“米娜”（1918）臺風浪特征及其與“利奇馬”（1909）的差異

蔣璐璐，涂小萍，王毅，申華羽，徐迪峰

（1.寧波市氣象臺，浙江寧波 315012；2.寧波市氣象服務中心，浙江寧波 315012）

1 引言

對于臺風的災害影響，人們多關注其路徑、強度及引起的大風和降雨，事實上，臺風浪也是非常嚴重的自然災害。臺風掀起的驚濤駭浪易導致港口、航道、海堤和船只等出現重大損失，造成較嚴重的海浪災害[1]。據統計，每年臺風浪造成的經濟損失平均超過7億元[2]。臺風浪是臺風風浪和涌浪的綜合表現，不僅與臺風風場有關，還與涌浪相關。在廣闊的洋面上，臺風風浪和涌浪均具有相當的破壞力，能使艦船發生中拱、中垂和螺旋槳空轉失速等現象，甚至損毀艦船[3]。海浪傳播到淺水或近岸時，波高增大，波長變小，常形成猛烈的拍岸浪，進一步加大臺風海浪災害。因此，準確的大風和海浪預報服務是海上安全作業的保障，研究臺風影響期間海浪及其變化特征對于海事管理和臺風災害防御等具有重要意義。

南海海域關于臺風浪特征的研究成果相對較多。周林等[4]利用44 a再分析資料，運用統計學方法研究了南海海域有效波高的年代際變化特征。陳劍橋[5]以天氣研究與預報（Weather Research and Forecasting，WRF）模型風場驅動近岸海浪模式（Simulating WAves Nearshore，SWAN），模擬分析了北路、中路和南路3種典型臺風路徑下，臺灣海峽及周邊海域的臺風浪的特征。孫璐等[6]分析了0814號臺風“黑格比”影響期間廣海灣的海浪資料；尹毅等[7]分析了1208號臺風“韋森特”影響期間珠江口的海浪資料，均發現臺風浪的波型經歷了涌浪（混合浪）—風浪—涌浪（混合浪）的過程。陳曉斌等[8]研究發現在1109號臺風“梅花”期間，涌浪先于風浪達到影響海區；臺風外圍區，涌浪場高值區對應風浪低值區，而風浪場高值區則對應涌浪場低值區，臺風眼區則為涌浪區。韓曉偉等[9]研究發現，0801號臺風“浣熊”影響期間，南海海面有效波高的分布和演變受臺風強度和移動的影響，大浪主要為風浪。陳金瑞[10]對3個臺風過境期間臺灣海峽內的臺風浪動力機制和特征描述方法進行分析，發現臺灣海峽內的臺風浪具有明顯的風浪成長特征。上述個例分析表明：臺風靠近過程中，一般會經歷混合浪和風浪等不同波型變化，高風浪區對應著低涌浪區。雖然以上研究主要針對影響南海海域的臺風，但也為研究影響浙江沿海的臺風海浪變化提供了參考。

數值模擬可以從空間和時間上立體呈現臺風風場結構與臺風浪變化的相互關系，因此數值預報產品不僅是臺風大風預報的重要參考，也是臺風浪服務的重要依據。吳彥等[11]利用第三代海浪模式SWAN對發生在南海海域的3場臺風浪進行數值模擬計算，發現四象限非對稱模型驅動SWAN模擬的臺風浪精度優于疊加風場模型，更適用于南海臺風浪的數值模擬。丁維煒等[12]對西北太平洋一次“雙臺風”共同影響下的臺風浪預報進行了敏感性試驗，結果表明耦合模式對臺風浪大值區的浪高預報比單獨海浪模式更優，對于西太平洋臺風浪的預報具有很好的適用性。歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF）數值模式資料多被應用于臺風浪的數值模擬。朱現暉等[13]利用ECMWF提供的再分析數據風場，結合圓形對稱風場（Jelesnianski-II）模型，建立了一個基于海浪模式SWAN的臺風波浪數值模型。耿浩博等[14]以ECMWF數據資料為輸入風場，通過海浪數值模式（WAVEWATCH-III，WW3）和SWAN模型嵌套數值模擬得到了長江口海域1996—2015年連續20 a的風浪場。吳歡等[15]利用ECMWF高分辨率風場數據以及我國自主研發的海浪數值模式（MArine Science and NUMerical Modeling，MASNUM）對2012年8月影響浙江沿海的3個臺風過程進行了數值模擬，模擬結果較好地再現了浙江海域臺風期間的海浪狀況。

