闽中近岸西北行路径台风浪波向特征

栾曙光，刘永孝，赵凯

（大连海洋大学，辽宁大连116023）

闽中近岸西北行路径台风浪波向特征

栾曙光，刘永孝，赵凯

（大连海洋大学，辽宁大连116023）

台风浪的研究对于船舶航行、避风以及港口、海洋和近岸建筑物的安全有着重要的现实意义。本文基于考虑波浪折射、底部损耗及波浪破碎等的波谱模型，在充分考虑风能量输入、白帽耗散、波浪破碎以及波-波间的非线性相互作用等物理过程后，对在福建省中部登陆的0513号“泰利”、0709号“圣帕”和0808号“凤凰”台风引起的台风浪过程进行了数值模拟计算。计算结果与实测数据相吻合，并总结出闽中近岸西北行路径台风浪的波向变化规律。为近岸海域船舶航行和港口工程防灾减灾提供了较为重要的参考依据。

波谱模型；波浪场；波向

1 引言

我国东临的西北太平洋是一个全年各季均有热带气旋发生的海区，热带气旋生成数约占全球的三分之一，致使我国成为遭受台风影响最严重的国家之一。其中最易遭受台风及风暴潮影响的当属福建省近岸沿海。每年的5—11月之间，福建省近岸沿海地区都会受其严重威胁。因此对台风浪场进行数值计算与分析对于防灾减灾、保障灾区人民的生命财产安全是十分必要的[1]。

2 数学模型简介

2.1 模型控制方程

波浪要素采用丹麦水力研究所（DHI Water& Environment）研制的计算软件MIKE21中的SW (Spectral Waves FM)模块进行推算。SW是波谱模型，可以考虑波浪的折射、底部损耗、波浪破碎、波流联合作用及风等因素对波浪传播的影响，可以用来进行大范围的波浪场地推算，也可以满足大尺度波浪推算的要求。

SW模型基于波作用守恒方程，采用波作用密度谱N(σ,θ)来描述波浪。模型的自变量为相对波频率σ和波向θ。波作用密度与波能谱密度E(σ,θ)的关系为：

式中σ为相对频率，θ为波向。

在笛卡尔坐标系下，MIKE21 SW的控制方程，可以表示为：

S指能量平衡方程中以谱密度表示数：

式中，Sin指风输入的能量，Snl指波与波之间的非线性作用引起的能量耗散，Sds指有白帽引起的能量耗散，Sbot指由底摩阻引起的能量耗散，Ssurf指由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量耗散。

2.2 风场数据及最大风速半径

应用MIKE21 SW模型进行台风浪场数值模拟计算需要输入的风场数据有台风的中心经纬度、最大风速、中心气压和标准气压，均来自温州台风网。最大风速半径R采用Graham和Nunn提出的台风经验式4[3]计算。式4除了考虑台风中心气压以外，还考虑了地理纬度和台风中心移动速度的影响。

式中：VF为台风中心移动的速度（km/h），φ为地理纬度，P0为台风中心气压（hPa）。

3 台风浪场数值模拟结果和实测结果的对比

国家海洋局东海分局在台湾海峡北部200 km处，即在27.3°N，122.32°E处布设了大浮标，该浮标的海洋要素观测数据记录了0709号台风“圣帕”和0513号台风“泰利”移动过程中有效波高的变化，本文数值模拟计算得到的有效波高与浮标记录的有效波高相吻合。图1和图2分别为0513号台风“泰利”和0709号台风“圣帕”产生的有效波高计算值与实测值的比较。

图1 0513号台风“泰利”产生的有效波高计算值与实测值的比较

图2 0709号台风“圣帕”有效波高计算值与实测值的比较

4 西北行路径台风引起的近岸波向特征

4.1 闽中登陆的三个台风特征

0513“泰利”、0709“圣帕”、0808“凤凰”均为西北太平洋生成的西北行路径台风，登陆时间为7月末至9月初，其中“泰利”和“圣帕”在登陆台湾岛前均达到了超强台风等级，受台湾岛的阻隔在福建二次登陆时降低为台风等级，而“凤凰”的两次登陆均为台风等级，见图3。

