刘 涛，陈学恩，陈子健

(中国海洋大学 海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

引 言

台风是一种发生在海上的灾害性天气系统，其过程引起的大风、暴雨和风暴潮等灾害性天气可能给沿海地区造成巨大的经济损失。南黄海作为我国的边缘海，毗邻我国山东、江苏等地区，台风经过时会极大地影响沿海城市的生产生活和人们的生命财产安全，深入研究南黄海的台风过程对台风的预报和后报，对沿海地区的防灾减灾工作具有重要的科学意义和指导意义。

台风风场是海浪、风暴潮等海洋灾害数值模拟的主要驱动场之一，台风模型计算的准确性是台风灾害数值模拟和后报可靠程度的关键因素[1]。因此，采用合适的风场模型对台风风场进行构造不仅可以弥补实测资料的不足，还可以用于台风的数值模拟研究。

本文基于中国气象局台风最佳路径资料(http://tcdata.typhoon.org.cn/)及区域大气与海洋短期实时预报系统(http://222.195.136.24/)保存的全球通信系统(GTS)获取的国内外地面国际交换站观测数据，系统研究和分析了1970—2016年经过南黄海区域的台风，并利用多种台风模型对经过南黄海的典型台风进行风场的建立，讨论各模型的适用性，为南黄海及其邻近海域的台风及其所引起的风暴潮、海浪等灾害的数值模拟研究提供参考和借鉴。

1 经过南黄海的台风统计特征分析

南黄海地区天气条件较为复杂，夏季和秋季经过南黄海及其邻近海域的台风发生次数较为频繁且路径类型复杂多样。通过统计1970—2016年的台风资料发现，46 a中经过南黄海及其邻近海域的台风个数为76个，平均每年约有1～2个台风经过此区域。经过南黄海及其邻近海域的台风最早出现在5月，最晚出现在10月。发生时间多集中在7～9月，共有68个，占总数的89.5%。

本文参考《山东省灾害性天气预报技术手册》[5]中的台风路径分类标准，将经过南黄海及邻近海域的台风分为了8类路径，分别为登陆北上型、登陆填塞型、登陆转向型、高纬西进型、黄海西折型、近海北上型、近海转向型和远海影响型，最常见的类型是登陆转向型和近海北上型路径，两类路径共占总数的40.8%。其中，前者约占总数的21.1%，其路径特点为台风自源地向西北向移动，在我国东南部沿海一带登陆，登陆点集中在厦门与上海之间，登陆后转向东北方移动，其转向点多位于30°N以南(图1a)；后者约占总数的19.7%，其路径特点为台风源地偏东，在125°E以西沿海北上，至30°N以北转向东北移动，在朝鲜半岛登陆(图1b)。

图 1 登陆转向型路径和近海北上型路径

2 台风风场模型组合方案的选择

台风风场参数模型一般可分为理论模型和经验模型。简单的理论模型如：高桥[6]模型、藤田[7]模型、Myers[8]模型、Jelesnianski[9]模型等，这种模型根据气压分布情况和梯度风平衡方程计算梯度风速。经验模型如Holland[10]模型相比于上述模型加了气压剖面参数B以调整气压剖面函数来体现不同台风气压剖面的形状差异，增强了模型的适用性。

由于上述圆对称模型无法刻画出不对称的台风气压场或风场，学者们通过改变非对称气压场的分布提出了一些新的模型，如陈孔沫等[11]提出的呈椭圆形对称分布的气压分布模型，章家琳等[12]提出的具有非相似结构的气压分布模型，盛立芳等[13]基于半理论半经验提出的模型，朱首贤等[14]基于特征等压线构造的不对称的气压分布模型等，但这些模型仅适用于静止或缓慢移动的台风，未考虑台风移动产生的影响，只能在一定程度上可以改进台风的非对称结构。

李茜等人的研究表明[15]，台风的非对称风场与气压场关系不大，主要在于台风移动时受到的阻力，因此，叠加移行风场可以大大改善台风非对称结构，构造出风速和风向沿着台风中心移动路径左右存在明显差异的不对称台风风场。目前这种构造组合模型的方法得到了广泛的应用，且得到了较好的模拟效果。考虑到计算效率的问题，本文将利用圆对称风场叠加移行风场的方法构造台风风场。

