西北太平洋浪流相互作用對有效波高的影響研究

劉娜，李本霞，王輝，呂洪剛

(1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081)

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西北太平洋浪流相互作用對有效波高的影響研究

劉娜1，李本霞1，王輝1，呂洪剛1

(1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京 100081)

西北太平洋強(qiáng)流區(qū)會對海浪的特征和分布產(chǎn)生顯著的影響，尤其是研究臺風(fēng)過程中海流與海浪的相互作用具有重要的研究意義。本文以ROMS海洋模式和SWAN海浪模式為基礎(chǔ)，構(gòu)建了浪流耦合模式系統(tǒng)，對2013年10月6-17日間的臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”過程中西北太平洋浪流相互作用中海流對有效波高的影響進(jìn)行了研究。通過對比模式模擬有效波高與浮標(biāo)觀測資料，發(fā)現(xiàn)耦合后的有效波高比非耦合結(jié)果更接近觀測值，耦合模式中海流的存在對有效波高的分布有明顯的影響。研究表明，特別是在有效波高峰值處，海流引起的有效波高增大最大可達(dá)1 m。海浪浪向及流向的空間分布以及中國近海浮標(biāo)處浪向與流向的時間序列表明，流向與浪向反向時，海流的影響造成有效波高增大；二者同向時，有效波高減小。海流對有效波高的調(diào)整會沿著海浪傳播的方向傳播相當(dāng)一段距離。在西北太平洋的海浪場計算中，引入海流的耦合模式計算結(jié)果對改善強(qiáng)流區(qū)海浪預(yù)報具有重要意義，并且海流的模擬精度對于高精度的海浪預(yù)報非常重要。

浪流相互作用；有效波高；臺風(fēng)；西北太平洋

1　引言

早在20世紀(jì)60年代Longuet-Higgin和Stewart[1]就提出浪流相互作用的概念。當(dāng)隨機(jī)的或沿某個方向的海浪傳播遇到隨時空變化的海流時，會發(fā)生強(qiáng)烈的動量和能量交換，由水平剪切流造成的海浪折射等物理過程會顯著影響波向、波長和波能量[2—3]，進(jìn)而調(diào)整海浪的有效波高或平均波向等統(tǒng)計特征的分布[4]。

來自船舶和衛(wèi)星的觀測表明，當(dāng)海浪傳播到灣流等西邊界流海域時，由于海流造成的復(fù)雜海洋狀態(tài)，使海浪比傳入時變得更大[5]。同樣的，采用高度計數(shù)據(jù)研究表明，在太平洋的黑潮區(qū)，風(fēng)場和海浪的分布沿著黑潮主軸會出現(xiàn)局部加強(qiáng)，海流會對海浪的特征產(chǎn)生顯著的影響[6—7]。在強(qiáng)流區(qū)附近由浪流相互作用造成的波高局部增大甚至波高極大的畸形波也在其他強(qiáng)流區(qū)被反復(fù)觀測到[8—12]。因此，精確估計海流對海浪以及浪流相互作用的影響，對海浪的后報和預(yù)報都有著重要的意義。

在實際海洋條件下，需要考慮海浪的非線性、多方向性和海浪的成長和衰減等物理特征和過程。西北太平洋是全球熱帶氣旋活動最活躍的海域，每年發(fā)生的熱帶氣旋的次數(shù)約占全球的1/3，臺風(fēng)引起的大浪對海上活動有重要的影響，研究西北太平洋臺風(fēng)過程中海流與海浪的相互作用具有重要的意義。為了深入理解海浪經(jīng)過強(qiáng)流區(qū)時的動力機(jī)理和特征，國內(nèi)外學(xué)者采用浪流耦合數(shù)值模式，充分考慮海浪和海流耦合的影響，對浪流相互作用開展了研究[13—16]。Guan等[17]利用改進(jìn)的WAM模式通過考慮譜輸運(yùn)方程中輻射應(yīng)力，研究海流對波浪的影響。本文基于ROMS海洋模式和SWAN海浪模式建立三維浪流耦合數(shù)值模型，模擬研究西北太平洋臺風(fēng)過程中海浪經(jīng)過強(qiáng)流區(qū)的有效波高的時空變化特征，并對海流對海浪影響的過程進(jìn)行討論和分析。

