海洋運(yùn)動對臺風(fēng)過境全過程水平風(fēng)速特性的影響

員亦雯，柯世堂，2，*，王 碩，2，趙永發(fā)，杜 琳，張 偉

(1.南京航空航天大學(xué) 土木與機(jī)場工程系，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 江蘇省風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

0 引 言

我國位于太平洋西岸并擁有綿長海岸線，是世界上遭受臺風(fēng)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。準(zhǔn)確掌握臺風(fēng)風(fēng)參數(shù)對工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全具有重要指導(dǎo)意義。臺風(fēng)[1]是由復(fù)雜渦系組成的近似于圓形的大氣渦旋系統(tǒng)，現(xiàn)行主要臺風(fēng)模型源于20世紀(jì)70年代Batts提出的第一代臺風(fēng)風(fēng)場模型[2]和Meng提出的改進(jìn)工程模型[3]，可在滿足基本精度的前提下實(shí)現(xiàn)大量臺風(fēng)樣本的快速隨機(jī)模擬。隨后我國學(xué)者針對臺風(fēng)模擬參數(shù)的敏感性和臺風(fēng)模型在我國沿海地區(qū)極值風(fēng)速預(yù)測的應(yīng)用開展了許多研究[4-8]，但臺風(fēng)模擬理論方法仍采用多個(gè)物理場不耦合的假定，預(yù)測結(jié)果過度依賴實(shí)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)取值經(jīng)驗(yàn)，缺乏波浪、海流等海洋運(yùn)動對臺風(fēng)過境全過程水平風(fēng)速影響研究，一定程度限制了單個(gè)工程臺風(fēng)模型應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速的預(yù)測精度。

目前針對海洋運(yùn)動與臺風(fēng)之間耦合作用的研究，主要集中于對風(fēng)、浪、流模擬方法及海洋運(yùn)動與臺風(fēng)之間相互影響的探討[9-18]。關(guān)皓等[15]基于大氣模型MM5-海洋模型、POM-海浪模型WW3的三元耦合模式系統(tǒng)，模擬研究了兩種南海典型臺風(fēng)過程，結(jié)果表明波浪效應(yīng)阻礙了臺風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展，增強(qiáng)了海表應(yīng)力，加大了海面降溫幅度和海流近慣性振蕩的振幅。徐海波等[16]基于大氣模型WRF-海洋模型ROMS-海浪模型SWAN耦合模擬了臺風(fēng)“Megi”過程中海洋與大氣變化過程，研究表明海浪作用使得臺風(fēng)后部風(fēng)速減小約3～5 m/s，加劇的海洋混合也導(dǎo)致了更大程度的降溫。Liu等[17]基于耦合模式平臺WRF-SWANPOM對理想熱帶氣旋進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明海氣耦合對熱帶氣旋強(qiáng)度的總體影響是由與波浪相關(guān)的正反饋和海溫冷卻引起的負(fù)反饋之間的平衡決定的。Warner等[18]基于WRF-ROMS-SWANSediment transport耦合模式對臺風(fēng)“Isabel”的海氣交換及泥沙輸移進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)海洋與大氣的耦合會導(dǎo)致邊界層應(yīng)力降低，而波浪與大氣的耦合則會導(dǎo)致底部應(yīng)力增加。已有研究為海上結(jié)構(gòu)抗風(fēng)安全設(shè)計(jì)與防護(hù)提供了一定參考依據(jù)，但均忽略了海洋運(yùn)動對臺風(fēng)過境全過程時(shí)空水平風(fēng)速特性的影響。

鑒于此，本文采用中尺度WRF模式、第三代海浪模式SWAN與有限體積海流模式FVCOM構(gòu)建臺風(fēng)-波浪-海流實(shí)時(shí)耦合模擬平臺，模擬分析了臺風(fēng)“莫蘭蒂”過境全過程水平風(fēng)速特性，同時(shí)與非耦合WRF模式的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分析得到了海洋運(yùn)動對于臺風(fēng)水平風(fēng)速的影響，為海洋大氣數(shù)值模型建立與海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 臺風(fēng)-波浪-海流耦合模擬

1.1 數(shù)值模擬方法

1.1.1 中尺度大氣模式WRF

WRF大氣模型[19]是美國國家大氣研究中心、美國國家海洋和大氣管理局等聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文采用的WRF-ARW（研究模式）動力框架基于完全可壓非靜力平衡歐拉方程，水平方向上采用Arakawa C網(wǎng)格劃分，垂直方向上采用靜力氣壓地形追隨坐標(biāo)。

