雙臺風下江蘇沿海的波浪數值模擬

聶永強，陳鵬超

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

雙臺風下江蘇沿海的波浪數值模擬

聶永強1，2，陳鵬超1，2

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；2.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

為研究江蘇沿海海域受雙臺風布拉萬和天秤的影響情況，應用Holland模型與ERA背景風場數據構建雙臺風布拉萬和天秤的模擬風場，結合MIKE SW模塊進行臺風浪的數值模擬試驗，通過與衛星軌道數據、實測站點數據對比對模擬的有效波高進行了驗證，研究了東中國海范圍和江蘇沿海海域的波浪場（混合浪、風浪和涌浪）特征。其中，在模擬風場的構建中，比例系數e至為關鍵，通過進行參數試驗確定較優系數值。研究結果表明臺風布拉萬主要以風浪形式影響江蘇沿海海域，出現的風浪最大值為10.4 m，臺風天秤是以涌浪形式影響，涌浪最大值為2.4 m，且臺風布拉萬的影響強度明顯大于臺風天秤。

雙臺風；Holland；風浪；涌浪

近些年來，發生多起雙臺風影響我國沿海，與單個臺風相比，雙臺風強度更大，影響范圍更廣，風浪對于海岸的侵蝕更為嚴重。本研究選擇2012年的1214號臺風天秤和1215號臺風布拉萬為對象，利用MIKE 21 Spectral Waves FM（SW）模式對東中國海區域進行海浪數值模擬與驗證，并選擇江蘇沿海進行嵌套模擬，分析其波浪場特征。

1 雙臺風路徑、強度特點

臺風天秤于2012年8月19日（世界時間）在西北太平洋洋面上生成，在該初始階段，移動速度緩慢，出現回旋打轉現象，而后緩慢北上。在21日臺風轉向西北偏西方向行進，24日5時在臺灣省屏東縣沿海登陸，登陸時中心最大風力17級。離開臺灣后，強度降低，沿著逆時針方向做了一個回旋打轉，而后基本沿著偏北方向移動，經過江蘇沿海，之后第二次在韓國登陸［1］。

臺風布拉萬于2012年20日在西北太平洋洋面上生成，之后主要是先沿著西北方向移動，強度逐漸加強，在25日加強為超強臺風，最大風力，中心位置，然后趨向于正北移動，經過江蘇沿海，強度逐漸減弱，28日在朝鮮近海登陸［2］。

臺風路徑如圖1所示，臺風天秤和布拉萬構成雙臺風效應，符合藤原效應［3］的定義。由于布拉萬的影響，天秤在臺灣西南部海域出現了回旋打轉現象。

從2012年8月19日～8月23日這一段時間里，如圖2所示，布拉萬臺風的中心氣壓逐漸降低，最低為920 hPa，然后逐漸增加到正常水平；天秤天辰臺風的中心氣壓是先驟降至950 hPa，然后基本保持不變，而后是緩慢升高。與之相對應地，布拉萬中心附近最大風速先是逐漸增大，在8月25日達到臺風期間峰值55 m/s左右，隨后逐漸減小；天秤中心附近最大風速依然是先急速增大為48 m/s左右，發生在8月20日，然后整體趨勢上緩慢減小。總體而言，在19日～23日期間，天秤的中心氣壓小于布拉萬的，風速則大于布拉萬的；而23日之后，天秤的強度呈減弱趨勢，布拉萬仍在增強，明顯地，布拉萬中心氣壓多低于天秤，而中心附近最大風速大于天秤的。

圖1 臺風路徑圖Fig.1 Tracks of binary typhoons

在同期的移速比較上，25日之前，兩者移動速度都較小，如圖2-c所示，居于10 m/s左右，而之后，兩臺風移動速度的差距逐步拉大，布拉萬移速明顯偏大，在8月29日左右達到55 m/s的峰值，天秤移速在8月29日左右達到峰值40 m/s。

圖2 臺風中心氣壓、中心附近最大風速和移動速度比較Fig.2 Comparison of central pressure，the maximum wind speed and moving speed between binary typhoons

