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2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟

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2024年4月24日发(作者:盛兴文)

第35卷第2期 

2O17年4月 

海洋科学进展 

VoI.35 NO.2 

A pri1,2017 ADVANCES IN MARINE SCIENCE 

201 3年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波 

的观测与模拟 

文先华 ,曹雪峰。,王 璐。,侍茂崇。,石洪源 ,丁 扬 

(1.交通运输部天津水运工程科学研究院,天津300456;2.国家海洋环境监测中心辽宁大连116023; 

3.中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;4.鲁东大学土木工程学院,山东烟台264000; 

5.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100) 

摘 要:利用FVC()M数值模式,模拟了2013—08的尤特台风在南海西北部引起的增减水过程,通过局地风与余水 

位分布的相关分析,发现尤特台风在南海西北部陆架激发出了西南向传播的陆架陷波。超强台风尤特,进入南海 

之后,首先在台湾海峡西口引起陆架陷波,沿着广东海岸深度浅于100 m的水域向西传播,开始由于台湾浅滩的影 

响,传播速度很慢,只有1.5 m/s,越过浅滩后,传播速度增加到7.8 m/s,对广东沿海和海南岛东部沿海增水有着重 

要影响。雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。O8 12—14,局域的平均风速和风向 

都是利于该区域减水而不是增水。 

关键词:雷州半岛;余水位;陆架陷波;数值计算 

中图分类号:P731.23 文献标识码:A 文章编号:1671 6647(2Ol7)02—0200 10 

doi:10.3969/i.issn.1671-6647.2O17.02.005 

陆架陷波是陆架地形和地球自转联合作用,能量明显地集中在大陆架上,频率低于惯性频率的沿海岸传 

播的一种长波。北半球海岸在陆架波传播方向的右边,南半球海岸在陆架波传播方向的左边。它们的振幅, 

由海岸向陆架边缘递减。小仓义光认为它与陆架波就是地形Rossby波[1]。Gill的大气海洋动力学里说是 

“同时具有开尔文波和陆架波特征的混合波动” 。 

陆架陷波对陆架区的环流有重要的作用,尤其是对时间尺度大于惯性周期的流动非常重要。在陆架边缘 

区域由风驱动的很多变化特征可以从陆架陷波的角度来解释。Brink ̄胡对陆架陷波产生、演变有过深刻阐述。 

几乎全球所有的陆架区都存在这种特殊的波动,而对由热带气旋(台风或飓风)引起的陆架陷波的研究相 

对较少。Merrifiled对平行于南加利福尼亚沿岸移行的飓风引起的陆架波进行了研究l4j,在此基础上又进行数 

值模拟研究[5]。Eliot和Pattiaratchi[6 通过分析澳大利亚西北部1988—1998年所有的热带气旋资料,探讨了澳 

大利亚西南部沿岸的水位对这些热带气旋的响应,并分析了产生陆架陷波的传播速度和衰减特征。 

Thiebaut和Vennell_7 利用小波分析和交叉小波分析的方法对加拿大东部海岸验潮站的水位数据进行 

了分析,并对两次飓风引起的陆架陷波进行了细致的研究。在分析观测资料的基础上,也有很多学者对热带 

气旋引起的陆架陷波进行了数值模拟研究。Igeta等 利用ADCP观测资料和一个三维数值模式对两次台 

风在日本本州东南沿岸引起的陆架陷波的产生和传播过程进行了研究,结果表明两次台风引起的陆架陷波 

特征的差异主要与台风的路径有关。Zamudio等 在一个全球(1/16)。实时预报系统的基础上对飓风 

juliette在墨西哥西海岸引起的2个陆架陷波的演变进行了模拟和研究。Martinez和Alien_l ” 利用一个三 

收稿日期:20l6—04 1o 

资助项目:国家自然科学基金项目 黄海暖流形态与变化对暖舌结构影响的动力机制研究(4l430963);中国博士后科学基金面上资助 

项目一 北部湾环流的年际变化及其对气候变化的响应(2015M582133) 

