ABSTRACT

Based on 10 meters up ground wind data of CCMP and GDAS, the significant wave height distribution of 0920 Super Typhoon Lupit on Northwest Pacific was simulated by the wave numerical model WAVEWATCH III v3.14. Otherwise, the influence from different wind data and the effect evaluation of wave simulation was studied. The result shows that, firstly, WAVEWATCH III model simulates typhoon wave well, but with a strong sensitivity to the wind data. Secondly, due to the integration of a variety observations and a higher spatial resolution, CCMP wind data lead to much more accurate wave simulation results.

Keywords:Lupit, WAVEWATCH, CCMP, GDAS, Wave Numerical Simulation

0920号超强台风Lupit海浪数值 模拟试验

王力群，魏新，孙一妹，姜旻，李庆

中国卫星海上测控部，江苏 江阴

收稿日期：2015年12月5日；录用日期：2015年12月27日；发布日期：2015年12月30日

摘 要

基于WAVEWATCH III v3.14海浪数值模式，建立混合双向嵌套网格，分别采用CCMP和GDAS海面 10m 风场资料，模拟2009年10月西北太平洋第20号超强台风Lupit的海浪场有效波高，对比分析不同风场资料对台风海浪模拟的影响，并根据浮标观测数据分析模拟的效果。结果表明，WAVEWATCH III模式能够较好的模拟台风海浪场分布形势，模式对风场资料具有较强的敏感性，基于融合了多种观测资料的CCMP高分辨风场资料所模拟的结果更为准确。

关键词 :Lupit, WAVEWATCH, CCMP, GDAS, 海浪数值模拟

1. 引言

在全球，每年由海洋灾害造成的经济损失约占所有自然灾害损失的10%，而海上90%的破坏力来自于海浪的袭击，尤其是台风所形成的灾害性狂涛巨浪，严重威胁的航行船舶安全。20世纪60年代，大气、海洋数值模式迅速发展，海浪数值模拟成为海浪研究和预报的重要内容。随着第三代海浪数值模式的成功研制，到20世纪末期，海浪数值模式已发展到比较成熟的阶段。目前，WAVEWATCH Ⅲ (以下简称WWatch3)作为第三代全球海浪数值模式的代表之一，具有稳定性好、计算精度高等特点，已经成功运用于全球和区域尺度的海浪业务数值预报系统 [1] - [5] 。

为了开展近岸海浪数值预报，科研人员尝试将高分辨率的近岸模式SWAN模式嵌套至WWatch3模式中，但需要修改两种不同模式嵌套运行的接口 [6] - [8] 。近年来，WWatch3模式推出v3.14版本，具备混合网格双向嵌套模拟能力，能够精细的刻画近岸和台风内部的海浪分布特征 [9] [10] ；另一方面，相关学者开始结合海浪模式的模拟结果研究相关海域的波候分布特征 [11] [12] 。

本文以2009年西北太平洋第20号(国际编号)超强台风Lupit为例，采用ETOPO2地形数据，建立1个父网格和2个子网格的混合嵌套运行网格，分别采用CCMP和GDAS海面10 m风场资料驱动WWatch3-v3.14海浪数值模式，模拟Lupit活动期间西北太平洋海浪高度分布特征，并与关岛附近52200号浮标站观测数据对比，分析两种风场资料的模拟结果。

2. 数据和模式

2.1. 数据资料简介

本文的研究工作，主要应用以下几类数据：

(1) CCMP：Cross-Calibrated Multi-Platform，跨标准多平台融合数据产品。该数据研究项目由美国国家航空航天局（NASA）提供资助，基于地球科学事业合作协议公告(Earth Science Enterprise Cooperative Agreement Notice)，融合多种海面风场观测数据，包括QuikSCAT、ADEOS-II、AMSR-E、TRMM TMI、SSM/I等，最终生成覆盖全球大洋的高分辨海面风场资料。数据集时间范围为1987年7月至2011年12月，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚，数据存储格式为NetCDF。

(2) GDAS：Global Data Assimilation System，全球数据同化系统，是美国国家环境预报中心(NCEP)业务运行的实时全球观测数据分析系统。该数据广泛应用于天气的实时预报和后期数值模拟研究工作，能够直接作为中尺度大气模式WRF (Weather Research and Forecasting)的背景场和边界场。数据集时间范围为1999年7月至今，包括27层气压层和表面层的常规大气要素，空间分辨率为1.0˚ × 1.0˚，数据存储格式为GRIB2。