由于臺風結構、強度和登陸地點的不同，風和海浪的影響程度也不盡相同。加強臺風的個性研究，找出影響海浪演變特征的共同點和差異性是非常必要的。2019年18號臺風“米娜”以強熱帶風暴級登陸浙江舟山，是建國以來10月唯一登陸浙江北部（浙北）的臺風，給浙江沿海帶來了嚴重的風浪影響。本文利用浙江省自動氣象站和浮標監測資料，對臺風“米娜”影響期間沿海風和浪的演變特點進行分析。在基于對ECMWF的數值模式產品評估的基礎上，分析了臺風“米娜”風場與海浪場的空間分布及其變化特征，并與同樣嚴重影響浙江的1909號臺風“利奇馬”進行對比，以期為嚴重影響浙江沿海的臺風浪預報服務提供參考。

2 資料來源

圖1為臺風“米娜”和“利奇馬”的移動路徑，資料來自中央氣象臺提供的臺風報文。圖中藍色實心圓點為舟山和溫州兩個浮標站位置，與臺風“米娜”的路徑最近距離分別約44 km和81 km。登陸浙江的臺風都會嚴重影響浙江陸地和沿海海面，移動路徑多集中于圖1中舟山和溫州浮標之間，因此臺風“米娜”和“利奇馬”的風浪特征對于登陸浙江的臺風風和海浪預報服務有很好的參考價值。臺風“米娜”分析所用到的實況資料為2019年9月30日00時（北京時，下同）—10月3日00時浙江省自動氣象站和舟山及溫州兩個海洋浮標站的逐小時觀測數據，要素包括逐小時風向風速（整點10 min平均值）、降水量、有效波高（整點）、平均波高、最大波高及波周期。以上資料來源于浙江省氣象信息中心。

臺風風、浪場特征分析以ECMWF數值模式產品為基礎，海平面10 m風場產品由大氣模式輸出，水平分辨率0.125°×0.125°，有效波高和浪高由海浪模式輸出，水平分辨率0.25°×0.25°。資料時間段為2019年9月30日08時—10月2日20時，每日兩個起報時次，分別是08時和20時，預報時效在3 d內的預報時間間隔為3 h，預報時效在3～10 d的預報時間間隔為6 h。

3 過程概述

2019年第18號臺風“米娜”于9月28日08時在菲律賓以東洋面生成并向西北方向移動，29日05時加強為強熱帶風暴，17時加強為臺風，30日08時轉向偏北方向移動，10月1日20時減弱為強熱帶風暴；20時30分在舟山普陀登陸，登陸時中心附近最大風力11級（30 m/s，強熱帶風暴級），中心最低氣壓980 hPa，登陸后轉向東北方向移動，2日10時進入黃海并逐漸遠離。

臺風“米娜”登陸浙江舟山后，對浙江東部地區和沿海海區造成嚴重風雨影響。9月30日20時—10月2日08時，浙江東部地區普降暴雨到大暴雨、局地特大暴雨，舟山和寧波累計面雨量分別達到170 mm和152 mm，舟山定海區累計面雨量超過200 mm，單站最大累計雨量為舟山定海區叉河水庫444.2 mm。浙江沿海海面出現10～14級大風，臺風中心經過的附近區域風力達14～16級，溫州平陽平嶼觀測到最大陣風達52.2 m/s。浙江沿海海面4 m以上巨浪的持續時間超過25 h，溫州和舟山浮標在10月1日15時和1日08時測得的最大波高分別為11.6 m和11.8 m。

