傅賜福，董劍希，2，劉秋興，李明杰，李　濤，2（.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京0008；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京0008）

1409號和1415號臺風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報的數(shù)值研究

傅賜福1，董劍希1，2，劉秋興1，李明杰1，李濤1，2
（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081）

分析了1409“威馬遜”和1415“海鷗”臺風(fēng)特點及風(fēng)暴潮、潮位情況。給定較準確的臺風(fēng)特征參數(shù)并利用ADCIRC模式對兩次臺風(fēng)風(fēng)暴潮進行數(shù)值模擬，各站模擬與實測吻合良好，選取海南島北部鋪前灣作為重點岸段，利用秀英站的風(fēng)暴潮模擬及北港島災(zāi)后調(diào)查推斷鋪前灣口（P1）、灣頂（P2）輸出點的風(fēng)暴潮模擬值可信度高。對于環(huán)流范圍較小的超強臺風(fēng)1409“威馬遜”，P1和P2的模擬最大增水明顯高于秀英站，而P2又明顯高于P1；對于環(huán)流范圍較大的臺風(fēng)1415“海鷗”，P1、P2的模擬最大增水與秀英站無顯著差別。因此，臺風(fēng)特征的預(yù)報判斷將是風(fēng)暴潮預(yù)報的重要因素。

“威馬遜”；“海鷗”；臺風(fēng)特征；風(fēng)暴潮預(yù)報；鋪前灣

1　引言

風(fēng)暴潮作為我國沿海主要的海洋災(zāi)害，一直是海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要研究方向，發(fā)展風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報技術(shù)是海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要手段［1］。近幾年，隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，港口、碼頭、核電廠、濱海工業(yè)區(qū)等重點保障目標日益增多，我國逐步開展了風(fēng)暴潮精細化預(yù)報以滿足重點保障目標的海洋防災(zāi)減災(zāi)需求，并由原來的大面預(yù)報向沿海市、縣級和重點保障目標預(yù)報延伸，取得了良好效果。但同時，由于風(fēng)暴潮屬于海洋-氣象交叉課題，其影響因子較多，風(fēng)暴潮精細化預(yù)報也存在較大難度。一方面，在江河出?？诘葴\水區(qū)，由于水動力特征、地形較為復(fù)雜，風(fēng)暴潮精細化預(yù)報的誤差可能變大；另一方面，臺風(fēng)特征的不確定因素也會加大風(fēng)暴潮精細化預(yù)報的誤差。

眾多的研究表明臺風(fēng)特征對臺風(fēng)風(fēng)暴潮起到至關(guān)重要的作用，臺風(fēng)的強度、環(huán)流大小、風(fēng)力分布都會對風(fēng)暴潮產(chǎn)生顯著影響［2-6］。因此，本文將運用中國海高分辨率風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式分別對2014年第9號熱帶氣旋“威馬遜”和第15號熱帶氣旋“海鷗”在雷州半島東岸和海南島東北部沿海產(chǎn)生的強風(fēng)暴潮過程進行數(shù)值模擬分析，并以海南島東北部的鋪前灣為研究重點岸段，研究臺風(fēng)特征對風(fēng)暴潮精細化預(yù)報的影響。

2　兩次臺風(fēng)及風(fēng)暴潮概況

2014年第9號熱帶氣旋“威馬遜”（超強臺風(fēng)級）是1949年以來登陸我國的最強臺風(fēng)，7月18日14時（北京時，下同），“威馬遜”中心最低氣壓888 hPa，近中心最大風(fēng)速72 m/s，15時30分，在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，19時30分，在廣東省湛江市徐聞縣龍?zhí)伶?zhèn)沿海再次登陸，19日07時10分前后，在廣西防城港市光坡鎮(zhèn)沿海3次登陸，“威馬遜”具有登陸強度超強、登陸次數(shù)多、近海加強、核心環(huán)流范圍較小的特點。

受風(fēng)暴潮和近岸浪的共同影響，粵西到雷州半島東岸、海南東北部和廣西沿海先后出現(xiàn)強風(fēng)暴潮過程，上述影響岸段潮位站的最大增水普遍超過100 cm。沿海最大風(fēng)暴增水392 cm，發(fā)生在廣東省南渡站。增水超過200 cm的還有廣東省硇洲站（260 cm）、湛江站（256 cm），廣西鐵山港站（288 cm）、石頭埠站（265 cm）和欽州站（219 cm），海南省秀英站（215 cm）。由于恰逢天文小潮期，廣東省南渡站和湛江站最高潮位分別超過當?shù)鼐涑蔽?9 cm和8 cm，海南省秀英站超過當?shù)鼐涑蔽?3 cm。廣東、廣西和海南三地因災(zāi)直接經(jīng)濟損失合計80.80億元。