(3) JTWC Best Track：Joint Typhoon Warning Center，联合台风警报中心最佳路径集。目前，该数据集包括1945年至2014年西北太平洋、北印度洋、南太平洋和南印度洋所有热带气旋的定位、强度等信息，并含有1959年至2014年上述海区的热带气旋年鉴文档。本文主要采用2009年超强台风Lupit (JTWC编为第22号)的相关定位和强度数据，分析其活动过程。

(4) NDBC 52200 Buoy：Nation Data Buoy Center，美国国家浮标数据中心第52200号浮标站数据。该浮标站位于关岛附近海域(13.354˚N，144.789˚E)，从 2004 年 9 月 8 日 开始至今，实时观测海浪高度、周期、传播方向等要素，归档整理后的数据每30分钟记录一次。

2.2. 海浪模式简介

WWatch3海浪数值模式的控制方程是波作用量密度传输方程，即谱能量平衡方程，对于谱，平衡方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中k、θ、X和t分别为波数、波向、空间向量和时间四个坐标变量；F为波数谱，σ为固有频率；C_g为群速向量，U背景流速向量，d为水深；s和m分别为沿波向和垂直于波向的单位坐标量；S代表谱能量平衡方程的各种源函数。

谱能量平衡方程的源函数项S通常包括风输入源函数S_in，非线性波-波相互作用源函数S_nl，白浪破碎引起的耗散源函数S_ds，以及底摩擦耗散源函数S_bot，即：

(5)

本文模式计算过程S_in采用基于Tolman、Chalikov、Belevich提出的理论而形成的计算方案，其耗散源函数分为适用于低频谱和高频谱的两部分；S_nl采用Hasselmann等的离散相互作用近似(DIA)计算方案；S_ds采用Battjes-Janssen方案；S_bot采用JONSWAP底部摩擦方案。

3. Lupit海浪模拟方案设计

3.1. Lupit活动过程简介

2009 年 10 月 14 日 00时(世界时，下同)，西北太平洋关岛东部洋面开始形成一个热带低压，随后向西略偏北方向移动并逐渐发展，至15日00时加强为热带风暴，继续以西北路径移动加强，随后被命名为Lupit。

Lupit在发展过程中，其移动路径非常诡异，经历了6次转向，转向时刻如图1所示。

图1根据JTWC热带气旋定位和强度数据，绘制的Lupit生成、发展过程示意图。绿色路径表示“热带低压”阶段，蓝色为“热带风暴”和“强热带风暴”阶段，紫色为“台风”和“强台风”阶段，红色为“超强台风”阶段，水绿色为变性成温带气旋阶段。Lupit发展过程中经历了多次转向，其路径在菲律宾东部海域呈现出旋转的“几”字形图案。

图1. Lupit活动路径

Lupit在菲律宾东部海域强度最强，且盘绕较长时间，使得该海域形成了持续一周以上的巨浪。

3.2. 海浪数值模拟方案

3.2.1. 模拟区域和网格定义

选用ETOPO2海底地形数据和GSHHS海岸线数据，空间分辨率均为2′ × 2′，利用Matlab程序，生成grd1、grd2、grd3等3个模拟网格，其定义的详细参数如表1所示。

以上网格中，grd1为父网格，grd2和grd3为嵌套于grd1之中的子网格，其最外层均设置为双向交换数据的边界区。针对其它网格定义参数，3个网格均采用模式使用手册中的默认设置。模拟初始条件为静止状态，模拟初始时刻为 2009 年 10 月 11 日 00 时 ，数据保存初始时刻为模式运行24小时之后，即12日00时。

根据以上网格定义，本文设计了两个试验方案：EXP1和EXP2，分别采用每6小时一次的CCMP和GDAS风场资料驱动WWatch3模式。

3.2.2. 模拟参数化方案设置

WWatch3模式已经在NCEP实现全球和区域混合网格海浪数值预报业务运行，本文的模拟参考NCEP海浪预报业务系统使用的参数化方案，需要在模式源码编译时，修改switch文件中的开关项，设置模拟试验的参数化方案。其中，模式选项不包括底部散射、三波相互作用和附加源项，针对风场和流场的插值均选用线性插值方案，如表2所示。

