2024年4月16日发(作者：红米8a)

耦合模式中海浪参数对台风浪预报的影响研究

丁维炜;齐琳琳;赵文斌;刘潮;赵金波;孙苗芯

【摘 要】以西北太平洋一次“双台风”共同影响下的台风浪为例,针对模式中风摄

入和白帽耗散、底摩擦、波破碎、波-波非线性相互作用等海浪物理过程对台风浪

预报的影响进行了敏感性试验分析.在此基础上,基于各物理过程最优参数化方案探

讨了耦合模式和单独海浪模式的海浪预报性能,分析了耦合模式的海浪预报场分布

特征.结果表明:不同海浪物理过程参数化对于波高预报的准确性是有所差异的.在相

对最优的海浪各参数化方案组合下,无论耦合模式还是单独海浪模式都能较好地反

映波高的变化和分布趋势.相比而言,耦合模式对于台风浪大值区的浪高预报要比单

独海浪模式的更接近观测,且可以很好地刻画出双台风影响下浪的分布演变特征,对

于西太平洋台风浪的预报具有很好的适用性.

【期刊名称】《海洋预报》

【年(卷),期】2019(036)001

【总页数】15页(P37-51)

【关键词】中尺度海气浪耦合模式;台风浪;海浪参数化

【作 者】丁维炜;齐琳琳;赵文斌;刘潮;赵金波;孙苗芯

【作者单位】95171部队气象台,广东广州510000;空军研究院,北京

100085;61741部队,北京100094;75839部队,广东广州510000;61255部队气象

台,山西侯马043000;武警第二机动总队直升机支队湘阴场站,湖南长沙410200

【正文语种】中 文

【中图分类】P731.33

1 引言

我国海域面积辽阔，拥有丰富的海洋矿藏和广阔的海洋开发前景，海洋研究对于发

展国家经济等具有重要意义。海浪作为海洋研究的重要组成，对海洋工程设计、海

上交通运行等具有非常重要的研究意义和应用价值。其中，台风引发的大浪不仅给

人民生命财产和生产生活造成了巨大伤害，还直接威胁到海洋工程开发和海洋军事

活动等的安全。目前，由于现场观测局限性很大，台风浪的研究主要还是依托海浪

数值模式。以WAM（Wind Wave Model）、WAVEWATCH Ⅲ 和 SWAN

（Simulating Waves Nearshore）为代表的第三代海浪模式已成为研究海浪特征

演变和业务化预报的主要手段，在波浪场预报中得到了很好的应用[1-4]。相对而

言，SWAN模式物理过程最为丰富，考虑了风能输送、白帽耗散、三、四波非线

性相互作用、浅化引起的波破碎、波浪绕射、底摩擦作用等，更有利于海浪预报效

果的精准。Huang等[5]基于SWAN模式对墨西哥湾飓风浪进行模拟，结果发现：

利用模式默认设置的风能输送参数化方案，最大有效波高往往会被高估，但通过调

整参数化方案设置，可以弥补过高估计情况。梁书秀等[6]利用SWAN模式，针对

风能输入与白冠耗散这一物理过程，采取不同方案进行组合，对南海台风浪进行推

算模拟，结果表明，不同的组合方式会对模拟的有效波高产生一定影响。陈子等[7]

