移動速度很大時，主導(dǎo)波為低頻的長波涌浪，傳播方向由熱帶氣旋的移動方向決定。

熱帶氣旋的最大風(fēng)速半徑和強(qiáng)度會使各個象限的有效波高、平均波長、平均周期增大，最大有效波高增大，且最大風(fēng)速半徑會改變有效波高場的空間非對稱性。隨著最大風(fēng)速半徑增大和強(qiáng)度的增強(qiáng)，風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)，風(fēng)浪逐漸成長，涌浪逐漸減弱，左后象限和右后象限的平均波向和波峰方向會有顯著地變化。隨著最大風(fēng)速半徑增大，最大有效波高的位置向著右后方向移動。

圖12 熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度分別為（a） 0°/h，（b） 0.4°/h，（c） 0.8°/h，（d） 1.2°/h 時平均周期（單位為s） 的分布特征（其他均與圖3 相同）

實驗結(jié)果表明熱帶氣旋的轉(zhuǎn)向會影響有效波高場的非對稱性，有效波高除了在右后象限隨著轉(zhuǎn)向角度增大而減小外，在其他象限內(nèi)均增加，最大有效波高并沒有明顯的變化，但是最大有效波高的位置向右前象限移動，有效波高場的非對稱軸逆時針旋轉(zhuǎn)。隨著熱帶氣旋轉(zhuǎn)向角速度增大，除了左后象限以外各象限內(nèi)平均波長均減短，平均周期在各個象限內(nèi)均有輕微減小。平均波向和波峰方向在右后象限和左后象限發(fā)生輕微的順時針旋轉(zhuǎn)。

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