基于海氣耦合模式的超強臺風“山竹”數值模擬

呂 曌,伍志元*,2,3,蔣昌波,3,4,張浩鍵,高 凱,顏 仁

(1.長沙理工大學 水利與環境工程學院,湖南 長沙 410114; 2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024; 3.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114; 4.湖南工業大學 土木工程學院,湖南 株洲 412007)

0 引言

臺風是一種極具破壞性和災害性的海洋天氣系統,其產生和發展通常伴隨著狂風、暴雨、巨浪和風暴潮等一系列極端事件[1]。我國地處東亞季風區,是全球熱帶氣旋活動最劇烈的地區之一。統計表明2000年至2019年的20年間,平均每年有8場臺風登陸我國,其伴隨的“臺風災害鏈”造成了嚴重人員傷亡和社會經濟損失[2-3]。臺風期間海氣界面存在強烈的熱量、動量和物質交換,臺風通過風應力驅動海洋流場及風暴增水,而海洋則通過熱通量、水氣交換等響應,改變臺風的發展[4-5]。因此,研究臺風與海洋之間的作用機理及熱量、動量、物質交換,對于抵御各種臺風災害、保障人民生命安全和減少國民經濟財產損失具有重要意義。

臺風過境期間,上層海洋與大氣會產生強烈的相互作用。一方面,臺風驅動表層海洋形成復雜的多尺度環流系統,并伴隨著海洋內部強烈的垂直混合,發生海表溫度降低、鹽度變化等現象[6-8];另一方面,表層海洋的動力和熱力結果對臺風產生調制作用[9-10]。如臺風過境時在海洋表面形成的“冷尾流”由?？寺槲拇怪被旌蠈е?“冷尾流”分布使熱通量傳輸發生改變,進而影響臺風強度及其發展[11-13]。

揭示臺風的發展過程及運動機理需要綜合考慮大氣與海洋之間的相互作用,采用大氣和海洋雙向傳輸的數值耦合模式是一個重要手段。早在1997年,國外就開發了COAMPS雙向耦合模式并用于北太平洋沿岸臺風天氣的研究[14];NCEP開發的HWRF模型在北太平洋和孟加拉灣也有良好的模擬結果[15];蔣小平 等[16]將MM5大氣模式與POM區域海洋模式耦合,分析了Krovanh(0312)臺風引起的海面降溫對臺風強度的影響。近年來,通過MCT耦合器(model coupling toolkit,MCT)將中尺度大氣模式(weather research and forecasting model, WRF)、區域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和海浪模式(simulating waves nearshore, SWAN)進行耦合開發的COAWST模式也受到了廣泛應用[17-21]。

本文基于已建立的南中國海海氣耦合模式[18],選擇2018年超強臺風“山竹”進行數值模擬研究,利用實測資料對模擬結果進行驗證,針對臺風“山竹”在南海過境期間的風場、氣壓場、海表流場和風暴增水過程及其時空分布規律進行分析和討論,探究海氣耦合模式下臺風與海洋的相互作用機制與動力特征。

1 研究方法

1.1 模型及方法

WRF是由美國國家大氣研究中心和美國國家環境預測中心開發的天氣分析和預報模式,被廣泛用于臺風模擬研究。WRF模式采用結構化網格,模式的時間積分采用三階或者四階的Runge-Kutta方案,水平方向采用正交曲線網格(Arakawa C),垂直方向采用地形坐標,控制方程基于完全可壓縮的非靜力歐拉平衡方程。

ROMS是基于三維非線性、自由表面斜壓方程的海洋模式,使用雷諾平均的納維-斯托克斯方程。在水平方向的Arakawa C網格和垂直方向的地形跟隨坐標上使用有限差分近似法,并采用非等比例分層模式。該模式相較于傳統水深分層可以更好模擬起伏的海底地形,提高溫躍層和底部邊界層的模擬精度。

在WRF-ROMS耦合模式中,通過耦合器實現大氣與海洋模式的實時雙向耦合。其中,大氣模式將10 m風場、氣壓場、長/短波輻射以及熱通量等數據提供給海洋,海洋模式則將海表溫度提供給大氣,具體耦合方法見文獻[18]。

1.2 案例選取

綜合考慮臺風軌跡、強度、作用范圍及受災損失等因素,選擇2018年超強臺風“山竹”為研究對象。臺風“山竹”于北京時間2018年9月7日10:00在西北太平洋關島以東洋面形成;9月9日02:00加強為強熱帶風暴;9月11日08:00起發展為超強臺風;9月15日02:00登陸菲律賓半島,臺風中心的最大持續風速250 km/h(69.4 m/s);9月16日17:00在廣東臺山再次登陸,中心最高風力14級(45 m/s),中心最低氣壓955 hPa;9月17日下午逐漸減弱為熱帶低壓。