2 資料介紹及驗證

2.1 水深數據

Noaa水深數據etopo1的空間精度1分（弧度），包括陸地地形和海域水深。水平坐標是WGS84地理坐標，垂直坐標是以海平面為基準。選取的水深地形范圍是北緯19～42°，東經115～130°，如圖3所示。

2.2 背景風場

ECMWF（歐洲中尺度天氣預報中心）的ERA?interim項目，該項目始于2006年，是在原項目ERA-40基礎上，利用改進的大氣模型和四維變量同化方法生成，為下一代的再分析數據庫做準備。該項目數據的時間跨度從1979年至今，精度最大為6 h；空間上覆蓋全球，精度最大為0.125°［4］。ECMWF的數據在空間和時間上都有較好的連續性和準確性。

選用的風場時間范圍是2012年8月19日6點～2012年8月30日12點，時間分辨率是6 h，空間范圍是115°E～130°E，16°N～42°N，空間分辨率為0.25°×0.25°。

2.3 臺風風場改進

就背景風場數據而言，在臺風眼外圍的風速較真實風速普遍偏小，在臺風眼附近風速有嚴重失真的現象，而臺風風場的準確性對臺風浪數值模擬效果至關重要，因此需要構建臺風模型改進背景風場。目前常用的氣壓場模型有：梅爾斯模式、藤田模式、捷氏模式和Holland模式［5-7］。

臺風模型采用Holland經驗模型，公式如下

式中：P∞為臺風外圍氣壓；P0為臺風中心氣壓；r為計算點到臺風中心的距離；R為臺風的最大風速半徑；B為Holland擬合參數，計算時取經驗公式：B=1.5+(980-P0)/120。臺風最大風速半徑R取目前研究人員常用到的半經驗公式

式中：φ為臺風中心緯度；V為臺風中心移動速度。

合成風場是通過一個權重系數將由Holland經驗模型風場和ERA背景風場相疊加得到

式中：V1為臺風布拉萬的Holland模型風場與ERA背景風場的合成風場；VERA為ERA背景風場；VBolaven、VTembin為雙臺風布拉萬、天秤的Holland模型風場。e為比例系數［8］，，c為一個與臺風影響范圍有關的系數，，其中n一般取9或10。比例系數e也可以在0～1范圍內選取較為適合的數值來實現理想的模擬效果，下面的模擬中就進行了這樣的試驗。

3 海浪模式介紹及設置

3.1 SW模型的基本控制方程

SW模型基于波作用守恒方程，利用波作用密度譜N(σ,θ)來描述波浪。波作用密度與波能譜密度E(σ,θ)的關系為

式中：σ為波頻率；θ為波向。

在直角坐標系下，波作用守恒方程為

式中：N為波作用密度；V為波群的傳播速度；S指能量平衡方程中的源函數，可以表示成下式

式中：Sin指風輸入的能量；Snl指波與波之間的非線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指由于水深變化引起的波浪破碎產生的能量耗散。

在球坐標系下

式中：R為地球半徑；?為緯度；λ為經度。

波作用守恒方程為

式中：S?為源函數，S?(x,σ,θ,t)=SR2cos?。

3.2 模型參數設置

模擬時段為2012年8月19日6時～8月30日12時，計算區域分大小2個區域（如圖3所示），模型采用無結構三角形網格。其中大區域為東中國海，其北至渤海灣，西起現有岸線，計算范圍為19° N～42°N，115°E～130°E，網格數目是36 215，節點數目是18 711；在近岸和外海的網格尺寸分別為2 km和10 km。嵌套區域主要是江蘇沿海，為30.8°N～35.5°N，119.2°E～124.2°E，在江蘇近岸網格尺寸1 km，外海網格尺寸5 km，模擬時利用大范圍的結果給小范圍提供波譜邊界條件，兩區域的計算時間步長均為1 h，采用全譜非定常公式，方向離散數32，頻率區間均為0.055～1.1 Hz，頻段離散數25，其余均采用默認設置。