将计算底摩擦效应的子程序编入波折射-绕射联合计算数值模型中，通过修改不同

的底摩擦系数对粤西水东塆落潮三角洲海区的波浪模拟发现，系数的改变对波高的

衰减作用差异性较为明显。应王敏等[8]利用SWAN模式，在台风“灿鸿”期间，

针对波破碎、波浪非线性相互作用等物理过程，采取不同参数化方案进行敏感性实

验，结果表明：波破碎系数参数的改变在浅水地区对波高模拟影响较大，三波、四

波非线性相互作用下的波高模拟结果，两者差异性在因台风变大时逐渐体现。由此

可知，同一模式中针对不同物理过程参数化对于波高预报的准确性还是有所差异的，

尤其是台风浪对于不同参数化方案的结果评估也是十分必要的[9]。

已有研究表明[10-15]，采用耦合模式较单一动力过程的海浪模式对于提高海浪预

报和后报精度更具有重要意义，但针对耦合模式中海浪参数敏感性试验及其在台风

浪预报中的应用研究还较为少见。考虑到中尺度海气浪耦合模式将成为台风浪预报

的主流，而其中海浪分量的源函数项参数化方案包含不同物理机制，对不同方案的

台风浪预报效果的比较评估是十分必要的，为此，本文以西北太平洋一次“双台”