4. 模拟计算结果及分析

海面风场数据的质量对海浪的模拟起着决定性作用，本文设计的EXP1采用CCMP风场资料，EXP2采用GDAS风场资料。CCMP风场资料融合了更多平台、更高观测精度、更细时空分辨率的海面观测数据；GDAS作为NCEP服务于GFS日常数值天气预报业务系统的同化分析系统，融合了常规气象观测资料和气象卫星遥感资料，由于该系统运行过程中需要保持较高的稳定性，并未同化针对海面风场的高精度观测资料，因此，很多学者研究认为CCMP海面风场资料的质量优于GDAS。本章首先根据EXP1的grd1网格模拟结果，分析西北太平洋较大范围内的海浪分布形势，研究Lupit形成的大浪分布范围；然后根据Lupit发展最强阶段EXP1和EXP2的grd2网格模拟结果，着重对比分析CCMP和GDAS两种数据资料对Lupit内部海浪场精细描述的差异。

表1. Lupit海浪数值模拟网格定义

表2. Lupit海浪数值模拟参数化方案设置

4.1. Lupit活动期间西北太平洋海浪高度分布形势

Lupit台风在17日之前是稳定的西偏北方向移动，17日达到强台风等级，并开始经历多次转向过程，下面根据EXP1的grd1网格模拟结果，分析17~22日西北太平洋海浪场的有效波高分布形势。

图2为17日00时~22日00时(间隔24小时)西北太平洋的海浪场有效波高分布形势图。17日，Lupit在第二岛链南部引发了 2.5 米 以上大浪，大浪区范围超过10个纬距，台风中心附近最大浪高已超过 5 米 ；18日，2.5米以上大浪区扩大至15个纬距，台风中心附近的5米以上浪区明显增大，在大浪区西侧出现海浪低值中心，台风眼已经形成，表明台风Lupit已经发展成熟；19日，Lupit达到超强台风等级，2.5米以上大浪区维持在15个纬距左右，但中心附近最大浪高达到8米以上，台风眼区更为清晰，形成对称结构，表明Lupit周围的巨浪基本上由风场控制；20日，Lupit由西北路径转为西南路径，大浪区集中在台风眼北侧，大浪区由对称的圆形转变为东西宽、南北窄的椭圆形，大浪中心轴线为东西走向；21日，由于Lupit继续朝西南方向移动，大浪区集中于移动路径的右侧，大浪中心轴线为东北–西南走向，随着台风强度的增强，5 m以上大浪区范围比20日明显扩大；22日，Lupit靠近菲律宾陆地并开始转为东北路径，台风强度有所下降，5米以上大浪区显著缩小，中心附近最大浪高降至6米左右，但2.5米以上大浪区范围仍然超过10个纬距，同时受地形的影响，大浪区等值线条表现出诸多不规则、不光滑的特征。

4.2. EXP1和EXP2结果对比

由于不同的风场资料存在一定差异，势必影响海浪模拟结果。本文设计的数值试验方案中，grd2网格采用更高的模式分辨率，位于菲律宾东部海域，覆盖Lupit曲折移动和强度最强阶段，更能够反应海浪对风场的敏感性。下面根据不同风场资料在高分辨率网格下的输出结果，分析Lupit最强阶段10月18~20日期间(间隔24小时)菲律宾东部海域海浪场有效波高的分布形势，比较两种风场资料对Lupit内部海浪场有效波高模拟的差异。

图2. 西北太平洋海浪场有效波高分布

图3显示，18日，两种试验模拟的海浪分布形势总体一致，表现为圆形、南北对称，东部是极大值中心，西部存在极小值中心，但EXP1模拟的5米以上大浪范围和最大波高数值相对EXP2较小；19日，Lupit强度最强，最大风速为140 knot (约70 m/s)，两种模拟试验的结果表现出显著差异，EXP1分辨出了明显的台风眼和超强台风海浪场的中心对称结构，EXP2则与18日的海浪分布形势十分相似，仍然表现为西部小范围的极小值中心和东部大范围的极大值中心，另一方面，EXP1模拟的中心有效波高最大值为8米以上，2.5米大浪区范围为10~24˚N，EXP2模拟的中心最大有效波高为6米以上，2.5米大浪区范围为10~26˚N，略大于EXP1的覆盖范围；20日，Lupit强度有所减弱，大浪中心轴线由南北向转为东西向，EXP1和EXP2模拟的有效波高分布形势相似，但EXP2模拟的有效波高极大值明显偏小，5米以上大浪区范围的南北跨度也偏小。