與2019年9號臺風“利奇馬”對比，兩個臺風均從舟山和溫州浮標站之間穿過（見圖1）。臺風“米娜”以強熱帶風暴強度登陸舟山，最大雨量出現在舟山和寧波，分別為170 mm和152 mm，而臺風“利奇馬”以超強臺風登陸臺州，在臺州和寧波分別造成292 mm和275 mm的特大暴雨。雖然二者登陸時強度和雨量影響差異很大，但對浙江沿海風和浪的影響程度相當，均導致浙江沿海海面出現10～14級強風。臺風“米娜”導致溫州和舟山浮標出現11.6 m和11.8 m最大波高，臺風“利奇馬”的最大波高分別為10.8 m和11.0 m。

4 臺風浪特征分析

4.1 波高與周期聯合概率分布

根據國際波浪表，海浪共分10個等級（見表1）。波高及其周期作為隨機量，滿足一定的聯合概率分布[16]。舟山和溫州兩個浮標站分別位于浙江北部和南部沿海，且位于兩個臺風路徑東西兩側，可以較好地反映臺風不同方位浙北和浙南沿海風和海浪的變化特征。以下分別基于這兩個浮標站數據開展風浪對比分析。

根據舟山和溫州浮標逐小時觀測的最大波高，按表1中海浪等級和2 s為間隔的波高周期，統計臺風“米娜”（73個時次）影響期間舟山和溫州浮標的海浪在每一次間隔內出現的頻率，并給出最大波高及其周期的聯合概率分布（見圖2）。分析圖2發現，臺風“米娜”影響時，舟山浮標站的最大波高在0.9～11.7 m之間變化（見圖2a），處于輕浪至狂濤之間；最大波高周期在5.2～14 s區間內變化，其中輕浪的周期基本在4～10 s，中浪到巨浪周期為6～14 s，且分布較為均勻，狂浪到狂濤周期一般在8～12 s。溫州浮標站的最大波高的變化區間是1.2～11.8 m（見圖2b），也處于輕浪至狂濤之間；最大波高周期在4.2～14 s之間，其中輕浪的周期一般在4～6 s，中浪的周期在4～8 s，巨浪的周期在6～14 s，巨浪到狂濤的周期基本在6～10 s。

圖2 臺風“米娜”影響期間兩個浮標最大波高及其周期聯合概率分布（圓點的大小表示出現概率大?。?/p>

表1 海浪等級

由于強度較臺風“米娜”明顯偏強，臺風“利奇馬”影響時兩個浮標的最大波高都處于中浪至狂濤之間，沒有出現輕浪。二者最大波高及其周期聯合概率分布也有很大不同，臺風“利奇馬”海浪總體呈現出波高越大周期越長的特點[17]，而臺風“米娜”不具這一特點，與9904號臺風、9906號臺風和9912號臺風的聯合周期分布更為接近[18]。

分析還發現，臺風“米娜”影響時，舟山浮標約有63%的海浪達到大浪及以上，溫州浮標浪高主要以中到大浪居多，僅有57%的海浪達到大浪及以上；舟山浮標約有55%的大浪以上浪周期在8～12 s，溫州浮標約有80%的大浪以上浪周期在6～10 s。臺風“利奇馬”影響時，舟山和溫州浮標約72%的海浪高達大浪、巨浪和狂浪[17]；兩個浮標的浪周期同樣有明顯差異，舟山浮標近一半大浪以上浪的周期在8～10 s，而溫州浮標則在6～8 s。由于海浪周期越短越具有風浪特點，可見兩個臺風影響期間浙南沿海的臺風浪較浙北均具有更明顯的風浪特點。臺風“米娜”路徑更靠近浙北沿海，登陸時強度僅為強熱帶風暴，強度相對弱，因此舟山浮標大浪以上浪高較溫州浮標多，而臺風“利奇馬”以超強臺風登陸，雖然路徑更偏浙南，但由于其強度強，影響范圍大，導致舟山和溫州浮標浪高影響程度相當。

4.2 海浪波型分析

海浪波型主要分為風浪、涌浪和混合浪3種，其判定方法有多種，通過計算有效波陡的方法可以方便快捷地進行判別。有效波陡愈大，風浪成分愈大；有效波陡愈小，涌浪成分就越大[6]。根據Thompson等[19]的理論，當有效波陡δ≥1/40時為風浪，1/40>δ≥1/100時為風浪和涌浪的混合浪，δ<1/100時為涌浪[20]。有效波陡的計算公式為：

