QuikSCAT風場在臺風風暴潮計算中的應用

付翔，仉天宇，于福江

（國家海洋環(huán)境預報中心,國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

QuikSCAT風場在臺風風暴潮計算中的應用

付翔，仉天宇，于福江

（國家海洋環(huán)境預報中心,國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

業(yè)務化風暴潮計算中多采用模型風場的算法來給出風暴潮強迫場。最大風速半徑是模型風場最難確定的參數(shù)之一。利用QuikSCAT衛(wèi)星風場數(shù)據(jù)擬合臺風最大風速半徑是確定該參數(shù)的有效方法。將擬合得到的最大風速半徑代入模型風場計算風暴潮的驅(qū)動場，模擬的沿岸風暴增水與實況更為接近。

QuikSCAT風場；模型風場；最大風速半徑；風暴潮

1 引言

QuikSCAT衛(wèi)星是美國太空總署（NASA）于1999年6月發(fā)射的一顆海洋科學探測衛(wèi)星，它上面所攜帶的SeaWinds（洋面風場散射探測儀）能夠探測洋面10 m的風向風速[1]。該數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛的用在洋面風場特征分析[2-8]，熱帶氣旋的監(jiān)測和分析研究中[6-7]。李明悝用QuikSCAT和NCEP的混合風場數(shù)據(jù)作為驅(qū)動模擬過東中國海一次大浪過程[8]。但遙感風場用于風暴潮的計算還從未有過。

風暴潮是指由于強烈的大氣擾動（如臺風、溫帶氣旋、冷空氣等）而引起的海面異常升高的現(xiàn)象。大多數(shù)因熱帶氣旋引起的特大自然災害是由風暴潮造成的（引自世界氣象組織前秘書長D.A. Davies）。我國是世界上遭受風暴潮災害最為嚴重的國家之一，根據(jù)國家海洋局海洋災害公報[9]，近5年來我國沿海平均每年發(fā)生6.8次風暴潮災害，直接經(jīng)濟損失達182.254億元/年，占年平均海洋災害總體經(jīng)濟損失的96.38%，其中臺風風暴潮災害又尤為嚴重。

目前業(yè)務化的臺風風暴潮數(shù)值計算基本都是采用模型風場來刻畫風暴潮驅(qū)動場，其優(yōu)點是輸入?yún)?shù)簡單，時效性高。缺點就是參數(shù)不易確定，特別是最大風速半徑。最大風速半徑通常是取七級大風半徑的1/10。本文利用QuikSCAT衛(wèi)星遙感風場數(shù)據(jù)提取風場模型的最大風速半徑參數(shù)，代入到風暴潮數(shù)值計算，以期獲得更為準確的風暴潮增水模擬值。

2 QuikSCAT風場反演資料

采用第三級（Level 3）逐日海面風場格點數(shù)據(jù)作為研究用數(shù)據(jù)。SeaWinds第三級再分析數(shù)據(jù)是在二級數(shù)據(jù)的基礎上通過Direction Interval Retrieval with Threshold Nudging(DIRTH)的方法獲得，每日一個文件，分為升軌和降軌兩個通道數(shù)據(jù)，包含風速、風矢量、降水概率等格點數(shù)據(jù)，分辨率為0.25°，掃描幅寬為1800 km[1]。資料下載于NASA噴氣推進實驗室物理海洋學數(shù)據(jù)分發(fā)存檔中心（Physical Oceanography Distributed Active Archive Center at the Jet Propulsion Laboratory），利用其提供的解碼程序?qū)?shù)據(jù)進行解碼，提取其中的經(jīng)、緯向風速分量和衛(wèi)星過境遙感時間。

3 風場模型參數(shù)的提取

使用正圓形對稱的臺風模型風場疊加臺風移行風場來刻畫風暴潮驅(qū)動風場。公式如下：

Wx、Wy為模型風在經(jīng)向和緯向的分量，x、y為格點位置，Vx、Vy為臺風移速在經(jīng)向和緯向的分量，△P為臺風外圍氣壓與中心氣壓差，ρa為空氣密度,R為臺風最大風速半徑，θ為流入角；C1、C2為常數(shù)，x0、y0為臺風中心位置。

目前臺風的預報參數(shù)基本可以滿足該模型風場的計算，除了最大風速半徑。將Wx、Wy看做是R的函數(shù)，根據(jù)最小二乘法擬合原理（式5），利用QuikSCAT風場數(shù)據(jù)求出一個最大風速半徑，即當時的R，其中m為計算區(qū)內(nèi)同軌遙感風場的總格點數(shù)，usi、vsi為衛(wèi)星遙感風速。將R帶入方程(1)—(4)，計算得到模型風場。

4 風暴潮計算模式

采用球坐標下深度平均的二維淺水方程計算風暴潮，控制方程如下：

式（6）中，t代表時間，θ、φ分別代表經(jīng)度和緯度，z代表從平均海平面起算的水位高度，u、v代表深度平均流的經(jīng)向和緯向分量，F(xiàn)s、Gs代表海表面風應力τs的經(jīng)向和緯向分量，F(xiàn)b、Gb代表海底摩擦應力τb的經(jīng)向和緯向分量，Pa代表海表面的大氣壓力，D代表總水深，ρ代表海水密度，假定為均勻的，R代表地球半徑，g代表重力加速度，f代表柯氏參數(shù)。

模式采用有限差分方法求解方程，網(wǎng)格為Arakawa C型網(wǎng)格（見圖1），采用前差-后差（半隱式）差分格式求解，分辨率為1/30度。陸地邊界為剛壁邊界，水邊界取靜壓邊界條件。

