1、第 30 卷第 2 期2023 年 4 月海南热带海洋学院学报Journal of Hainan Tropical Ocean UniversityVol 30 No 2Apr 2023收稿日期:2023 01 30基金项目:自然资源部北海局海洋科技项目(201914);山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室开放基金项目(202005)第一作者:李庆杰，男，山东日照人，工程师，硕士，研究方向为物理海洋学。通信作者:曹雪峰，男，山东临沂人，高级工程师，博士，研究方向为物理海洋学。不同风应力拖曳系数对北海区台风风暴潮模拟精度的影响李庆杰1，洪新1，曹雪峰2，尹磊3，李鹏宇1，毛雪莲1，曹海洋1(1
2、 国家海洋局 烟台海洋环境监测中心站，山东 烟台 264006;2 国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023;3 中国地质调查局 烟台海岸带地质调查中心，山东 烟台 264000)摘要:使用 FVCOM 4 1 版本非结构网格数值模型，建立包含北海区的东中国海风暴潮数值模拟系统。选取了3 次台风过程，分别为9711、1109 和1909 号台风，分别对4 种风暴潮模拟常用拖曳系数方案:Garratt、Smith、Large Pond(FVCOM 默认拖曳系数方案)、Sun，在无波浪作用和有波浪作用两种情况下对风暴潮增水进行模拟，确定适用于北海区台风风暴潮的最优拖曳系数方案。结果表明:4
3、种方案中 Large Pond 拖曳系数方案在北海区台风风暴潮模拟中表现最好;加入波浪作用可以提高风暴潮模拟精度。关键词:FVCOM;拖曳系数;台风风暴潮中图分类号:P731 2文献标识码:A文章编号:2096 3122(2023)02 0092 09DOI:10 13307/j issn 2096 3122 2023 02 110引言风暴潮是来自海上的一种巨大的自然界的灾害现象，系指由于强烈的大气扰动，如强风和气压骤变引起的海面异常升高或降低的现象1。1875 年以来，全球范围直接和间接的风暴潮经济损失超过 1 000 亿美元，这些损失还不包括与风暴潮相关联的海岸和土地侵蚀的长期影响;并造成
4、至少 150 万人丧生，其中90%以上死于风暴潮，余下的不足10%是死于风的影响。在西北太平洋沿岸国家中，我国受到台风登陆和影响的频率最高，我国沿海遭遇台风风暴潮灾害也最为频繁和严重。对于北海区来讲，台风风暴潮对渤海湾、莱州湾和山东南部影响比较严重2。在风暴潮的形成中，风应力起决定性作用3，风应力拖曳系数决定了气海动量传输率。风暴潮的研究始于 20 世纪 20 年代，随着人们对于风暴潮的成因、过程和机制的进一步了解，在过去的几十年里，不少学者给出了拖曳系数和风速的相互关系，目前已出现许多针对风应力拖曳系数或海面粗糙度的研究，这些研究或基于观测，或基于理论分析，研究成果丰富。拖曳系数与风应力的转
5、换通常采用的二次平方率的经验转换公式为=airCdV2，(1)其中:为风应力;air是空气密度;一般取为 1 2 g/L;Cd为拖曳系数;V 为风速。Jones 等4 和周旭波等5 学者在风暴潮的研究中将拖曳系数取为常数，即认为海面粗糙度在风暴潮过程中保持不变。随着研究的进一步深入，许多学者发现海面粗糙度并不是固定不变的，和海面 10 m 高度处的风速值有关，低风速下的拖曳系数随着风速增加而增加。Powell 等6、Jarosz 等7 学者发现:当风速达到 30 35 ms1时，拖曳系数达到一个最大值;当风速更大时，海面粗糙度下降，拖曳系数开始减小。基于此，不同的拖曳系数方案设29李庆杰等:不