作者简介:文先华(1983一),男,广西贺州人,工程师,主要从事海岸港I:1水文分析方面研究.E—mail:bula777@163.corn 

*通信作者:丁扬(1 984一),男,山东日照人,讲师,博士,主要从事物理海洋学方面研究.E—mail:dingyangpol@OUC.edu.cn 

(王 燕 编辑) 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 201 

维数值模式对加利福尼亚湾中陆架陷波的传播特征进行了模拟和分析。Zamudio等_1 利用两套具有不同 

分辨率网格的HYCOM模型研究了加利福尼亚湾上层海洋对飓风Juliette的响应,并模拟和分析了飓风 

Juliette激发的陆架陷波的传播特征。 

在中国近海对热带气旋引起的陆架陷波的研究尚少。王佳等 嘲应用二维正压模式模拟了冬季黄、东海 

的陆架陷波与环流。针对南海的陆架陷波研究,李立l1 对于南海的陆架陷波的研究则是通过沿岸的验潮 

站水位观测数据进行分析。丁洋等口。 利用FVCOM模式,基于实测水位,模拟比较了1990年夏季的台风过 

程和冬季的寒潮大风过程,指出陆架陷波沿岸向西南传播,速度为5.5~17.9 m/s,汕尾至闸坡站波动传播速 

度快于厦门至汕尾站。 

冬季观测的水位变化与沿岸风分量相关性较好,而且波动的周期性与台风季节相比更加明显。近岸环 

流的流速为几至几十厘米每秒,而陆架陷波引起的余流流速可以达到1 m/s左右,这对于陆架环流或陆架水 

体输运的改变是至关重要的。 

本文利用FVCOM数值模型对南海北部沿岸由2013年的Utor台风(尤特)引起的陆架陷波进行了模 

拟和研究。确定了Utor台风过程激发了陆架陷波,并在沿岸形成西南向流动,其传播过程对于近岸的物质 

输运、环流变化都有重要影响。 

1 数值模式 

本文采用三维有限体积数值模式FVCOMu ,该模式米用无结构化三角形I碉格系统,在处理复杂岸线 

以及多岛屿情况时,具有较强的优势。垂直方向为了更好地拟合复杂的海底地形,采用a坐标变换,能够比 

较理想地模拟出上、下边界层。另外,模式利用二维外模与三维内模相分离的数值离散方法提高计算效率。 

1.1 基本方程 

动量和温、盐、密度方程为m] 

au H

+—8u 2

a£。x8 H+  ’aOuvvH+穹 一厂 。a  … H一

gH 一 

『丢cH o 叩 OH]1 o cK adu )+眠, 

生旦+ OuvH十—Ov e

a t az 。 avtr 。a+冬 +厂“ …‘H— 

gH 一 

p0

[ cH +叩 OH]1 O cK +HF , 

+ 

Ot

+ O

a 。a+ 一  H (ad…“aK 等)d … ’+HFT, 

(… 3) 

㈩ 

… 

t 

+ 

a 

+ 

+ 

。 a 

一 

v 

H 

c Kh a

s )4

a …“d 

HF

。’ 

, 

P—lD(T,S)。 (5) 

式中,“, ,叫分别为z, 和z方向上的水平速度东分量、北分量以及垂向 坐标下的速度;H为总水深,其 

为平均水深h与海表面起伏 之和;g为重力加速;f为科式参量;K 为垂向涡动黏性系数;K 为垂向热 

扩散系数;F ,F 代表水平动量扩散项;F 和Fs分别代表热扩散项和盐度扩散项;.0为海水的总密度,其 

为海水平均密度10o与上扰动密度ID 之和;T为温度;S为盐度。 

海表面边界条件和海底面边界条件为 

当 』警(筹,筹)一(Z'sa. ̄Z'sy); 

l :::0 

㈦ 

{j苍 

(7) 

巾,( . )和( ,,r )分别为-和 方 上的海表面风腹力和底摩擦。风应力的计算公式为 

r 一(、 ip Vw J Vw- 

(8) 

式中,p. 为空气密度; 为Jxt, ̄;C 为拖曳系数.汁算方法 下 

' 

Vw I≤1 1.0 rFl/ 

( .×1() 

1 O 

4 

9 

1 1.0 m/s<f Vw{≤25.0 I'I1/ s, 

2 

w 

当 

一 

一 

I>25.0 m/s 

2 

+ 

、) 

(r… )=(、以、 ■ ( 。 

(10) 

中, 为海水密度;(、 为底摩擦系数。汁苒公式为 

一 

W 

… 

』 rf1.Von Karman常数 一0.1; ,为近底 的口层厚度 

1.2模型区域和网格 

l l

警一 

I: 

专 )_()()2 j]- 

为底粗糙度。 

域覆盖南海北部陆架.包括 湾海峡和北部湾。模型 域 我们研究的重点1 :域为南海北部. 此模 

水深及网格分布如图1所示。模型分辨率 近岸为5 km。开边界附近为50 km.水平方向共有18 913个 

36 692个:i角彤单元。模型垂向均分为2 层。水深资料来源于荚 海军的BDBD5水深数据资料集。 

l 肼充 域水 及 格分布 

Fig.1 The 1),1 ehyn:et ry and model n1csh of Ihe s1 udy domain 

2 史先华.等:2()1 3 41 尤特俞 引起南海粤两水域陆架陷波的观测与模拟 

1.3模型强迫场和初始条件 

风产品来自NE(、P气候预报系统((、FSv2).时』1=iJ分辨率为1 h,空间分辨率可达0.2。的海面10 i"11高度风 

场。该产品nr以以很高的精度捕捉热带气旋的运动, 风路径来自 ()AA的Historical Hurricane I'racks 

(httf)://c()ftst.noaa.g()v hurricanes/?rcdirecl一30locm#app一3935 81d2一selectedIndex=1) 

1.4 初始条件 

模 从静止开始启动.开边界水位驱动采,订全球潮汐模型TPX()7.2预测K.,()..I, .Q 。M 。S!. !. 