式中，δ為有效波陡；H為平均波高；T為平均波高的周期；g為重力加速度。由此計算臺風“米娜”和“利奇馬”影響期間舟山和溫州浮標逐小時有效波陡δ（見圖3），用以判斷海浪的波型。

圖3 臺風“米娜”影響期間舟山和溫州浮標逐小時有效波陡（黑色虛線代表1/40和1/100特征線）

分析圖3可見，隨著“米娜”臺風靠近、登陸和遠離，舟山浮標海浪波型經歷了涌浪—混合浪—風浪—混合浪的變化。10月1日02時前“米娜”臺風浪在舟山浮標表現出單純的涌浪特征，而溫州浮標站臺風浪經歷了混合浪—風浪—混合浪的變化，沒有涌浪特征?！懊啄取迸_風浪與“利奇馬”有所不同[17]，與臺風“利奇馬”和“米娜”分別在天文小潮位（農歷七月初十）和大潮位（農歷九月初三）期間影響有關。雖然臺風“米娜”在天文大潮時影響浙江，但溫州浮標卻沒有單純的涌浪出現。分析原因，10月1日02時前舟山浮標風速多在4級以下，而溫州浮標風速普遍為5～6級，陣風可達7級，明顯大于舟山浮標。由于溫州浮標風速大且為持續東北風，導致風浪成分明顯大于舟山，綜合天文潮汛的影響，最終在溫州浮標表現出混合浪，而舟山浮標表現出單純的涌浪特征。由此可見波型是否表現為涌浪不僅與天文潮位相關，還與風速的絕對大小有關。

10月1日02時前“米娜”臺風浪在舟山浮標表現為涌浪期間，浮標站距離臺風中心超過400 km，1日09時—2日06時臺風影響較為嚴重的時段，浮標站距臺風中心200 km以內，海浪波型為風浪，其余時段為混合浪。溫州浮標則在1日02—15時為風浪，此時段內浮標站距離臺風中心在185 km以內，其余時段為混合浪?？梢姟懊啄取憋L浪出現在距臺風中心較近的區域。對于臺風“利奇馬”[17]，舟山浮標8月9日08時—11日02時海浪波型為風浪，此間舟山浮標距臺風中心在370 km以內；溫州浮標風浪的持續時間更長，在8日21時—11日10時為風浪，期間溫州浮標距臺風中心在750 km以內?！懊啄取焙汀袄骜R”臺風浪的不同與臺風“利奇馬”強度強且強風區影響范圍大有密切關系。

4.3 風和浪演變特征分析

圖4分別給出了臺風“米娜”影響時段內，舟山和溫州兩個浮標站逐小時風向風速及有效波高的演變情況。圖中風向按照八方位表示，不同風向以不同顏色標識。

圖4 臺風“米娜”影響時兩個浮標逐小時風速（實線）、風向（不同顏色線）和有效波高（虛線）演變圖（以豎線分隔不同波型階段；紅色三角形表示臺風距離浮標最近的時刻）

在臺風“米娜”影響期間，對于舟山浮標（見圖4a），9月30日00時—10月1日01時，臺風距離較遠，風向由偏北風逐漸順時針旋轉為偏東風，風速緩慢增大，從2 m/s逐步增加到10 m/s，有效波高也由1 m緩慢增加到2 m以上，臺風浪表現為涌浪。1日02—08時，隨著臺風逐漸靠近，波型表現為混合浪，風向由偏東風轉為東北風，03時風速小幅下降至7.6 m/s，隨后迅速增大到18 m/s，此階段浪高由02時的2 m緩慢增大到07時的2.8 m，1日08時浪高迅速增大到3.6 m，浪的迅速增大比風速滯后約4 h，體現出混合浪中海浪對風的滯后響應。1日09時—2日06時波型表現為風浪，此階段風速不再呈增大趨勢，但風速大，基本維持在17～24 m/s之間（8～10級），并有一定的起伏，風向以偏東風為主，有效波高總體呈現出先增大再減小的趨勢。1日17時前有效波高持續增大，17時達到本次過程最大有效波高7.8 m，體現出風速和持續偏東風分量對浪高的增加作用。1日19時前后，臺風距離舟山浮標最近，風向由偏東風轉為西北風，之后隨著臺風向東北方向遠離，風向繼續逆時針轉變，雖然風速依舊維持在8級以上，但有效波高從1日21時起快速減小，而風速的持續減小出現在2日00時后，可見浪高的變化與風速并不同步。2日07時—3日00時，臺風進一步遠離，風速減小到12 m/s以下，臺風浪表現為混合浪，有效波高同步減小，從4 m逐漸減小到1 m。