2　模式介紹及實驗設(shè)置

2.1模式介紹

本文采用浪流耦合模型研究西北太平洋浪流相互作用對海浪的影響，基于海流模式Regional Ocean Model System(ROMS)和海浪模式Simulation Wave Nearshore(SWAN)而建立三維耦合數(shù)值模型。ROMS和SWAN通過Model Coupling Toolkit(MCT)模型耦合軟件實現(xiàn)雙向耦合，更好地模擬浪流的相互作用。

ROMS模式是由美國Rutgers大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)(UCLA)共同開發(fā)的區(qū)域海洋模式，在海洋研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該模式基于三維非線性斜壓原始方程，在垂向靜壓近似和Boussinesq假定下，按照有限差分近似求解具有自由表面的Reynolds平均原始Navier-Stokes方程[18—19]。水平方向使用正交曲線(Arakawa C)網(wǎng)格，垂直方向采用跟隨地形可伸縮的S坐標(biāo)系統(tǒng)。ROMS模式功能完善，除水動力模塊外，還包括海冰模塊、生態(tài)模塊、沉積模塊和數(shù)據(jù)同化模塊以及伴隨模式，模式為對流方案、邊界條件、湍封閉混合方案等提供了多種不同的數(shù)值計算方案。在時間上采用內(nèi)、外模態(tài)分離的計算方案， 對內(nèi)、外模獨(dú)立求解， 使模式能高效率運(yùn)行。

SWAN海浪模式是基于波作用平衡方程的第三代海浪數(shù)值模型，由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)，主要是為計算淺水與近岸的海浪而設(shè)計的，適用于從陸架海到破碎帶的風(fēng)浪、涌浪以及混合浪的模擬。SWAN模式源項的處理應(yīng)用當(dāng)今海浪研究最新成果，包括風(fēng)能輸入的線性增長和指數(shù)增長、冠破碎引起的能量耗散、底摩擦耗散、海浪深度誘導(dǎo)破碎和非線性相互作用機(jī)理，尤其在非線性項中加入三相波相互作用項，能合理模擬近岸海浪傳播的周期變化[20]，而且將隨機(jī)海浪以不規(guī)定譜型的方向譜表示，更接近真實海浪。

ROMS-SWAN浪流耦合模式系統(tǒng)采用MCT耦合器在模式成員之間高效地傳遞和轉(zhuǎn)換各種數(shù)據(jù)[21—22]。MCT耦合器通過并行耦合方式實現(xiàn)子模式間各種變量的傳遞、轉(zhuǎn)換、再分配以及網(wǎng)格間插值等功能，應(yīng)用接口程序?qū)崿F(xiàn)子模式之間協(xié)調(diào)運(yùn)行，通過提供靈活的場變量存儲數(shù)據(jù)格式，將兩個模式簡易快捷地耦合起來[23]。MCT提供協(xié)議來為各個模型分配CPU，通過MCT耦合器，ROMS和SWAN模型能夠在規(guī)定的時間步交換數(shù)據(jù)。在本文的研究中，ROMS海洋模式將海表面流場、自由海面起伏等變量傳遞給SWAN模式，SWAN模式向ROMS模式提供有效波高、波長、海浪傳播方向、平均波周期、波破碎率等變量。SWAN海浪模式與ROMS海洋模式采用相同的地形。