K!八个分潮渊和常数并使用TTide预报水位.垂向采用Sigma坐标以更好地拟合地形.仞始温、盐场采用 

HYL、()M R平均分辨率为1/l2。的全球温、盐同化数据。外模时问步长6 s,内模时问步长60 s.采用内外模 

分离算法提高计算效率。模式运行时间设 为()6—1【)()9 10。 

2 使用资料 

2.1 观测站位与时限 

交通运输部天津水运 程科学研究所 人津水运一I 程勘察设汁院于2()1 2 08—25 2Ol 3—08—3l期 ,19 il 

程需要,在雷州半岛东部3个测点开展了潮位、波浪周年观测。观测站位如 1所示。 

周年潮位观测:共布设3个潮位观测站。编号Tl(新寮站)、T2(下洋站)、T3(外海站),站点海冈水深分 

别为5,5和1 8 n1。观测时问间隔为10 rain,每次采样时问1 rain。使用KEI I ER自容式潮化仪(I)CX一22) 

进行潮位测量,测量 同:0~2O II1,测量精度:满量程的(±0.05) FS。 

20。48 

N 

20。42 

20。30 

l皋I一9 3个潮位观测站 

Fig.2 Fhree Iidal gauge slations Oil the cast of Naozhou island 

2.2超强台风“尤特Utor” 

“尤特”丁2O13()8 O9在马尼拉以东约l 350 km的太平洋上形成,初时向西移动,l()同凌晨增强为热带 

风暴,O8 1l早上发展成为强台风,O8一 L午进入南海。“尤特”在移动过程中。强度不断』Jf1强,于08—1,IT15:5O 

广东省 l:tt]:it;Fl:i两县溪头镇沿海登陆.登陆fl ̄,rt 心附近最大风力lLI级(42 m/s),中心最低气压值为955 hPa。 

204 海洋科学进展 

35卷 

图3 超强台风“尤特”路径 

Fig.3 The path of super typhoon Utor 

2.3计算结果及分析 

2.3.1 风 场 

本文绘制了Ut。 台风期问的典型时刻风场(图4),同时给出观测点附近海洋站一硇洲站实测风速风向 

资料(表1)。硇洲站距观测点约3O km,从图、表对照中可以看出,计算结果和实测资料相比是比较吻合的。 

26。 

N 

24o 

22。 

2oo 

18。 

105 ̄ 108。 111。 114。 117。 120。E 

4 08—13T02:00--08—14T14:00风场 

Fig.4 The 12一hourly wind fields of super typhoon Utor between 02:O0 13 Aug.and 14:O0 14 Aug 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 205 

2.3.2计算余水位 

通过FVCOM的模式获取的水位数据,经过剔除潮汐、气压订正和低通滤波处理。其中,剔除潮汐采用 

T Tide工具箱E。 ];气压订正采用CFSv2 E。 (2010年至今)时间分辨率为1 h、空间分辨率为0.5。的覆盖全球 

的海表面气压数据对观测的水位数据进行气压订正,订正后的水位变化为l2 一0.99AP+ ,其中,△P为 

海表面气压变化(mbar), 。为观测水位(cm), 为订正后的水位(cm);低通滤波采用Lanczous滤波器4O 

h,可以一并滤掉南海的惯性震荡。绘制的典型时刻的余水位场(图5)可以清晰地显示陆架波的发生和传播 

过程。规律如下: 

1)08—12T20:OO一13T02:00,当超强台风还在菲律宾西部350 km的南海上空盘旋时,其周围风场已经 

影响到台湾海峡。在台湾海峡西部沿着海岸方向出现西南风,由于EKman输运,在岸边建立高水位,激发 

了陆架波。开始以1.5 m/s速度自东北向西南传播; 

2)到了08—13T14:00,陆架陷波波峰已经到珠江口香港外面,增水达0.65 ITI以上,平均传播速度7.8 m/s; 

3)08—14T02:00,陆架陷波已经传到粤西茂名附近,最大增水1.2 rn,前锋已经抵达雷州半岛东部和海南 

岛东部大部分近岸水域; 

4)08—14T08:00,观测站点附近增水达到0.6 m以上,陆架陷波前锋已经达到海南岛东部的南端; 