2014年第15號熱帶氣旋“海鷗”（臺風(fēng)級）于9月16日9時40分在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，12時45分，“海鷗”在廣東湛江市徐聞縣南部沿海地區(qū)再次登陸。“海鷗”具有登陸強度強、登陸次數(shù)多、移動速度快、環(huán)流和風(fēng)圈大的特點。

受風(fēng)暴潮和近岸浪的共同影響，珠江口到雷州半島東岸、海南東北部和廣西沿海先后出現(xiàn)強風(fēng)暴潮過程，上述影響岸段潮位站的最大增水普遍超過100 cm。沿海最大風(fēng)暴增水495 cm，發(fā)生在廣東省南渡站。增水超過或接近200 cm的還有廣東省湛江站（433 cm）、硇洲站（388 cm）、水東站（298 cm）、北津站（238 cm）、閘坡站（222 cm），海南省秀英站（199 cm）。廣東省鹽田站、黃埔站、三灶站、北津站、湛江站、南渡站6個潮（水）位站的最高潮位超過當?shù)鼐涑蔽?，其中湛江站和南渡站最高潮位分別超過當?shù)鼐涑蔽?21 cm和159 cm，海南省秀英站出現(xiàn)了破歷史記錄的高潮位，超過當?shù)鼐涑蔽?47 cm。廣東、廣西和海南三地因災(zāi)直接經(jīng)濟損失合計42.75億元。

1409“威馬遜”和1415“海鷗”在不到兩個月的時間內(nèi)，以相似的路徑影響海南、廣東和廣西沿海實屬罕見。從災(zāi)后調(diào)查的情況來看，“威馬遜”引起的風(fēng)暴潮災(zāi)主要集中在海南?？诤臀牟植堪抖?，風(fēng)暴潮漫灘范圍較大，且破壞力驚人；“海鷗”引起的風(fēng)暴潮災(zāi)波及廣東湛江、海南海口和文昌大部分沿海，均引發(fā)了海水倒灌。從風(fēng)暴潮災(zāi)害的角度而言，“威馬遜”引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害強度大于“海鷗”，而“海鷗”引起的風(fēng)暴潮受災(zāi)面大于“威馬遜”。

3　中國海高分辨率風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式

為了模擬強風(fēng)暴潮在近岸復(fù)雜地形下的傳播發(fā)展過程，本文采用基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的ADCIRC（An Advanced Circulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters）模型，該模型是目前國際上較常用的風(fēng)暴潮數(shù)值模式，由Luettich和Westerink教授于1992年研制后經(jīng)不斷完善發(fā)展。ADCIRC是基于有限元方法、垂向平均二維、正壓的水動力學(xué)模式，具有計算速度快，精確性和穩(wěn)定性高的特點［9］，同時它作為國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的業(yè)務(wù)化風(fēng)暴潮模型之一，在風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)化預(yù)報及數(shù)值模擬上具有較高可信度［7-8］。

3.1控制方程及主要參數(shù)設(shè)置

ADCIRC模式在計算過程通過基于垂直平均的原始連續(xù)方程和運動方程來求解自由表面起伏、二維流速等3個變量，在運動方程中，除了考慮平流項、科氏力項、風(fēng)應(yīng)力項和底摩擦項外，還考慮了潮汐和側(cè)向粘性項等。模式將連續(xù)方程和運動方程通過引入空間變量數(shù)值加權(quán)參數(shù)（GWCE）進行結(jié)合求解。在球坐標系下，連續(xù)方程和運動方程表示為：

式中：λ，φ為經(jīng)度和緯度；ζ為從海平面起算的自由表面高度；U，V為深度平均的海水水平流速；H=ζ+h為海水總水深；R為地球半徑；f=2Ωsinφ為科式參數(shù)，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；g為重力加速度；Ps為海水自由表面大氣壓；ρ0為海水密度；η為牛頓引潮勢；τsλ，τsφ為自由表面應(yīng)力；τbλ，τbφ為底摩擦應(yīng)力；Dλ，Dφ為動量方程的水平擴散項。

初始條件為：ζ=u=v=0；

海岸邊界條件：邊界的法向速度為0；

開邊界條件：輻射邊界條件，文中由M2，S2，K2，N2，K1，O1，P1，Q1，等8個分潮驅(qū)動計算，該8個分潮調(diào)和常數(shù)取自全球潮汐模型NAO99；