圖3 東中國海水深圖Fig.3 Bathymetric chart in the East China Sea

4 結果驗證

4.1 高度計介紹

衛星Jason-2被稱作“大洋表面形態任務”（Ocean Surface To?pography Mission，OSTM）星，為法國航天局（CNES）、美國國家航空航天局（NASA）、歐洲氣象衛星組織（EUMETSAT）和美國國家海洋大氣管理局（NOAA）的一項聯合任務。它的重訪周期約為10 d，數據質量非常好，海面測高精度可達2.5～3.4 cm。根據時間和空間的一致性，如圖5所示，選擇第152個周期127號和138號軌道以及第153個周期51號軌道進行與上述風場比較，以及后面進行的模擬波高的驗證。這3個軌道對應的大致時間為2012年的8月22日6時、8月22日16時和8月29日5時。

圖4 衛星軌道圖Fig.4 Satellite orbits

4.2 軌道數據驗證

在模型的調試過程中，系數e對模型的準確性影響很大，通過設置該參數的模擬試驗來確定較為合理的參數值，模擬結果與衛星軌道數據進行對比，經過一系列參數設定試驗得到如圖5所示的結果。當e1、e2都為0.5時，結果有較大偏差。當e1取0.2，e2取0.6時，結果較為理想，模擬獲取的軌道波高與衛星數據的特征較為一致，說明了Holland模型與背景風場組成的合成風場能較為理想地用于波浪模擬試驗。

圖5 模擬波高數據與衛星軌道數據的對比Fig.5 Comparison of simulated wave height with Jason-2 altimeter

選取參數e1為0.2，e2為0.6時的模擬結果進行誤差分析，如表1所示。3個軌道的模擬值與衛星數據的峰值誤差均在1 m左右，平均相對誤差在0.17～0.38范圍內，相關系數是0.9左右，結果較為理想。

4.3 東海測站驗證

東海浮標的地理位置是東經124.5°，北緯31°。觀測位置極佳，臺風布拉萬和天秤先后經過該浮標附近，依次是8月27日左右和8月29日左右。由于資料欠缺，如圖驗證臺風布拉萬經過浮標附近時的波浪實況［2］。

如圖6所示，臺風布拉萬經過時引起的最大有效波高近10 m，模擬出的最大有效波高比實測稍微偏大，兩者的平均相對誤差為0.179，相關系數為0.803。說明布拉萬模型參數e1的選取較為理想，誤差略大可能是由于風眼附近的模擬風場與實際情況有偏差，Holland模型風呈對稱性，而在實際中，風眼附近風場隨時間、空間的變化而變化，往往呈非對稱性。

4.4 江蘇兩站驗證

將江蘇沿海小范圍嵌套模擬結果與響水、蠣蚜山2個測站的有效波高實測值進行對比分析，來檢驗嵌套模擬的效果。如圖7所示，顯示的是響水和蠣蚜山兩測站地理位置，響水位于東經120.1°，北緯34.437°，蠣蚜山是東經121.556°，北緯32.147°。兩個測站的模擬值均與實測值吻合較好。兩測站都出現雙峰，如圖8所示，在8月21日～22日之間，均出現第一個波峰，響水站的最大波高是2 m，蠣蚜山站的是1 m，從時間因素上考慮，這是由江蘇沿海出現的臨時較強風場引起的，與研究的兩個臺風無直接關系；在8月27日左右，兩測站均出現第二個波峰，響水站最大波高達2.5 m，而蠣蚜山站的為1.5 m，蠣蚜山站在響水站南部，較為提前出現這次波峰，說明了臺風布拉萬先后影響江蘇南北海域的過程。蠣蚜山站在8月29日又出現一個小波峰，約0.6 m的波高，而響水站沒有出現，分析時間可知是臺風天秤引起的臺風浪，不過對江蘇南部海域影響較小，對北部海域影響更小。

表1 模擬波高與衛星數據統計分析Tab.1 Statistical analysis of simulated wave height with Jason-2 altimeter

圖6 東海浮標有效波高對比Fig.6 Comparison between simulated wave height and buoy data in the East China Sea

圖7 江蘇沿海地形圖及兩測站位置Fig.7 Bathymetric chart in Jiangsu coastal area and the location of two stations