2.2實驗設(shè)置

本文中浪流耦合模式系統(tǒng)的模擬區(qū)域為10°～50°N，110°～155°E，包括中國東部海域及西北太平洋海域。海洋模式ROMS模式的水平網(wǎng)格分辨率為(1/8)°，垂直方向分為40層。水深數(shù)據(jù)由分辨率為2′×2′的ETOPO2數(shù)據(jù)插值到模型的網(wǎng)格上，最小水深為10 m，最大為10 654 m(圖1)。ROMS模式中選擇垂向拉伸參數(shù)，使得Sigma坐標(biāo)第一層不深于10 m。模式的東、南、西、北4個邊界均設(shè)為開邊界。模式采用來自美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的全球預(yù)報模式(Global Forecast Model，GFS)的逐6小時的0.5°NCEP分析場數(shù)據(jù)(Final Analysis，F(xiàn)NL)作為大氣強(qiáng)迫場，采用來自Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)的流場、垂向平均的流場、水位、鹽度和溫度場作為初始條件，流場、鹽度和溫度等數(shù)據(jù)作為側(cè)邊界條件。本研究中沒有考慮河流徑流。開邊界采用正壓流的Flather開邊界條件[24]，使風(fēng)生海流和潮汐可以自由傳播。耦合模式系統(tǒng)中SWAN模式與ROMS模式采用相同的水平網(wǎng)格，同樣采用FNL分析場數(shù)據(jù)作為大氣強(qiáng)迫場。SWAN模式中風(fēng)能量輸入的指數(shù)增長形式采用Komen形式，同時考慮白浪耗散、水深誘導(dǎo)的海浪破碎、底摩擦耗散和波-波非線性相互作用等物理過程。SWAN模式初始狀態(tài)由靜止?fàn)顟B(tài)冷啟動，考慮到在西北太平洋海域由側(cè)邊界傳入的涌浪較小，假定開邊界不向計算區(qū)域傳遞海浪，將模式側(cè)邊界條件均設(shè)置為0。在本文實驗中，ROMS模式采用300 s斜壓時間步長，SWAN模式同樣采用300 s時間步長，模式間每3 600 s交換一次數(shù)據(jù)。

圖1　模式計算區(qū)域及ROMS海洋模式地形Fig.1　Model domain and the bathymetry in ocean model ROMS

為研究臺風(fēng)過境時西北太平洋浪流之間的相互作用，本文選取2013年10月6—17日時間段進(jìn)行模擬實驗。由于SWAN模式由靜止?fàn)顟B(tài)冷啟動，開始的一段時間內(nèi)的海浪計算結(jié)果不是真實狀態(tài)，特別是在波高較大的情況下，模擬結(jié)果可能會失真，本文采用1 d以后的模擬結(jié)果，即將10月7-17日計算結(jié)果進(jìn)行對比研究。在此期間，臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”3個臺風(fēng)個例經(jīng)過計算區(qū)域。1324號臺風(fēng)“丹娜絲”于2013年10月4日下午在西北太平洋洋面上生成，沿著北偏西方向移動。7日上午8時加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，中心附近最大風(fēng)力達(dá)到52 m/s，中心最低氣壓為935 hPa，7日下午進(jìn)入我國東部海域，并先后沿偏北轉(zhuǎn)東北方向移動。10月8日晚上離開東海海域，進(jìn)入朝鮮海峽，9日強(qiáng)度減弱為熱帶風(fēng)暴，并停止編號。1325號臺風(fēng)“百合”于2013年10月8日在西北太平洋洋面生成，然后主要沿著西偏北路徑移動，10月11日23時左右登陸菲律賓后，進(jìn)入南海東部海面，然后繼續(xù)沿著偏西方向移動，中心最低氣壓為960 hPa，中心附近最大風(fēng)速達(dá)到40 m/s，10日15時凌晨左右在越南中部地區(qū)登陸。1326號臺風(fēng)“韋帕”于2013年10月11日凌晨2時在西北太平洋洋面上生成，然后沿西北轉(zhuǎn)向西北偏北方向移動，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)到強(qiáng)臺風(fēng)，10月15日上午8時在西北太平洋洋面減弱為臺風(fēng)，沿北偏東逐漸轉(zhuǎn)向東北方向快速移動，強(qiáng)度逐漸減弱，10月16日14時對其停止編號。臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”的路徑見圖2。本文通過臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”3個臺風(fēng)過境期間耦合與非耦合對比實驗研究臺風(fēng)海況下海流對海浪有效波高的影響。

