朱婧，葉龍彬，陳德花，李彥卿，林毅

（1.廈門市氣象局海峽氣象開放實驗室，福建廈門361012；2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；3.天津市氣象科學研究所，天津300072）

1 引言

風暴潮指由于強烈的大氣擾動（強風和氣壓驟變）引起的海面異常升高或下降的現(xiàn)象，亦稱“風暴海嘯”、“風潮”或“氣象海嘯”[1]。近年來廈門沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，經(jīng)濟價值密度越來越大，研究沿海地區(qū)自然災(zāi)害的影響，有助于降低或避免其對沿海經(jīng)濟發(fā)展區(qū)造成的破壞。風暴潮是危害廈門沿海經(jīng)濟發(fā)展的主要災(zāi)害之一，高精細化且能真實反映地形變化的風暴潮數(shù)值模擬研究顯得尤為重要。

早在20 世紀80 年代，部分學者就針對廈門灣及其周邊海域的沿海臺風風暴潮及其非線性計算展開研究[3]。20 世紀90 年代，溫生輝等[4-5]分別采用半隱式有限差分法、ADI（雙時間層的有限差分法）方法對廈門灣及其周邊海域的二維潮流場進行了模擬；林翩然等[6]采用多層嵌套建立了廈門灣附近海域的二維潮流模型。近年來，諸多學者基于FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）海洋模式，采用三維非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，在關(guān)鍵區(qū)域加密處理，極大提高了岸線和地形的擬合程度和模擬效果。王慶業(yè)等[7]、林作梁等[8]、靖春生等[9]、王道生等[10]分別對寧德海域、泉州灣、廈門灣、臺灣海峽的潮流和潮汐進行了三維模擬，模擬結(jié)果均較好地再現(xiàn)了研究區(qū)域內(nèi)的潮流運動。本文同樣基于FVCOM 三維海洋模式，利用中國航海圖書出版社電子海圖中的近岸地區(qū)高精度水深數(shù)據(jù)（下稱“水深數(shù)據(jù)”），建立了廈門灣精細化風暴潮數(shù)值模式，并對1614號臺風“莫蘭蒂”在廈門灣引發(fā)的風暴潮特征進行了數(shù)值模擬。

2 FVCOM模式介紹和配置

2.1 模式介紹

對于海洋模式的發(fā)展來說,不規(guī)則的海岸邊界系統(tǒng)是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。目前有兩種常用的數(shù)學方法用以解決大洋環(huán)流模型：有限差分方法[11-13]和有限元方法[14-15]。在有限差分法中引入曲線坐標轉(zhuǎn)換可以為簡單海岸提供邊界，但不能解決復雜的內(nèi)部陸架或河口等問題[16-17]；而有限元法的優(yōu)點是利用三角網(wǎng)格的幾何靈活性，適用于不規(guī)則海岸邊界。在以上兩種方法的基礎(chǔ)上，一種具有三維自由網(wǎng)格、自由表面、原始方程、有限體積等特點的海岸大洋環(huán)流模式被開發(fā)出來，即FVCOM[18]。FVCOM 在水平方向上采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格[19]，垂直方向上采用σ坐標，更好地擬合了岸線和海底地形，并完成局部加密。利用有限體積方法，不僅有效提高了模式的計算效率，也符合模式計算區(qū)域內(nèi)質(zhì)量、動量和能量守恒。

2.2 模式計算區(qū)域范圍

本文模式所設(shè)置的計算區(qū)域為福建省沿岸區(qū)域及臺灣海峽（21.69°～27.66°N，117.19°～127.16°E）（見圖1）。模式模擬區(qū)域的沿岸岸線數(shù)據(jù)采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic Atmospheric Administration，NOAA）的高精度岸線數(shù)據(jù)，并選用衛(wèi)星影像訂正后的岸線數(shù)據(jù)作出細節(jié)訂正；水域的水深數(shù)據(jù)同樣以NOAA 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引用1′×1′的ETOPO1 水深數(shù)據(jù)插值得到，并以水深數(shù)據(jù)對模式水深作出訂正。