6、同风应力拖曳系数对北海区台风风暴潮模拟精度的影响2023 年第 2 期定了不同的风速(Cap)8 13。王秀芹等14 比较了不同拖曳系数方案对渤黄海风暴潮数值模拟的影响，不同方案的模拟精度不同。Sun 等13 的拖曳系数方案被用于模拟美国东海岸飓风 Bob 的风暴潮过程，取得了较好的模拟结果。另外，当波浪传播到近岸地区时，会产生反射、折射和破碎等现象，从而使水体受到压力，迫使水体向岸堆积起来形成增水15 17。本研究的工作主要针对不同拖曳系数对台风风暴潮数值模拟进行研究，并考虑波浪应力对风暴潮计算的影响，这将有效地提高风暴潮数值模拟的精度，对北海区风暴潮灾害严重海域的台风风暴潮预报、海岸工程设
7、计、防台减灾等风暴潮数值研究方面将具有较高的实际应用价值，可以为业务化风暴潮数值预报模拟精度的提升提供技术支持。1 不同拖曳系数台风风暴潮模拟1 1 风暴潮数值模型和研究区域水动力模拟部分采用的是有限体积近岸海洋模型(Finite volume coastal ocean model，FVCOM)18。FVCOM 是近年来在近岸海洋环境数值模拟中应用较多的一个环流数值模式。FVCOM 是美国麻省大学海洋科学技术学院海洋生态模型实验室和美国伍兹霍尔海洋研究所于 2000 年成功建立的非结构网格海洋环流与生态模型。此模型综合了现有海洋有限差分和有限元模型的优点，解决了数值计算中浅海复杂岸界拟合、质
8、量守恒以及计算有效性的难题，在国际上具有领先水平，目前在美国伍兹霍尔海洋研究所、麻省理工等研究院所以及其他国家得到了广泛的认可和应用19。FVCOM-SWAVE 模型是由第三代海浪模型转成的无结构网格的有限体积方法的海浪模式。它保留了所有的物理过程，只是在数值计算方法上与SWAN 模型有所不同。该模式水平面上采用了无结构网格，具有网格设置的灵活性以及对岸界拟合较好的优势。它的出现使无结构网格 FVCOM 与第三代海浪模式的耦合成为可能20。4041393837363511812012240383634323028262422118120122124126128130132134136138EN
9、图 1模拟区域网格划分计 算 域 水 平 方 向 三 角 元 网 格 共 有120 257个，网格节点共有 63 324 个，网格分辨率过渡均匀(图 1)。在水平网格分配方面，对工程海域进行重点加密处理，分辨率可达100 150 m，模型网格从外海向岸边逐渐加密;外海开边界处分辨率为 10 km 左右，网格由加密处到外海均匀过渡。模型在垂向上设置了 7 个均匀 sigma 层。对于模型水深，外海水深 数 据 采 用 美 国 国 家 地 学 测 量 中 心(National geodetic center，boulder，colorado)提供的 DBDB5(Digital bathymetri
10、c database ver-sion 5 2)原始数据集，北海区附近海域采用实测的水深数据和海图水深，将两个数据集统一订正至同一基面，通过双线性插值方法插值到网格点上，大海域水深和重点研究海域水深分布如图 2 所示。模式中采用内外模分离技术，为保证计算满足 CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)收敛条件，外模时间步长设置为 0 5 s，内模时间步长为 5 0 s。本模型为正压模型，并未考虑海洋温盐的变化情况。39第 30 卷第 2 期海南热带海洋学院学报40383634323028262422118120122124126128130132EN图 2模拟区域水深(m)1 2
11、 台风风场构造研究采用了 CCMP(Cross calibrated multi-platform)风场，该风场融合产品是由美国宇航局物理海洋学数据分发存档中心(PO DAAC)发布的一种高时空分辨率的多卫星融合风场资料。CCMP 风场产品以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的 ERA-Interim 再分析产品为背景模拟风场，利用变分分析法(VAM)融合了包括 SSM/I、TMI、AMSR-E 及 QuikSCAT 等卫星传感器在内的所有来自遥感卫星系统(RSS)的风场资料，以及传统的船舶、浮标观测资料。CCMP 风场具有时空间分辨率高、全球海洋覆盖能力广、时间序列长等特点。由于 CCMP