共同影响的台风浪过程为例，着重针对耦合模式中风摄入波动能/风能输入和白帽

耗散、底摩擦参数、波破碎参数、波—波非线性相互作用等海浪物理过程参数化

进行了敏感性试验分析，给出了优化耦合模式中海浪参数化方案的建议设定，力求

耦合模式在西北太平洋台风浪预报中的良好适用性，从而为中尺度海气浪耦合模式

的台风浪业务化预报应用提供有益参考。

2 模式和方案

2.1 中尺度海气浪耦合模式

中尺度海气浪耦合模式以中尺度耦合器MCT为主导，以区域气象模式WRF、海

洋环流模式ROMS和海浪预报模式SWAN作为分量构成。海洋模式ROMS是三

维非线性、自由表面和基于地形跟随坐标的斜压原始模式。作为新兴的海洋模式，

ROMS可以模拟不同尺度的运动，在国外已被广泛地应用于海洋生物、海洋地质

以及海冰研究的诸多领域。模式选取能够更加适当地描述流场受地形影响的S

（Stretched）坐标系，在垂直方向上采用非等比例分层的方式，相对于采用水深

等比例分层的经典模式POM，ROMS能够使温跃层和底边界层具有更高的解析度。

此外，ROMS使用新的高阶水平压力梯度算法，相比POM可以有效减少模式在

地形变化大的区域的水平压力梯度计算误差累积。大气模式WRF则是一个完全可

压的非静力模式，控制方程组都写为通量形式。模式采用Arakawa C网格，这种

网格有利于在具有高分辨率的模拟中提高准确性。目前模式已经实现了地形跟随高

度坐标（欧拉高度坐标）方案和地形跟随静力气压坐标（欧拉质量坐标）方案两种

方案以供选择，时间积分采用三阶Runge-Kutta方案。而海浪模式SWAN是由

荷兰Delft大学开发的第三代近岸海浪模式。通过给定流场、水深和边界条件，可

用于陆架浅水区、海岸、湖泊、河口水域的风浪、涌浪及混合浪的计算，能得出模

拟海域内的各种波要素，具有稳定性好、计算精度较高等特点。此外，SWAN模

式相对WW 3模式受水深地形影响较小，同时其对浪高的模拟能力更好。

模式中的大气、海洋、海浪分量模式均采用可与彼此进行双向参数传递和数据交换

的开放式计算框架，通过MCT耦合器的“即插即拔”方式，实现了WRF、

ROMS和SWAN三者间双向参数传递和物理量交换，以及对耦合模式积分运行的

控制。各自分量模式积分控制函数中均加入耦合控制函数并予以调用使用。其中，

大气分量模式在积分运算过程中不仅为海浪分量提供海面10m风场，而且将计算

得到的大气表层气压、2m相对湿度、2m温度、10m风、总云量、蒸发、降水、

长波和短波辐射、风应力、感热和潜热变量传递给海洋分量，同时还接收了海浪分

量模式输出的浪高、周期和波以及海洋分量模式输出的海表温度。海洋分量模式在

积分运算过程中不仅更新大气提供的下垫面温度，而且将计算得到的海平面高度、

垂向平均流速和底面粗糙度传递到海浪分量模式，同时还接收大气作为其上边界强

迫提供的大气表层气压、2m相对湿度、2m温度、10m风、总云量、蒸发、降水、

长波和短波辐射、风应力、感热和潜热通量，以及海浪输出的浪向、浪高、波长、

周期、能量消散、波浪破碎。另外，海浪分量模式不仅输出浪高、周期和波长与大

气进行耦合，而且将浪向、浪高、波长、周期等影响也传递至到海洋分量模式，同

时接收大气提供的的海面10m风，以及海洋分量模式输出的海平面高度、垂向平

均流速和底面粗糙度。耦合模式的组成和变量传递如图1所示。WRF、ROMS和

SWAN按各自的网格、控制参数和驱动文件等进行并行计算，到了设置的数据交

换时间，各分量模式首先将要交换的变量传输给MCT，之后MCT会把这些数据

按照控制文件的要求分别提供给各耦合需求模式。对于积分时间步长不同的子模式，

采用将各模式的耦合数据交换设置在一个时间公共点上进行。相比而言，模式采用

MPI分布式储存的MCT耦合器，将大气模式WRF、海洋模式ROMS和海浪模式

SWAN作可扩展的耦合分量模式，将彼此间的交换变量以灵活的场变量存储格式，

通过耦合消息传递和再分配方式，以及不同时空尺度数据网格插值，通过“插拔”

方式的实现分量模式模块化的全局并行同步耦合具有较好的先进性。利用该耦合模

式，针对西北太平洋海域，开展过连续5 d的逐72 h海洋气象要素预报效果分析

及基于一次有无台风过程的风场预报研究[16]，均取得较好效果。

图1 耦合模式变量交换示意图

2.2 双台风“莎莉嘉”、“海马”

