南玛都台风期间平潭湾风浪及风暴增水数值模拟

李绍武，李松樵

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

南玛都台风期间平潭湾风浪及风暴增水数值模拟

李绍武，李松樵

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

选用WRF大气模式模拟风场及气压场，利用第三代近岸海浪数值模型SWAN与潮流模型AD⁃CIRC的耦合模型，对福建平潭地区在1111号“南玛都”台风期间的风浪及湾内风暴增水过程进行模拟。台风过境期间，平潭湾内增水最大1 m，波高可达4.5 m，计算结果与实测资料吻合较好，验证了模型在该区域内的合理性。结果表明，WRF模式能有效地反映的大气条件真实情况，选用Ferrier微物理过程及KF积云方案能更好地模拟该台风过程。

WRF；SWAN与ADCIRC；耦合；风浪；风暴增水

我国东南沿海每年都会遭受不同强度的台风或热带风暴袭击，台风引起的巨浪不仅会造成海上与近岸建筑物的破坏以及岸滩的侵蚀，台风期间产生的增水还可能给海产养殖及陆上设施带来严重危害。因此，研究台风过程中波浪及风暴增减水既有重要的理论意义，也将为台风的设防提供重要依据。

台风浪及风暴增减水是一个大气、波浪与潮流的耦合作用过程，在此过程中，风场通过与海面作用引起海浪，并通过气压引起海面增减水。一旦海面产生波浪变得粗糙，又会反过来影响风场，进而影响风与海面间的作用及风暴增减水。

近年来，第三代海浪数值模型SWAN与潮流模型ADCIRC得到了很好的发展与广泛的运用。陈希等［1］利用SWAN模型进行了东南沿海各地区风暴条件下波浪场的模拟。在此基础上，为了更为真实地反映波浪与潮流的相互作用，耦合模型越来越多地被运用到风暴过程中波浪与增减水的模拟中，郑立松［2］讨论了风暴过程中气压及风场对增减水的影响，并模拟了杭州湾内实际波浪及增加水的变化。Sebastian等［3］根据不同台风路径，模拟了极端情况下湾内的增减水过程。

平潭岛位于福建省东部，东临台湾海峡，当地平均潮差达4.3 m，若加上风暴作用，潮位变化可达6 m。本文利用SWAN与ADCIRC耦合模型［4］，考虑波-流相互作用、风-浪相互作用、白浪耗散、底摩阻耗散及水深变化引起的波浪破碎等物理过程，对1 111号台风“南玛都”期间平潭地区的波浪及潮位变化进行模拟计算，将计算结果与实测结果进行对比验证，给出湾内波高的分布情况。

1 风场模型

WRF-ARW中尺度大气模式［5］由美国大气研究中心（NCAR）和美国大气海洋局（NOAA）等机构共同开发，可对区域范围及全球的天气、气象条件进行模拟。本文选用该模式获得风场。空间模拟范围为115.5° E～125.8°E，19.2°N～28.5°N。模型采用Arakawa C网格，水平网格数量为9 801（99×99），分辨率10 km，垂向分层35层。

2SWAN与ADCIRC耦合模型

SWAN与ADCIRC耦合模型考虑近岸区域波浪与水流的相互作用，能够较好地反映风暴条件下波浪与潮流运动的相互作用物理过程［6］。两个模块在同一非结构化网格体系下进行并行计算，每个CPU进行局部子区域的计算，模块间物理信息可直接传递，且在各CPU内进行，不受并行计算环境的影响，具有较高效率和计算精度。

SWAN模式采用动谱平衡方程作为描述海浪的控制方程［7］，表示为

式中：N=N(σ,θ,x,y,t)=E(σ,θ,x,y,t)/σ为波作用密度谱；σ为相对波频；θ为波向角；cx和cy为波浪传播速度的x 和y向分量；cσ和cθ为σ、θ空间的波浪传播速度；S为谱密度表示的源项，考虑风能输入、白浪破碎、底部摩阻、浅水变形以及波-波相互作用等过程。

ADCIRC水动力模型考虑潮位变化及水面风应力及波浪辐射应力，包括沿水深方向积分的连续性方程和运动方程，其表达式为

式中：U和V分别为x和y方向的垂向平均流速；f为科氏力系数；ps为表面大气压力；ρ0为水密度；ξ为平均海平面以上的水位高度；g为重力加速度；（η+γ）表示牛顿潮势和固体潮作用；H为总水深；τsx和τsy、τbx和τby、Dx和Dy、Bx和By分别表示表面风应力、底部切应力、扩散项及斜压梯度的x和y向分量。

3 风浪模拟

3.1 台风“南玛都”