5)08—14T14:00,陆架陷波显著衰弱,雷州半岛东部余水位降至0.1~0.3 ITI。 

2.3.3观测的余水位验证 

图6是观测的水位经过潮汐滤波后的观测余水位与FVCOM模拟的T2站后处理数据结果,模式方面 

可能由于未考虑波浪增水、波流相互作用、潮汐和风暴潮的非线性相互作用等欠缺的机制因素,并且受限于 

上边界强迫的后报风场和气压场的时间和空间精度,波谷的观测超出计算结果。由图可知:08—13T20:00后 

余水位开始升高,持续到14T12:00,然后迅速降低,到16:00左右已经接近正常,到24:OO,余水位降到最低 

值。整个增水过程与计算结果非常一致。至于降低幅度如此之大(T1站降低0.84 m,T2,T3站也降低到 

0.5,0.6 m),这可能与西风减水有关(表1)。 

特别要指出的是,雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。根据硇洲岛直接 

观测资料显示,12日,平均风速2.5 m/s,平均风向51。;13日,平均风速2.0 m/s,平均风向300。;14日,平均 

风速6.1 m/s,平均风向31O。,都是利于该区域减水而不是增水。由此可见,从台湾海峡传来的陆架陷波,才 

是导致O8—14前后增水的主要机制。 

2O6 海洋科学进展 35卷 

26o 

N 

24o 

26。 

N 

24。 

18。 l8。 

l1l。 

26o 

N 

24o 

114 ̄ 1l7。 120。E 105。 

26。 

N 

24。 

108。 ll1。 114。 Il7o l20o E 

18o 

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l05。 

2(jo 

N 

l0fi。 111。 ll4。 ll7o 120。E l《}6。 

26。 

N 

24。 

108。 111。 114。 ll7o 12oDE 

24。 

18。 

18。 

11l。 l14o ll7口 120。E 

26。 

N 

24。 

11I。 114。 117。 120。E 

26。 

N 

24。 

l8。 

l8。 

ll1。 114。 

26o 

N 

24。 

l170 120。E 

1l1。 U4口 l17o 120。E 

18。 

l11。 ll4o lI7口 I2oD E 

图5 O8—12T20:。0 14T20:00台风Utor引起的陆架波动和余水位场(n1) 

Fig.5 Coastal trapped wave and sea surface height anomaly(m)along the northern coast of the South China Sea 

associated with typhoon Utor between 20:O0 1 2 Aug.to 20:00 I 4 Aug

. 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 2O7 

薹_ 

08-13 

08—14 

t 

08—15 O8一l6 

图6 

观测点T1,T2和T3的余水位 

Fig.6 Observed sea surface height anomaly of T1,T2 and T3 

3 结 论 

1)超强台风尤特,在从粤西水东湾登陆之前2 d,首先在台湾海峡之西引起正的余水位,然后以陆架陷波 

形式沿着广东海岸外面深度浅于100 1TI的水域向西传播,开始由于台湾浅滩的影响,传播速度很慢,只有 

1.5 m/s,越过浅滩后,传播速度增加到7.8 m/s。对广东沿海和海南岛东部沿海增水有着重要影响,也是我 

们在雷州半岛东部3个临时潮位和波浪观测站直接观测的0.5 m增水的主要原因; 

2)实际观测和数值计算结果对比表明,无论增水时段还是增水量值,两者基本吻合;只是15T00:00降 

水幅度如此之大(T1站降低0.84 I1"1,T2,T3站也降低到0.5,0.6 In),超过模式的波谷计算结果,这可能与西 

风减水有关。 

3)雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。根据硇洲岛直接观测资料显示, 

12日,平均风速2.5 m/s,平均风向51。;13日,平均风速2.0 m/s,平均风向300。;14日,平均风速6.1 rn/s,平 

均风向310。,都利于该区域减水而不是增水。 

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2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 2O9 

The Coastal Trapped 

Waves Stimulated by the Typhoon Utor in 

the Year 2013 at the West of Offshore Guangdong in the South 

China Sea:Observations and Numerical Modelling 

WEN Xian—hua ,CAO Xue—feng ,WANG Lu。,SHI Mao~chong。,SHI Hong—yuan ,DING Yang 

(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T,Tianjin 300456,China; 

2.National Marine Environmental Monitoring Center,Dallan 116023,China; 

3.College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 

4.School of Civil Engineering,Ludong University,Yantai 264000,China; 

5.Key Laboratory of Physical Oceanography.MOE.China,Ocean University of China,Qingdao 266100,China) 

Abstract:Sea level fluctuations of several days induced by typhoons have significant influence on the mass 

transportationand the variation in the circulation in the coastal areas.This paper simulated the process of 

sea level fluctuations at the northwest shelf of the South China Seaproduced by typhoon Utor in the August 

of 2013,with the numerical model FVCOM.Through analyzing the relationship between local winds and 

sea level fluctuations,it was found that the Utor stimulated the southwestward propagating coastal 

trapped waves(CTW)in the west mouth of Taiwan Strait after entering the South China Sea in the Au— 

gust of 2013.The CTW propagated westward at the depths shallower than 100 m along the coast area of 

Guangdong Province.At the beginning,the velocity of the propagation was only 1

5 m/s as a result of the 

Taiwan Shoa1.After passing the Shoal,the CTW s propagating velocity sped up to 7

8 m/s。and it has 

played all important role in the coastal sea level rise of both Guangdong and Hainan provinces

While the 

sea level rise of Leizhou peninsula on 14 of August,was not caused by the local winds,because the local 

wind speed and direction were both favorable to the sea level reduction rather than increase on 12th。13th 

and 14th of the month. 