圖2　臺風(fēng)“丹娜絲”(藍(lán)線)、“百合”(紫線)、“韋帕”(綠線)路徑及中國近海浮標(biāo)位置(藍(lán)點)Fig.2　Typhoon path for Typhoon Danas (blue line)， Typhoon Nari (purple line)， Typhoon Wipha (green line)， and location of buoys in China coastal area (blue dot)

3　模擬結(jié)果驗證

為了考察浪流相互作用對海浪模擬的影響，本文通過浪流耦合模式系統(tǒng)設(shè)計了耦合與非耦合兩組模擬實驗，對比研究海流對有效波高的影響。(1)ROMS-SWAN：耦合系統(tǒng)中ROMS與SWAN耦合；(2)SWAN：只采用SWAN模式模擬海浪，不包括海流對海浪的反饋作用。

3.1浮標(biāo)對比

選取位于中國近海的QF101、QF104、QF105、QF206、QF208、QF210六個浮標(biāo)，浮標(biāo)所在位置如圖2所示。將2013年10月6-17日兩組對比實驗中模擬的有效波高與中國近海浮標(biāo)觀測的有效波高進(jìn)行對比(圖3)。從圖中可以看出，QF101、QF104、QF105浮標(biāo)處的有效波高在10月8日、11日、15日出現(xiàn)有效波高波峰，分別對應(yīng)臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”經(jīng)過時出現(xiàn)的有效波高大值分布，傳播到浮標(biāo)處引起的有效波高顯著增大。其中浮標(biāo)QF101處(圖3a)兩組實驗?zāi)M的有效波高與觀測的振幅和時間變化均一致，沒有明顯的差別。浮標(biāo)QF104、105處(圖3b，3c)，在10月10-12日期間，流場的存在影響到波動振幅的計算，耦合模式ROMS-SWAN模擬的有效波高要高于非耦合的SWAN模擬結(jié)果，有效波高最大增幅達(dá)到1 m左右，更接近于觀測結(jié)果，顯著的提高計算精度。而浮標(biāo)QF206、208、210處(圖3d-f)耦合模式ROMS-SWAN模擬的有效波高要明顯低于非耦合的SWAN模擬結(jié)果，流場的作用使得模擬結(jié)果更接近于觀測結(jié)果。在浮標(biāo)QF206、208、210處，海流調(diào)整引起有效波高減小，減小值最大可達(dá)0.5 m。與以往浪流相互作用的研究結(jié)果[16，25]類似，本文研究顯示海流對西北太平洋海浪的影響顯著，考慮了流的影響后波高計算值與實測值吻合得較好，海流引起有效波高的增大或減小，比較顯著的提高有效波高計算精度。通過對比表1中耦合模式與非耦合模式模擬有效波高的平均誤差值可見，在大部分浮標(biāo)處，耦合模式中海流的作用減小了對有效波高的模擬誤差，提高有效波高計算精度。

圖3　中國近海各浮標(biāo)處觀測(藍(lán)線)及耦合模式ROMS-SWAN(黑線)、非耦合模式SWAN(紅線)模擬的有效波高時間序列對比Fig.3　Comparison of observed (blue line) and simulated significant wave height in ROMS-SWAN model (black line)， SWAN model (red line) in the location of coastal buoys

表1　耦合模式與非耦合模式模擬有效波高的平均誤差

在浪流相互作用中，海流對波浪周期和波向也有非常重要的影響。圖4比較了兩組數(shù)值實驗?zāi)M的波浪周期和浮標(biāo)測量的波浪周期。由圖可見，浮標(biāo)QF101， QF104，QF105觀測的波浪周期與數(shù)值實驗?zāi)M的波浪周期大小較為一致，而浮標(biāo)QF206，QF208，QF210處觀測的波浪周期明顯小于數(shù)值模擬的波浪周期。圖4d-f中可見，耦合模式ROMS-SWAN模擬的波浪周期要小于非耦合的SWAN模擬結(jié)果，更接近于觀測結(jié)果，顯著的提高對波周期的計算精度。在浮標(biāo)QF104、QF105處，在某些時刻耦合模式ROMS-SWAN模擬的波浪周期要明顯高于非耦合的SWAN模擬結(jié)果，表明是海流引起的波周期的差異。海流對波周期的影響不僅取決于海流的大小，同時也受到波浪參數(shù)的影響。圖5為兩組數(shù)值實驗?zāi)M的波向與浮標(biāo)測量的波向的比較。由圖可見，觀測的波向與數(shù)值實驗?zāi)M的波向大小較為一致，海流對波向的模擬影響較小。