圖1 差分網(wǎng)格各物理量的分布圖

5 模擬實例與結(jié)果分析

本文采用0915號臺風作為模擬實例。0915號臺風“巨爵”于9月13日在菲律賓北部洋面生成，兩日后在廣東省臺山市附近登陸，在珠江口到臺山一帶沿海引起了較大風暴潮。計算區(qū)域選取我國最易遭受臺風影響的東海、南海區(qū)域（見圖2）。使用了3個時次的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（見圖3），分別為12日19時前后、13日07時前后和13日19時前后。初始時刻與最終時刻風場的最大風速半徑采用七級風圈半徑的1/10，設臺風登陸前最大風速半徑等于最末一個時次的衛(wèi)星擬合半徑，采用時間線性插值求得臺風移行過程中的最大風速半徑系列。

圖2 模式計算區(qū)域及臺風路徑

圖3 0915號臺風QuikSCAT反演風場

近岸淺水風暴潮對風場的響應非常敏感，因此臺風最大風速半徑的選取對風暴潮增水的模擬結(jié)果有著顯著影響。我們分別采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合的最大風速半徑與七級風圈半徑的1/10為最大風速半徑來計算驅(qū)動風場，七級風圈半徑的值由中央氣象臺發(fā)布的臺風定位GTS報文獲得。由圖4可以看出，以七級風圈半徑的1/10近似為最大風速半徑與衛(wèi)星風場的擬合半徑有一定差別。表1為臺風右半圓主要影響區(qū)域內(nèi)驗潮站的最大風暴潮對比檢驗結(jié)果。由模擬結(jié)果可以看出，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合最大風速半徑的模型驅(qū)動風場，能更好的模擬出沿岸風暴潮最大增水分布。與七級風圈半徑的1/10為最大風速半徑的模擬結(jié)果比較來看，除了離登陸點最遠的赤灣站和最近的臺山站，其它站增水模擬的相對誤差都明顯減小，說明衛(wèi)星數(shù)據(jù)擬合的大風半徑更接近實際情況。但是由于衛(wèi)星軌道覆蓋的原因，數(shù)據(jù)不夠全面，特別是缺乏臺風登陸前的數(shù)據(jù)，因此不能刻畫臺風登陸前風場的變化，加上模型本身對風場分布的刻畫誤差，導致個別站風暴增水的模擬誤差變大。

圖4 最大風速半徑序列

表1 0915號臺風風暴潮最大增水對比檢驗（單位/cm）

5 小結(jié)

利用QuikSCAT第三級遙感數(shù)據(jù)提取臺風風場的最大風速半徑，是獲取模型風場重要參數(shù)的一個有效方法。所計算出的模型風場與實際風場更為接近，作為臺風風暴潮的驅(qū)動場，能較準確的模擬出臺風風暴潮的增水情況。但由于衛(wèi)星自身運轉(zhuǎn)特點的限制，其數(shù)據(jù)缺乏一定的連續(xù)性和時效性，影響了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效利用。若采用多衛(wèi)星源數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的覆蓋區(qū)域和覆蓋時間，將會大大提高衛(wèi)星資料的利用率和模擬的準確度。

[1]JPL SeaWinds Project.SeaWinds on QuikSCAT Level 3 Daily,ridded Ocean Wind Vectors[K].Physical Oceanography DAAC.

[2]劉春霞,何溪澄.QuikSCAT散射計矢量風統(tǒng)計特征及南海大風遙感分析[J].熱帶氣象學報,2003,9（19S）:107-117.

[3]Simona B,Bjorn S.Principal ComponentAnalysis of the Summertime Winds over the Gulf of California:A Gulf Surge Index[J]. MonthlyWeatherReview,2006,134:3395-3414.

[4]陳德文,商少平,商少凌,等.臺風期間臺灣島周邊海域海面風場特征的衛(wèi)星遙感研究[J].廈門大學學報,2007,46（1）:141-145.

[5]劉付前,駱永軍,王超.應用衛(wèi)星散射計資料研究中國海海面風場時空特征[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟,2009,29（10）:37-38.

[6]方翔,咸迪,李小龍,等.QuikSCAT洋面風資料及其在熱帶氣旋分析中的應用[J].氣象,2007,33（3）:33-39.

[7]鄒巨洪,林明森,潘德爐,等.QuikSCAT在臺風監(jiān)測中的應用[J].遙感學報,2009,13（5）:847-853.

[8]李明悝,侯一筠.利用QuikSCAT/NCEP混合風場及WAVEWATCH模擬東中國海風浪場[J].海洋科學,2005,29(6）:9-12.

[9]國家海洋局.海洋災害公報[G].2005-2009.

Application of QuikSCAT wind in typhoon storm surge simulation

FU Xiang,ZHANG Tian-yu,YU Fu-jiang
(Key laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,State Oceanic Administration，Beijing100081 China)

Model wind is usually used as forcing field in the operational storm surge simulation.The maximum wind speed radius is one of the parameters which is the hardest to be determined in most wind models.By using QuikSCAT wind data fitting maximum wind speed radii,the storm surge forcing field is assimilated.As a result, the simulated surge is more approximate to the observations.

QuikSCAT wind field;model wind field;maximum wind speed radius;storm surge

book=83,ebook=83

P444

：A

：1003-0239（2012）04-0018-05

2012-02-16

海洋公益性行業(yè)科研專項“自主海洋動力環(huán)境衛(wèi)星微波遙感處理技術研究示范”（201102032-4）

付翔（1980-），女，助理研究員，現(xiàn)從事風暴潮預報技術研究。E-mail：fx@nmefc.gov.cn