图3 闽中登陆西北行台风的路径图

4.2 计算结果及波向特征分析

在福建省近岸沿海-30 m等深线上选取7个点，1号点为台风路径上点，2号点为台风路径左边最大风速半径内的点，3号点为台风路径左边最大风速半径外的点，4号点为台风路径左边十级风圈上的点，5号点为台风路径右边最大风速半径内的点，6号点为台风路径右边最大风速半径外的点、7号点为台风路径右边十级风圈上的点。本文主要通过分析上述7个点的波向，总结福建省近岸沿海-30m等深线上台风浪引起的波向特征。其中台风路径两侧最大风速半径内的点（2号和5号）距离台风路径大约30 km；最大风速半径外的点（3号和6号）距离台风路径大约60 km；十级风圈上点（4号和7号）距离台风路径恰好等于十级风圈的半径。表1为选取点的参数。图4为选取点位置示意图。

表1 闽中登陆台风选取点参数

图4 选取点位置示意图

4.3 闽中登陆的3个台风波向特征分析

文献[3][4]定义波向和风向一样，指来波方向，并用16个方位记录。波向和角度的关系，见表2。

4.3.1 0513号台风“泰利”波向特征分析

受0513号台风“泰利”的影响，7个点的平均波向随时间的变化曲线见图5。

台风移动路径左侧2、3、4号点的波向随时间的变化特征可分为2个阶段。

第1阶段从8月31日14时到9月1日8时，“泰利”沿着西北行路径逐渐从外海向近岸选取点位置移动，2号点的波向从8月31日14时的5.84°北向（见表2），逐渐绕顺时针方向旋转，到9月1日8时2点的波向为47.11°东北向；3号点的波向从8月31日14时的5.28°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日8时的42.97°东北向；4号点的波向从8月31日14时为4.4°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日8时的34.56°东北向。

表2 波向与角度的关系

第2阶段从9月1日8时直到台风登陆之后，2号点的波向从8时的东北向绕逆时针方向旋转到14时的245.78°西西南向。台风继续移动，2点的波向继续绕逆时针方向旋转，从14时的西西南向逐渐转到16时的210.52°南西南向；3号点的波向从8时的东北向绕逆时针方向旋转到14时的266.83°西向。台风继续移动，3号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从14时的西向逐渐转到16时的227.92°西南向；4号点的波向从8时的东北向绕逆时针方向旋转到13时的309.3°西北向。台风继续移动，4号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从13时的西北向逐渐转到16时的282.36°西西北向。

由图5同样可得出，台风“泰利”于9月1日15时登陆前，移动路径左侧波向的角度与台风中心

的距离成反比，距离越近产生的角度越大；当台风登陆后移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小。

台风移动路径上1号点、路径右侧5、6、7号点波向随时间的变化曲线只经历一个阶段。1号点波向从8月31日14时5.66°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日16时的177.81°南向；5号点波向从8月31日14时的6.02°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日16时的158.56°南东南向；6号点波向从8月31日14时的8.23°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日16时的151°南东南方向；7号点波向从8月31日14时的17.51°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到9月1日16时的119.03°东东南向。

由图5同样可得出，台风登陆前移动路径右侧波向角度与台风中心的距离却成正比，距离越近产生的角度越小；当台风登陆后移动路径右侧波向角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大。