2016年21 号台风“莎莉嘉”（“Sarika”）和22号台风“海马”（“Haima”）

是当年袭击我国南海的超强台风，其分别登陆海南和广东一带，给我国带来直接经

济损失分别达41.3亿元和44.7亿元。其中，“莎莉嘉”于10月14日11时

（北京时，下同）发展为强热带风暴；10月15日05时发展为台风，23时加强

为超强台风，中心最大风力52m/s，中心气压935 hPa，7级风半径达260 km。

16日在菲律宾登陆后迅速减弱，但17日再次发展加强为强台风，并于18日10

时左右在海南省万宁市和乐镇登陆。登陆时，中心最大风力45m/s，中心气压

950 hPa。继其之后，“海马”于10月15日08时生成，且发展速度更快。16

日即加强为台风；17日发展为超强台风，中心最大风力52m/s，中心气压935

hPa。20日登陆菲律宾后减弱为强台风，并于21日13时前后在汕尾登陆。此次

双台风从10月15日08时—19日17时在西北太平洋共存达4 d。

2.3 模式方案

根据双台风情况，模式计算区域设为104°～148°E、4°～39°N。模式的耦合分量

WRF初、边值场采用0.5°×0.5°的GFS（Global ForecastSystem）预报场；

ROMS的初、边值场采用0.25°×0.25°的北半球海洋预报场，最大水深截断4

500m。耦合分量SWAN海浪谱频率范围从0.04～0.5 Hz，离散为26个频段，

采用提前24 h热启方式，所需风场同样来自0.5°×0.5°的GFS预报场。为避免各

子模式间变量传递的插值误差，3个耦合分量均采用分辨率为6 km的水平网格。

模式运行时间均从2016年10月15日12时（世界时，下同）开始，连续5 d进

行120 h预报。鉴于本文的重点是评估海浪物理过程参数化效果，选取优化的海

浪参数化用于耦合模式台风浪预报，故敏感试验只针对风摄入波动能/风能输入和

白帽耗散、底摩擦参数、波破碎参数、波—波非线性相互作用进行，其余耦合模

式中的物理过程参数化均保持一致。

3 海浪物理过程敏感性试验分析

选取双台风登陆点附近不同水深的4点（见图2），依次为 a（112.6°E、21.1°N，

水深 44.7 m），b（117.1°E、22.9°N，水深32.8m），c（115.4°E、22.5°N，

水深22.9m），d（122.3°E、18.0°N，水深10.1m），分别对风摄入波动能和白

帽耗散、底摩擦参数、波破碎参数、波—波非线性相互作用等影响因素进行比对

分析，通过敏感性试验分析结果，优选出耦合模式中适用于双台风浪的海浪最优参

数。

3.1 风摄入波动能和白帽/冠耗散的影响分析

在风持续作用下，浪不断产生、发展，并最终由于波陡变大而导致破碎。波浪破碎

时将大量空气卷入水中形成白冠。白冠耗散在SWAN模式中作为一个源项存在，

是由于波浪破碎而引起的能量损失。由于白冠在海-气交换中起着重要作用，因此

针对该物理过程开展影响评估是必要的。

图2 敏感性试验比对分析点

中尺度海气浪耦合模式的海浪分量（SWAN）中关于风摄入波动能和白帽耗散物

理过程的参数化方案[17]有3种：JANSsen方案、KOMen方案和WESTHuysen

方案。JANSsen方案是Janssen[18]和M iles[19]提出的一种临界层机制方案，

KOMen方案是Komen根据Snyder的观测提出的经验公式[20-21]得到，

WESTHuysen方案则是Westhuysen在2007年通过修改模式中已有的参数化方

案得出。分别针对该物理过程的这3种参数化方案下的a、b、c、d 4点的浪过程

进行比对。可以看出（见图3），JANSsen和KOMen方案的波高值较为接近，

WESTHuysen方案的波高值总体偏小，此外，WESTHuysen方案与JANSsen、

KOMen方案的差异性主要体现在中等水深情况下，在浅水情况下差异性则较小。

总体来说，WESTHuysen方案的浪高结果误差较大，JANSsen和KOMen方案

的则相差不大，且未随水深变化出现明显差异，相比而言，JANSsen的浪高效果

更好些。由此可见，耦合模式的台风浪预报中白冠耗散对能量平衡作用非常重要，

需要予以考虑。

3.2 底摩擦的影响分析

当波浪由深水向浅水传播时，底摩擦过程对波能的损耗起着重要的作用，其强度与

海底地形和粗糙度密切相关[22]。关于底摩擦物理过程，模式中共有3种参数化方

案，分别是Hasselmann等[23]提出的JONswap（经验性模式）、Booij等[24]