模式的近似通量形式歐拉控制動量方程組為：

式中：u、v、w分別為水平方向x向速度分量、水平方向y向速度分量、垂向速度分量；U、V、W分別為水平方向x向動量分量、水平方向y向動量分量、垂向動量分量；FU、FV、FW分別表示由物理過程、湍流混合、球面投影造成的力源項(xiàng)。

1.1.2 第三代海浪模式SWAN

SWAN海浪模型[20]是由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的第三代近岸海浪模型，具有模擬海洋風(fēng)浪、涌浪及混合浪的能力。SWAN模式采用基于Euler近似的波作用動譜平衡方程作為描述海浪的控制方程，方程在笛卡爾坐標(biāo)系下表達(dá)式為：

式中：N為波浪作用譜密度；Cx、Cy、Cσ、Cθ分別為x、y、σ、θ四個(gè)方向上的波浪傳播速度；S表示能量的源匯項(xiàng)，其中包括了風(fēng)能的輸入、能量的耗散以及波浪之間的非線性相互作用。

1.1.3 有限體積海流模式FVCOM

FVCOM海洋模型[21]是由美國麻省理工大學(xué)和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的適用于三維水動力模擬的有限體積海流模式。FVCOM模型在笛卡爾坐標(biāo)下的三維動量方程為：

式中：x、y、z分別為笛卡爾坐標(biāo)系三個(gè)方向上的坐標(biāo)，u、v、w是三個(gè)方向上的速度分量，ρ為海水密度，ρ0為參考密度，f為科氏力參數(shù)，Km為垂向渦黏系數(shù)，F(xiàn)u、Fv、Fw分別為三個(gè)方向上的動量。

1.1.4 模型耦合機(jī)制

W-S-F耦合模擬平臺由主程序調(diào)用各子模型同時(shí)獨(dú)立計(jì)算，各子模型調(diào)用MCT子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。模型耦合機(jī)制如圖1所示。其中，WRF向SWAN和FVCOM傳遞風(fēng)速驅(qū)動海洋運(yùn)動；FVCOM向WRF傳遞海表溫度，向SWAN傳遞海流潮位和流速；SWAN向FVCOM和WRF分別傳遞影響海流運(yùn)動和臺風(fēng)發(fā)展的波形要素。

圖1 W-S-F模型耦合機(jī)制示意圖Fig.1 A diagram of the W-S-F coupling mechanism

1.2 臺風(fēng)“莫蘭蒂”模擬

臺風(fēng)“莫蘭蒂”（Meranti，國際編號：1614）于2016年9月10日14時(shí)在西北太平洋洋面上生成，11日14時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，12日11時(shí)繼續(xù)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，13日晚間加強(qiáng)到頂峰（此時(shí)風(fēng)速62 m/s）。此次臺風(fēng)于9月15日以強(qiáng)臺風(fēng)級在福建省廈門市登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力35 m/s。為分析波浪與海流對臺風(fēng)過境全過程水平風(fēng)速特性的影響，本文設(shè)計(jì)兩組工況：1）非耦合WRF模式模擬未考慮海洋作用的臺風(fēng)運(yùn)動；2）W-S-F耦合模擬海洋與大氣實(shí)時(shí)傳遞作用的臺風(fēng)運(yùn)動。控制兩組工況下的模擬計(jì)算區(qū)域及WRF的設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致，WRF的物理化參數(shù)方案及模擬計(jì)算域內(nèi)波浪、海流網(wǎng)格劃分如表1所示。模擬計(jì)算時(shí)間為2016年9月11日16時(shí)～2016年9月15日12時(shí)共92 h。WRF、SWAN、FVCOM三種模型的部分參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 WRF物理化參數(shù)方案及模擬計(jì)算域設(shè)置Table 1 Physical parameterization schemes of WRF and the setting of simulation computing region

表2 W-S-F耦合模擬平臺參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of the W-S-F coupling simulation