图5 0513号台风“泰利”选取点的波向图

4.3.2 0709号台风“圣帕”的波向特征分析

受0709号台风“圣帕”的影响，7个点的平均波向随时间的变化特征见图6。

台风移动路径左侧2、3、4号点的波向随时间的变化规律分为2个阶段。

第1阶段从8月17日19时到18日17时，“圣帕”沿着西北行路径逐渐从外海深水向近岸选取点位置移动，2号点的波向从17日19时的9.85°北向（见表2），逐渐绕顺时针方向旋转到18日17时，2号点的波向为62.34°东东北向；3号点的波向从17日19时的6.57°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到18日17时的50.54°东北向；4号点的波向从17日19时的6.06°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到18日17时的28.34°北东北向。

第2阶段从18日17时直到台风登陆之后，2号点的波向从18日17时东东北向绕逆时针方向旋转到19日2时的248.67°西西南向。台风继续移动，2号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从2时的西西南向逐渐转到5时的222.54°西南向；3号点的波向从18日17时的东北向绕逆时针方向旋转到19日1时的323.53°西北向。台风继续移动，3号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从1时的西北向逐渐转到5时的242.96°西西南向；4号点的波向从18日17时的北东北向绕逆时针方向旋转到19日1时的325.86°西北向。台风继续移动，4号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从23时的北西北向逐渐转到18日5时的266.72°西向。

由图6可得，“圣帕”于19日1时登陆前，2号点的波向角度大于3号点的波向角度；3号点的波向角度大于4号点的波向角度。当台风登陆后，2、3、4号点的波向角度与台风登陆前恰恰是相反的。即2号点的波向角度小于3号点的波向角度；3号点的波向角度小于4号点的波向角度。说明台风登陆前移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大；当台风登陆后移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小。

台风移动路径上1号点、路径右侧5、6、7号点的波向随时间的变化曲线只经历一个阶段。1号点波向从8月17日19时的13.12°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到19日5时的211.87°南西南向；5号点波向从17日19时的16.44°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到19日5时的194.47°南西南向；6号点波向从17日19时的20.1°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到19日5时的165.19°南东南方向；7号点波向从17日19时的26.39°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到19日5时的155.82°南东南方向。

由图6可得，台风登陆前，7号点波向角度大于6号点的波向角度；6号点的波向角度大于5号点的波向角度；5号点的波向角度大于1号点的波向角度。当台风登陆后，1、5、6、7号点的波向角度与台风登陆前恰恰是相反的。即7号点波向角度小于6号点的波向角度；6号点波向角度小于5号点的波向角度；5号点的波向角度小于1号点的波向角度。说明台风登陆前移动路径右侧波向角度与台风中心的距离却成正比，距离越近产生的角度越小；当台风登陆后移动路径右侧波向角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大。

图6 0709号台风“圣帕”选取点的波向图

4.3.3 0808号台风“凤凰”的波向特征分析

受0808号台风“凤凰”的影响，7个点的平均波向随时间的变化曲线见图7。

台风移动路径左侧2、3、4号点的波向随时间的变化曲线分为2个阶段。

第1阶段从7月27日20时—28日18时，台风“凤凰”沿着西北行路径逐渐从外海深水向近岸选取点位置移动，2号点的波向从7月27日20时的6.57°北向（见表2），逐渐绕顺时针方向旋转到28日18时的55.73°东北向；3号点的波向从27日20时的3.29°，北向，逐渐绕顺时针方向旋转到28日18时的48.98°东北向；4号点的波向从27日20时的10.9°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到28日18时的44.58°东北向。

第2阶段从28日18时直到台风登陆之后，2号点的波向从28日18时的东北向绕逆时针方向旋转到23时的260.35°西向。台风继续移动，2号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从23时的西向逐渐转到29日1时的230.47°，西南向；3号点的波向从28日18时的东北向绕逆时针方向旋转到23时的276.73°西向。台风继续移动，3号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从23时的西向逐渐转到29日1时的240.97°西西南向；4号点的波向从28日20时的东北向绕逆时针方向旋转到22时的317°西北向。台风继续移动，4号点的波向继续绕逆时针方向旋转，从22时的西北向逐渐转到29日1时的246.55°西西南向。