對于溫州浮標（見圖4b），在臺風靠近時的混合浪時段（9月30日00時—10月1日01時）為東北風，風速在8～13 m/s，呈波動性的緩慢增大，有效波高也從1 m緩慢增大到2.5 m。1日02—15時，隨著臺風逐漸靠近，臺風浪表現為風浪。風向于1日05時起逆時針旋轉，由東北風轉為偏北風再逐漸轉為西北風，風速迅速增大。1日07時（臺風距離溫州浮標最近時刻）達到最強30 m/s，有效波高的變化與風速基本同步，最大值出現在1日08時，達到7.5 m。1日08時以后，隨著臺風逐漸遠離浮標站，風速和有效波高均明顯減小，此階段有效波高的變化主要受風速影響。1日16時—2日13時，臺風繼續北上，臺風中心與溫州浮標位置逐漸遠離，風向已轉為偏西風，風速減小至14 m/s以下，海浪再次由風浪轉為混合浪，有效波高也減小到2.5 m以下。2日14時—3日00時，波型依然為混合浪，隨著臺風進一步遠離，風向轉為西南風，風速和有效波高都保持在較低的水平。

臺風“米娜”和“利奇馬”影響期間浙江沿海浪高的增加均由風速和風向的變化共同決定，但浙北和浙南沿海的風和海浪特征及風浪關系存在一定差異。兩個臺風在浙北沿海海浪的增大比風速增大滯后2～4 h，浙南沿海浪高的變化則與風速基本同步。分析原因，臺風“米娜”和“利奇馬”影響浙江沿海前，溫州浮標均盛行東北風，且風速大于舟山浮標。臺風“米娜”風速維持在5級以上，舟山浮標風力弱，不到4級，風向變化也較快（見圖4），因而溫州浮標在臺風影響前已有一定的風浪占比，舟山浮標則表現為涌浪或混合浪。隨著臺風靠近，兩個浮標站風速持續增大，風浪特點越來越明顯。由于溫州浮標前期已有風浪占比，因而表現出浪高與風速同步增大，舟山浮標由于前期以涌浪或混合浪為主，臺風風浪特點則需要風速增大到一定大小才能表現出來，因而浪高的增大較風速增大表現出一定的滯后。

5 基于ECMWF數值模式產品的臺風浪特征分析

5.1 ECMWF數值模式產品對兩次臺風的預報效果

圖5為臺風“米娜”影響期間，舟山浮標和溫州浮標實況有效波高和風速與ECMWF輸出的有效波高和風速的對比。模式起報時次為9月30日08時，采用雙線性插值。由圖可見，模式預報與實況的變化趨勢基本一致，舟山浮標站有效波高和風速真實值與預報值的相關系數分別達到0.80和0.79，溫州浮標站則達到0.92和0.70，均通過顯著性水平為0.01的顯著性檢驗。舟山和溫州浮標預報有效波高與實況的平均偏差為-0.1 m和0.8 m，風速平均偏差為-0.5 m/s和2.1 m/s，風向平均偏差為-0.4°和-7°。與臺風“利奇馬”對比[17]，ECMWF數值模式產品也為“米娜”臺風浪特征的空間結構和時間變化提供了較好參考。