圖4　中國近海各浮標(biāo)處觀測(藍(lán)線)及耦合模式ROMS-SWAN(黑線)、非耦合模式SWAN(紅線)模擬的波浪周期時間序列對比Fig.4　Comparison of observed (blue line) and simulated wave period in ROMS-SWAN model (black line)， SWAN model (red line) in the location of coastal buoys

圖5　中國近海各浮標(biāo)處觀測(藍(lán)線)及耦合模式ROMS-SWAN(黑線)、非耦合模式SWAN(紅線)模擬的波向時間序列對比Fig.5　Comparison of observed (blue line) and simulated wave direction in ROMS-SWAN model (black line)，SWAN model (red line) in the location of coastal buoys

圖6　10月7-17日00時耦合模式模擬的有效波高空間分布Fig.6　Spatial distribution of the significant wave height computed in coupled model from October 7 to 17 at 00 hour

圖7　10月7-17日00時耦合模式與非耦合模式模擬的有效波高差值的空間分布，以及臺風(fēng)路徑(紅線)和臺風(fēng)中心位置(綠點)Fig.7　Differences of simulated significant wave height between coupled model and uncoupled model from October 7 to 17 at 00 hour. Typhoon paths (red line) and center position of typhoon (green dot) are superimposed

圖8　10月7-17日00時耦合模式模擬的海流場(紅色箭頭)與浪向場(藍(lán)色箭頭)的空間分布及臺風(fēng)路徑(紅線)和臺風(fēng)中心位置(綠點)，黑色方框為臺風(fēng)附近較強(qiáng)海流區(qū)域Fig.8　Spatial distribution of simulated ocean current field (red vector) and wave field (blue vector) in coupled model from October 7 to 17 at 00 hour. Typhoon paths (red line) and center position of typhoon (green dot) are superimposed， black rectangle is the area of strong ocean current near typhoon

3.2有效波高分布

臺風(fēng)經(jīng)過海洋時的一個直接作用，會將能量和動量從大氣傳遞到海洋。圖6為ROMS-SWAN耦合模式模擬的10月7日00時至17日00時刻整個計算區(qū)域的有效波高分布情況?？梢钥闯?，臺風(fēng)經(jīng)過的海域會出現(xiàn)有效波高的大值區(qū)，圖中顯示了臺風(fēng)“丹娜絲”、“百合”、“韋帕”發(fā)展和減弱的過程。10月7-8日為臺風(fēng)“丹娜絲”經(jīng)過時產(chǎn)生有效波高大值區(qū)，中心附近最大有效波高達(dá)到10 m，10月10-14日南海附近有效波高大值區(qū)為臺風(fēng)“百合”過境時產(chǎn)生，中心附近最大有效波高達(dá)到12 m，10月11-17日西北太平洋出現(xiàn)的有效波高大值區(qū)，由臺風(fēng)“韋帕”過境時引起，中心附近最大有效波高超過15 m。