总体而言，针对台风这种快速变化的中α尺度天气系统，基于GDAS风场资料的EXP2试验所模拟的海浪有效波高变化趋势相对较缓，而基于CCMP风场资料的EXP1试验能够更细致的刻画台风内部海浪场分布特征。

5. 同浮标站观测对比

Lupit生成初期经过关岛附近海域，NDBC所属的52200号浮标站记录了因热带气旋而引起的大浪过程。grd1和grd3网格均包含了该浮标站所在的经纬度，模式运行过程中，采用定点输出方式，模拟生成了该浮标站位置的海浪场数据。下面通过grd3精细网格输出的模拟结果，对比分析数值模拟和浮标观测的有效波高随时间的变化趋势，以检验模拟结论的精准度。

图4为关岛附近52200号浮标站位置的海浪场有效波高，其中红色线条为浮标观测值，蓝色线条为基于CCMP风场资料EXP1试验的模拟值，绿色线条为基于GDAS风场资料EXP2试验的模拟值。

图3. EXP1 (基于CCMP风场(和EXP2 (基于GDAS风场)模拟的Lupit海浪场有效波高

图4. 浮标观测与数值模拟有效波高对比

图4呈现出如下特征。

(1) 模拟试验开始计算时刻为11日00时，初始条件设置为静止状态。模拟的海浪有效波高一直到13日才逐渐趋于观测值，表明模式需要2天左右的时间才能从静止状态调整到稳定风场驱动状态。

(2) 52200号浮标站位置的海浪有效波高在14~15日极速增大，15~18日快速下降，19~22日又缓慢增大，而后稳定于1.5米左右。EXP1和EXP2两种线条均模拟出了15日左右的极大值和19日左右的极小值，显现出与浮标观测相似变化趋势，表明模式海浪有效波高的变化趋势具有较好的模拟能力。

(3) 虽然EXP1和EXP2均指出15日00时左右为有波高的极大值，但浮标站实况观测的极大值为3.8米，CCMP资料模拟结果为3.1米，GDAS资料模拟结果为2.4米。此时，Lupit刚刚由热带低压发展加强为热带风暴，中心位置正好位于浮标站南侧附近，距离浮标站大约100 km。由于海洋上台风中心附近的风场资料主要依靠卫星遥感同化，往往比实际观测的极大风速值偏小，造成海浪有效波高的模拟值偏小；而CCMP相对于GDAS资料融合了更多的观测数据，使得海浪有效波高极大值的模拟误差更小。这也进一步表明，海浪模拟对风场资料具有高度的敏感性。

(4) EXP1和EXP2在18日12时左右为极小值，浮标观测在19日00时左右为极小值，从18日12时至22日00时，CCMP和GDAS资料模拟的结果非常一致，都比观测大0.5米左右，表现为系统性误差。这一时期Lupit已经加强为强台风至超强台风等级，但台风中心距离浮标站超过1000 km，由于模式对台风涌浪传播的影响估计过早，大约提前了12小时，使得此时模拟的有效波高值总体偏大。这也表明，模式对台风涌浪影响程度的模拟能力还需要进一步提升。

6. 结论

本文利用WWatch3-v3.14海浪数值模式，模拟了西北太平洋第20号超强台风Lupit活动过程的海浪场有效波高分布，主要得出以下结论。

(1) WWatch3模式能够较好的模拟Lupit海浪场分布特征，合理的显示了Lupit大浪区分布范围和台风眼区海浪特征。

(2) CCMP风场资料具备较高的精准度，能够更细致的刻画台风中心附近的海浪特征，GDAS模拟的海浪场变化趋势相对缓和，表明模式对风场数据具有较高的敏感性。

(3) 模拟的海浪波高与浮标站观测波高具有相同的变化趋势，根据CCMP风场模拟的最大浪高的极值比浮标观测的极大值偏小0.7 m，GDAS风场模拟的结果相对CCMP较差；台风远离浮标站后，模式对台风涌浪传播的影响时间提前了12小时左右。

文章引用

王力群,魏 新,孙一妹,姜 旻,李 庆. 0920号超强台风Lupit海浪数值模拟试验
The Wave Numeric Simulation of 0920 Super Typhoon Lupit[J]. 海洋科学前沿, 2015, 02(04): 94-101. http://dx.doi.org/10.12677/AMS.2015.24012

参考文献 (References)