圖5 臺風“米娜”影響期間兩個浮標風速和有效波高的模式值與觀測值的對比（紅色為風速，藍色為有效波高，實線為模式值，藍色為觀測值）

5.2 臺風風和浪時空分布和變化特征

根據ECMWF在臺風“米娜”最強時和臺風登陸前后的海浪等級和10 m風場及其等風速線可見（圖略），臺風強度最強時，有效波高與風速等值線基本平行，靠近浙江省海岸線附近海區有效波高和風速的等值線都與海岸線平行，并且7級風與巨浪（6級）、8級風與狂浪（7級）、10級風與狂濤（8級）有較好的對應關系，與臺風“利奇馬”相似[17]，臺風中心位于9 m以上的狂濤區。臺風登陸前后，受地形摩擦影響，臺風強度趨于減弱，風速和浪高也趨于減小，最大有效波高位于臺風中心的偏東方向，最大海浪等級降至狂浪，有效波高和風速、風力和海浪等級在空間分布上仍然有一定的對應關系。由此可見，最大有效波高隨著臺風靠近陸地和臺風強度的減弱而減小。另外，通過對比10月1日02時、05時、11時和20時的浪高和風速分布情況（圖略），1日02時和05時臺風中心位于浙閩沿海，臺風強度較強，最大有效波高位于臺風中心區域內；1日11時和20時，臺風靠近大陸及登陸前期，強度減弱，最大有效波高區域位于臺風中心的東側，說明不同階段最大有效波高相對于臺風中心的位置也有所不同，最大有效波高不一定位于臺風中心區域內。

根據ECMWF在臺風“米娜”最強和臺風登陸前后的海浪等級和風浪高占有效波高的比例可知（圖略），臺風“米娜”強度達到最強時，風浪占比等值線與浪高對應關系較好，有效波高越高，風浪占比越大。巨浪等級海浪中風浪占比基本超過60%，狂浪等級海浪的風浪占比大多在70%以上，狂濤區僅出現在臺風中心附近，風浪占比高于80%。與臺風“利奇馬”風浪占比一般超過70%相比[17]，臺風“米娜”風浪占比相對低，這與臺風“利奇馬”強度較強有關。臺風“米娜”和“利奇馬”登陸階段，在臺風浪達到巨浪到狂浪的海區，風浪占比均超過70%～80%，但在中到大浪海區，風浪占比僅為50%～70%，且此時風浪占比等值線與浪高對應關系不再明顯。

6 結論

利用浙江沿海兩個浮標站資料，對1918號臺風“米娜”影響下浙江沿海風和浪特征及其關系進行了分析，并與同樣嚴重影響浙江沿海的1909號臺風“利奇馬”進行對比，得出以下結論：

（1）臺風“米娜”和“利奇馬”強度差異大，對浙江省降水影響程度也有較大差異，但在浙江沿海的海浪影響程度相當，臺風影響期間浙南沿海的海浪較浙北具有更明顯的風浪特點。浪高變化主要由風速和風向共同決定，且風和浪特征及其相互關系存在差異。兩次臺風過程中，浙北沿海海浪的增大比風速增大有一定滯后，而浙南沿海浪高的變化與風速基本同步。浪高與距離臺風中心的遠近沒有固定的對應關系，而與臺風強風區范圍有重要關系。

（2）臺風“米娜”與“利奇馬”表現出不同的波高與波周期聯合概率分布特征，且浙江北部和南部沿海海浪波型也不同。臺風“米娜”影響期間浙北沿海經歷了涌浪—混合浪—風浪—混合浪的變化，浙南沿海則與臺風“利奇馬”相同，經歷了混合浪—風浪—混合浪的變化。

（3）ECMWF數值模式產品為“米娜”和“利奇馬”臺風浪時空變化特征分析均提供了較好參考。在臺風主要影響時段，有效波高和風速的等值線在空間分布上有很好的對應關系，有效波高越高，風浪占比越大。最大有效波高不一定位于臺風中心區域內。

1918號臺風“米娜”和1909號臺風“利奇馬”強度有明顯差異，但對浙江沿海的影響程度卻幾乎相當，可見強度較弱的臺風也可能產生強的臺風浪。臺風風場與海浪高度的對應關系以及臺風風浪在海浪中的占比分布變化還需要更多臺風個例的檢驗和模式評估。