據香港天文臺統計,超強臺風“山竹”導致香港部分海域風暴增水超過2.0 m,其中鲗魚涌和尖鼻咀潮汐站分別增水2.35 m和2.58 m?！吧街瘛睂е轮榻侵薨l生特大暴雨(降雨量250 mm以上),其中陽江地區最大降雨達481.5 mm,沿海最大風暴增水達到3.39 m(百年一遇增水),多個站點超過當地紅色警戒潮位50 cm以上。

1.3 試驗設置

WRF計算區域覆蓋菲律賓半島、北部灣及南部沿海區域,采用蘭伯特投影和雙層嵌套網格,主網格中心為114°E,21°N,主網格和嵌套網格精度分別為9 km 和3 km,垂向分32層,參數化方案如表1所示[22],時間步長取60 s。初邊界條件采用FNL (final opera-tional global analysis)全球大氣再分析資料,空間分辨率為0.25°,數據間隔為6 h。

表1 WRF模式物理參數化方案配置Tab.1 Configuration of the physical parameterization schemes in the WRF model

ROMS主網格位于WRF主網格內,空間范圍為16°N—26°N,107°E—123°E。主網格分辨率為9 km,與嵌套網格的比率為1∶3,主網格和嵌套網格的垂向分層均為16層?；谀M區域考慮,設置西邊界為閉邊界,其余為開邊界;坐標控制參數THETA_S=5、THETA_B=0.4;時間步長dt分別為30 s和15 s;垂向混合方案采用MY2.5方案[23]。ROMS模式中水深數據來自ETOPO水深數據集,模式的初始和邊界條件分別來自HYCOM再分析資料和OSU數據庫提供的潮汐強迫資料,其中潮汐包含M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1共8個分潮。

耦合模式模擬時間選擇UTC時間(下同),從2018年9月13日00:00至9月17日00:00,共計96 h,其中設置48 h的模式穩定期,耦合模式下WRF與ROMS通過MCT每1 800 s交換1次數據[24]。本研究設置3組試驗,分別是WRF模式(R1試驗)、WRF-ROMS耦合模式(R2試驗)、ROMS模式(R3試驗)。

利用觀測數據驗證模式的準確性,觀測數據分別來自中國氣象局熱帶氣旋資料中心(https://tcdata.typhoon.org.cn)、日本氣象廳(https://www.jma.go.jp/jma)以及香港天文臺(https://www.hko.gov.hk),包括超強臺風“山竹”的最佳路徑、臺風中心坐標、中心最低氣壓等數據;風速實測數據來自美國國家海洋大氣管理局(NOAA)(https://www.nesdis.noaa.gov/data-research-services);氣壓數據來自中國海洋預報網(http://g.hyyb.org/systems/HyybData/DataDB/)。

2 模式驗證

基于WRF(R1試驗)和WRF-ROMS(R2試驗)模式得到了超強臺風“山竹”在南海過境期間的臺風路徑及強度,并與中國氣象局(CMA)、日本氣象廳(JMA)以及香港天文臺(HKO)的最佳路徑數據集進行了對比(圖2)。結果表明,兩組試驗模擬的臺風路徑與最佳路徑均較為吻合。圖3、圖4給出了2種模式下臺風中心氣壓、近中心最大風速以及臺風路徑與CMA和JMA最佳路徑數據集的對比,從圖中可以看出,15日 00:00后(臺風離開菲律賓進入南海),試驗的中心氣壓和最大風速均與最佳路徑數據較吻合,路徑誤差控制在60 km以內,其中R2試驗(耦合模式)的結果更為理想,誤差維持在40 km以內; 9月16日09:00臺風在廣東臺山再次登陸,受下墊面因素的影響,兩組試驗的臺風中心氣壓與路徑誤差較再次登陸前均顯著增大。

圖1 耦合模式計算區域及嵌套網格示意圖Fig.1 The simulation domain and nested grids of the coupled air-sea model(藍色實線表示WRF嵌套網格,紅色虛線表示ROMS嵌套網格。)(The blue solid line represents the WRF nested grid,and the red dashed line represents the ROMS nested grid.)

圖2 不同模式下超強臺風“山竹”模擬路徑與最佳路徑的對比Fig.2 Comparison between the simulated track and the best track of super typhoon Mangkhut in different models

圖3 模式與最佳路徑數據集的臺風中心氣壓和近中心最大風速對比Fig.3 Comparison of typhoon central pressure and maximum wind speed from the models with those from the best-track dataset(豎向虛線代表臺風登陸時刻。)(Vertical dashed line represents the time of typhoon landfall.)