2.1 圆对称风场模型

台风圆对称风场模型假设不同的气压分布模型，进而由梯度风平衡方程，得到梯度风速[4]：

(1)

其中，f=2Ωsin (φ)，为科里奥利参数；Ω是地球自转的角速度；φ是计算的点所在位置的纬度；r为台风中心处到计算点的直线距离；ρa为空气密度。

常见的圆对称气压模型主要有高桥[6]、藤田[7]、Myers[8]、Jelesnianski[9]和 Holland[10]等模型。其中，内围藤田-外围高桥的嵌套模型能较准确的计算气压分布，五区块(FBM)模型[22]中对于台风气压场的数值模拟即采用此嵌套模型；Myers模型对经过美国海岸线的飓风有较好的适用性；Jelesnianski模型为美国SLOSH及SLASH风暴潮模式中选用的气压分布模型；Holland模型由于经验参数B而具有较强的适用性，故本文共选取了这4种对计算效果较好的气压模型用于南黄海区域台风的研究。如下：

Myers[8]气压分布模型：

(2)

藤田[7]-高桥[6]嵌套气压分布模型：

(3)

Jelesnianski[9]气压分布模型：

(4)

Holland[10]气压分布模型：

(5)

上式中,P0是台风中心气压;P∞是外围气压;R0是最大风速半径;B是Holland气压剖面参数，在本文中，选用的是Vickery等[19]的经验参数方案，计算公式如下：

B=1.38-0.00184(P∞-P0)+0.00309R0

(6)

2.2 移行风场模型

为了考虑大尺度环流形势的牵引作用，一般采用叠加台风移行风场的方式体现台风相对于地表的移动。对于台风移行风场的计算，常用的模型公式共有以下3种：

Jelesnianski[9]模型：

(7)

宫崎正卫[16]模型：

(8)

上野武夫[17]模型：

(9)

上式中,Vd是距离台风中心r计算点处的移行风速;Vs是台风中心移速;其余同上。

2.3 最大风速半径

最大风速半径定义为云墙附近最大风速出现处与台风中心的径向距离，是台风气压场风场模型中最关键的参数之一，其值的大小将影响台风的尺度、风速和气压的分布。为了更好的对比分析各种风场模型，在使用上述台风模型对海表面风场进行计算时，本文选用了计算较为简便的MEF经验计算公式对最大风速半径R0进行计算，其计算公式如下[15]：

(10)

式中,φ为台风的中心所在纬度;M为起算半径，取推荐值为37.2;其余同上。

2.4 台风风场模型组合方案的确定

陈德文[1]等利用Holland模型和Jelesnianski模型在台湾岛周边海域得到了较好的模拟效果，阚芃芃[4]等利用藤田高桥嵌套模型和Jelesnianski模型在舟山市周边海域得到了较好的模拟效果。本文参考前人工作又经过多种组合模型的试验和计算，在16种组合方案中确定了6种计算结果较好的组合方案用于进一步的实测数据对比。具体方案设置见表1。

表1 台风组合模型方案

3 台风风场模型组合方案的对比验证

3.1 典型台风个例的选择

3.1.1 近海北上型

1) 201007号台风

2010年第07号台风“圆规”(Kompasu)于8月29日14时生成于西北太平洋，向西北方向移动，至31.7°N时转向北移动，至35.1°N转为东北向移动。本文以2010年9月1日18时的台风为例，该时刻台风中心位于36.5°N，125.5°E。

2) 201109号台风

2011年第09号台风“梅花”(Muifa)于7月28日14时生成于西北太平洋，向北偏西方向移动，在23.8°N处明显西折转为向西北方向移动，移至28.4°N时又继续向北移动。本文以2011年8月7日20时的台风为例，该时刻台风中心位于36.4°N，123.6°E。

3.1.2 登陆转向型

2015年第09号台风“灿鸿”(Chan-hom)于6月30日20时生成于西北太平洋，向西北方向移动，至30.1°N时转向北偏东方向移动。本文以2015年7月11日23时的台风为例，该时刻台风中心位于32.8°N，123.5°E。

