台风“鲇鱼”作用下南海波浪场的数值模拟研究

沈旭伟，范力阳，陈国平，高晨晨，钟雄华

（河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098）

台风“鲇鱼”作用下南海波浪场的数值模拟研究

沈旭伟，范力阳，陈国平，高晨晨，钟雄华

（河海大学港口海岸及近海工程学院海岸灾害与防护教育部重点实验室，南京210098）

运用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ，以台风模型风场与美国NCEP风场的合成风场为驱动风场，模拟西北太平洋在台风“鲇鱼”期间的波浪变化情况。在运用卫星高度计波高资料对预报模型进行验证的基础上经进一步分析认为，台风“鲇鱼”产生的波浪在北部湾以风浪为主，涌浪较少，而在北部湾以外的南海产生的波浪以涌浪为主，涌浪波高可达3～6 m，周期为12～16 s。在台风“鲇鱼”由东向变为向北行进过程中，在南海产生的涌浪也由东向逐渐变为东北向。

WAVEWATCHⅢ；台风；南海；混合浪；涌浪

西北太平洋是台风的多发区，形成的热带气旋较世界上其他任何海区都多，平均每年约有26个热带气旋达到至少热带风暴的强度，为其他任何地区的两倍以上。目前我国南海的台风主要分为两类［1］：第一类是由于太平洋次表层偏暖，生成与西北太平洋偏西的海域，易于往西北方向移动；第二类是由于太平洋次表层偏冷，季风槽位置偏南，易于向东北方向偏转。第一类台风直接横穿南海，对我国影响显著，研究较多［2-3］。第二类台风只是在南海边缘经过，影响比第一类台风小，研究也较小，但这类台风易形成长周期、传播距离远的涌浪，对船舶航行等造成威胁。本文以2010年台风“鲇鱼”为例，利用第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ（以下简称WW3），将台风模型风场与美国NCEP风场的合成风场［4］作为其驱动风场，研究第二类台风对南海的影响。

1台风简介

台风“鲇鱼”于2010年10月13日20时（北京时间，下同）在西北太平洋洋面上（140.9°E、12.0°N）生成，台风中心往西北移动，17日08时台风中心位于127.5°E、18.7°N，加强为超强台风，转而往西南方向移动。18日12时25分在菲律宾吕宋岛东北部沿海（122.4°E、17.3°N）登陆，登陆后减弱为强台风，继续往西移动，随后进入南海东部海面，强度再度加强为超强台风。19日20时台风中心位于117.9°E、16.7° N，方向逐渐北移。21日9时台风中心位于117.5°E、19.4°N，减弱为强台风，继续向北移动。22日21时减弱为台风。23日12时55分在我国福建省漳浦县登陆，登陆时中心附近最大风力13级，最低气压970百帕。登陆后强度迅速减弱，最终消亡。台风“鲇鱼”路径及计算区域如图1所示。

图1 台风“鲇鱼”路径图Fig.1 The route of typhoon Megi

2海浪模式和驱动风场

2.1海浪模式

WW3风浪模式是在WAM［5］（the Wave Model）模式的基础上发展来的。模式改进了数值和物理的处理方法、程序结构、控制方程等，该模式在风浪物理机制方面以及对波流相互作用考虑的更加合理，使波浪数值计算的精度得到了很大的提高。WW3控制方程［6］为波作用守恒方程，球坐标下的表达式为

式中：N为波能作用量密度；t为时间；λ、φ分别为经度和纬度；σ、θ分别为频率和波向；cλ、cφ、cσ、cθ分别表示波浪在上述4个空间上的传播速度；S为源函数。其中，源函数S考虑了风能输入项、四项波作用项、白冠耗散项、底摩擦项、水深变化引起的波浪破碎项等。

WW3通过波浪谱能量分离法，引入风浪分数W，实现对风浪和涌浪的分离，表达式为

式中：W指局地波动相速C小于UP的那部分波动能量的占总能量的比例，UP指波动传播方向上的风速分量与波龄因子的乘积。W=0，代表纯涌浪；0＜W＜1，代表混合浪；W=1，代表纯风浪。

2.2驱动风场

本文采用美国NCEP风场为背景风场，将台风模型风场与它合成的风场作为驱动风场。

2.2.1台风模型风场

台风的模型风场表达式如下

式中：Vg是梯度风速，采用Myers圆对称模型公式［7］；Vt是移行风速，采用宫崎正卫公式［8］；c1和c2为订正系数；θ是计算点与台风中心的连线与x轴的夹角；β是梯度风与海面风的夹角。在台风中心附近，台风模型风场可以较好地反映台风大风区的风场特征，但一般仅限于几百公里范围内。

2.2.2美国NCEP风场

该项数据由NOAA美国环境预报中心（NCEP）研制，资料属全球大气、海洋、陆面再分析数据，空间分辨率为0.5°×0.5°，时间分辨率为3 h，时间起自1979年。NCEP风场对于非剧烈变化风场精度尚可，对于台风中心的风场刻画明显偏小。