1.3 W-S-F耦合模擬有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證W-S-F耦合平臺數(shù)值模擬的有效性，以日本氣象廳東京區(qū)域?qū)I(yè)氣候中心JMA提供的臺風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集[22]為參考，圖2給出了W-S-F耦合模式與WRF非耦合模式模擬的臺風(fēng)路徑以及臺風(fēng)中心附近最大穩(wěn)定風(fēng)速誤差對比結(jié)果。由圖可知，整個(gè)模擬時(shí)間范圍內(nèi)，非耦合WRF模式與W-S-F模式模擬的臺風(fēng)移動路徑比JMA最佳路徑均略偏北，W-S-F耦合模擬的臺風(fēng)路徑比WRF非耦合模擬更接近JMA最佳路徑；兩種模式模擬的臺風(fēng)中心附近最大穩(wěn)定風(fēng)速在模擬期間先增大再減小，與JMA實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，W-S-F模式模擬效果全程優(yōu)于非耦合WRF模式。

圖2 W-S-F耦合模式模擬結(jié)果有效性驗(yàn)證Fig.2 The validity of simulation

1.4 W-S-F耦合模擬結(jié)果

圖3～圖5分別給出了在臺風(fēng)“莫蘭蒂”10 m高度處風(fēng)速矢量、有效波高以及表層流場云圖。

圖3 不同時(shí)刻風(fēng)場模擬結(jié)果Fig.3 Numerical results of the wind fields at different time instants

圖5 不同時(shí)刻表層流場模擬結(jié)果Fig.5 Numerical results of the surface flow at different time instants

由圖可知：1）臺風(fēng)移動過程風(fēng)速呈現(xiàn)非對稱分布，其中心右側(cè)風(fēng)速明顯大于左側(cè)，臺風(fēng)浪以及表層流場在空間上同樣呈現(xiàn)出“右偏性”的不對稱性分布特征；2）臺風(fēng)作用下海域形成了明顯的旋轉(zhuǎn)波浪場，波浪場的旋轉(zhuǎn)中心位于臺風(fēng)移動路徑的左側(cè)小浪區(qū)，其與表層流場對于臺風(fēng)具有一定的滯后性，表層流場的滯后性較為明顯；3）臺風(fēng)“莫蘭蒂”10 m高度處風(fēng)速最高可達(dá)45 m/s以上，臺風(fēng)中心附近形成有效波高10 m以上的狂濤區(qū)，表層流速在遠(yuǎn)海區(qū)域達(dá)到1 m/s。

圖4 不同時(shí)刻有效波高模擬結(jié)果Fig.4 Numerical results of the significant wave heights at different time instants

2 海洋運(yùn)動對臺風(fēng)水平風(fēng)速影響

2.1 臺風(fēng)典型高度風(fēng)速時(shí)程

圖6給出了臺風(fēng)典型高度最大風(fēng)速時(shí)程對比曲線，由圖可知，不同高度處臺風(fēng)“莫蘭蒂”最大風(fēng)速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。海洋運(yùn)動作用對于臺風(fēng)在不同高度處的最大風(fēng)速變化存在不同影響。

圖6 臺風(fēng)典型高度最大風(fēng)速時(shí)程對比曲線Fig.6 Time histories of the maximum wind speeds at typical heights of typhoon

在風(fēng)速上升階段（0～45 h），海洋運(yùn)動促進(jìn)了低空臺風(fēng)風(fēng)速的發(fā)展，對高空臺風(fēng)風(fēng)速發(fā)展具有抑制作用。在強(qiáng)風(fēng)階段（45～55 h），海洋運(yùn)動對于高空處臺風(fēng)發(fā)展的抑制作用更為顯著。在近海登陸過程中（55～92 h），海洋運(yùn)動對大氣的影響隨著風(fēng)速減小逐漸減弱。

產(chǎn)生這種差異結(jié)果的原因可能為：耦合模式考慮了復(fù)雜的大氣、海浪、洋流的相互作用與能量傳遞，在風(fēng)速上升階段，風(fēng)應(yīng)力的增加使上層海洋發(fā)生湍流混合，海氣熱量交換強(qiáng)烈。波浪破碎與能量耗散的升溫作用促進(jìn)低空風(fēng)速的發(fā)展；而隨著高度的增加，熱量耗散不斷累積，大氣能量減小，因而海洋運(yùn)動對高空臺風(fēng)風(fēng)速產(chǎn)生一定的削弱。而在風(fēng)速下降階段，海氣能量交換作用隨臺風(fēng)強(qiáng)度降低而逐漸減小，海洋運(yùn)動對大氣的影響也隨之減弱。