Key words:Leizhou Peninsula;residual sea level;coastal trapped waves;numerical sireUlation 

Received:April 10,2016 

2024年4月24日发(作者:盛兴文)

第35卷第2期 

2O17年4月 

海洋科学进展 

VoI.35 NO.2 

A pri1,2017 ADVANCES IN MARINE SCIENCE 

201 3年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波 

的观测与模拟 

文先华 ,曹雪峰。,王 璐。,侍茂崇。,石洪源 ,丁 扬 

(1.交通运输部天津水运工程科学研究院,天津300456;2.国家海洋环境监测中心辽宁大连116023; 

3.中国海洋大学海洋与大气学院,山东青岛266100;4.鲁东大学土木工程学院,山东烟台264000; 

5.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100) 

摘 要:利用FVC()M数值模式,模拟了2013—08的尤特台风在南海西北部引起的增减水过程,通过局地风与余水 

位分布的相关分析,发现尤特台风在南海西北部陆架激发出了西南向传播的陆架陷波。超强台风尤特,进入南海 

之后,首先在台湾海峡西口引起陆架陷波,沿着广东海岸深度浅于100 m的水域向西传播,开始由于台湾浅滩的影 

响,传播速度很慢,只有1.5 m/s,越过浅滩后,传播速度增加到7.8 m/s,对广东沿海和海南岛东部沿海增水有着重 

要影响。雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。O8 12—14,局域的平均风速和风向 

都是利于该区域减水而不是增水。 

关键词:雷州半岛;余水位;陆架陷波;数值计算 

中图分类号:P731.23 文献标识码:A 文章编号:1671 6647(2Ol7)02—0200 10 

doi:10.3969/i.issn.1671-6647.2O17.02.005 

陆架陷波是陆架地形和地球自转联合作用,能量明显地集中在大陆架上,频率低于惯性频率的沿海岸传 

播的一种长波。北半球海岸在陆架波传播方向的右边,南半球海岸在陆架波传播方向的左边。它们的振幅, 

由海岸向陆架边缘递减。小仓义光认为它与陆架波就是地形Rossby波[1]。Gill的大气海洋动力学里说是 

“同时具有开尔文波和陆架波特征的混合波动” 。 

陆架陷波对陆架区的环流有重要的作用,尤其是对时间尺度大于惯性周期的流动非常重要。在陆架边缘 

区域由风驱动的很多变化特征可以从陆架陷波的角度来解释。Brink ̄胡对陆架陷波产生、演变有过深刻阐述。 

几乎全球所有的陆架区都存在这种特殊的波动,而对由热带气旋(台风或飓风)引起的陆架陷波的研究相 

对较少。Merrifiled对平行于南加利福尼亚沿岸移行的飓风引起的陆架波进行了研究l4j,在此基础上又进行数 

值模拟研究[5]。Eliot和Pattiaratchi[6 通过分析澳大利亚西北部1988—1998年所有的热带气旋资料,探讨了澳 

大利亚西南部沿岸的水位对这些热带气旋的响应,并分析了产生陆架陷波的传播速度和衰减特征。 

Thiebaut和Vennell_7 利用小波分析和交叉小波分析的方法对加拿大东部海岸验潮站的水位数据进行 

了分析,并对两次飓风引起的陆架陷波进行了细致的研究。在分析观测资料的基础上,也有很多学者对热带 

气旋引起的陆架陷波进行了数值模拟研究。Igeta等 利用ADCP观测资料和一个三维数值模式对两次台 

风在日本本州东南沿岸引起的陆架陷波的产生和传播过程进行了研究,结果表明两次台风引起的陆架陷波 

特征的差异主要与台风的路径有关。Zamudio等 在一个全球(1/16)。实时预报系统的基础上对飓风 

juliette在墨西哥西海岸引起的2个陆架陷波的演变进行了模拟和研究。Martinez和Alien_l ” 利用一个三 

收稿日期:20l6—04 1o 

资助项目:国家自然科学基金项目 黄海暖流形态与变化对暖舌结构影响的动力机制研究(4l430963);中国博士后科学基金面上资助 

项目一 北部湾环流的年际变化及其对气候变化的响应(2015M582133) 