“南玛都”（Nanmadol）是2011年第11号热带风暴，2011年8月23日在菲律宾以东洋面生成，25日晚加强为强热带风暴，并于26日加强为超强台风，27日8时左右于菲律宾吕宋岛东北部沿海首次登陆，29日4时左右于我国台湾省台东县附近第二次登陆，近中心最大风力12级，最大风速33 m/s，中心气压975 hPa，31日2时左右于我国福建省晋江市第三次登陆，最大风力8级，最大风速20 m/s，中心气压992 hPa。台湾海峡测站观测到浪高可达5.5 m，对东南沿海及台湾造成了重大影响，台风路径如图1所示。

图1 南玛都台风路径Fig.1 Path of Typhoon Nanmadol

3.2 风场的模拟

利用WRF大气模式对台风区风场进行模拟并利用天津气象局提供的实测风速数据对模型进行验证，风速测站位于台湾海峡北部，坐标120.306°E，25.497°N。

表1 试验参数Tab.1 Test parameter

WRF模型中有多种物理参数化方案，其中，微物理过程方案涉及对温湿场结构、水汽蒸发、降水等过程的求解，积云参数化方案则根据不同的假定及对积云降水的处理，通过垂直加热的差异，影响对流过程，特别是强降水过程。李响［8］比较了不同的积云参数化方案，指出不同的台风过程应选取不同的参数。为了更准确地模拟1111号台风“南玛都”，本文选取3种微物理过程方案及2种积云参数化方案进行组合，组次试验参数如表1所示。其它参数化方案中，长波辐射采用rrtm方案，短波辐射采用Goddard方案，路面过程采用Noah方案。

6组试验计算对比如图2所示，可以看出风速模拟结果差异不大，与测站实测结果大体相符。总体来看，K-F积云参数化方案的结果好于B-M-J积云参数化方案，特别是在台风过后的风场模拟中，后者明显偏大，且有明显振荡。在K-F积云参数化方案中，新Thompson和WSM6方案的模拟最大风速均高于实测值，而Ferrier方案对台风过后的模拟结果与实测结果更接近。据此，本次计算参数选择Ferrier微物理过程方案及K-F积云参数化方案，风速平均绝对误差2.57 m/s。图3给出典型时刻2011-08-28_16：00 UTC风场模拟结果。

3.3 风浪模型计算区域及网格剖分

模型计算区域包括福建省及台湾岛大部分海域以及浙江省部分海域（20.3°N～28.1°N，116.8°E～125.2°E）（图4）。模型采用非结构化三角形网格，节点数11 679，网格单元数22 347，对平潭地区海潭湾附近进行网格加密，分辨率最小约200 m（图5）。

图2WRF计算参数比选Fig.2 Parameter selection in WRF computation

图3 台风场模拟结果Fig.3 Simulated result of wind field

图4计算区域Fig.4 Computation domain

图5计算网格Fig.5 Numerical meshes

3.4 波浪及潮流模型计算参数

模拟时间从2011年8月28日00时至2011年8月31日23时，共计4 d（96 h）。SWAN模型时间步长10 min，ADCIRC模型时间步长2 s，耦合模型时间步长设置与SWAN模型相同，取为10 min。模型开边界给定潮位过程，用WRF模型得到的风场和气压场作为大气驱动条件。计算过程中考虑了潮流、风场与波浪的耦合作用，风暴增水计算中考虑了风场、气压场、波浪辐射应力的影响。

3.5 数值计算结果与验证

3.5.1 波浪验证

波浪及潮位验证测点位于平潭湾内，坐标119.857°E，25.51°N。波高、波向及波周期计算结果与实测结果对比如图6所示。

波高模拟结果与实测结果大体相符，波高与潮位有一定跟随性，大浪时符合较好，一般天气跟随性均不够理想，短时间内对波高极值的模拟有所欠缺，其原因尚待探讨。波向与潮位虽有一定跟随性，但变化幅度不大。周期模拟结果在一般天气与实测基本一致，但台风过后偏小。

3.5.2 潮位及增减水验证

潮位模拟结果与实测结果对比如图7所示，计算值与实测值吻合。

将有无风暴情况下的潮位进行对比，得到海面增减水过程（图8）。结果在一定程度上能反映增减水的随时间的变化。台风引起的测点处增水可达1 m，且台风过境后，增水随水位变化会发生一定幅度的波动。

3.5.3 实时耦合与离线耦合对比

离线耦合由ADCIRC单向为SWAN提供水位和潮流数据，时间间隔为1 h，实时耦合为两个模型交替计算（表2）。得到两种耦合计算的结果对比如图9所示，可以看出二者总体差异不明显。

