引言

冯士莋院士在其所著的《风暴潮导论》中指出^[1]，浅水风暴潮的一个重要特征是：风应力与气压变化相比较，风应力是风暴潮的主要强迫力。准确模拟风暴潮，关键是要有精确的大气强迫场^[2-14]。

渤海是半环形内海，地形复杂，大风分布的中尺度特征显著。多次不同类型天气过程模拟结果表明，MM5模式模拟的地面风速场在岸边界与实际比较接近，但在海上常常比实际偏小，特别是在强冷空气和台风影响时就更为突出，这与龚强得出的结论基本一致^[15]。直接将MM5模式模拟的风场作为外强迫，应用于海洋模式模拟强风暴潮往往会有较大偏差。为了得到更接近实况的海上风场，提高渤海风暴潮数值预报精度，需要对MM5模式模拟的风场做一些改进。由于MM5模拟的风场在岸边界与实况比较接近，因此可利用沿岸陆地测站的风速来推算海上风速。对于海风的推算已经有大量的研究工作^[16-20]，Hsu在1981年提出根据陆地站测风推算近海风的动力模式^[21]；辛宝恒在其基础上提出渤海近海风场的一种近似推算模式^[22]；何群英等^[23]又利用更新的资料，按不同的季节、风向对海陆风速重新进行统计分析，提出了渤海风场推算模式对中尺度风场预报的新的订正办法。本文采用何群英等统计得到的热力和动力订正方程，结合数值预报应用的处理需要，建立了渤海数值预报风场订正方法。

本文以渤海海域4次典型风暴潮过程(2003年10月10日的冷空气和倒槽共同引发的风暴潮，2004年9月15日和2005年8月8日的台风风暴潮，2007年3月4日寒潮风暴潮过程)为例，用改良后的渤海风场推算模式对MM5模拟的海上风场进行订正，分别用订正前后的风场来驱动HAMSOM海洋模式模拟风暴增水，比较海面风场订正对风暴潮数值模拟的影响。

1 风场订正方法 1.1 渤海风场推算模式 1.1.1 动力推算模式

研究表明，在行星边界层内，气流掠过海岸线时，风场不仅受到海陆下垫面粗糙度变化的动力影响，也会受到海陆温差产生的热力影响。海风可以表示为：U_海=U_动力推算+ΔU_热力订正。

风速推算模式的动力部分主要考虑海陆摩擦的差异，根据陆地站测风推算近海风的动力模式：$\frac{{{U_{动力推算}}}}{{{U_陆}}} = {\left( {\frac{{{H_海}{C_{d陆}}}}{{{H_陆}{C_{d海}}}}} \right)^{\frac{1}{2}}}$，式中U为风速，H_海和H_陆分别为渤海海面和陆地(渤海沿岸)的边界层高度，C_d海和C_d陆分别为海洋和陆地的阻力系数。根据辛宝恒的研究，取渤海海面边界层高度H_海=620 m，渤海沿岸边界层高度H_陆=1014 m，沿岸陆地C_d陆=0.0075，得到渤海海面C_d海的表达式：C_d海=$0.0015{\left[{1-\exp \left( {-\frac{{B{U_陆}-12.5}}{{1.56}}} \right)} \right]^{ -1}} + C$，式中B为海风和陆风的比值，C为用最小二乘法得到的常数项。何群英等利用1990—2001年A平台、塘沽、长岛、大连的风向、风速、温度资料对模式作了进一步的改进，按不同的季节、风向，并兼顾渤海的季风气候特征，对海陆风速重新进行统计分析，得出了与改进前有很大不同的B值和C值。再代入公式，得到海风的动力推算结果U_动力推算。

1.1.2 热力订正模式

ΔU_热力订正与海陆温差ΔT有关。用最小二乘法建立不同时次的海陆风速差ΔU_热力订正与海陆温差ΔT统计关系：ΔU_热力订正=b₀+b₁ΔT，其中b₀和b₁为系数。渤海西部海面用A平台与塘沽站的温差按不同时间、不同季节、不同风向建立热力订正统计方程，渤海东部海面用长岛与大连的温差建立方程。得到渤海西部和东部海区在不同季节、时次和风向下的b₀和b₁值。

1.1.3 渤海风场应用处理方案

检验表明，MM5模拟的海面风场在弱风(＜10 m·s^-1)时接近实际风速，大风(＞10 m·s^-1)时偏小，因此订正时采用弱风时不进行风场订正，大风时订正的应用处理方案。

由于以海岸为界订正海面风场会人为造成风场梯度过大，考虑到海陆风速差异与岸距相关，对模拟风场做了海深订正处理，采用海深＜10 m区域不进行风场订正，海深＞10 m区域订正的应用处理方案。

应用NCEP客观分析风场资料与订正后风场比较发现，采用以上方法订正后的风场基本能反映渤海海陆风场的特征，但订正后的风速较实际偏大。使用NCEP再分析资料提供的10 m海深以上格点的风场，通过对渤海中不同区域的历史风场资料、MM5模拟值以及订正值之间的关系拟合得到平滑系数K，将系数K代入订正方程。