求解所需物理變量的過程中，空間采用有限元法離散，時間采用有限差分法，時間步長取為10 s，滿足CFL條件要求；

底摩擦力τb與深度平均流呈二次平方律關(guān)系，底摩擦系數(shù)Cf采用二次律形式，見式（4），Cfmin為最小底摩擦因子；Hbreak為臨界水深；參數(shù)θ用來控制混合公式接近其上下限的快慢；參數(shù)λ描述摩擦因子隨水深增加而增大的快慢，本文Cfmin取值0.0018，Hbreak取值3.0 m，θ取值10，λ取值1/3。

運用該公式，水深較深的開闊海域（大于3 m）底摩擦系數(shù)基本為常數(shù)0.0018，而水深較淺的海灣、河口等地形（小于3 m）隨著水深的變淺的底摩擦系數(shù)則呈指數(shù)式的增大，這樣就能較客觀同時刻畫海洋、河口等地形條件的底摩擦力項。

3.2臺風(fēng)模型風(fēng)場

文中選取Holland模型風(fēng)場驅(qū)動風(fēng)暴潮模式［9］，文中選取的這兩次臺風(fēng)強度較強，風(fēng)場分布較對稱，用Holland模型風(fēng)場基本可以刻畫。

臺風(fēng)氣壓場表示為：

式中：P（r，θ）是距臺風(fēng)中心r處的海表面氣壓值，為徑向距離r、方位角θ的函數(shù)；Pc為臺風(fēng)中心氣壓，Pn為臺風(fēng)以外不受干擾的背景氣壓，文中取為1 012 hPa；Rmax是臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑，為方位角θ的函數(shù)。

在Holland臺風(fēng)風(fēng)場的計算中，假設(shè)梯度風(fēng)平衡，即氣壓梯度力、離心力與科氏力的平衡得到切向風(fēng)速：

式中：V（r）為距離臺風(fēng)中心r的切向風(fēng)速，ρa為空氣密度，f為科氏參數(shù)，B是臺風(fēng)輪廓參數(shù)，表征臺風(fēng)眼區(qū)直徑和切向速度梯度，一般取值1.0—2.5。該模型計算得到的風(fēng)場是軸對稱的，在臺風(fēng)移動方向的右半圓科氏力作用使得切向風(fēng)速加強，左半圓切向風(fēng)速減弱。

海面風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)速呈二次平方律關(guān)系，風(fēng)拖曳系數(shù)采用Garratt公式，Cd=0.001×（0.75+0.667×W→）（2‰≤Cd≤3‰）。

3.3網(wǎng)格剖分

文中采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格便于刻畫復(fù)雜近岸地形。計算區(qū)域包括整個中國海，開邊界網(wǎng)格分辨率25 km，中國沿海河口或海灣等復(fù)雜地形網(wǎng)格分辨率為200—500 m，其他較平坦的海岸網(wǎng)格分辨率1 000—2 000 m，該套網(wǎng)格包括634 410個三角形單元，325 016個網(wǎng)格點（見圖1）。其中圖1a為模型邊界及網(wǎng)格剖分分布，圖1b為雷州半島沿海網(wǎng)格分布，圖1c為海南島東北部沿海網(wǎng)格分布，圖1b和圖1c為圖1a中黑色方框的放大圖。

所用水深、高程數(shù)據(jù)由兩部分組成：（1）國家海洋環(huán)境預(yù)報中心業(yè)務(wù)化風(fēng)暴潮預(yù)報系統(tǒng)所用水深數(shù)據(jù)，空間分辨率2′，這部分數(shù)據(jù)主要用于外海；（2）中國沿海高分辨率水深數(shù)據(jù)，空間分辨率12″—1′不等，這部分數(shù)據(jù)主要用于中國近海。這3種數(shù)據(jù)統(tǒng)一訂正、融合后，插值到網(wǎng)格格點。

圖2為粵西、廣西、海南沿海水深分布，1409和1415熱帶氣旋路徑及強度、沿海潮位站及鋪前灣輸出點分布。其中紅色方框為研究的重點岸段-海南鋪前灣，地處?？谂c文昌交界的海灣，是華南臺風(fēng)登陸和影響較頻繁的岸段。分別選取海灣口P1和海灣頂P2研究兩次臺風(fēng)過程的風(fēng)暴潮變化特征。

