西北行路径台风浪的特征分析

夏璐一，栾曙光，张超

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连116023)

台风会引起巨浪狂潮，导致船只沉没、房屋倒塌，常给沿海地区带来巨大灾害与损失。防台减灾一直受到众多专家学者的高度关注，董美莹等［1］对“麦莎”台风引起的浙江省大风分布特征和成因进行了分析;高帆等［2］利用中尺度数值模式MM5，模拟台风“麦莎”的路径、强度及其内部结构，分析了“麦莎”的动力和热力特征;赵凯等［3］对强台风“珍珠”引起的近岸台风浪进行数值模拟，得到了近岸台风浪场有效波高的变化规律;栾曙光等［4］对超强台风“桑美”进行数值模拟，分析了台风“桑美”正面登陆沙埕港时港内波浪分布的特征及灾害成因。据统计，1949—2012年，在浙江省登陆的热带气旋共41个，其中西北行路径的台风频繁出现，约占73%。为此，作者基于MIKE21 SW谱波浪模型，建立了浙江省海域台风浪的计算模型，选择近十年西北行路径的6个台风，即“海葵”(201211号)、“卡努”(200515号)、 “云娜” (200414号)、 “麦莎” (200509号)、“韦帕” (200713号)和“桑美” (200608号)对模型进行验证，在计算结果与波浪观测值相吻合的基础上，分析了台风移动路径上及其两侧台风浪的变化规律，旨在为近岸台风浪预报和渔船选择回港避风路径提供参考依据。鉴于对6个台风的计算结果一致，本研究中，仅以强台风“海葵”为实例，对西北行路径的台风浪进行数值模拟。

1 浙江省海域台风风场模型的建立

1.1 风场模型参数

台风风速的计算公式为

其中:vr为旋转风速，由下式［5］确定，即

vt为平移速度，计算公式为

Rm为最大风速半径 (km)，其计算采用Graham和Nunn提出的经验公式［6］，即

式中:vmax为最大风速 (km/s);vf为风场的移动速度 (km/s);φ为最大风速与台风圆外法线之间的夹角 (°);vF为台风中心移动速度 (km/s);φ为地理纬度;P0为台风中心气压 (kPa)。

利用公式 (5)求得风场半径约为43 km。

1.2 风场模型的建立

本研究中，建立风场模型的模拟范围从福建省福清市起向北至上海市全水域。在台风风场模拟范围内划分矩形网格，网格密度为100 m×100 m。由于风场模型的准确性影响着台风浪数值模拟的精度，因此，需要对台风风场模型进行验证。在计算区域内，由大陈风速监测站 (121．9°E，28．45°N)实时记录了台风的风速，利用实测风速资料对风场模型进行验证，计算结果与实测结果相吻合。

2 浙江省海域台风浪模型的建立

2.1 波浪模型控制方程

台风的波浪模型是在台风风场模型的基础上建立的。SW模型基于波作用守恒方程，采用波作用密度谱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

其中:σ为相对波频率;θ为波向。

在笛卡尔坐标系下，MIKE21 SW的控制方程采用波作用守恒方程，即

其中:v 为波群速度，v=(cx，cy，cσ，cθ)，式中cx、cy分别为波作用速度在地理空间 (x，y)坐标中的变化，cσ为由水深和水流引起波速在频率上的变化，cθ为由水深和水流引起的折射;S为能量平衡方程中的源函数，以谱密度表示，即

式中:Sin表示风输入的能量;Snl表示波浪间非线性作用引起的能量转移;Sds表示由白帽引起的能量损耗;Sbot表示由底摩阻引起的能量耗散;Ssurf表示由水深的变化引起波浪破碎产生的能量损耗。

在方向频率谱中，不同波浪组分之间的非线性能量传递对波浪传播来说至关重要，本研究中能量传递采用四波相互作用模式。水深引起的波浪破碎是由于波浪波高太大致使水深不足以维持完整的波形，而使得波能耗散的过程，在波浪谱模型中使用Battjes等［7］和 Jassen［8］的模型。对于底摩阻引起的能量损耗，采用Nikuradse粗糙度。对于白帽破碎耗散引起的能量损耗，采用Komen等［9］建议修改的白帽耗散项。

