台风马鞍对东中国海波浪的影响研究

尹亚军，陈国平，许忠厚，黄璐，聂鑫，2

（1.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；2.中国人民解放军92812部队，三亚572016）

台风马鞍对东中国海波浪的影响研究

尹亚军1，陈国平1，许忠厚1，黄璐1，聂鑫1，2

（1.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；2.中国人民解放军92812部队，三亚572016）

利用第三代海浪模式WAVEWATCH III驱动合成风场，模拟西北太平洋台风马鞍作用期间东中国海的波浪，从而研究台风马鞍对东中国海波浪的影响。研究结果表明，台风马鞍作用期间东中国海的中部和南部海域的混合浪以涌浪为主，涌浪波向主要为东向。台风对东中国海的东南部海域影响最强，在该海域形成5～8 m大涌浪，最远影响到黄海中部海域，同时在我国东南沿海海域形成小波高长周期涌浪。

西北太平洋台风；WAVEWATCH III；合成风场；东中国海

西北太平洋是全球台风发生最为频繁的海域之一，且台风的强度大、破坏性强，对我国东南沿海的海上生产活动、航运等影响显著。为了降低西北太平洋台风给我国带来的损失，有必要加强对西北太平洋的台风研究。王磊［1］、黄荣辉［2］等人通过对西北太平气旋资料的分析，认为影响我国的西北太平洋台风主要分为两类：第一类是由于太平洋次表层偏暖，生成于西北太平洋偏西海域（即150°E以西）的台风，易于往西北方向移动，从而穿过南中国海海域或东中国海海域，甚至直接登陆我国；第二类是由于西太平洋次表层处于冷状态，季风槽位置偏南，生成于150°E以东海域的台风，移动路径易于在130°E附近向东北方向偏转。对于第一类台风，由于它们直接穿过南中国海或东中国海海域，对我国的影响尤为显著，因而对于这类台风的数值模拟研究很多［3-5］。而对于第二类台风，它们大多在未到达我国东海海域便向东北向偏转，对我国东海海域的影响较第一类台风明显偏小，对这类台风的数值模拟研究还较少，但这类台风易于在东中国海海域形成长周期涌浪，对海上作业平台和船舶航行等产生威胁。因而，本文以2011年台风马鞍为例，利用第三代海浪模式WAVE⁃WATCHIII（3.14版本）（以下简称WW3）驱动合成风场，研究第二类西北太平洋台风对东中国海海域的影响。

图1 “1106号”台风马鞍路径图Fig.1Track of typhoon Ma⁃on

1 台风马鞍介绍

台风马鞍于北京时间2011年7月11日20时在157.3°E、18.4°N处生成，随后台风中心西移，并于7月16日14时发展为超强台风，此时台风中心位于137.9°E、21.2°N，中心最低气压为935百帕，同时台风中心向西北向移动。在7月18日2时，台风中心位于133.5°E、25.9°N，逐渐转为北移，台风强度也逐渐减弱，直至7月19日14时，台风开始影响日本，中心逐渐向东南向移动，并与7月22日8时台风中心向东北向移动，最终消亡，整个台风期间的路径如图1所示。

2 模型建立与验证

2.1 海浪模式简介

WW3的控制方程［6］为波作用守恒方程，球坐标系下的表达式为

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分别表示频率和波向；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。

2.2 模型建立

本文数值模拟的空间范围是100°E～160°E、0°N～50°N，包含了台风马鞍的影响，空间分辨率为10′×10′，计算时间步长为600 s。WW3模式采用球坐标系，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），方向划为24等分。模式运行所需的地形数据源于美国地球物理中心发布的地形数据ETOPO1，分辨率为1′×1′，岸线数据源于全球高分辨率海岸线数据库（GSHHS，驱动风场为合成风场，模型计算时间为7月1日至7月25日）。

2.3 合成风场介绍

本文采用的合成风场是以CCMP风场为背景风场，合成台风模型风场所得。

2.3.1 CCMP风场

CCMP风场是由美国国家航空和宇宙航行局NASA提供的，时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.25°× 0.25°，空间覆盖范围为：78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E。CCMP风场对于非台风中心的风场刻画较为准确，而对于台风中心的风场刻画明显偏小，因而较为适合作为合成风场的背景风场。

2.3.2 台风模型风场

台风模型风场的表达式为

式中：Vg是梯度风速，采用Myers公式［6］；Vt是移行风速，采用宫崎正卫公式［7］；c1和c2为修正系数；β是梯度风与海面风的夹角；θ是计算点和台风中心的连线与x轴的夹角。