4　兩次臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

本文路徑和強度均來源于中央氣象臺（CMA）與中國臺風(fēng)網(wǎng)，由于兩次臺風(fēng)的環(huán)流范圍大小、風(fēng)圈半徑存在明顯差異，表1列出文中對兩次臺風(fēng)采用的臺風(fēng)特征參數(shù)。利用所建立的風(fēng)暴潮預(yù)報模式，分別對1409“威馬遜”和1415“海鷗”進行數(shù)值模擬。雖然1409“威馬遜”影響期間的強度強于1415“海鷗”（近中心最大風(fēng)速強、中心氣壓低），但環(huán)流范圍大小和最大風(fēng)速半徑均低于1415“海鷗”，表1中的臺風(fēng)參數(shù)基本反映了兩次臺風(fēng)的各自特征。

圖1　研究區(qū)域地形圖

圖2　重點研究區(qū)域地形、1409和1415熱帶氣旋路徑強度、沿海潮位站及鋪前灣輸出點分布

表1　1409“威馬遜”和1415“海鷗”臺風(fēng)特征參數(shù)

圖3　1409“威馬遜”期間各代表站風(fēng)暴潮模擬與實測對比

4.1兩次臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

圖3和圖4分別給出了1409“威馬遜”和1415“海鷗”影響下，粵西、海南島北部和廣西沿海各主要潮位站數(shù)值模擬與實測對比，可以看出，在給定臺風(fēng)特征參數(shù)基本準確的情況下，各站的風(fēng)暴潮模擬與實測吻合良好。表2為各站誤差統(tǒng)計，1409“威馬遜”各站最大增水平均誤差約11.7 cm，最大增水出現(xiàn)時間最大誤差約1.2 h，1415“海鷗”各站最大增水平均誤差約15.5 cm，最大增水出現(xiàn)時間最大誤差1.0 h?？梢钥闯觯Ｊ捷^準確地模擬了這兩次臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程。

4.2海南島北部重點岸段風(fēng)暴潮模擬分析

為了更全面地分析重點岸段-鋪前灣在兩次臺風(fēng)過程中的風(fēng)暴潮變化情況，文中選取了同處海南北部的秀英潮位站、鋪前灣口P1和灣頂P2點輸出進行分析。

圖4　1415“海鷗”期間各代表站風(fēng)暴潮模擬與實測對比

圖5　兩次臺風(fēng)過程海南島北部重點岸段輸出站點的風(fēng)暴潮曲線對比

表2　兩次臺風(fēng)過程中各站誤差統(tǒng)計

圖6兩次臺風(fēng)過程粵西及海南島北部最大增水場分布

圖5為兩次臺風(fēng)過程期間，秀英站及鋪前灣口P1和灣頂P2點風(fēng)暴潮模擬對比，其中1409“威馬遜”秀英站模擬最大增水222 cm，灣口P1最大增水357 cm，灣頂P2最大增水461 cm，1415“海鷗”秀英站最大增水180 cm，灣口P1最大增水189 cm，灣頂P2最大增水242 cm。圖6為兩次臺風(fēng)過程粵西及海南島北部最大增水場分布。

從這兩次臺風(fēng)過程的模擬來看，對于環(huán)流范圍較小的超強臺風(fēng)1409“威馬遜”而言，鋪前灣處于危險半圓的最大風(fēng)速半徑附近，風(fēng)力超強，加之喇叭形地形效應(yīng)，灣口P1和灣頂P2的模擬最大增水明顯大于處于較開闊海域的秀英站，而灣頂P2又明顯大于灣口P1；對于環(huán)流范圍較大的較強臺風(fēng)1415“海鷗”而言，整個海南島北部的風(fēng)力分布較均勻，灣口P1和灣頂P2的模擬最大增水與秀英站無顯著差別。

雖然，兩次臺風(fēng)期間鋪前灣附近沿海并無潮位站驗證灣口P1和灣頂P2點的模擬值，但從以下兩方面可佐證灣口P1和灣頂P2點模擬的可信度：（1）兩次臺風(fēng)過程中秀英站的模擬值與實測值平均誤差僅為12 cm，從整個模擬曲線來看，對風(fēng)暴潮過程的刻畫較準確；（2）1409“威馬遜”主要影響時段，正值海南島北部沿海天文低潮期，但秀英站潮位超警戒值53 cm，從鋪前灣口的北港島（平原高程約3 m）災(zāi)后調(diào)查的情況來看，島上一層建筑基本被風(fēng)暴潮淹沒，據(jù)島上居民反映海潮比平時高出約3 m以上，這與灣口P1模擬最大風(fēng)暴增水的量級接近；而1415“海鷗”主要影響時段，恰逢海南島北部沿海天文高潮，秀英站潮位超警戒值121 cm，從災(zāi)后調(diào)查的情況來看，北港島多處被淹沒，多處淹沒水深達2 m，淹沒災(zāi)害略輕于1409“威馬遜”?；谛阌⒄镜哪M情況和災(zāi)害調(diào)查的情況推斷文中對鋪前灣的風(fēng)暴潮模擬值具有較高可信度。