2.2.3合成风场

本次计算范围较大，在台风外围的风场与台风模型风场差别较大。为了更为合理地反映热带气旋的风场特征，本文通过一个权重系数，将台风模型风场和NCEP风场相叠加，这样既保证了气旋外围风场的可靠性，又提高了气旋近中心附近的空间分辨率。合成方法如下

式中：e为权重系数，根据Carr IIIL和Elsberryl的研究成果，权重系数的表达形式为e=c4/(1+c4)，c是考虑台风影响范围的系数。

3模型验证

3.1参数设置

模式运行所选用的地形资料来自于美国地球物理中心发布的ETOPO1全球地形数据集，分辨率为1′× 1′，岸线数据源于全球高分辨率海岸线数据库。模式的计算范围为100°E～150°E、0°N～50°N，空间分辨率为10′×10′；时间步长为600 s；采用球坐标系，频率分为25个，最小频率0.041 18，其余频率由公式fn+1=1.1fn确定（f为频率），划为24个等分的方向。模型计算时间为10月13日～10月24日。

3.2过程验证

为验证WW3海浪模式的模拟效果，选取卫星高度计实测值验证。扫描带位置见图1，对比结果见图2～图3。S1扫描带的模拟值平均波高3.06 m，实测值平均波高2.72 m，两者相关系数为0.956。S2扫描带的模拟值平均波高3.87 m，实测值平均波高3.75 m，两者相关系数为0.977。

模拟值和实测值符合较好，S2扫描带的模拟效果要优于S1。这是由于S2扫描带都位于开阔的海域，而S1扫描带有部分穿过岛屿。一方面，WW3适用于大尺度深海的模拟，对靠近岛屿浅水的模拟效果一般；另一方面，合成风场采用了Myers圆对称理论模型，深海地区地形开阔，风场对称性较好，而岛屿地区地形复杂，风场对称性较差，偏向椭圆的形式，风场的刻画效果变差。这就导致S1扫描带的部分模拟值与实测值差距较大。通过图1，可以发现S1扫描带穿越岛屿大概位于0°～13°N，周围地形复杂，通过图2可以发现在0°～13°N的波高模拟效果确实较差。在S1扫描带13°N往北区域，模拟值和实测值符合较好，明显优于13°N以南区域，也与理论分析符合。

图2 10月18日19时卫星高度计实测值与模拟值对比图（S1扫描带）Fig.2 Comparison of simulation values and measured values at 19：00 on October 18（Scanning stripe S1）

图3 10月20日08时卫星高度计实测值与模拟值对比图（S2扫描带）Fig.3 Comparison of simulation values and measured values at 8：00 on October 20（Scanning stripe S2）

图4 A点波高过程线Fig.4 Wave heights of swells and mixed waves in point A

图5 A点周期过程线Fig.5 Wave periods of swells and mixed waves in point A

图6 B点波高过程线Fig.6 Wave heights of swells and mixed waves in point B

图7 B点周期过程线Fig.7 Wave periods of swells and mixed waves in point B

图8 C点波高过程线Fig.8 Wave heights of swells and mixed waves in point C

图9 C点周期过程线Fig.9 Wave periods of swells and mixed waves in point C

总体而言，模拟值和实测值之间的偏差是合理并且可以接受的。基于合成风场的WW3海浪模式能较好反映出台风“鲇鱼”过程西北太平洋的波要素变化情况。

4结果分析

4.1台风“鲇鱼”对南海局部点的影响分析

本文选取了A（107°E、20°N）、B（109°E、17°N）、C（111°E、21°N）3个点（如图10～图18所示）进行分析，比较混合浪和涌浪对所选位置的影响。

A点位于北部湾内，图4～图5表明，大部分涌浪的波高、周期与混合浪差距较大，A点以风浪影响为主。A点位于0.2 m到0.8 m的涌浪等高线间，变化剧烈，部分值跳跃较大。北部湾内为北风，涌浪从南往北涌入北部湾，北风会减弱涌浪的传入。A处几个涌浪大值，是由于A点风速近乎为零，涌浪得以继续往北传播，涌浪变大。

B点位于海南岛与越南的中间地带，C点位于广东东南沿海。图6～图9表明，B、C两点整个台风过程的涌浪波高、周期与混合浪较为接近，B、C两点以涌浪影响为主。B点的涌浪波高最大值3.4 m，而C点的涌浪波高最大值为1.6 m，B点受涌浪影响远大于C处，主要是B点周围地形开阔，水深条件较好，受涌浪影响更大。通过A、B、C三点的涌浪周期过程线可以发现，台风“鲇鱼”产生涌浪的周期集中在12～16 s。