圖1 模式網(wǎng)格劃分及水深分布示意圖

模式針對不同區(qū)域采用不同的分辨率精度。在近岸風暴潮較敏感的區(qū)域，網(wǎng)格具有較高的分辨率，如廈門灣地區(qū)，內(nèi)灣及廈門島附近網(wǎng)格最高分辨率達0.5 km，灣口區(qū)網(wǎng)格分辨率為1 km（見圖2）。福建省其他海灣及內(nèi)灣的網(wǎng)格分辨率為1～3 km 左右；福建省其他沿海岸線、臺灣省岸線的分辨率為4 km 左右；臺灣省南部、東部及東海北部的開邊界處分辨率最低為20 km 左右。模式模擬區(qū)域網(wǎng)格的計算區(qū)域包括了79 747 個三角形單元，共計42 153個節(jié)點。開邊界節(jié)點數(shù)為113個。模式初始計算條件設(shè)置方面，首先假設(shè)模擬區(qū)域內(nèi)海流是靜止的，初始時刻的潮流場和水位高度場都設(shè)置為0。模式的驅(qū)動潮位則是選用OTPS（OSU Tidal Prediction Software）在東中國海的模擬結(jié)果來確定模式開邊界分潮調(diào)和常數(shù)，并選取8 個主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q1、P1）以生成開邊界各節(jié)點的潮位數(shù)據(jù)。在模式模擬計算區(qū)域內(nèi)，溫度、鹽度定為常數(shù)，分別為27 ℃和31PSU。

圖2 廈門灣網(wǎng)格劃分示意圖

3 天文潮的模擬和檢驗

風暴潮發(fā)生過程中海面的總水位往往由線性的天文潮和非線性的風暴增水（氣象因素強迫）兩部分組成。而對防災(zāi)具有指導意義的是總水位，在近岸因水深較淺，風暴潮與天文潮具有顯著的非線性相互作用，所以要想獲得總水位，首先必須模擬好天文潮。

本文根據(jù)國家海洋信息中心提供的2016 年潮汐表中福建省兩個站點（廈門與東山）2 月的觀測資料和模式計算結(jié)果誤差進行檢驗（見表1）。模式計算時間為1M（2016 年9 月1 日—10 月1 日），時間間隔為1 h。表1 中為廈門站與東山站的潮位觀測值與模擬值的誤差比較，其中兩站均表現(xiàn)出明顯的半日潮性質(zhì)，9月15日和28日出現(xiàn)大潮，9月9日和21日出現(xiàn)小潮。水位模擬與實測結(jié)果的絕對平均誤差分別為28.4 cm 與25.0 cm；均方根誤差分別為34.2 cm與30.6 cm。廈門站的觀測大潮潮差、小潮潮差與模擬值的誤差分別為0.231 m 與0.098 m，結(jié)果比較吻合。東山站的觀測大潮潮差、小潮潮差與模擬值的誤差分別為0.209 m 與0.225 m，結(jié)果也比較吻合。兩站模擬的4 個主要分潮M2、S2、K1、O1 的振幅和遲角與實況觀測值都十分接近（圖略）?？梢钥闯?，模式模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)較為一致，模式能夠較好地重現(xiàn)模擬區(qū)域潮位的變化特征。但是也存在一定誤差，產(chǎn)生的主要原因如下[20]:

表1 水位模擬值與觀測值的誤差分析

（1）模式計算范圍較大。由于計算是由外向內(nèi)、以開邊界初始調(diào)和常數(shù)變量進行計算，計算范圍較大導致最后的累積誤差也隨之增大。

（2）開邊界分潮調(diào)和常數(shù)誤差。模式選取OTPS在東中國海的模擬結(jié)果來確定模式開邊界分潮調(diào)和常數(shù)，與實況存在誤差。

