張澤方,陳漢寶,徐亞男,陳松貴
(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,南京210098;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456)
南海臺(tái)風(fēng)特征及臺(tái)風(fēng)場數(shù)值改進(jìn)研究
張澤方1,陳漢寶2,徐亞男2,陳松貴2
(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,南京210098;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456)
通過搜集南海臺(tái)風(fēng)資料,對(duì)近10 a南海臺(tái)風(fēng)的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。利用Ueno臺(tái)風(fēng)風(fēng)場模型和改進(jìn)的藤田公式,引入壓差修正系數(shù)和后報(bào)風(fēng)場數(shù)據(jù),構(gòu)建了1330和1409號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場,并應(yīng)用測站觀測資料對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與誤差分析。結(jié)果表明:西北太平洋移入南海的熱帶氣旋整體上比南海生成的熱帶氣旋數(shù)量多、強(qiáng)度大;南海海域生成的登陸臺(tái)風(fēng)在我國登陸較少,多在越南登陸。改進(jìn)的模型風(fēng)場極值相對(duì)誤差小;引入后報(bào)數(shù)據(jù)后,合成風(fēng)場數(shù)據(jù)相關(guān)性更好,誤差更小。
臺(tái)風(fēng)風(fēng)場;數(shù)值模擬;誤差分析;評(píng)估
我國是重要的海洋大國,海洋生物資源、礦產(chǎn)資源和化學(xué)資源豐富,海洋開發(fā)有著廣闊的前景,但我國同樣也是海洋災(zāi)害發(fā)生最頻繁的國家之一,臺(tái)風(fēng)就是海洋災(zāi)害中不可忽視的一種。臺(tái)風(fēng)不僅頻繁影響我國海域,還會(huì)引發(fā)臺(tái)風(fēng)浪,對(duì)海上施工、航海和近岸建筑物造成巨大破壞。
針對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場很多學(xué)者開展了一系列研究工作。例如:聞斌,薛彥廣等[1]利用Ueno臺(tái)風(fēng)風(fēng)場模型構(gòu)建了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場,并以此作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場推算了臺(tái)風(fēng)浪場,模擬結(jié)果較為理想;尹洪強(qiáng)[2]基于理論風(fēng)場、國家再分析風(fēng)場和NCEP在分析風(fēng)場,進(jìn)行了對(duì)比分析,表明了風(fēng)場的準(zhǔn)確性是正確推算臺(tái)風(fēng)浪的關(guān)鍵;徐亞男,馮建國[3]利用中尺度大氣模式MM5模擬歷史天氣狀態(tài),再現(xiàn)1991~2010年20 a的影響工程海域的颶風(fēng)個(gè)例與大風(fēng)天氣風(fēng)場過程。前人的成果目前還存在一些可深化研究的點(diǎn),直接應(yīng)用理論模型風(fēng)場或做簡單的同化數(shù)據(jù)并不能真實(shí)模擬南海臺(tái)風(fēng)情況,本文通過引入壓差修正系數(shù)與后報(bào)數(shù)據(jù)風(fēng)場,對(duì)影響南海海域的兩場典型臺(tái)風(fēng)過程進(jìn)行了模擬,并對(duì)模擬結(jié)果做了對(duì)比研究與誤差分析。
統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)資料來源于中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所公布的2006~2015年的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)。
1.1 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)
2006~2015年影響南海的臺(tái)風(fēng)共45次,其中強(qiáng)臺(tái)風(fēng)16次,超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)13次,說明每年平均發(fā)生3次左右的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程。以中心最大風(fēng)速的大小為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分類統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)南海臺(tái)風(fēng)平均強(qiáng)度為46.71 m/s,最大強(qiáng)度達(dá)78 m/s(1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”)。其中南海生成的臺(tái)風(fēng)最大強(qiáng)度為45 m/s(1321號(hào)臺(tái)風(fēng)蝴蝶),平均強(qiáng)度為36.25 m/s,西北太平洋移入的臺(tái)風(fēng)在南?;顒?dòng)時(shí),平均強(qiáng)度為47.73 m/s。說明西北太平洋移入南海的臺(tái)風(fēng)數(shù)量多,強(qiáng)度大,風(fēng)速高,對(duì)南海海域的影響要明顯大于起源于南海的臺(tái)風(fēng)。