1.2 MM5中尺度风场订正结果分析

由于MM5中尺度模式模拟的海面风速较实际偏小，因此采用改良的风速推算模式对4次过程中MM5的风速预报产品进行订正。由于海上气象资料缺乏，这里用A平台(地理坐标为38.27°N、118.25°E)的逐时风场资料来检验订正前后MM5模拟的风场结果。将订正前后MM5模拟风速结果与实测风速进行对比(见图 1)，可以看出，渤海风场推算模式并没有改变MM5模式预报的起风时间和风速的变化，只是对大风速时段进行了量级上的订正；4次过程中订正后的风速明显比订正前有所增大，在最大风速时订正的风场是MM5直接模拟风场的1.5倍左右，增幅为7~10 m·s^-1。试验表明，修订后的风场在量级上比订正前更接近实况。

2 风暴潮数值模拟与结果分析 2.1 HAMSOM模式简介

三维斜压陆架海模式——HAMSOM是一个半隐式的差分模式，是通过改进由德国汉堡大学海洋研究所Backhaus提出的一个三维斜压原始方程模式而成的。HAMSOM海洋模式需要MM5模式输出的风场、气压场资料来驱动，得到逐时的渤海增水场、渤海风暴潮流场。本地化过程中对模式计算区域的设置为：模式大区的计算区域是41°~31°56′N、117°28′~126°52′E，网格距在经向和纬向都是1/15°，垂向分为5层，时间步长为360 s。小区的计算区域是41°~37°5′N、117°30′~122°29′E，网格距在经向和纬向都是1/60°，垂向分为5层，时间步长为360 s。模式采用大小区双重嵌套网格，第一套网格为第二套网格提供边界值。

2.2 海面风场订正对HAMSOM模式模拟结果的影响分析 2.2.1 渤海增水场结果检验

由于渤海观测资料的匮乏，选用塘沽、秦皇岛、大连、烟台4个验潮站的实际观测资料，采用克里格插值方法画出4次过程中渤海的增水场，以此来粗略地代表渤海实际的增水场，用于对海面风场订正前后HAMSOM模拟的增水场结果进行检验。

对4次过程(2004年9月15日和2007年3月4日的图略)分别做试验，将海面风场订正前后HAMSOM模拟的增水场结果与实际增水场进行比较(见图 2、图 3)，可以看出，由于订正后加大了风的强迫作用，使得模拟结果的增水梯度有所加大，风的强迫作用更强，对于我们关心的渤海湾的最大增水比订正前的模拟结果增大了50~110 cm，与实际观测结果更加吻合。总体来说，风场修订对于风暴潮的数值模拟有十分积极的作用，订正后的整个增水场更逼近实测值，结果更令人满意。

2.2.2 塘沽验潮站增水结果检验

用塘沽验潮站的观测数据对海面风场订正前后HAMSOM数值模拟结果进行检验。对比塘沽验潮站实际增水曲线与海面风场订正前后HAMSOM模拟增水曲线(图 4)可以看出，模拟的增水曲线常常表现出比实测曲线滞后的现象，这是由于MM5预报的起风时间通常偏晚造成的。风场订正前模拟的增水与实测值差距较大，订正后4次过程的增水均有大幅提升，与实测值的偏差有所减小，明显优于订正前的模拟效果。4次过程中只有2005年8月8日“麦莎”台风引起的风暴潮过程订正后的模拟结果较实际偏大，这是由于这次过程中订正前MM5模拟的风场就与实况很接近，订正后的风场较实况有些偏大导致的。2003年10月11日和2007年3月3日两次过程订正后的增水曲线与实测曲线在量级上很接近了，表现出风场订正的优越性；2004年9月15日的过程订正后模拟的增水较实测值略偏小，但已经比订正前有了很大的进步。

由于风暴潮过程的最大增水在实际业务应用中最为重要，采取求相对误差的方法对实际观测值与海面风场订正前后模拟的塘沽最大增水值进行对比，分析订正前后模拟结果的精度。结果列于表 1，可以看出除2005年8月8日的台风风暴潮过程，订正后的增水极值较实况偏大；其他3次过程订正后增水极值的相对误差明显小于订正前，表明采用海面风场订正后，风暴潮模式模拟的增水极值更贴近实测值。

许多研究已经证实，由气象因子影响产生的增水与天文高潮相叠加，才能产生风暴潮。因此将风速订正前后HAMSOM模拟的塘沽增水结果与天文潮叠加得到模拟潮位，与塘沽实测潮位进行比较。从图 5中可以看出，由于2005年8月8日过程的最大增水比实际偏大，叠加了天文潮之后，它的潮位曲线仍然略高于实况；其他3个过程尽管模拟的最大增水均比实况增水偏小且滞后，但叠加了天文潮之后，订正后的潮位曲线却与实际潮位曲线非常贴近，基本能够真实反映天津沿海风暴潮水位变化情况，滞后的现象也基本没有了，这对于业务中风暴潮预报具有较高的参考价值。

3 结论

(1) 在分析渤海海陆风速的动力与热力差异的基础上，根据水深的不同，采用新的渤海风速推算模式对MM5中尺度数值模式预报的风速场进行订正后的结果表明，历史拟合情况较好，订正后，风速有了明显提高，结果更接近实际风场。

(2) 海洋模式在模拟风暴增水时对于风场的依赖性比较大，准确的风场要素预报是风暴潮预报的重要前提。对4次典型个例进行初步检验表明通过修订MM5海面风场，风暴潮模式的数值模拟结果明显优于订正前的模拟结果。订正后测站的风暴潮增水极值、增水过程曲线以及渤海增水场，都与实测值符合较好，模拟精度较订正前明显提高。本文的研究结果表明通过采用合适的海面风场订正办法提高数值模式模拟的风场精度后，海洋模式可以模拟出与实际比较接近的强风暴增水。