圖4 兩組試驗模擬路徑與最佳路徑的誤差Fig.4 Comparison of the bias of the track simulated by two different models with that from the best-track dataset(豎向虛線代表臺風登陸時刻。)(Vertical dashed line represents the time of typhoon landfall.)

為驗證臺風強度的模擬效果,利用超強臺風“山竹”過境期間廣東沿海氣象測量點及浮標的實測數據進行對比研究,各站點位置如圖5所示。圖6和圖7分別展示了超強臺風“山竹”在不同試驗條件下,各個站點風速與氣壓的驗證結果,可以看出,試驗與實測結果較為吻合。風速的驗證中,除汕頭站因距離臺風中心較遠,吻合較差外,其余各站驗證的相關系數均在0.83以上(圖6)。氣壓的驗證中,在QF306、SF304浮標站處R1試驗的均方根誤差相較R2試驗的更大,即在耦合海洋模式中,臺風模擬的準確性有一定程度改善(圖7)。

圖5 超強臺風“山竹”影響期間風速、海平面氣壓、潮位測站分布位置示意圖Fig.5 Distribution diagram of wind speed, sea level pressure and tide stations during the influence of super typhoon Mangkhut

圖6 模擬風速與實測風速時程對比Fig.6 Time series comparison between models’ wind speed and observed wind speed

圖7 模擬與浮標實測海平面氣壓時程對比Fig.7 Time series comparison between sea level pressure by models with that by buoy stations

3 結果與討論

3.1 臺風風場與氣壓場

圖8給出了超強臺風“山竹”離開菲律賓半島至登陸廣東沿海過程中WRF-ROMS耦合模式(R2試驗)風場和氣壓場分布特征,圖中黑色箭頭代表海面以上10 m的風速矢量,顏色代表氣壓場。從圖中可以看出,在超強臺風“山竹”影響下,南海上空形成了顯著的氣旋風場和中心低壓。臺風離開菲律賓進入南海后,強度增加,登陸廣東前臺風中心風速基本保持在30 m/s以上,臺風中心最低氣壓保持在960 hPa以下(圖8a～8d); 9月16日00:00后,受下墊面因素的影響,臺風強度開始減弱(圖8e～8g);登陸后,臺風迅速消散(圖8h～8i)。

圖8 耦合模式下超強臺風“山竹”的氣壓場和風場的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the pressure and wind field in coupled model during super typhoon Mangkhut

圖8中,臺風中心最低氣壓與臺風風場中心位置基本吻合,并且在科氏力的影響下,臺風路徑右側風場強度高于左側。臺風“山竹”在進入南海后保持15級強臺風強度,七級風圈半徑為400 ～550 km,臺風路徑右后方風圈半徑較大、影響更為廣泛,這與實際臺風風圈分布相同[25];進入近海后,七級風圈半徑縮減至250 ～350 km,其中大陸岸線方向半徑最小,但仍包含整個廣東沿岸,影響范圍較廣。

3.2 風生流場

超強臺風“山竹”影響期間,強烈的氣旋風場對南海北部上層海洋造成了劇烈擾動。圖9 給出了“山竹”影響期間南海表層流場和風場矢量分布,可以看出,流場整體沿臺風路徑呈現顯著的不對稱性,且流場中心位于臺風中心沿路徑的左后方,表現出風生流場滯后臺風行進的特征。

風生流場的不對稱性主要是受臺風不對稱風場的影響[18,20-21],這種不對稱使南海上層海洋形成的氣旋式流場在臺風路徑的右側產生較大流速,最高可達3.1 m/s。臺風過境前(圖9a、9b),由于表層流場同時受到了科氏力和下層海水黏滯力的影響,表現出流場偏向風場右側45°的?？寺?臺風過境時(圖9c～9e),在風應力影響下,右側高流速區的流向與風向保持同向,左側低流速區與風向的角度則逐漸增大,導致流場相對風場整體向左后方偏移。

圖9 臺風風場及風生流場的空間分布Fig.9 Spatial distribution of typhoon wind fields and wind-generated current fields(表示臺風中心;表示流場中心。)( represents the typhoon center; represents the center of the flow field.)