提出的COLLins（拖曳模式）以及Madsen等[25]提出的MADsen（涡黏模式）。

图4给出了上述3种方案在a、b、c、d 4点处的波高结果对比，3种方案模式预

设值依次为0.067、0.015、0.050。

可以看出，3种方案的波高变化趋势一致，在水深最深的a点，3种方案的波高差

异性最小，随着水深变浅，波高的差异性增大，MADsen方案的波高明显要小于

其他两种方案的。此外，3种方案在波高较小阶段的差异幅度不大，但在对打的台

风浪而言，不同底摩擦方案之间的差异幅度和水深密切相关，在中等偏浅的深度差

异性较为明显。

以3种方案的底摩擦系数模式预设值为中心，上下浮动25%变化，探究其对结果

的影响。其中，JONswap方案底摩擦系数变化范围为0.047～0.087，梯度为

0.01。4点处的结果表明（见图5），在中等偏浅深度，系数的改变对波高造成的

差异性较为明显，在水深较深的a点，系数改变对结果影响较小，差异性不明显。

对于COLLins方案，底摩擦系数变化范围取为0.012～0.018，梯度为0.001。结

果表明（见图6），此方案下的系数改变对波高结果影响较小，只有在中等偏浅深

度的b、c、d处波高较大区域才体现出幅度较小的差异性。而MADsen方案底摩

擦系数变化范围则为0.038～0.062，梯度为0.004。其结果（见图7）与

COLLins方案的相似，但波高大值区的差异幅度要相对更加明显。综合比较来看，

在中等偏浅深度的b、c、d点处，底摩擦参数变化后对浪高结果的影响要大于水

深最深的a点处。相对COLLins和MADsen方案而言，浪高结果对JONswap方

案的底摩擦系数变化更加敏感。为此，后续耦合模式的台风浪预报采用JONswap

方案，底摩擦系数取为0.067。

图3 3种风摄入波动能、白帽耗散参数化方案的浪高随时间变化对比（单位：m，

1512表示15日12时）

3.3 浅化引起的波破碎的影响分析

波浪在浅水区域传播时，当水深不足以支持波高时，波浪会发生破碎[26]，此时水

深变浅引起的波破碎对波能的损耗占主要地位。Kam insky等[27]分析了大量实验

数据后发现，波破碎参数在0.6～1.59之间变化，平均值为0.79，因此，在浅化

引起的波破碎敏感试验中，除针对模式预设值0.73外，还设置波破碎参数变化范

围为0.6～1.6之间，梯度为0.2，重点分析了各类波破碎系数变化下a、b、c、d

点处的浪高结果（见图8）。

图4 3种底摩擦参数化方案的浪高随时间变化对比（单位：m，1512表示15日

12时）

由图8可以看出，仅在水深偏浅的d点处，波破碎系数的改变才对结果产生影响，

在其他a、b、c点处，结果较为一致，影响非常小。此外，浪高结果的差异性仅

在d点波高大值区域较为明显，在波高较小时，差异性也很小。由此可知，水深

是波破碎系数对浪高结果产生影响的关键因素，对浅水区域的影响较大，且浪传播

到浅水区域时，水深变浅引起的波浪破碎也是必须要考虑的。

3.4 波-波非线性相互作用的影响分析

图5 JONswap方案不同底摩擦系数下浪高随时间变化对比（单位：m，1512表

示15日12时）

波-波非线性相互作用是共振波分量之间交换能量，使能量重新分配[8]，显著影响

谱峰形成、衰减的重要因素[28]。在深水区，海浪谱谱形状的变化主要由四波相互

作用控制，能量首先向谱峰向低频区转移，然后再转移到高频区。而在浅水情况下，

非线性相互作用以三波相互作用为主，它把能量从低频区转移到高频区，引起高阶

谐波[29]。图9给出了非线性相互作用在a、b、c、d 4点处浪高结果对比，其中

Triad&Quadrupl表示模式同时开启三波、四波非线性相互作用，Quadrupl表示

模式仅开启四波非线性相互作用。可以看出，仅在d点处，两种方案的结果才体

现出差异性，但差异幅度较小，在其他a、b、c点处的结果较为一致，说明只要

考虑了波-波非线性相互作用，无论是三波、四波还是仅仅四波，对于浪高结果影

响不大。同时又从侧面很好的说明了波-波非线性相互作用对于台风浪的生成和演

变具有重要作用。

图6 COLLins方案不同底摩擦系数下浪高随时间变化对比（单位：m，1512表示

15日12时）

4 海浪预报效果分析

根据上述分析，选取海浪物理过程的最优参数化方案，如风摄入波动能/风能输入