2.3.3 合成风场

把CCMP风场作为背景风场，将其与台风模型风场通过权重系数e相结合，构造合成风场，合成风场表达形式为

式中：VC是合成风场；VM是台风模型风场；VQ是CCMP背景风场，权重系数e=C4/(1+C4)，C=r/nr0，其中n取3。

2.4 模型验证

为了验证WW3模式驱动合成风场的模拟效果，将7月5日至7月25日的数值模拟结果与响水近海波浪站（120.1°E，34.44°N），日本沿海的佐多岬观测站（130.75°E，31.05°N）、福将岛观测站（128.63°E，32.76°N）的波浪观测值进行对比，对比结果如图2所示，统计分析如表1所示。图2表明模型模拟波高与三个观测站的实测波高的变化趋势基本一致，只是响水站和福将岛站对最大波高的模拟偏小，而佐多岬站对最大波高的模拟偏大。分析表1可知，佐多岬观测站站的波高模拟值与观测值的相关系数性最好，只是其对台风期间波高的模拟值较观测稍微偏大；福将岛观测站的波高模拟值与实测值的相关性较好，其在台风期间的波高模拟值稍微偏小，而在非台风作用期间的波高模拟值稍微偏大；响水观测站的波高模拟值与实测值的相关性稍差，但模拟波高基本能反映实测波高的变化趋势。由于台风浪的数值模拟本身存在一定的不确定性，因而认为这三个观测站的波高模拟值和实测值间的偏差是合理可接受的。通过对模型的验证可知，利用WW3驱动合成风场能够较好地模拟西北太平洋的海浪。

图2 模型模拟有效波高验证Fig.2Comparison of simulation wave height and measured wave height

3 数值模拟结果分析

3.1 台风对东中国海波浪的影响性分析

为研究此次台风过程对东中国海的混合浪和涌浪的影响，提取了A点（125°E，31°N）、B点（124°E，36°N）进行分析，其中B点位于黄海海域，点位如图4、5、6所示。图3为台风期间两点的涌浪及混合浪的波高周期过程线。

分析图3-a、3-b可知，从7月17日0时开始，A点受台风马鞍影响开始显现，混合浪及涌浪有效波高开始持续增大，谱峰周期则迅速增大至12～15 s，到了7月19日15时，混合浪及涌浪的波高周期均减小到台风影响前的水平。在整个台风影响期间，涌浪波高、周期与混合浪波高、周期较为接近，可见在台风影响期间A点的混合浪中以涌浪为主。

分析图3-c、3-d可知，从7月19日0时开始，黄海海域B点的涌浪谱峰周期迅速增大至11～15 s，表明B点开始受台风马鞍的影响，但混合浪周期无明显变化，到了7月20日18时，涌浪周期迅速减小到台风影响前的水平。在此期间，B点的涌浪波高很小，混合浪中涌浪成分很小，混合浪以风浪为主。

通过以上分析可知，台风马鞍主要是通过台风作用下形成的涌浪来影响东海的波浪，且B点所受台风影响明显小于A点。

3.2 台风期间东中国海波浪场特征

图4、5、6分别为台风过程中的3个不同时刻的混合浪场图、涌浪场图、涌浪与混合浪波高比值图。图4表明在7月17日0时，台风中心位于（136.3°E，22.7°N），距离东中国海仍较远，台风驱动生成的东向涌浪主要影响到了东中国海的东南部海域，使得该海域的混合浪以涌浪为主，此时的混合浪与涌浪的波向一致。该海域的涌浪与混合浪波高比值均大于0.7，大部分比值介于0.8～0.9之间。且此时由于受持续南向风场（非台风马鞍作用产生）的作用，黄海海域产生了南向涌浪，黄海大部分海域的涌浪与混合浪波高比值均大于0.9，混合浪几乎为纯涌浪。

表1 波高模拟值与实测值统计分析Tab.1Statistical analysis of simulation wave height and measured wave height

图3 台风期间A点、B点涌浪及混合浪波高周期过程线Fig.3Wave height of swell and superposition of wind wave and swell in point A and B during the typhoon

图5表明在7月19日0时，台风中心位于（132.8°E，30.8°N），距离东中国海较近，此时东中国海的大部分海域都受台风影响，东向涌浪影响着大部分海域，混合浪场与涌浪场基本一致，大部分海域的涌浪与混浪波高比值均大于0.7，在东中国海的中部海域比值大于0.9。此时，黄海南部海域受台风作用产生的东南向涌浪影响，而黄海北部海域的涌浪波向依然为南向，同时黄海海域的南向涌浪传至渤海湾内，从而使得黄海北部海域和渤海海域涌浪与混合浪波高比值较大，涌浪在混合浪中的成分占优。可见，在7月19日0时，台风马鞍最远只影响到了黄海的南部海域，黄海北部海域及渤海湾内的涌浪是7月17日0时黄海的南向涌浪传播而来。