為進一步分析臺風影響下近岸海表流速的特性,本文選取圖5中QF303、QF305、 QF306、 SF304四個站點,分別繪制風向、流向的時間演變特征圖(圖10),其中QF303、QF305位于臺風路徑右側,QF306位于左側,SF304位于臺風路徑中心附近。由圖可知,QF303、QF305初始為東北風,隨著臺風臨近,風向逐漸偏南,在16日03:00風速達到30 m/s,臺風過境后變為東南風,整體風向呈順時針變化。根據QF303和QF305處流速、流向可以看出,流速相較于風速最大值滯后約3 h,風生海流由西南逐漸變為西北流向,且在海表黏滯力的影響下流向的改變相較風向有明顯滯后。QF306位于臺風路徑左側,風向由北風逆時針變為南風,流向保持西南方向不變,在16日14:00時該處風速達到20 m/s,受到潮汐影響,海表流速數小時保持較低值。SF304流速最大值變化落后風速6 h。從風生流場的空間分布特征可以得出,臺風影響下,表層海洋流場呈現出空間上的右偏性特征,并且其流速和流向的變化相較風場存在顯著滯后。

圖10 特征站點風速、流速以及風向、流向歷時曲線對比Fig.10 Comparison of wind speed and current velocity as well as wind direction and current direction at the stations(黑色虛線表示臺風途經站點時刻。)(The black dotted line indicates the time when the typhoon passes through the stations.)

3.3 風暴增水

分別對天文潮和風暴潮數據進行對比驗證(圖11),模擬結果基本再現了臺風期間橫門、三灶、蛇口潮位站的風暴增水過程,模擬的最大水位分別為2.6 m、2.6 m、2.1 m。

基于耦合模式得到了臺風“山竹”影響下南海北部的風暴增水分布情況(圖12)。由圖可以看出,自9月15日06:00(圖12b)起,臺風中心附近產生0.4 m的增水現象,隨著臺風的向岸移動,增水范圍和增水高度都有明顯增強;9月16日06:00(圖12f),珠江三角洲東南沿岸最大增水可達1.5 m,臺風登陸時部分地區增水可達2.0 m。在圖10的基礎上,進一步對比氣壓及風暴增水的時程曲線,結果如圖13所示:位于臺風路徑右側的站位(QF303、QF305)的風暴增水極大值時刻落后風速最大時刻2 h,最大增水超過1.0 m;路徑左側站位(QF306)的風暴增水極大值時刻為臺風過境后6 h,最大增水約0.8 m;位于深水區域的SF304處風暴增水較小,最大僅為0.4 m,且增水極值時間與氣壓極值同步。綜上所述,風暴增水在近岸淺水區表現出相對風速、氣壓滯后以及臺風軌跡右側增水大于左側的特點。LIU等[26]對臺風“瑪利亞”期間風暴增水的模擬也同樣呈現出右偏的特征。這是由于臺風進入近岸淺水區后,臺風右側的流速矢量方向垂直于岸線,導致右側的風暴增水較大;而淺水區同時會受到風應力的作用,使得增水持續增強,最終表現出風暴增水過程相較臺風存在一定滯后的現象。深水區的風暴增水主要受臺風中心低壓影響,發生在臺風中心處,因此與臺風響應并無時間滯后特征。

圖12 海表流場和臺風引起的風暴增水的空間分布Fig.12 Spatial distribution of sea surface current fields and surge caused by super typhoon Mangkhut(表示臺風中心; 表示流場中心。)( represents the typhoon center; represents the center of the flow field.)

圖13 特征站點風速、氣壓、流速及風暴增水歷時曲線Fig.13 Time series of wind speed, pressure, current velocity and storm surge at the stations(黑色虛線表示臺風途經站點時刻。)(The black dotted line indicates the time when the typhoon passes through the stations.)

4 結論

基于中尺度大氣模式WRF和區域海洋模式ROMS,構建了南海WRF-ROMS海氣雙向耦合模式,針對2018年超強臺風“山竹”進行模擬,并結合實際觀測資料進行驗證,分析南海北部區域臺風影響下的大氣與上層海洋要素特征及其相互作用,并探討了大氣和海洋動力要素的時空分布特征,得到以下主要結論。

1)受臺風影響,海表風生流場與風場整體表現出顯著的?？寺?流向與風向基本呈45°。

2)空間上,受科氏力影響,臺風風場、風生流場、近岸風暴增水在臺風路徑右側存在極大值,整體呈現空間上的“右偏性”特征。

3)時間上,風場與氣壓場時空分布特征相似且與臺風中心同步;深水區風暴增水主要受臺風中心氣壓作用并與氣壓保持一致;風生流場和近岸風暴增水對臺風響應存在時間滯后特征,滯后時長約3 h。

綜上,本文采用大氣-海洋耦合模式的模擬結果較為理想,能有效反映臺風作用下大氣與海流之間的動態變化,為海氣相互作用研究提供參考。本文未考慮波浪對臺風結構的影響,而在實際場景中,波浪會影響海洋表面的粗糙度和海洋內部的垂直混合,因此針對波浪與大氣的相互影響還需開展進一步的研究。