作者简介:文先华(1983一),男,广西贺州人,工程师,主要从事海岸港I:1水文分析方面研究.E—mail:bula777@163.corn 

*通信作者:丁扬(1 984一),男,山东日照人,讲师,博士,主要从事物理海洋学方面研究.E—mail:dingyangpol@OUC.edu.cn 

(王 燕 编辑) 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 201 

维数值模式对加利福尼亚湾中陆架陷波的传播特征进行了模拟和分析。Zamudio等_1 利用两套具有不同 

分辨率网格的HYCOM模型研究了加利福尼亚湾上层海洋对飓风Juliette的响应,并模拟和分析了飓风 

Juliette激发的陆架陷波的传播特征。 

在中国近海对热带气旋引起的陆架陷波的研究尚少。王佳等 嘲应用二维正压模式模拟了冬季黄、东海 

的陆架陷波与环流。针对南海的陆架陷波研究,李立l1 对于南海的陆架陷波的研究则是通过沿岸的验潮 

站水位观测数据进行分析。丁洋等口。 利用FVCOM模式,基于实测水位,模拟比较了1990年夏季的台风过 

程和冬季的寒潮大风过程,指出陆架陷波沿岸向西南传播,速度为5.5~17.9 m/s,汕尾至闸坡站波动传播速 

度快于厦门至汕尾站。 

冬季观测的水位变化与沿岸风分量相关性较好,而且波动的周期性与台风季节相比更加明显。近岸环 

流的流速为几至几十厘米每秒,而陆架陷波引起的余流流速可以达到1 m/s左右,这对于陆架环流或陆架水 

体输运的改变是至关重要的。 

本文利用FVCOM数值模型对南海北部沿岸由2013年的Utor台风(尤特)引起的陆架陷波进行了模 

拟和研究。确定了Utor台风过程激发了陆架陷波,并在沿岸形成西南向流动,其传播过程对于近岸的物质 

输运、环流变化都有重要影响。 

1 数值模式 

本文采用三维有限体积数值模式FVCOMu ,该模式米用无结构化三角形I碉格系统,在处理复杂岸线 

以及多岛屿情况时,具有较强的优势。垂直方向为了更好地拟合复杂的海底地形,采用a坐标变换,能够比 

较理想地模拟出上、下边界层。另外,模式利用二维外模与三维内模相分离的数值离散方法提高计算效率。 

1.1 基本方程 

动量和温、盐、密度方程为m] 

au H

+—8u 2

a£。x8 H+  ’aOuvvH+穹 一厂 。a  … H一

gH 一 

『丢cH o 叩 OH]1 o cK adu )+眠, 

生旦+ OuvH十—Ov e

a t az 。 avtr 。a+冬 +厂“ …‘H— 

gH 一 

p0

[ cH +叩 OH]1 O cK +HF , 

+ 

Ot

+ O

a 。a+ 一  H (ad…“aK 等)d … ’+HFT, 

(… 3) 

㈩ 

… 

t 

+ 

a 

+ 

+ 

。 a 

一 

v 

H 

c Kh a

s )4

a …“d 

HF

。’ 

, 

P—lD(T,S)。 (5) 

式中,“, ,叫分别为z, 和z方向上的水平速度东分量、北分量以及垂向 坐标下的速度;H为总水深,其 

为平均水深h与海表面起伏 之和;g为重力加速;f为科式参量;K 为垂向涡动黏性系数;K 为垂向热 

扩散系数;F ,F 代表水平动量扩散项;F 和Fs分别代表热扩散项和盐度扩散项;.0为海水的总密度,其 

为海水平均密度10o与上扰动密度ID 之和;T为温度;S为盐度。 

海表面边界条件和海底面边界条件为 

当 』警(筹,筹)一(Z'sa. ̄Z'sy); 

l :::0 

㈦ 

{j苍 

(7) 

巾,( . )和( ,,r )分别为-和 方 上的海表面风腹力和底摩擦。风应力的计算公式为 

r 一(、 ip Vw J Vw- 

(8) 

式中,p. 为空气密度; 为Jxt, ̄;C 为拖曳系数.汁算方法 下 

' 

Vw I≤1 1.0 rFl/ 

( .×1() 

1 O 

4 

9 

1 1.0 m/s<f Vw{≤25.0 I'I1/ s, 

2 

w 

当 

一 

一 

I>25.0 m/s 

2 

+ 

、) 

(r… )=(、以、 ■ ( 。 

(10) 

中, 为海水密度;(、 为底摩擦系数。汁苒公式为 

一 

W 

… 

』 rf1.Von Karman常数 一0.1; ,为近底 的口层厚度 

1.2模型区域和网格 

l l

警一 

I: 

专 )_()()2 j]- 

为底粗糙度。 

域覆盖南海北部陆架.包括 湾海峡和北部湾。模型 域 我们研究的重点1 :域为南海北部. 此模 

水深及网格分布如图1所示。模型分辨率 近岸为5 km。开边界附近为50 km.水平方向共有18 913个 

36 692个:i角彤单元。模型垂向均分为2 层。水深资料来源于荚 海军的BDBD5水深数据资料集。 

l 肼充 域水 及 格分布 

Fig.1 The 1),1 ehyn:et ry and model n1csh of Ihe s1 udy domain 

2 史先华.等:2()1 3 41 尤特俞 引起南海粤两水域陆架陷波的观测与模拟 

1.3模型强迫场和初始条件 

风产品来自NE(、P气候预报系统((、FSv2).时』1=iJ分辨率为1 h,空间分辨率可达0.2。的海面10 i"11高度风 

场。该产品nr以以很高的精度捕捉热带气旋的运动, 风路径来自 ()AA的Historical Hurricane I'racks 

(httf)://c()ftst.noaa.g()v hurricanes/?rcdirecl一30locm#app一3935 81d2一selectedIndex=1) 

1.4 初始条件 

模 从静止开始启动.开边界水位驱动采,订全球潮汐模型TPX()7.2预测K.,()..I, .Q 。M 。S!. !. 