综上，B、C两点受涌浪影响较大，且B点受涌浪影响高于C点。A点由于海南岛和雷州半岛的庇护作用，受涌浪影响较小。

图10 19日8时混合浪场图Fig.10 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 19

图11 19日8时涌浪场图Fig.11 Wave fields of swells at 8：00 on 19

图12 19日8时涌浪与混合浪的波高比图Fig.12 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 19

图13 21日8时混合浪场图Fig.13 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 21

图14 21日8时涌浪场图Fig.14 Wave fields of swells at 8：00 on 21

图15 21日8时涌浪与混合浪的波高比图Fig.15 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 21

4.2台风“鲇鱼”对南海波浪场的影响分析

19日8时，台风中心位于118.9°E、16.5°N。图10～图12表明，涌浪为东向，混合浪为东北向，以风浪影响为主。在越靠近台风中心的区域，混合浪场南偏程度更高，这是由于台风中心位于区域右侧，产生逆时针风场，使靠近中心的左侧流场也呈现逆时针状态。北部湾由于涌浪还未进入，仍以风浪影响为主。

21日8时，台风中心位于117.5°E、19.4°N。图13～图15表明，混合浪为东北向。涌浪波向复杂。在涌浪波向不连续的交界处，涌浪与混合浪的波高比变化剧烈。右侧以风浪作用为主，涌浪波高较小，南向的涌浪是台风北移过程的惯性引起的。左侧以东北向的涌浪影响为主，是20日8时从东北方向传过来的。北部湾湾口以涌浪影响为主，北部湾内以风浪影响为主。

23日8时，台风中心位于118.0°E、23.4°N。图16～图18表明，台风中心进一步北移，涌浪为东北向，混合浪场也为东北向。在北部湾外的区域，涌浪场和混合浪场分布规律几乎一致，以涌浪影响为主。北部湾湾口以涌浪影响为主，北部湾内以风浪影响为主。

综上，台风“鲇鱼”产生的波浪在北部湾以风浪为主，涌浪较少，而在北部湾以外的南海产生的波浪以涌浪为主。在台风“鲇鱼”由东向变为向北行进过程中，在南海产生的涌浪也由东向逐渐变为东北向。

4.3台风期间涌浪最大时刻分析

本文选取涌浪波高最大时刻对应的混合浪、涌浪的有效波高和谱峰周期分析。此时台风中心位于117.3°E、18.6°N。图19表明，离台风中心越近，混合浪波高越大，最大波高超过6 m。图20表明，涌浪波高最大值超过5 m，远离台风中心。北部湾内涌浪较小，其余区域受涌浪影响较大。

图16 23日8时混合浪场图Fig.16 Wave fields of mixed waves at 8：00 on 23

图17 23日8时涌浪场图Fig.17 Wave fields of swells at 8：00 on 23

图18 23日8时涌浪与混合浪的波高比图Fig.18 Ratios of swells to mixed waves at 8：00 on 23

图19 21日0时混合浪有效波高分布图Fig.19 Wave heights of mixed waves at 0：00 on 21

图20 21日0时涌浪有效波高分布图Fig.20 Wave heights of swells at 0：00 on 21

5结论

（1）合成风场驱动的WW3海浪模式能较好反映台风“鲇鱼”过程西北太平洋波浪变化情况。

（2）台风“鲇鱼”产生的波浪在北部湾以风浪为主，涌浪较少，而在北部湾以外的南海产生的波浪以涌浪为主，涌浪波高可达3～6 m，周期为12～16 s。

（3）在台风“鲇鱼”由东向变为向北行进过程中，在南海产生的涌浪也由东向逐渐变为东北向。

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Numerical simulation studies of influence on wave field in the South China Sea caused by typhoon Megi

SHEN Xu⁃wei,FAN Li⁃yang,CHEN Guo⁃ping,GAO Chen⁃chen,ZHONG Xiong⁃hua
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education，College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

By using the third⁃generation wave model WAVEWATCHⅢ,numerical simulation of the wave field driven by typhoon Megi in the Northwest Pacific Ocean was carried out,in which the wind field was generated by a combination of the NCEP wind field data and a typhoon model.On the basis of good validation of satellite altimetric data,it is seen from the simulation results that wind waves take the major proportion in the Beibu Bay,and swells take the major proportion in the area outside the Beibu Bay in the South China Sea.Swells have little impact on the Beibu Bay,while great influence on the area outside the Beibu Bay in the South China Sea.The wave heights reach to 3-6 meters and wave periods reach to 12-16 seconds.As typhoon Megi moved from east to north,the swell direc⁃tion changed from eastward to northeastward.

WAVEWATCHⅢ;typhoon;the South China Sea;mixed waves;swells

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0369-06

2015-12-15；

2016-03-23

沈旭伟（1991-），男，江苏省宜兴人，硕士研究生，主要从事港口、海岸与近海工程研究。Biography：SHEN Xu⁃wei(1991-),male,master student.