3.2 各组合方案下气压分布模型结果对比

3.2.1 圆对称气压模型纬向剖面

图2为4种气压分布模型计算的台风气压场纬向剖面和台风圆对称风场纬向剖面，其中蓝色实线代表Jelesnianski模型，红色点线代表Myers模型，橙色点划线代表藤田高桥嵌套模型，紫色虚线代表Holland模型(下同)。整体来看4种模型模拟效果相当。在台风内围，各模型计算的气压值和梯度风速差异较小， 其中Jelesnianski模型计算的气压值最小，其它三种模型计算结果基本一致；而在台风外围，四种模型的计算结果有较明显差异，其中Jelesnianski模型计算的气压值和风速明显最大，藤田高桥嵌套模型的计算风速最小，但最大风速仅次于前者；Holland模型和Myers模型计算的气压和梯度风差异较小。

图2 台风纬向剖面图(从左至右依次为201007号、201109号、201509号)

3.2.2 叠加移行风场模型结果对比

图3为叠加移行风场模型后的纬向剖面风速分布图。由于台风右侧海上高压的影响，台风右侧的等压线往往比左侧的密集，故台风中心路径右侧风速比左侧风速大[18]。从图3可以发现，以上3种移行风场模型均符合此结论，叠加台风移行风场的方法可以明显的改善台风模型的模拟效果，体现其非对称性结构，形成一个不对称性的风场模型。其中叠加Jelesnianski模型计算出的台风中心附近风速最小，叠加宫崎正卫模型计算出的台风中心附近风速较其他两种模型偏大。

图3 台风纬向剖面风速分布图(从左至右依次为201007号、201109号、201509号)

3.2.3 各模型计算风速与实测风速对比

图4～6中的3组图为3个典型台风对应的6种组合模型实测风速与计算风速的对比图，横坐标为实测风速，纵坐标为模型计算风速。从整体上来看，散点较为对称的分布在y=x的两侧，说明台风组合模型计算出的风速具备一定的准确性[21]，但是也存在一部分散点偏差较大，说明利用模型计算台风风场仍存在一定误差。

图4 201007号台风

图5 201109号台风

图6 201509号台风

3.3 均方根误差

为了定量的对比6种组合模型方案，选用均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)作为衡量模型准确性的标准，计算公式如下[21]：

(11)

图7为均方根误差的统计图，可知：藤田高桥嵌套气压分布模型和Jelesnianski移行风场模型的组合方案(方案1)对201109号台风梅花和201007号台风圆规的模拟效果最好，均方根误差分别为2.27 m/s和2.56 m/s；Myers气压分布模型和宫崎正卫移行风场模型的组合方案(方案4)对201509号台风灿鸿的模拟效果最好，均方根误差为2.83 m/s。

图7 不同台风均方根误差统计图

4 总结与讨论

4.1 总结

本文对1970—2016年经过南黄海及其邻近海域的台风的特征进行了统计和分析，将其按照路径分为了8类，并基于多种台风模型对其中最常见路径中的3个典型台风进行了风场的计算，最后结合台站的实测数据对各模型进行了适用性分析和误差统计，得到了各自的最佳组合模型。

针对所选台风的主要研究结论如下：经过南黄海的台风发生频率约为每年1～2个，时间集中在夏季7、8月份，常见路径有登陆转向型和近海北上型两类，两者共占总数40.8%。Jelesnianski模型、Myers模型、藤田高桥嵌套模型和Holland模型对台风的气压场模拟效果相当，对梯度风速的模拟差异较大，其中，Jelesnianski模型计算的梯度风速明显大于其他三种模型，藤田高桥嵌套模型整体风速最小，但其最大风速仅次于Jelesnianski模型。叠加台风移行风场能提高圆对称风场刻画非对称结构的能力，得到更佳模拟效果。藤田高桥嵌套气压分布模型和Jelesnianski移行风场模型的组合方案对201109号台风梅花和201007号台风圆规的模拟效果最好，此方案对南黄海区域近海北上型路径的台风的适用性最好。Myers气压分布模型和宫崎正卫移行风场模型的组合方案对201509号台风灿鸿的模拟效果最好，在一定程度上说明此方案对南黄海区域登陆转向型路径的台风有较好的适用性。对于南黄海区域不同路径类型的台风，有不同的最佳组合模型，各组合方案的适用性不同。

4.2 讨论

本文由于受时间、篇幅和作者水平所限，仅就3个路径典型、强度较强的台风对模型的适用性进行了研究，未能利用足够多的南黄海台风对结论进行充分讨论，希望能给研究南黄海区域的学者提供一定的参考，上述结论还需要更多台风个例检验。