K!八个分潮渊和常数并使用TTide预报水位.垂向采用Sigma坐标以更好地拟合地形.仞始温、盐场采用 

HYL、()M R平均分辨率为1/l2。的全球温、盐同化数据。外模时问步长6 s,内模时问步长60 s.采用内外模 

分离算法提高计算效率。模式运行时间设 为()6—1【)()9 10。 

2 使用资料 

2.1 观测站位与时限 

交通运输部天津水运 程科学研究所 人津水运一I 程勘察设汁院于2()1 2 08—25 2Ol 3—08—3l期 ,19 il 

程需要,在雷州半岛东部3个测点开展了潮位、波浪周年观测。观测站位如 1所示。 

周年潮位观测:共布设3个潮位观测站。编号Tl(新寮站)、T2(下洋站)、T3(外海站),站点海冈水深分 

别为5,5和1 8 n1。观测时问间隔为10 rain,每次采样时问1 rain。使用KEI I ER自容式潮化仪(I)CX一22) 

进行潮位测量,测量 同:0~2O II1,测量精度:满量程的(±0.05) FS。 

20。48 

N 

20。42 

20。30 

l皋I一9 3个潮位观测站 

Fig.2 Fhree Iidal gauge slations Oil the cast of Naozhou island 

2.2超强台风“尤特Utor” 

“尤特”丁2O13()8 O9在马尼拉以东约l 350 km的太平洋上形成,初时向西移动,l()同凌晨增强为热带 

风暴,O8 1l早上发展成为强台风,O8一 L午进入南海。“尤特”在移动过程中。强度不断』Jf1强,于08—1,IT15:5O 

广东省 l:tt]:it;Fl:i两县溪头镇沿海登陆.登陆fl ̄,rt 心附近最大风力lLI级(42 m/s),中心最低气压值为955 hPa。 

204 海洋科学进展 

35卷 

图3 超强台风“尤特”路径 

Fig.3 The path of super typhoon Utor 

2.3计算结果及分析 

2.3.1 风 场 

本文绘制了Ut。 台风期问的典型时刻风场(图4),同时给出观测点附近海洋站一硇洲站实测风速风向 

资料(表1)。硇洲站距观测点约3O km,从图、表对照中可以看出,计算结果和实测资料相比是比较吻合的。 

26。 

N 

24o 

22。 

2oo 

18。 

105 ̄ 108。 111。 114。 117。 120。E 

4 08—13T02:00--08—14T14:00风场 

Fig.4 The 12一hourly wind fields of super typhoon Utor between 02:O0 13 Aug.and 14:O0 14 Aug 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 205 

2.3.2计算余水位 

通过FVCOM的模式获取的水位数据,经过剔除潮汐、气压订正和低通滤波处理。其中,剔除潮汐采用 

T Tide工具箱E。 ];气压订正采用CFSv2 E。 (2010年至今)时间分辨率为1 h、空间分辨率为0.5。的覆盖全球 

的海表面气压数据对观测的水位数据进行气压订正,订正后的水位变化为l2 一0.99AP+ ,其中,△P为 

海表面气压变化(mbar), 。为观测水位(cm), 为订正后的水位(cm);低通滤波采用Lanczous滤波器4O 

h,可以一并滤掉南海的惯性震荡。绘制的典型时刻的余水位场(图5)可以清晰地显示陆架波的发生和传播 

过程。规律如下: 

1)08—12T20:OO一13T02:00,当超强台风还在菲律宾西部350 km的南海上空盘旋时,其周围风场已经 

影响到台湾海峡。在台湾海峡西部沿着海岸方向出现西南风,由于EKman输运,在岸边建立高水位,激发 

了陆架波。开始以1.5 m/s速度自东北向西南传播; 

2)到了08—13T14:00,陆架陷波波峰已经到珠江口香港外面,增水达0.65 ITI以上,平均传播速度7.8 m/s; 

3)08—14T02:00,陆架陷波已经传到粤西茂名附近,最大增水1.2 rn,前锋已经抵达雷州半岛东部和海南 

岛东部大部分近岸水域; 

4)08—14T08:00,观测站点附近增水达到0.6 m以上,陆架陷波前锋已经达到海南岛东部的南端; 