图6 波浪要素验证Fig.6 Verification of wave parameters

图7潮位验证Fig.7 Verification of storm surge

图8 增减水验证Fig.8 Verification of setup

图9 不同耦合方式计算结果对比Fig.9 Comparison of calculated results by different coupling methods

表2 耦合方式特征Tab.2 Features of coupling methods

图10波高分布Fig.10 Distribution of wave height

3.5.4 波高分布

根据计算及实测结果，湾内波高于2011-08-29_01：00 UTC产生最大值，附近海域波高分布如图10所示。图10中显示，该时刻计算区域内波浪最大值位于台湾以东海域，波高可达11 m以上。受台湾岛的影响，台湾海峡内波高有所减小，介于5～7 m之间，局部达8 m。图10中显示，湾口偏南部波高最大，可达4.5 m，向湾内传播时逐渐衰减，且湾内南部地区波高总体大于北部，可能会对沿岸造成更严重的影响。

4 结论

本文运用WRF大气模式进行了区域内风场及气压场的模拟，为SWAN+ADCIRC耦合模型提供了驱动条件，结合实测资料对“南玛都”台风作用过程中福建平潭地区的波浪、潮位条件及增减水变化进行了验证，结果表明，SWAN+ADCIRC耦合模型可合理地模拟区域内波浪及潮位的变化，验证了该模型在福建地区及中国东南海域台风作用下的适用性。在波高出现极大值的时刻，给出了台湾岛海域及平潭湾内波高的分布，波高极大值分别可达11 m及4.5 m。耦合方式差异对计算结果有一定影响，离线耦合计算波高较小。风场模拟中，通过对比不同的模式及参数，台风个例“南玛都”过程采用Ferrier微物理过程参数及K-F积云参数能得到更好的模拟效果。

［1］陈希，闵锦忠，李妍，等.台湾岛邻近海域台风浪模拟分析［J］.气象科学，2003（1）：46-54. CHEN X，MIN J Z，LI Y，et al.The simulation of typhoon waves around Taiwan island［J］.Journal of the Meteorological Sciences，2003（1）：46-54.

［2］郑立松，余锡平.杭州湾内台风浪模拟研究［J］.南水北调与水利科技，2010（3）：128-130. ZHENG L S，YU X P.Modeling of wind wave in Hangzhou Bay［J］.South to North Water Transfers and Water Science＆Technolo⁃gy，2010（3）：128-130.

［3］Sebastian A，Proft J，Dietrich J C，et al.Characterizing hurricane storm surge behavior in Galveston Bay using the SWAN+ADCIRC model［J］.Coastal Engineering，2014，88：171-181.

［4］Dietrich J C，Zijlema M，Westerink J J，et al.Modeling hurricane waves and storm surge using integrally⁃coupled，scalable computa⁃tions［J］.Coastal Engineering，2011，58（1）：45-65.

［5］谭凤.基于wrf大气模式的大风过程波浪模拟［D］.天津：天津大学，2011.

［6］Dietrich J C，Tanaka S，Westerink J J，et al.Performance of the Unstructured⁃Mesh，SWAN+ADCIRC Model in Computing Hurri⁃cane Waves and Surge［J］.Journal of Scientific Computing，2012，52（2）：468-497.

［7］Booij N C，Ris R C，Holthuijsen L H.A third⁃generation wave model for coastal regions 1.Model description and validation［J］.Jour⁃nal of Geophysical Research，1999，104（C4）：7 649-7 666.

［8］李响.WRF模式中积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟的影响［J］.中国科学：地球科学，2012，12：1 966-1 978.

LI X.Sensitivity of WRF simulated typhoon track and intensity over the Northwest Pacific Ocean to cumulus schemes［J］.Science China：Earth Sciences，2012，12：1 966-1 978.

Simulation of waves and storm setup in Pingtan induced by typhoon Nanmadol

LI Shao⁃wu,LI Song⁃qiao
（School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Atmospheric model WRF was employed to provide the wind velocity and atmospheric pressure.A coupled model of SWAN and ADCIRC was used to simulate the wave growth and the process of storm surge in Ping⁃tan Bay during the typhoon Nanmadol.The modeled result of the maximum surge in Pingtan Bay was 1 meter and wave height reached up to 4.5 meters during storm process.Good agreement was achieved between the numerical re⁃sults and observation.According to the verification results of wind velocity,the Ferrier scheme is slightly superior to the other 5 schemes and reasonable results of wind field can be obtained by using this model.

WRF;SWAN+ADCIRC;coupling;wind wave

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0242-05

2015-09-23；

2015-12-11

李绍武（1962-），男，山东莱州人，教授，主要从事海岸动力学及岸滩演变、海岸建筑物波浪数值模型研究。

Biography：LI Shao⁃wu（1962-），male，professor.