1.2 臺(tái)風(fēng)登陸統(tǒng)計(jì)
絕大多數(shù)臺(tái)風(fēng)的動(dòng)向是登陸,其中熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度以上的熱帶氣旋登陸60場,占總數(shù)的68.9%(共87場)。所有登陸的熱帶氣旋中,27場在我國沿海城市登陸,33場在越南登陸。西北太平洋移入的臺(tái)風(fēng)登陸我國和越南的數(shù)量均在20場左右;南海生成臺(tái)風(fēng)在我國大陸區(qū)域登陸3場,其余多數(shù)登陸于越南,可見南海生成的登陸臺(tái)風(fēng)對(duì)越南沿海影響較大。南海臺(tái)風(fēng)動(dòng)向統(tǒng)計(jì)如表1所示。
1.3 臺(tái)風(fēng)路徑統(tǒng)計(jì)
影響南海的臺(tái)風(fēng)路徑比較復(fù)雜,按類型可大致分7類路徑[4],其中西行(1325號(hào)百合)、西北行(1306號(hào)溫比亞)、北行(1308號(hào)西馬侖)、東北行(1406號(hào)米娜)、拋物線行(1224號(hào)寶霞)、偏南行(0722號(hào)琵琶)和特殊路徑(0725號(hào)海貝思)的路徑示意圖如圖1所示。
表1 南海臺(tái)風(fēng)動(dòng)向統(tǒng)計(jì)(1996~2015)Tab.1 Statistics of typhoon trends in the South China Sea(1996-2015)
圖1 各種類型臺(tái)風(fēng)路徑示意圖Fig.1 Various types of typhoon route
在10 a里影響南海的87場熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度以上的熱帶氣旋中,西北行和西行的路徑最多,分別為29個(gè)和28個(gè),兩者占總數(shù)的65.5%;北行的12個(gè),東北、偏南行和拋物線行的路徑較少,分別為5個(gè)、4個(gè)和2個(gè);特殊臺(tái)風(fēng)路徑7個(gè),比如0725號(hào)臺(tái)風(fēng)海貝思,在西行進(jìn)入南海后,路徑變?yōu)闁|行,移出南海。臺(tái)風(fēng)路徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。
本文用來模擬計(jì)算南海臺(tái)風(fēng)場的理論模型采用Ueno Takeo[5]模型。模型表示為式(1)
若將原點(diǎn)取在固定的計(jì)算域上,則臺(tái)風(fēng)域中的中心對(duì)稱風(fēng)場分布取以下形式
這里,Wx,Wy分別代表風(fēng)速在x,y方向的分量,ΔP=P∞-P0,代表臺(tái)風(fēng)中心氣壓示度;r和R以cm為單位,其中:
式中:xc、yc代表臺(tái)風(fēng)中心位置;ρa(bǔ)為空氣密度;θ為流入角;C1、C2為常數(shù),C1=1.0,C2=0.8,是經(jīng)過大量對(duì)比計(jì)算后確定的。
最大風(fēng)速半徑R采用陳超輝,譚言科等[7]的改進(jìn)的藤田公式的應(yīng)用,利用觀測的最大風(fēng)速vmax來推算最大風(fēng)速半徑,vmax在觀測資料中可以獲得。
vmax在本文中采用臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)觀測的最大風(fēng)速數(shù)據(jù),逐時(shí)更新。
在模型實(shí)際應(yīng)用過程中,發(fā)現(xiàn)最大風(fēng)速半徑R的值相對(duì)固定,為了更好的模擬南海臺(tái)風(fēng)的實(shí)際情況,減小與測站觀測資料的偏差,引入了環(huán)境氣壓與臺(tái)風(fēng)中心氣壓的壓差修正系數(shù)α,故最大風(fēng)速半徑公式如下式所示
本文理論模型模擬采用的壓差修正系數(shù)α在0.75~0.85。
3.1 臺(tái)風(fēng)概況與測站數(shù)據(jù)介紹
2013年11月生成的1330號(hào)臺(tái)風(fēng)“海燕”以巔峰狀態(tài)登陸菲律賓,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速75 m/s,中心最低氣壓達(dá)到890百帕,對(duì)菲律賓和我國沿海城市造成嚴(yán)重破壞,在菲律賓受臺(tái)風(fēng)影響的死亡人數(shù)達(dá)6 100人以上。2014年7月生成的1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”最大風(fēng)力達(dá)17級(jí),造成至少8人死亡,多地遭受重創(chuàng)。這兩場臺(tái)風(fēng)均較快的升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別,對(duì)沿海居民的安全造成了極大威脅。圖2為1330號(hào)“海燕”和1409號(hào)“威馬遜”的臺(tái)風(fēng)路徑圖。本文使用的風(fēng)速測站數(shù)據(jù)來自海南島周圍的59948號(hào)三亞測站、59838號(hào)東方測站、59758號(hào)海口測站,以及位于海南島北部沿岸的某工程測站數(shù)據(jù),坐標(biāo)19.98N,109.82E。
3.2 模型模擬結(jié)果
圖2 1330號(hào)“海燕”、1409號(hào)“威馬遜”臺(tái)風(fēng)路徑圖Fig.2 1330,1409 typhoon route