4　海流對海浪影響分析

為了更好地理解浪流相互作用對海浪的作用機(jī)理，接下來進(jìn)一步分析海流在調(diào)整有效波高中的作用，研究臺風(fēng)海況下，海流引起的海浪特征的變化。圖7所示為ROMS-SWAN耦合系統(tǒng)模擬的海浪方向分布，以及耦合與非耦合的情況下模擬的有效波高之差。圖8所示為海浪浪向場與海流流場的空間分布，臺風(fēng)經(jīng)過時引起的較強(qiáng)海流區(qū)域由黑色方框標(biāo)出。由圖7中可見，在臺風(fēng)的局地強(qiáng)風(fēng)作用下，海流的影響引起了有效波高的加強(qiáng)或減弱。臺風(fēng)附近有效波高的調(diào)整源于臺風(fēng)中心，并且在沿著海流較強(qiáng)的區(qū)域(見圖8中黑色方框的標(biāo)注區(qū)域)，有效波高產(chǎn)生明顯的變化。由海流影響引起的有效波高之差的最大值出現(xiàn)在10月14日，在臺風(fēng)東南側(cè)海域，最大的有效波高增加超過1 m，臺風(fēng)西北側(cè)海域有效波高減小。浪流相互作用的影響不僅是局地，會隨臺風(fēng)的移動而傳播，在考慮了海流影響后的有效波高的差值從臺風(fēng)中心沿著海浪傳播的方向傳播相當(dāng)一段距離(圖7f-k)。從文中分析可以得出，耦合模式中表層海流對海浪有顯著的影響，浪流相互作用對海流結(jié)構(gòu)非常敏感。

由海浪浪向分布圖(圖8)可見，在圍繞臺風(fēng)中心的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場作用下，臺風(fēng)經(jīng)過的海域也形成相應(yīng)的逆時針旋轉(zhuǎn)海浪場。同樣的，在臺風(fēng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場作用下，流場也反映出與臺風(fēng)相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)特性，漩渦中心處流速較小，四周流速呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)外擴(kuò)分布，且流速較大。從表層流場分布看出，在中國近海海域，臺風(fēng)過境時海洋表層呈現(xiàn)較明顯的沿岸流現(xiàn)象，黑潮從臺灣以東進(jìn)入東海，主軸沿大陸架邊緣向東北流動，經(jīng)吐噶喇海峽流出東海，流速一般在0.5 m/s以上，最大可達(dá)1 m/s。

結(jié)合圖7和圖8綜合分析可以看出，在臺風(fēng)周圍的北部海域，海浪沿著海流的方向傳播或與流向之間的夾角較小(小于90°)，海浪被折射回來，不能穿越海流[11]，造成有效波高減小。而在臺風(fēng)的南部海域，海浪浪向與流向反向，或夾角大于90°時，會造成有效波高增大。這一結(jié)果與以往研究[6，16]的結(jié)果一致。此外，分析可得，浪流相互作用對海浪的影響主要分布于流速較大的海域，因此，當(dāng)流速越大時，由浪流相互作用引起的有效波高的調(diào)整越大，這與Hwang[6]得出的海流引起的有效波高的增大或減小線性正比于海流流速定性上是一致的。

為了進(jìn)一步研究中國近海6個浮標(biāo)處，耦合模式中海流對有效波高的調(diào)整作用，分析浮標(biāo)處流向與浪向的關(guān)系。圖9所示為選取的6個浮標(biāo)位置處，耦合模式系統(tǒng)模擬的海浪浪向和海流流向變化的時間序列。圖9a-c中可見流向的變化為半日周期，原因是流向主要受當(dāng)?shù)匕肴粘敝芷诘挠绊懀谠摱螘r間內(nèi)波向受臺風(fēng)風(fēng)場影響，呈現(xiàn)出逆時針旋轉(zhuǎn)，在模擬時段內(nèi)該海區(qū)流向與波向表現(xiàn)出不同的變化周期?？梢娏飨虻淖兓癁榘肴罩芷?，原因是在該段時間內(nèi)波向受臺風(fēng)風(fēng)場影響，呈現(xiàn)出逆時針旋轉(zhuǎn)，而流向主要受當(dāng)?shù)匕肴粘敝芷诘挠绊?，在模擬時段內(nèi)該海區(qū)主要是流向的變化造成了有效波高的變化。圖9d-f中可見，海浪方向基本保持不變。通過對比圖3與圖9分析發(fā)現(xiàn)，在浮標(biāo)QF101、QF104、QF105處，在10月8日、11日、15日之前出現(xiàn)流向與浪向相反，造成有效波高增大；而浮標(biāo)QF206、208、210處當(dāng)流向與浪向基本保持同向或夾角小于90°，有效波高減小。這一結(jié)果與圖8中所示浪向與流向的夾角對有效波高的影響關(guān)系類似，當(dāng)海浪方向與背景海流方向反向時，耦合后有效波高增大；二者同向時，耦合后有效波高減小。浪流相互作用對海浪的影響主要分布于流速較大的海域，SWAN計算時，流的影響比較顯著，在考慮流的影響后，能有效地減小計算誤差。