图6表明在7月21日2时，台风中心位于（138.7°E，32.0°N），已经远离东中国海海域，台风作用下东中国海海域的东向涌浪均已耗散，相比于7月19日0时，东中国海海域的混合浪中的涌浪成分明显减小。

综上分析，台风马鞍对黄海北部海域及渤海海域的影响较小，对东中国海其它海域的影响明显，使得该海域产生东向涌浪，且混合浪中的涌浪成分较高，混合浪以涌浪为主。

图4 7月17日0时混合浪场图、涌浪场图、涌浪与混合浪波高比值图Fig.4Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 0∶00 on July 17

图 57月19日0时混合浪场图、涌浪场图、涌浪与混合浪波高比值图Fig.5Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 0∶00 on July 19

图6 7月21日2时混合浪场图、涌浪场图、涌浪与混合浪波高比值图Fig.6Wave field of superposition of wind wave and swell，wave field of swelland contour line of the ratio of swell wave height to superposition wave height of wind wave and swell at 2∶00 on July 21

3.3 台风期间东中国海波浪分布特征

图7为台风作用期间（7月17日至7月20日）东中国海海域的混合浪、涌浪的有效波高和谱峰周期最大值的分布图。

图7-a、7-b表明台风期间混合浪和涌浪有效波高的最大值分布基本一致，东中国海南部海域混合浪和涌浪最大值基本相同，北部海域混合浪波高最大值显著大于涌浪。东中国海的东南部海域距离台风路径较近，受台风影响最为明显，涌浪和混合浪的波高最大，随着涌浪向东部及北部海域传播，涌浪逐渐衰减，涌浪波高逐渐减小，到了近岸地区，波高最大值均小于1 m，同时在黄海及渤海海域涌浪波高均较小。

图7-c、7-d表明，台风期间混合浪和涌浪的谱峰周期最大值分布基本相同，东中国海的大部分海域的混合浪及涌浪的谱峰周期均大于10 s，且10 s以上长周期涌浪主要影响到了黄海的中部海域，可见此次台风期间，台风影响到的最远海域为黄海中部海域，黄海北部海域及渤海海域基本未受影响。对于中国东南地区近海海域，受10 s以上长周期涌浪的影响。

图7 台风期间混合浪、涌浪的有效波高和谱峰周期最大值分布图Fig.7Distribution of maximum wave height and peak period of superposition of wind wave and swell，swell during typhoon period

4 结论

本文利用WW3海浪模式驱动合成风场模拟了西北太平洋台风马鞍作用期间的东中国海的波浪，从而研究台风马鞍对东中国海的波浪影响，主要得出以下结论：

（1）台风马鞍主要通过台风作用形成的涌浪来影响东中国海，使得台风期间东中国海产生了东向涌浪，且东中国海的中部及南部海域的混合浪以涌浪为主；

（2）台风马鞍最远影响到了黄海中部海域，对东中国海的东南部海域影响明显，产生了5-8m的大涌浪，在我国东南沿海近岸海域形成了小波高长周期涌浪。

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Study of influence on the wave in East China Sea caused by typhoon Ma⁃on

YIN Ya⁃jun1，CHEN Guo⁃ping1，XU Zhong⁃hou1，HUANG Lu1，NIE Xin1，2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education，College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.92812 PLA troops，Sanya 572016，China）

Simulation of the typhoon Ma⁃on in northwest Pacific Ocean forced by combined wind field has been performed using WAVEWATCH III.And the study of the influence on the wave in East China Sea caused by ty⁃phoon Ma⁃on has been carried out.The results show that swell wave is the major component of the wave field during typhoon period,and the swell wave direction is almost in east.Typhoon Ma⁃on has the heavily influence on the south⁃east area of East China Sea,which makes the swell wave height reaches 5～8 m.The middle of Yellow Sea is the far⁃thest area that typhoon Ma⁃on has influence on.Along the southeast coast,the swell with little wave height and long period emerges.

typhoon in northwest Pacific Ocean;WAVEWATCH III;combined wind field;East China Sea

U 656.3；TV 142

A

1005-8443（2015）05-0385-06

2015-05-18；

2015-06-24

尹亚军(1990-)，男，江苏省南通人，硕士研究生，主要从事港口、海岸与近海工程研究。

Biography：YIN Ya⁃jun（1990-），male，master student.