本次臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算范圍為16N~22N,105.3E~112.9E,模型網(wǎng)格經(jīng)度0.08°,共計(jì)算7 296個(gè)格點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)逐時(shí)的路徑、氣壓、風(fēng)速、移速數(shù)據(jù)來自浙江省水利信息管理中心主辦的臺(tái)風(fēng)信息發(fā)布系統(tǒng)。為保證模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率一致,風(fēng)速結(jié)果均為每小時(shí)輸出一次。為保證數(shù)據(jù)樣本數(shù)量,每場臺(tái)風(fēng)過程均采用兩個(gè)測站數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,使得每個(gè)序列的樣本數(shù)均在110個(gè)以上。統(tǒng)計(jì)的誤差量包括極值相對(duì)誤差、風(fēng)速平均偏差、風(fēng)速均方根誤差、相關(guān)系數(shù)與STDEV(樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差,反映了數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的離散程度)。公式如下所示。
式中:xi代表測站觀測的風(fēng)速;xi′代表風(fēng)場資料的風(fēng)速;x為樣本風(fēng)速平均值,n為樣本大小。
3場臺(tái)風(fēng)過程的過程線和散點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3~圖5所示。誤差分析結(jié)果如表3所示。
由圖3~圖4的過程線驗(yàn)證圖可以看出,臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算出的模擬值與實(shí)測數(shù)據(jù)符合良好,模擬值的過程線基本反應(yīng)出了實(shí)測風(fēng)速變化的趨勢;模型的模擬值對(duì)風(fēng)速極值模擬較為準(zhǔn)確,兩場臺(tái)風(fēng)過程的極值相對(duì)誤差分別為9.14%和7.40%,均在10%以內(nèi)。模擬值與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性模擬良好,臺(tái)風(fēng)“海燕”和臺(tái)風(fēng)“威馬遜”模擬值的相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.95;臺(tái)風(fēng)“海燕”和臺(tái)風(fēng)“威馬遜”模擬值與實(shí)測數(shù)據(jù)的平均誤差分別為0.97 m/s和-0.98 m/s,均在1 m/s以內(nèi),均方根誤差分別為3.23 m/s和4.26 m/s,STDEV偏差為7.01 m/s和8.16 m/s。由于模擬時(shí)間約為3 d,包括了臺(tái)風(fēng)過境的整個(gè)風(fēng)速變化過程,可以看出模型的模擬值對(duì)臺(tái)風(fēng)過程中的風(fēng)速小值模擬偏小,說明理論模型風(fēng)場距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)時(shí)風(fēng)速偏小。風(fēng)速小值模擬的偏差也會(huì)對(duì)誤差分析結(jié)果產(chǎn)生影響。
圖3 臺(tái)風(fēng)“海燕”期間59948號(hào)測站數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證圖(2013年11月)Fig.3 Data validation of No.59948 station during typhoon Haiyan
圖4 臺(tái)風(fēng)“威馬遜”期間工程測站數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證圖(2014年7月)Fig.4 Data validation of project station during typhoon Rammasun(2014-07)
3.3 后報(bào)數(shù)據(jù)合成結(jié)果
針對(duì)理論模型存在的外圍風(fēng)速較實(shí)際風(fēng)速偏小的問題,可通過引入后報(bào)數(shù)據(jù)做背景風(fēng)場,構(gòu)造其與理論模型風(fēng)場和的合成風(fēng)場予以解決。前人經(jīng)過大量的科學(xué)研究與工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),后報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的擬合偏小,不可直接用于臺(tái)風(fēng)的模擬研究,但一些應(yīng)用廣泛的后報(bào)風(fēng)場數(shù)據(jù)對(duì)長時(shí)間序列的風(fēng)速過程描述效果良好。例如歐洲中長期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium?Range Weather Forecasts,簡稱ECMWF)提供的ERA?interim后報(bào)數(shù)據(jù)使用了分辨率更高的氣象模式,并在觀測資料的應(yīng)用及同化方法上有很大改進(jìn)[7]。徐亞男,高峰[8]以ERA?interim后報(bào)風(fēng)速資料為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)大風(fēng)天氣與颶風(fēng)天氣為樣本進(jìn)行加密計(jì)算,采用SWAN建立數(shù)值模型,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果總體趨勢符合良好。本文引入ERA?interim后報(bào)數(shù)據(jù)做背景風(fēng)場,構(gòu)造與模型風(fēng)場的合成風(fēng)場,對(duì)合成風(fēng)場數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析與對(duì)比研究。合成風(fēng)場采用的計(jì)算公式如下所示