2.2 臺風(fēng)三維風(fēng)速分布

圖7和8分別給出了兩組工況下臺風(fēng)登陸時(shí)刻典型高度截面水平方向風(fēng)速隨經(jīng)度及緯度的三維分布圖。從圖中可以看出：在不同高度處，兩種工況下的三維風(fēng)速分布情況基本一致，且均具有明顯的臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)。登陸期臺風(fēng)強(qiáng)度不斷削弱，海洋運(yùn)動使得臺風(fēng)登陸期發(fā)展較快，以致臺風(fēng)水平向風(fēng)速較小且起伏更為平緩。

圖7 W-S-F耦合模式臺風(fēng)風(fēng)速分布三維云圖Fig.7 Three-dimensional nephograms of the wind speed distribution obtained by the W-S-F coupling model

圖8 WRF非耦合模式臺風(fēng)風(fēng)速分布三維云圖Fig.8 Three-dimensional nephograms of the wind speed distribution obtained by the uncoupled WRF model

2.3 邊界層高度

圖9給出了臺風(fēng)過境全過程的邊界層高度對比。由圖可知，WRF模式模擬的臺風(fēng)影響全過程的邊界層高度平均值為566 m，耦合模式為692 m，海洋運(yùn)動使得邊界層高度增大到約1.2倍?；赪RF模式臺風(fēng)過境三個(gè)時(shí)期邊界層高度平均值分別為698 m、657 m和412 m，耦合模式下邊界層高度分別為755 m、943 m和619 m。

圖9 臺風(fēng)過境全過程邊界層高度對比圖Fig.9 A comparison of boundary layer thickness throughout the typhoon landing process

與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）[23]中A類地形的取值300 m相比，兩種工況下臺風(fēng)各邊界層高度計(jì)算值普遍偏大，耦合模式下的邊界層高度最大值達(dá)到了規(guī)范值的3.4倍，非耦合模式最大值達(dá)到了規(guī)范值的2.9倍。

2.4 風(fēng)剖面及指數(shù)時(shí)序規(guī)律

考慮臺風(fēng)發(fā)展經(jīng)歷的穩(wěn)定上升期、強(qiáng)風(fēng)期和登陸期三個(gè)階段，圖10給出了不同時(shí)期兩種工況下臺風(fēng)結(jié)構(gòu)不同位置處的風(fēng)剖面結(jié)果對比。其中，風(fēng)剖面1～4分別位于臺風(fēng)中心至臺風(fēng)眼壁區(qū)域（風(fēng)剖面1和2）、臺風(fēng)眼壁區(qū)域（風(fēng)剖面3）、臺風(fēng)外圍區(qū)域（風(fēng)剖面4）。風(fēng)剖面指數(shù)與臺風(fēng)眼距離的變化關(guān)系選取距臺風(fēng)眼相同距離的所有模擬結(jié)果的均值。由圖可知，臺風(fēng)風(fēng)剖面擬合指數(shù)在各時(shí)期皆呈現(xiàn)隨著與臺風(fēng)眼距離的增大而逐漸上升的趨勢，登陸期風(fēng)剖面指數(shù)均值較登陸前明顯增大，海洋運(yùn)動對臺風(fēng)各個(gè)生命周期、同一位置處的風(fēng)剖面均存在一定影響。風(fēng)速穩(wěn)定上升期臺風(fēng)眼區(qū)不考慮海洋運(yùn)動的風(fēng)速及風(fēng)剖面冪指數(shù)更高，且靠近臺風(fēng)眼壁區(qū)域差異較大，而臺風(fēng)眼壁及以外產(chǎn)生相反的情況。臺風(fēng)發(fā)展至強(qiáng)風(fēng)期，海洋運(yùn)動對臺風(fēng)眼壁處風(fēng)剖面擬合指數(shù)影響較大，較不考慮海洋運(yùn)動情況下的差異最高可達(dá)0.04。在臺風(fēng)登陸時(shí)期，海洋運(yùn)動使得風(fēng)剖面擬合指數(shù)隨著與臺風(fēng)眼距離的增大變化更為強(qiáng)烈。

圖10 臺風(fēng)不同時(shí)期兩種工況下風(fēng)剖面模擬結(jié)果對比Fig.10 The comparison of numerical results of wind profiles under two working conditions at different stages of typhoon