圖9　耦合模式模擬的流向(黑線)、浪向(紅線)時間變化序列Fig.9　Time series of simulated current direction (black line) and wave direction (red line) in coupled model

5　結(jié)論

為了更好的理解臺風(fēng)過程中海浪經(jīng)過強(qiáng)流區(qū)時海流引起的有效波高的調(diào)整，以及浪流相互作用的動力機(jī)理和特征，本文采用基于ROMS海洋模式和SWAN海浪模式建立三維浪流耦合數(shù)值模型，研究海流對臺風(fēng)過程中海浪經(jīng)過強(qiáng)流區(qū)的有效波高的時空變化特征的影響。

通過耦合與非耦合模式模擬得到的有效波高與浮標(biāo)實測資料的對比驗證表明，浪流相互作用明顯的區(qū)域集中在海流較大的海域，流場會顯著地影響有效波高的分布，耦合模式計算的有效波高與觀測值更為接近。海流引起的有效波高增大最大可達(dá)1 m。海浪浪向及流向的空間分布表明，在臺風(fēng)周圍的北部海域，海浪浪向沿著海流的方向傳播或與流向之間的夾角較小，從而造成有效波高減小。而在臺風(fēng)的南部海域，海浪浪向與流向反向，或夾角大于90°時，會造成有效波高增大。海流對有效波高的調(diào)整會沿著海浪傳播的方向傳播相當(dāng)一段距離。同樣的，中國近海浮標(biāo)處浪向與流向的時間序列表明，流向與浪向反向或同向時，造成有效波高增大或減小。由此可見，浪流相互作用是引起海流加強(qiáng)的一個重要原因，考慮了海流的影響后有助于提高海浪的模擬精度。說明了在西北太平洋的海浪場計算中，引入海流的影響是必要的，對提高海浪預(yù)報和后報的精度具有重要意義。

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A study of the influence of wave-current interaction on significant wave height in the Northwestern Pacific

Liu Na1， Li Benxia1， Wang Hui1， Lv Honggang1

(1.KeyLaboratoryofResearchonMarineHazardsForecasting，NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter，Beijing100081，China)

Strong ocean current in the Northwestern Pacific has significant impact on the characteristics and distribution of ocean wave, especially during typhoon. A coupled current-wave modeling system based on the ROMS model and SWAN model is applied to study the current-induced modulation of significant wave height by wave-current interaction during Typhoon Danas, Typhoon Nari and Typhoon Wipha through October 6-17, 2013. The results indicated that the ocean current had significant impact on the simulation of significant wave height in the coupled modeling system. The significant wave height is closer to buoy observation when wave and current are coupled. The maximum enhanced significant wave height due to current is up to 1 m. It’s indicated that the significant wave height always increases (decreases) when the wave direction is against (along) the background ocean current. And the effects of wave-current interactions are not only local but also spread a long distance with the propagation of wave. The wave-current coupled modeling system is important for wave forecasting in the Northwestern Pacific. The current induced in the coupled modeling system would contribute to high-precision ocean wave forecast.

wave-current interaction; significant wave height; typhoon; Northwestern Pacific

2015-07-15；

2015-11-04。

國家自然科學(xué)基金(41406013)。

劉娜(1982—)，女，山東省青島市人，副研究員，主要從事海洋環(huán)流動力學(xué)研究。E-mail：liuna@nmefc.gov.cn

P731.22

A

0253-4193(2016)09-0021-11