表3 模擬值誤差分析與相關(guān)性結(jié)果Tab.3 Error statistics and correlation analysis of simulation
式中:Vc為合成風(fēng)場;V為理論模型風(fēng)場;VERA為ERA?interim后報(bào)風(fēng)場;e為權(quán)重系數(shù),e=C4/(1+C4),C為考慮臺(tái)風(fēng)影響范圍的系數(shù),C=r/nr0,n一般取9或者10。本文n取10。
以臺(tái)風(fēng)“海燕”為例,對(duì)合成風(fēng)場與模型風(fēng)場進(jìn)行對(duì)比與誤差分析。臺(tái)風(fēng)“海燕”期間理論風(fēng)場模型的模擬值與合成風(fēng)場的風(fēng)速值的對(duì)比過程線如圖5所示。
如圖所示可以看出,就風(fēng)速極值與風(fēng)速大值過程的模擬結(jié)果來說,合成風(fēng)場與理論模型幾乎沒有區(qū)別;而對(duì)于風(fēng)速小值過程的模擬結(jié)果來說,合成風(fēng)場的風(fēng)速值比理論模型模擬更加準(zhǔn)確,對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的變化趨勢模擬的更好一些。臺(tái)風(fēng)“海燕”過程中測站風(fēng)速最大的時(shí)刻(10日4時(shí))模型模擬風(fēng)場圖和合成風(fēng)場圖如圖6所示。
如圖所示,經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),模型風(fēng)場與合成風(fēng)場在臺(tái)風(fēng)中心處風(fēng)速大小和風(fēng)場分布一致;模型風(fēng)場在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心處風(fēng)速較小,合成風(fēng)場在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的海面上風(fēng)速有明顯的提高,說明合成風(fēng)場對(duì)理論模型風(fēng)場遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)速進(jìn)行了修正;而由于地形的影響,后報(bào)數(shù)據(jù)在陸地上的風(fēng)速也相對(duì)較小,所以對(duì)模型風(fēng)場的陸地部分修正效果不明顯。
對(duì)模型模擬風(fēng)速值和合成風(fēng)場風(fēng)速值進(jìn)行誤差分析與對(duì)比,結(jié)果如表4所示??梢钥闯觯捎诤铣娠L(fēng)場靠近臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)場主要由模型風(fēng)場決定,合成風(fēng)場與模型風(fēng)場在極值相對(duì)誤差上沒有區(qū)別,均為9%;合成風(fēng)場數(shù)據(jù)的平均誤差為0.39 m/s,均方根誤差為2.78 m/s,結(jié)果低于理論模型風(fēng)場的平均誤差和均方根誤差;合成風(fēng)場數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.921,相關(guān)性較模型風(fēng)場稍好一些;合成風(fēng)場的STDEV值為6.73 m/s,離散程度也小于模型風(fēng)場的離散程度。總體來說,合成風(fēng)場對(duì)于臺(tái)風(fēng)過程的模擬效果良好,對(duì)于風(fēng)速小值期間的模擬也較為準(zhǔn)確,相對(duì)于模型風(fēng)場來說,相關(guān)性更好,誤差更小一些。
圖5 臺(tái)風(fēng)“海燕”期間模型風(fēng)場和合成風(fēng)場過程線圖Fig.5 Procedure line of model and synthetic wind field during typhoon Haiyan
圖6 臺(tái)風(fēng)“海燕”期間模型風(fēng)場和合成風(fēng)場對(duì)比圖Fig.6 Model and synthetic wind field during typhoon Haiyan
表4 臺(tái)風(fēng)“海燕”過程兩種風(fēng)場的誤差分析與相關(guān)性結(jié)果Tab.4 Error statistics and correlation analysis of two wind fields during typhoon Haiyan