5　結(jié)論

臺風(fēng)特征作為風(fēng)暴潮的主要影響因素，在沿岸風(fēng)暴潮的發(fā)生、傳播中起到重要作用，從文中的研究可知，對1409“威馬遜”和1415“海鷗”風(fēng)暴潮防潮減災(zāi)，可依據(jù)精細化的數(shù)值預(yù)報在不同岸段采取不同的防災(zāi)決策。因此，在開展精細化風(fēng)暴潮預(yù)警工作過程中，除了完善風(fēng)暴潮模式物理過程、提高模式網(wǎng)格分辨率和研究地形效應(yīng)外，同時應(yīng)將臺風(fēng)特征的預(yù)報判斷作為重要要素加以考慮，這樣就可為風(fēng)暴潮精細化預(yù)報奠定堅實基礎(chǔ)，為沿岸防潮減災(zāi)提供更客觀、精細化的預(yù)報指導(dǎo)。

［1］葉琳，于福江.我國風(fēng)暴潮災(zāi)的長期變化與預(yù)測［J］.海洋預(yù)報，2002，19（1）:89-96.

［2］Mueller K J，Demaria M，Knaff J，et al.Objective estimation of tropical cyclone wind structure from infrared satellite data［J］. Weather and Forecasting，2006，21（6）:990-1005.

［3］曹越男，張增海，原野，等.南海臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬及其對氣象強迫場的敏感性試驗［J］.熱帶氣象學(xué)報，2014，30（6）:1119-1126.

［4］張金善，鐘中，胡軼佳.熱帶氣旋風(fēng)暴潮模擬中的海面風(fēng)場特征對比研究［J］.水動力學(xué)研究與進展，2008，23（6）:687-693.

［5］高欽欽，朱建榮，端義宏，等.對稱和非對稱臺風(fēng)對東海南海風(fēng)暴潮影響比較［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，（6）: 57-72.

［6］傅賜福，于福江，劉秋興，等.四象限非對稱風(fēng)場對風(fēng)暴潮的改進研究［J］.海洋通報，2013，32（6）:626-632.

［7］Westerink J J，Luettich R A，F(xiàn)eyen J C，et al.A basin-to channel-scale unstructured grid hurricane storm surge model applied to Southern Louisiana［J］.Monthly Weather Review，2008，136（3）:833-864.

［8］王培濤，于福江，劉秋興，等.福建沿海精細化臺風(fēng)風(fēng)暴潮集合數(shù)值預(yù)報技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.海洋預(yù)報，2010，27（5）:7-15.

［9］Holland G J.An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes［J］.Monthly Weather Review，1980，108（8）:1212-1218.

Numerical simulation study on typhoon“Rammasun”（1409）and typhoon“Kalmaegi”（1415）storm surge forecast

FU Ci-fu1，DONG Jian-xi1，2，LIU Qiu-xing1，LI Ming-jie1，LI Tao1，2
（1.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China；2.Key Laboratory Of Research on Marine Hazards Forecasting of SOA，Beijing 100081 China）

In this paper，typhoon feature and storm surge caused by 1409“Rammasun”and 1415“Kalmaegi”is analyzed respectively，and the two storm surge processes are simulated based on the ADCIRC-2D model with correct typhoon parameters and the model result has a good agreement with measured data.Puqianwan located at the northern of Hainan Province is chosen as a key coast，and the two output points from model result which are located at bay mouth（P1）and showed at bay top（P2）is inferred high reliability based on storm surge modeling at Xiuying station and the disaster investigation at Beigang Island.For 1409 super typhoon“Rammasun”with small circulation，the peak storm surge modeling at Puqianwan is significantly greater than Xiuying station，while the modeled result at P2is significantly greater than that at P1；for 1415 typhoon“Kalmaegi”，the peak storm surge modeling at P1and P2shows no significant difference from Xiuying station.Therefore，the typhoon feature will be an important factor in storm surge forecasting.

“Rammasun”；“Kalmaegi”；typhoon feature；storm surge forecasting；Puqianwan

P731.23

A

1003-0239（2016）04-0026-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.004

2015-12-14

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項項目（201305031）。

傅賜福（1983-），男，工程師，碩士，從事風(fēng)暴潮預(yù)報預(yù)警及研究工作。E-mail∶fucf@nmefc.gov.cn