2.2 边界条件与网格划分

模型的边界条件分为陆地边界和开边界。陆地边界采用波浪全吸收边界，且边界对向岸流全反射，不考虑离岸流的作用。开边界采用自由辐射边界。本研究中，建立的浙江省台风浪模型有3个开边界和1个陆地边界，边界条件设定如图1所示。风浪模型采用非结构化三角形网格，网格单元数为17 952个，结点数为30 449个。计算区域从福建省福清市起向北至上海市全水域，风浪场的计算区域为(119．41°E，25．54°N)～ (128．42°E，32．42°N)。

2.3 台风浪模型的验证

通过对比舟山外海波浪监测站 (124°E，29．51°N)的模拟值和实测值来验证台风浪模型的准确性。舟山外海监测站位于强台风“海葵”前进方向的右侧，产生了7 m左右的波浪。“海葵”台风浪模拟值与实测值的对比结果基本一致 (图2)。结果表明，用本模型模拟浙江省近岸海域的波浪是合理可行的。

3 台风浪特征分析

3.1 分析位置点的选取

在强台风“海葵”移动路径上选取水深分别为-10、-30、-60、-80 m的4个0点，分析台风移动路径上台风浪的特征。再选取-30 m等深线上的点1至点6，其中点1至点3位于温州附近海域，位于台风移动路径的左侧;点4至点6位于舟山附近海域，位于台风移动路径的右侧，其中点1和点4位于台风十级风圈内，点2和点5位于台风十级风圈上，点3和点6位于台风十级风圈外即七级风圈内。点1和点4距-30 m等深线上0点的距离为100 km，点2和点5距-30 m等深线上0点的距离为200 km，点3和点6距-30 m等深线上0点的距离为250 km。选取的点1至点6分别位于风眼区域之外的十级或七级风圈上，用于分析台风移动路径左侧和右侧的台风浪特征，选点位置如图3所示。

3.2 移动路径上的台风浪特征

图1 计算区域网格图Fig.1 Grids of computational area

图2 强台风“海葵”风浪模型与实测值的比较Fig.2 Comparison between wave field model and measured data of severe typhoon“Haikui”

图3 选取点位置图Fig.3 Location map of the selected points

台风移动路径上的点即台风移动过程中风眼区域经过的点。在台风移动过程中，强台风“海葵”从外海向近岸沿西北行路径移动，在海上逐渐聚集能量，强台风“海葵”的前眼壁、风眼中心区域和后眼壁依次经过水深-80、-60、-30、-10 m的4个0点区域。对其移动路径上-80 m水深处的0点分析得出，有效波高随时间的变化呈现四个阶段，如图4所示。

第一阶段是从模拟的初始时刻至8月7日20时，该点有效波高随时间呈现上升趋势，当强台风“海葵”的前眼壁刚好与该点重合时，移动路径上-80 m水深处的0点恰好位于台风中心的NW向，风速达到最大值47 m/s，风向为NE，有效波高达到最大值9．06 m，浪向为NE。风向和浪向相差13°，是强台风“海葵”逆时针旋转的风速与沿西北行路径移动速度相叠加的结果。

第二阶段是从8月7日20时至8月7日23时，随着台风中心向前移动，该点从风速最大值的前眼壁处逐渐进入风眼中心区域，有效波高随时间呈现衰减状态，当台风中心超过该点，在相距台风中心33 km的风眼区域内时，有效波高跌至6 m，浪向为SSE。在台风眼中心区域，风和浪经历着无规律的衰减过程。

第三阶段是从8月7日23时至8月8日3时，强台风“海葵”仍继续向岸边移动，当后眼壁经过该点时，强台风“海葵”的有效波高经历着再次升高的阶段，有效波高最大值为7．79 m，风向为SSW向，浪向为SSW，此时移动路径上-80 m水深处的0点位于台风中心的SE向。

第四阶段是从8月8日3时至8月8日4时台风登陆后，强台风“海葵”能量逐渐耗散，随着中心点与该点距离的增加，台风等级也逐渐降低，移动路径上-80 m水深处的0点的波浪逐渐减小至正常情况下的有效波高，此时风向和浪向均为SSW。

强台风“海葵”移动路径上-60、-30、-10 m水深处的0点也经历了上述四个阶段 (图4)。移动路径上的台风浪特征与文献 ［3］的研究结果相符合。

图4 强台风“海葵”移动路径上有效波高的变化规律Fig.4 Significant wave height distribution in the moving route of severe typhoon“Haikui”