本文通過搜集近10 a(2006~2015)南海臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),對(duì)南海臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、路徑等特征進(jìn)行總結(jié)。引入壓差修正系數(shù)和后報(bào)風(fēng)場數(shù)據(jù),構(gòu)建了1330和1409號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場,應(yīng)用測站觀測資料對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與誤差分析。主要結(jié)論如下:
(1)2006~2015年間南海共出現(xiàn)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)16次,超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)13次,臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速可達(dá)78 m/s;西北太平洋移入的熱帶氣旋整體上比南海生成的熱帶氣旋數(shù)量多、強(qiáng)度大;南海生成的登陸臺(tái)風(fēng)在我國登陸較少,僅有3場,多在越南登陸;影響南海的西北行和西行臺(tái)風(fēng)路徑最多,分別為29個(gè)和28個(gè)。
(2)利用改進(jìn)的理論模型對(duì)兩次典型的臺(tái)風(fēng)過程進(jìn)行了模擬計(jì)算,將模型模擬值與測站風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)臺(tái)風(fēng)場對(duì)兩場臺(tái)風(fēng)的模擬極值相對(duì)誤差均在10%以內(nèi),模擬值的相關(guān)系數(shù)分別為0.915和0.947,對(duì)臺(tái)風(fēng)過程模擬效果良好;但對(duì)于遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心的小值風(fēng)速過程模擬偏小。
(3)針對(duì)外圍風(fēng)速偏小的問題,引入后報(bào)數(shù)據(jù)構(gòu)造合成風(fēng)場,發(fā)現(xiàn)合成風(fēng)場對(duì)臺(tái)風(fēng)過程中的大值風(fēng)速過程和小值風(fēng)速過程模擬效果均相對(duì)較好。合成風(fēng)速數(shù)據(jù)相對(duì)于模型模擬數(shù)據(jù)來說,相關(guān)性更好,誤差更小。
結(jié)合本次研究成果,下階段研究將利用改進(jìn)的合成風(fēng)場,對(duì)南海北部臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算提供準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場條件。
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Typhoon characteristics and numerical improvement of typhoon field of the South China Sea
ZHANG Ze?fang1,CHEN Han?bao2,XU Ya?nan2,CHEN Song?gui2
(1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)
Based on the data collected from the South China Sea,the regularity of the typhoon in the past ten years was summarized.Wind fields of typhoon 1330 and 1409 were reconstructed by using Ueno typhoon wind field model and the improved Fujita formula.The correction coefficient of pressure difference and the hindcast wind data were introduced.By comparing and evaluating simulation results with observation data of survey stations,the main conclusions are as follows:The amount of typhoon from the Northwest Pacific is large and the wind speed is much higher.The landing times of landfall typhoon from the South China Sea in Vietnam are more than in our country. The extreme relative error of the improved simulated typhoon is lower.After the introduction of hindcast data,syn?thetic wind field data has better correlation and less error.
typhoon wind field;numerical simulation;error analysis;evaluation
P 444;O 242.1
A
1005-8443(2017)02-0150-06
2017-02-16;
2017-03-10
張澤方(1992-),男,天津市人,碩士研究生,主要從事近岸動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究。
Biography:ZHANG Ze?fang(1992-),male,master student.