由图7可得，“凤凰”于28日22时登陆前，移动路径左侧波向的角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大；当台风登陆后移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小。

图7 0808号台风“凤凰”选取点的波向图

台风移动路径上1号点、路径右侧5、6、7号点的波向随时间的变化曲线只经历一个阶段。1号点波向从7月27日20时的10.28°北向，逐渐绕顺时针方向旋转到29日1时的211.18°南西南向；5号点波向从27日20时的14.29°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到29日1时的193.9°南西南向；6号点波向从27日20时的18.23°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到29日1时的169.37°南向；7号点波向从27日20时的23.13°北东北向，逐渐绕顺时针方向旋转到29日1时的121.28°东东南向。

由图7可得，台风登陆前移动路径右侧点波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小；当台风登陆后移动路径右侧点波向角度与台风中心的距离却成反比，距离越近产生的角度越大。

5 结论

（1）台风“泰利”、“圣帕”、“凤凰”的移动路径均为西北行路径，3个台风行进过程中，近岸沿海-30 m等深线上的波向随时间的变化特征基本相同；

（2）台风移动路径左侧近岸沿海-30m等深线上的波向随时间的变化特征一般经历两个阶段。第一个阶段由北至北东北（N-NNE）向绕顺时针方向转到东北至东东北（NE-ENE）向；第二阶段由东北至东东北（NE-ENE）向绕逆时针方向转到西南至西西南（SW-WSW）向；

（3）台风移动路径右侧近岸沿海-30m等深线上的波向随时间的变化特征一般只经历一个阶段，由北向（N）或北东北向(NNE)绕顺时针方向转到南西南至南东南（SSW-SSE）向；

（4）台风登陆前移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大；而移动路径右侧波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小。当台风登陆后移动路径左侧波向角度与台风中心的距离成正比，距离越近产生的角度越小；而移动路径右侧波向角度与台风中心的距离成反比，距离越近产生的角度越大。

[1]陈希,闵锦忠,李研,等.台湾岛邻近海域台风浪模拟分析[J].气象科学,2003,23(1);46-54．

[2]Vilsmeier R,Hanel D.Adaptive solutions for unsteady laminar flows on unstructured grids[J].International Journal for numerical methods in fluids,1995,22：85-101.

[3]邱大洪.工程水文学[M].第三版,北京：人民交通出版社,1999.

[4]GB/T 12763.2-2007.海洋调查规范第2部分：海洋水文观测[S].北京：中国标准出版社,2008.

Characteristics of wave direction caused by the northwest typhoon in the offshore of Fujian province

LUAN Shu-guang，LIU Yong-xiao，ZHAO Kai

(Dalian Ocean University，Dalian Liaoning 116023 China)

Study on the typhoon wave has an important practical significance for ship navigation and shelter,as well as the safety of ports,marine and coastal buildings.In the paper,the spectral model,considering wave refraction,bottom friction and wave breaking,is used.After taking full account of the wind energy input,white capping dissipation,wave breaking,nonlinear interactions between waves and other physical processes,we have conducted numerical simulations for the processes of typhoon waves by No.0513“Talim”,No.0709“Sepat”and No.0808“Fung-Wong”which landed in the middle coast of Fujian Province.The calculated results are in a good agreement with the measured data provided by the Forecasting Center of East China Sea.Meanwhile,we summarized the pattern of the northwest typhoon wave direction characteristics in the offshore of Fujian Province, which can provide an important reference for ship navigation in the offshore area,disaster prevention and mitigation of port engineering.

wave spectrum model；wave field；wave direction

book=262,ebook=262

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0065-08

2011-02-05

农业部2010年渔政管理项目“渔港防灾减灾专题研究”

栾曙光（1954-），女，教授，主要从事港口工程防灾减灾方面的研究E-mail：shugluan@qq.com或shugluan@dlou.edu.cn