5)08—14T14:00,陆架陷波显著衰弱,雷州半岛东部余水位降至0.1~0.3 ITI。 

2.3.3观测的余水位验证 

图6是观测的水位经过潮汐滤波后的观测余水位与FVCOM模拟的T2站后处理数据结果,模式方面 

可能由于未考虑波浪增水、波流相互作用、潮汐和风暴潮的非线性相互作用等欠缺的机制因素,并且受限于 

上边界强迫的后报风场和气压场的时间和空间精度,波谷的观测超出计算结果。由图可知:08—13T20:00后 

余水位开始升高,持续到14T12:00,然后迅速降低,到16:00左右已经接近正常,到24:OO,余水位降到最低 

值。整个增水过程与计算结果非常一致。至于降低幅度如此之大(T1站降低0.84 m,T2,T3站也降低到 

0.5,0.6 m),这可能与西风减水有关(表1)。 

特别要指出的是,雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。根据硇洲岛直接 

观测资料显示,12日,平均风速2.5 m/s,平均风向51。;13日,平均风速2.0 m/s,平均风向300。;14日,平均 

风速6.1 m/s,平均风向31O。,都是利于该区域减水而不是增水。由此可见,从台湾海峡传来的陆架陷波,才 

是导致O8—14前后增水的主要机制。 

2O6 海洋科学进展 35卷 

26o 

N 

24o 

26。 

N 

24。 

18。 l8。 

l1l。 

26o 

N 

24o 

114 ̄ 1l7。 120。E 105。 

26。 

N 

24。 

108。 ll1。 114。 Il7o l20o E 

18o 

lfjo 

l05。 

2(jo 

N 

l0fi。 111。 ll4。 ll7o 120。E l《}6。 

26。 

N 

24。 

108。 111。 114。 ll7o 12oDE 

24。 

18。 

18。 

11l。 l14o ll7口 120。E 

26。 

N 

24。 

11I。 114。 117。 120。E 

26。 

N 

24。 

l8。 

l8。 

ll1。 114。 

26o 

N 

24。 

l170 120。E 

1l1。 U4口 l17o 120。E 

18。 

l11。 ll4o lI7口 I2oD E 

图5 O8—12T20:。0 14T20:00台风Utor引起的陆架波动和余水位场(n1) 

Fig.5 Coastal trapped wave and sea surface height anomaly(m)along the northern coast of the South China Sea 

associated with typhoon Utor between 20:O0 1 2 Aug.to 20:00 I 4 Aug

. 

2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 2O7 

薹_ 

08-13 

08—14 

t 

08—15 O8一l6 

图6 

观测点T1,T2和T3的余水位 

Fig.6 Observed sea surface height anomaly of T1,T2 and T3 

3 结 论 

1)超强台风尤特,在从粤西水东湾登陆之前2 d,首先在台湾海峡之西引起正的余水位,然后以陆架陷波 

形式沿着广东海岸外面深度浅于100 1TI的水域向西传播,开始由于台湾浅滩的影响,传播速度很慢,只有 

1.5 m/s,越过浅滩后,传播速度增加到7.8 m/s。对广东沿海和海南岛东部沿海增水有着重要影响,也是我 

们在雷州半岛东部3个临时潮位和波浪观测站直接观测的0.5 m增水的主要原因; 

2)实际观测和数值计算结果对比表明,无论增水时段还是增水量值,两者基本吻合;只是15T00:00降 

水幅度如此之大(T1站降低0.84 I1"1,T2,T3站也降低到0.5,0.6 In),超过模式的波谷计算结果,这可能与西 

风减水有关。 

3)雷州半岛O8—14的增水,并不是由该海域海面风场直接吹刮引起的。根据硇洲岛直接观测资料显示, 

12日,平均风速2.5 m/s,平均风向51。;13日,平均风速2.0 m/s,平均风向300。;14日,平均风速6.1 rn/s,平 

均风向310。,都利于该区域减水而不是增水。 

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2期 文先华,等:2013年尤特台风引起南海粤西水域陆架陷波的观测与模拟 2O9 

The Coastal Trapped 

Waves Stimulated by the Typhoon Utor in 

the Year 2013 at the West of Offshore Guangdong in the South 

China Sea:Observations and Numerical Modelling 

WEN Xian—hua ,CAO Xue—feng ,WANG Lu。,SHI Mao~chong。,SHI Hong—yuan ,DING Yang 

(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T,Tianjin 300456,China; 

2.National Marine Environmental Monitoring Center,Dallan 116023,China; 

3.College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China; 

4.School of Civil Engineering,Ludong University,Yantai 264000,China; 

5.Key Laboratory of Physical Oceanography.MOE.China,Ocean University of China,Qingdao 266100,China) 

Abstract:Sea level fluctuations of several days induced by typhoons have significant influence on the mass 

transportationand the variation in the circulation in the coastal areas.This paper simulated the process of 

sea level fluctuations at the northwest shelf of the South China Seaproduced by typhoon Utor in the August 

of 2013,with the numerical model FVCOM.Through analyzing the relationship between local winds and 

sea level fluctuations,it was found that the Utor stimulated the southwestward propagating coastal 

trapped waves(CTW)in the west mouth of Taiwan Strait after entering the South China Sea in the Au— 

gust of 2013.The CTW propagated westward at the depths shallower than 100 m along the coast area of 

Guangdong Province.At the beginning,the velocity of the propagation was only 1

5 m/s as a result of the 

Taiwan Shoa1.After passing the Shoal,the CTW s propagating velocity sped up to 7

8 m/s。and it has 

played all important role in the coastal sea level rise of both Guangdong and Hainan provinces

While the 

sea level rise of Leizhou peninsula on 14 of August,was not caused by the local winds,because the local 

wind speed and direction were both favorable to the sea level reduction rather than increase on 12th。13th 

and 14th of the month. 

Key words:Leizhou Peninsula;residual sea level;coastal trapped waves;numerical sireUlation 

Received:April 10,2016 

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