3.3 移动路径左侧和右侧的台风浪特征

图5为强台风“海葵”移动路径左半圈的有效波高变化图，点1至点3位于台风移动路径的左半圈，不经过台风中心的眼壁区域，因此，有效波高的变化只经历了升高和降低两个阶段。点1至点3的有效波高具有相同的变化规律，在与台风移动路径的距离达到最小值时，3个点同时达到有效波高的最大值。因点1与台风路径的距离最近，其上各点的有效波高值均大于点2和点3，点1的有效波高最大值为5．23 m，波向为WNW。

图5 强台风“海葵”移动路径左半圈的有效波高变化规律Fig.5 Significant wave height distribution in the left semicirclemoving route ofsevere typhoon“Haikui”

图6为强台风“海葵”移动路径右半圈的有效波高变化图，点4至点6位于台风移动路径的右半圈，与台风移动路径的左半圈的点1至点3有相同的变化规律，即只经历了升高和降低两个阶段。有效波高的最大值也发生在与台风移动路径的距离达到最小值时。点4的有效波高最大值为7．25 m，波向为ESE，均大于点5和点6，且台风移动路径右侧的有效波高值均大于左侧，可能是由于台风移动路径右侧的风速和移动速度相一致，使得北半球台风前进方向右侧的波浪发展迅速，导致有效波高远大于左侧，形成危险半圈。移动路径左侧和右侧的台风浪特征与文献［3］的研究结果相吻合。

强台风“海葵”右半圈有效波高相对于左半圈的增幅如图7所示，其中横坐标30 km是位于台风眼壁处，60～200 km处位于台风十级风圈内，200～240 km是位于台风七级风圈内。从图7可以看出，从距离台风中心30 km到距离台风中心150 km处，右半圈有效波高的增幅呈上升趋势，30 km处有效波高增幅为29%，150 km处的增幅为48%，达到最大值。之后右半圈有效波高的增幅呈下降趋势，240 km处的增幅为28%，达到最小值。因此，渔船在回港避风途中应远离台风移动路径右侧的十级风圈，选择台风移动路径左侧的十级风圈以外或右侧七级风圈以外的海域航行。

图6 强台风“海葵”移动路径右半圈的有效波高变化规律Fig.6 Significant wave height distribution in the right semicirclemoving route ofsevere typhoon“Haikui”

图7 台风右半圈有效波高相对左半圈增幅的百分比Fig.7 Growth of significant wave height between right and left in moving route

4 结论与建议

本研究中利用MIKE21 SW谱波浪模型，建立了浙江省附近海域的风场模型和台风浪模型，在数值模拟与实测结果相吻合的基础上，分别对201211号强台风“海葵”、200509号台风“麦莎”、200515号台风“卡努”等6个西北行路径的台风浪进行了数值模拟计算与分析，它们有相同的变化规律，并得出以下结论:

(1)对于西北行路径的台风，移动路径上前眼壁处有效波高值最大，后眼壁处有效波高次之，前后眼壁处有效波高的波向分别为NE向和SSE向。台风眼中心区域有效波高经历着无规律的衰减过程，台风移动路径上远离台风中心处有效波高值与台风中心的距离成反比。

(2)台风移动路径左侧和右侧 (即移动路径以外区域)有效波高经历着升高和降低两个阶段，有效波高与该点到台风移动路径的距离成反比，当与台风移动路径的距离最小时，有效波高达到最大值。台风移动路径左侧的波向为WNW向，右侧的波向为ESE向。

(3)台风移动路径右侧的风速与移动速度相叠加，导致右半圈的有效波高大于左半圈，其有效波高的增幅可达29%～48%，增幅最大值出现在距台风中心150 km的十级风圈内。

当渔船接到台风预警信号后，建议渔船科学地选择回港避风路径，应远离台风中心，选择台风移动路径左侧十级风圈以外或右侧七级风圈以外的区域航行，并避免渔船垂直于台风浪方向航行。

［1］董美莹，俞燎霓．“麦莎”台风影响期间浙江的大风分布特征和成因分析［J］．科技导报，2006，20(4):29-32．

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［3］赵凯，栾曙光，张瑞瑾．强台风“珍珠”引起的近岸波浪场数值分析［J］．海洋预报，2011，28(4):35-42．

［4］栾曙光，李可，桑宝峰．沙埕港超强台风“桑美”灾害成因的数值模拟分析［J］．大连海洋大学学报，2012，27(1):69-72．

［5］Young I R，Sobey R J．The numerical prediction of tropical cyclone wind-waves［M］．Australia:James Cook University of North Queensland，1981．

［6］邱大洪．工程水文学［M］．北京:人民交通出版社，2007．

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