和白帽耗散为JANSsen方案；底摩擦采用JONswap方案，系数取为0.067；波

破碎参数则取0.73，且同时考虑三波、四波非线性相互作用，分别利用耦合模式

和单独海浪模式SWAN对此次双台风过程进行了120 h预报，图10a、b分别给

出了双台风期间16日12时和17日11时两模式波高与Janson-3高度计观测波

高对比。可以看出，无论是耦合模式还是单独海浪模式SWAN，都可以较好地反

映波高的变化和分布趋势。在波高较小区域，耦合模式与单独SWAN模式结果差

异较小，与观测资料吻合程度较高。但在台风浪大值区域，耦合模式的浪高相对更

接近观测，因为耦合模式较单独SWAN模式考虑了浪流相互作用，而在台风浪大

值区域，风速较大，对应的海流流速也较大，此时由浪流相互作用引起的有效波高

调整也越大[30-31]。

图7 MADsen方案不同底摩擦系数下浪高随时间变化对比（单位：m，1512表

示15日12时）

图11 分别给出各阶段耦合模式预报的台风浪场和海面风场，以及台风的观测路径。

可以看出，模式对于台风“莎莉嘉”15日加强、16日减弱，以及17日再次加强

所伴随的海浪场变化，以及台风“海马”15日生成，16—18日持续加强过程中

的海浪场变化均可以很好地反映出，对台风大浪区预报较为准确。预报的台风浪分

布与双台风移动和发展过程有很好对应关系，台风浪有效波高大值区随台风中心的

移动而移动，最大波高区位于台风最大风圈范围内。相比而言，远海处的台风浪形

状相对更为规则，应该与其主要只受风场影响有关。

图8 浅化引起的波破碎系数下浪高随时间变化对比（单位：m，1512表示15日

12时）

为进一步比对耦合模式和单独SAWN模式的海浪预报效果，图12在给出“双台”

期间耦合模式海面风场预报基础上，还对应给出了两模式有效波高的预报差值分布。

可以看出，两模式有效波高差值显著区域主要集中在台风中心附近，相比而言，其

他区域波高预报差异不大。这说明对于台风引发的大浪，耦合模式具有相对好的预

报能力。此外，近台风中心两模式的有效波高差的绝对值大小与差异大值区范围和

台风强度有很好的对应关系，台风强度越强，有效波高差的绝对值越大，差值大值

区越明显，这也再次说明两模式对于台风大浪的波高预报上具有鲜明差异性。

5 结论

图9 波-波非线性相互作用下浪高随时间变化对比（单位：m，1512表示15日

12时）

本文以西北太平洋一次“双台”共同影响的台风浪为例，着重针对耦合模式中风摄

入波动能/风能输入和白帽耗散、底摩擦作用、波破碎、波-波非线性相互作用等海

浪物理过程参数化过程进行了敏感性试验比对分析，选取出相对最优参数化方案，

并利用其开展了耦合模式和单独海浪模式的台风浪预报效果研究，得到以下结论：

（1）适用于此次“双台”的海浪各物理过程最优参数化方案依次是：风摄入波动

能/风能输入和白帽耗散为JANSsen方案，底摩擦采用JONswap方案，系数取

为0.067，波破碎参数则取0.73，须同时考虑三波、四波非线性相互作用；

（2）从卫星资料比对情况来看，基于海浪最优参数化方案下的耦合模式和单独

SWAN模式都可以较好地反映波高的变化和分布趋势。相比而言，耦合模式预报

的浪高在台风浪大值区域要比单独SWAN模式更接近观测；

图10 两模式波高与高度计观测波高对比（单位：m）

图11 双台风期间耦合模式预报海面风场和有效波高分布（阴影：有效波高，单位：

m；矢量：10m风场，单位：m/s，黑线红点：台风观测路径）

图12 双台风期间耦合模式预报海面风场和两模式预报有效波高差值分布（阴影：

有效波高差值，单位：m；矢量：10m风场，单位：m/s，黑线红点：台风观测

路径）

（3）耦合模式可以很好刻画出双台风影响下浪的分布演变特征。台风浪分布与双

台风移动和发展过程有很好对应关系，台风浪有效波高大值区随台风中心的移动而

移动，最大波高区位于台风最大风圈范围内。

本文主要是针对西北太平洋一次“双台”共同影响的台风浪过程开展，敏感试验集

中在耦合模式中海浪过程参数化，后续还需持续针对海洋过程参数化、大气风场参

数化等开展研究，以便定量化评估出了耦合模式台风浪预报中各物理过程参数化方

案的优化设定，确保耦合模式在西北太平洋台风浪预报中具有更好的适用性。

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