圖11給出了臺風(fēng)眼壁處風(fēng)剖面冪指數(shù)時(shí)序圖，由圖可知，兩種工況下臺風(fēng)眼壁處風(fēng)剖面冪指數(shù)α隨時(shí)間的變化呈相反的趨勢，分別隨時(shí)間在擬合直線1（WRF）及擬合直線 2（W-S-F）的上下波動，臺風(fēng)登陸前海洋運(yùn)動對風(fēng)剖面指數(shù)影響較大，并隨著臺風(fēng)瀕臨陸地逐漸減小。臺風(fēng)登陸后兩種模式下的風(fēng)剖面指數(shù)基本位于0.1左右，海洋運(yùn)動對其影響較為微弱。

圖11 風(fēng)剖面指數(shù)時(shí)序圖Fig.11 Time series of the power exponents of wind profiles

3 海洋運(yùn)動對臺風(fēng)水平風(fēng)速影響時(shí)空規(guī)律模型

圖12以最大水平風(fēng)速作為判定依據(jù)，給出海洋運(yùn)動對臺風(fēng)水平風(fēng)速的影響隨高度與時(shí)間變化示意圖。其中，影響系數(shù)定義為海洋運(yùn)動影響下臺風(fēng)最大水平風(fēng)速與不考慮海洋運(yùn)動的臺風(fēng)最大水平風(fēng)速的比值。

圖12 海洋運(yùn)動對臺風(fēng)強(qiáng)度影響隨高度與時(shí)間的變化Fig.12 Variations of the influences of ocean movement on the typhoon intensity with height and time

對比分析得到：

1）臺風(fēng)發(fā)展過程中海洋運(yùn)動對臺風(fēng)強(qiáng)度的影響系數(shù)隨高度增大呈對數(shù)率減小。低空處海洋運(yùn)動促進(jìn)臺風(fēng)強(qiáng)度，并隨高度增加影響逐漸減小。到達(dá)一定高度時(shí)，海洋運(yùn)動對臺風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生抑制作用，且這種消耗隨高度增大而加強(qiáng)。

2）臺風(fēng)不同生命周期其高度影響特性呈現(xiàn)不同程度的增減。風(fēng)速上升期，海洋運(yùn)動影響對于高度的敏感性逐漸增強(qiáng)，即隨高度變化影響程度逐漸增大。而登陸期，海洋運(yùn)動的高度影響曲線隨風(fēng)速減小而趨于平緩?；诖私o出了海洋運(yùn)動影響系數(shù)隨高度變化的對數(shù)模型：

式中：a代表海洋運(yùn)動的高度影響程度，與風(fēng)速值呈負(fù)相關(guān)；b代表海洋運(yùn)動影響系數(shù)截距，與風(fēng)速值呈正相關(guān)。

3）海洋運(yùn)動對于臺風(fēng)1 000 m高度范圍內(nèi)強(qiáng)度均值的影響隨臺風(fēng)發(fā)展呈先促進(jìn)后消耗，隨后消耗作用逐漸減弱后又不斷增強(qiáng)。結(jié)合海洋運(yùn)動對于不同高度臺風(fēng)的影響大小，可得到臺風(fēng)發(fā)展過程中各個(gè)時(shí)刻與高度受海洋運(yùn)動的作用程度。

4 結(jié) 論

本文基于MCT耦合器，通過中尺度WRF大氣模型、三維水動力FVCOM模型以及第三代淺海海浪SWAN模型建立了大氣-海洋-海浪的實(shí)時(shí)耦合平臺，分析了海洋運(yùn)動對臺風(fēng)過境全過程水平風(fēng)速特性的影響規(guī)律。研究表明，本文提出的W-S-F耦合平臺可以準(zhǔn)確模擬考慮海洋運(yùn)動的臺風(fēng)過境全過程風(fēng)速場，且海洋運(yùn)動對臺風(fēng)過境全過程水平風(fēng)速的影響不可忽略。

兩者相互作用和影響機(jī)理闡述如下：海洋與大氣通過熱量傳遞、摩擦阻力、氣壓變化等能量交換過程相互促進(jìn)、相互消耗。低空處海洋運(yùn)動能促進(jìn)臺風(fēng)強(qiáng)度，隨高度增加影響逐漸減?。桓呖仗幒Ｑ筮\(yùn)動對臺風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生抑制作用，且這種消耗隨高度增大而加強(qiáng)。在臺風(fēng)整個(gè)發(fā)展周期，海洋運(yùn)動對低空臺風(fēng)強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制規(guī)律，隨著高度增加逐漸形成相反特點(diǎn)。海洋運(yùn)動使得邊界層高度顯著增大，可使邊界層高度平均值最大放大到1.2倍。