圖8 兩測站波高驗證Fig.8 Verification of significant wave heights in two stations

5 數值結果分析

5.1 東中國海大范圍海域風場和波浪場特征分析

如圖9所示展示了2012年8月26日0時和2012年8月27日0時兩個特征時刻東中海區域內的風場矢量圖和模擬得出的有效波高等值線圖。從風場矢量圖上可以明顯看出，存在雙臺風的兩個臺風眼，一南一北，位于西南部的臺風天秤的風眼半徑明顯小于臺風布拉萬的半徑，臺風中心附近風力也有相同特點，臺風布拉萬的強度等級明顯大于臺風天秤，整個研究區域主要是受到臺風布拉萬的較大影響，而臺風天秤的影響較小。在雙臺風期間，波浪場與風場的分布特征相一致，最大風速和最大有效波高均出現在臺風中心附近，而兩個臺風的風速最大值是不同步的，對應產生的波高最大值也是不同步的。

在8月26日0時，臺風布拉萬中心附近最大風力50 m/s，相應出現的有效波高最大值17.09 m；臺風天秤中心附近最大風力38 m/s，相應出現的有效波高最大值6.69 m。在8月27日0時，臺風布拉萬中心附近最大風力45 m/s，相應出現的有效波高最大值18.61 m；臺風天秤中心附近最大風力33 m/s，相應出現的有效波高最大值7.15 m。從這些數據比較發現，臺風布拉萬在26日出現的最大風力要大于27日的，但相應的波高最大值反而比27日的略小些，同樣地，臺風天秤也是類似的情況，說明中心附近最大風力與相應海域出現的波高最大值不是絕對正相關的，有可能有多方面因素影響，這說明了臺風浪問題研究的復雜性。

圖9 東中海風場矢量圖和波高圖Fig.9 Wind vectors and significant wave heights of the East China Sea

圖11 2012年8月29日22時江蘇沿海的有效波高圖Fig.11 Significant wave heights of Jiangsu coastal area at 22：00 on 2012-08-29

5.2 江蘇近海海域波浪場特征分析

江蘇沿海研究范圍約為東經118°～125°，北緯31°～36°，如圖7是江蘇沿海水深地形圖。臺風布拉萬于2012年8月28日1時靠近江蘇沿海，臺風眼位置坐標為（124.6°，34.6°），距離江蘇海岸線約4°（經度）的距離，出現混合浪最大值為11.2 m，風浪最大值為10.4 m，涌浪最大值為4.8 m。如圖10所示，此時，風浪場圖與混合浪場圖的分布特征相一致，而涌浪場圖與混合浪場圖的分布特征不一致，說明臺風浪的影響以風浪為主，江蘇沿海受布拉萬影響顯著。

臺風天秤于2012年8月29日22時靠近江蘇沿海，臺風眼位置坐標為（125.7°，33.2°），距離江蘇海岸線約5°（經度）的距離，出現混合浪最大值為2.6 m，風浪最大值為0.8 m，涌浪最大值為2.4 m。如圖11所示，此時，涌浪場圖與混合浪場圖的分布特征相一致，而風浪場圖與混合浪場圖的分布特征不一致，說明臺風天秤對江蘇沿海的波浪場的影響以涌浪為主。

橫向對比這兩個臺風，布拉萬比天秤強度大，更為靠近江蘇沿海，即使是涌浪值也大于天秤產生的混合浪高，差值多達2.2 m。由此說明與天秤相比，布拉萬對江蘇沿海造成了更大的影響。

6 結論

通過Holland模型風場和背景風場疊加構建合成風場進行臺風浪數值模擬，衛星數據和實測數據均較為理想，進一步研究了江蘇沿海的波浪場特征，結論如下：

（1）可以運用Holland模型對雙臺風進行海浪的數值模擬，結果較為理想。模擬過程中，比例參數e的大小對模擬結果影響較大，一般需要費時調試確定。

（2）雙臺風布拉萬和天秤先后經過江蘇沿海，由于路徑和強度的差異，布拉萬對江蘇沿海的波浪場影響很大，而天秤的影響相對小些。其中，布拉萬的影響以風浪形式為主，而天秤的影響以涌浪形式為主。

（3）在臺風影響江蘇沿海期間，輻射沙洲海域由于獨特的地形特征，臺風浪較小，似乎沙洲對涌浪有明顯的“阻擋”效應，需要進一步研究。

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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

聶永強（1990-），男，河南人，碩士研究生，主要從事海岸動力學相關研究。

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