12、再分析风场台风中心附近风速偏小，所以台风模型采用 Jelesnianski-模型，叠加 CCMP再分析风场作为背景风场，所需的基本信息为台风的位置、中心气压等可以从中国气象局热带气旋资料中心台风最佳路径集得到21 22。计算最大风速 WR和最大风速半径 R 采用的经验公式分别为WR=3 029 (P P0)0 644，(2)R=28 52 tanh 0 0873(28)+expP0 P33()86+0 2V+M，(3)其中:P为无穷远处的大气压;P0为台风的中心气压(单位 hpa);为台风中心的纬度(单位为度);V 为台风中心的移动速度;M 为起算半径。台风风场和气压场分布:当 0rR 时，W
13、x=Vxrr+R WRr()R32(x x0)sin+(y y0)cos，Wy=Vyrr+R WRr()R32(x x0)cos+(y y0)sin，Pa=P0+(P P0)rr+()R3。(4)49李庆杰等:不同风应力拖曳系数对北海区台风风暴潮模拟精度的影响2023 年第 2 期当 r R 时，Wx=Vxrr+R WRr()R(x x0)sin+(y y0)cos，Wy=Vyrr+R WRr()R(x x0)cos+(y y0)sin，Pa=P(P P0)R()r，(5)其中:r 为台风半径;Vx、Vy分别为台风中心的移动速度;x0、y0为台风中心坐标;为入流角;为衰减系数。将台风模型风场和
14、 CCMP 再分析风场合成，构造新的台风风场。将 CCMP 风场资料作为背景风场，合成时以一定的权重系数相叠加构造成相应的模型风场，合成公式为Ve=(1 e)Vm+eVQ，(6)其中:Vm为台风模型得到的风场;VQ为背景风场;本实验指的是 CCMP 再分析数据风场;e 为权重系数。其中 e 的计算公式为e=c4/(1+c4)，(7)c=r/(10 R)，(8)式中:r 是计算点距离台风中心的距离;R 是最大风速半径。1 3 拖曳系数方案风暴潮数值模型中常用的拖曳系数方案包括:Garratt 8、Smith 9、Large Pond 10 和 Sun 13 模型。4 种拖曳系数 Cd参数化模型随
15、着风速的变化进行对比的情况如图3 所示。通过公式和图3 可以看到 Garratt 和 Sun模型在风速高于4 ms1后，二者基本一致，Garratt 在风速低于4 ms1时，拖曳系数 Cd值最小。在风速低于7 ms1时，Garratt 和 Sun 的拖曳系数 Cd值相比 Large Pond 的要小一些，而在风速高于 7 ms1后，Large Pond 的拖曳系数 Cd反而要小得多，并且 Garratt 和 Sun 的 vcap设定为 2 5 103，而 Large Pond的 vcap设定只有 2 1 103，Smith 的拖曳系数在低风速(风速低于 5 ms1)较 Large Pond 和
16、 Sun 的小，而在高风速下 Smith 方案的拖曳系数 Cd最大，风速大于 22 ms1时，拖曳系数 Cd为 2 6 103。Garratt 方案:Cd=(0 75+0 067 V)103(0 V26 0 ms1);2 5 103(V 26 0 ms1)。(9)Smith 方案:Cd=0 925 103(0 V5 0 ms1)，(0 61+0 063 V)103(5 0 ms1 V22 0 ms1)，2 6 103(V 27 0 ms1)。(10)Large Pond 方案:Cd=1 2 103(0 V11 0 ms1)，(0 49+0 065 V)103(11 0 ms1 V25 0 ms1);2 1 103(V 25 0 ms1)。(11)Sun 方案:Cd=1 0 103(0 V4 0 ms1);(1+1 5V 4 027 4 0)103(4 0 ms1 V27 0 ms1)，2 5 103(V 27 0 ms1)。(12)59第 30 卷第 2 期海南热带海洋学院学报0.60.811.21.41.61.822.22.42.610-305101520253035404550U1