（3）觀測資料本身的誤差。實際觀測的水位是潮汐項和擾動項之和，而擾動項是由非周期性因素引起的，難以模型化。

（4）模擬過程中忽略了非天文潮位的影響，例如沒有作季節(jié)訂正工作。

4 臺風風暴潮的模擬和驗證

2016 年9 月10 日14 時（世界時，下同），2016 年第14號臺風“莫蘭蒂”在西北太平洋洋面上生成（見圖3）；11日14時加強為強熱帶風暴；12日02時加強為臺風，08 時加強為強臺風，11 時繼續(xù)加強為超強臺風級；13 日晚間加強到頂峰強度70 m/s；15 日凌晨在福建省廈門市登陸，登陸時中心最大風力52 m/s，為超強臺風[21]。臺風“莫蘭蒂”給廈門市帶來了嚴重破壞和重大經(jīng)濟損失。本文選取臺風“莫蘭蒂”進行模擬計算，以深入分析其對廈門灣及其周邊海域帶來的風暴潮的精細化特征。模擬時間為2016 年9 月13日08時—16日08時，共72 h。

圖3 1614號臺風“莫蘭蒂”路徑圖

4.1 臺風風場構(gòu)建

臺風影響下的風暴潮模式計算需要以天文潮模式為基礎(chǔ)，并結(jié)合風場模型的驅(qū)動進行計算，其模型的精度主要受驅(qū)動風場的精度影響。本文以歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析資料的10 m 風場資料為基礎(chǔ)。由于局部計算區(qū)域較小，風場的空間與時間分辨率都較大，不能較好地再現(xiàn)臺風中心附近風場的時空細節(jié)變化，因此需要對輸入風場進行局部空間與時間插值，并使用經(jīng)驗風場模型對臺風風眼附近的風場進行訂正[22]。

訂正的經(jīng)驗?zāi)Ｐ惋L場使用改進的藤田氣壓公式[23]結(jié)合Fujita[24]風場模型來計算，計算公式為：

式中：P0為臺風中心氣壓；P∞為臺風外圍氣壓；r為計算點至臺風中心點的距離；R為最大風速半徑。

梯度風公式為：

式中：f為科式參數(shù)；ρa為空氣密度。

對梯度風公式進行分解，可以分別得到經(jīng)度與緯度方向的梯度風：

式中：φ為臺風的流入角度。

臺風移行過程產(chǎn)生的風場采用宮崎正衛(wèi)公式：

式中：U0與V0分別為臺風中心移動速度的兩個分量。

將臺風的移行風場與梯度風場結(jié)合，可以得到完整的臺風模型風場：

式中：C1為訂正系數(shù)，其取值范圍為：

式中：x為臺風風眼緯度坐標；C0為臺風登陸前系數(shù)；C2為臺風登陸后系數(shù)。

背景風場采用ECMWF 再分析風場，其風場水平分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為6 h，背景風場與臺風模型計算的風場合成方式可表示為：

圖4 重建臺風風場圖（單位：m/s）

4.2 臺風期間潮位的模擬和驗證

為了驗證加入臺風重構(gòu)風場強迫后的潮位模擬結(jié)果，本文利用廈門市海洋預報臺提供的廈門、東山和平潭3個驗潮站2016年9月14日00時—9月16日08時的水位觀測值與模擬結(jié)果進行分析（見圖5）。結(jié)果顯示：對3個驗潮站模式模擬的水位除了最高潮位略偏小之外，其他都能夠比較準確地反映臺風過程期間觀測水位的變化特征。模擬潮位偏小的原因主要與輸入風場偏弱以及風場訂正方法有關(guān)。本文以ECMWF 再分析資料為輸入風場，存在較實況偏小的特征；而本文所采用的風場訂正方法是針對臺風風眼附近的風場進行訂正，對于距離臺風風眼較遠區(qū)域訂正能力有限。從圖5中也可以看出，處在臺風眼附近的廈門站潮位模擬結(jié)果比其他站點更接近實況。另外，臺風過程中各站點的水位峰谷值存在一定程度的變化，但是整體的振蕩周期并沒有發(fā)生明顯的改變，說明臺風主要影響水位的高低，對原有的天文潮周期沒有太大的影響。3個站點的水位均從9月14日22時左右顯著增大，并逐時增高至15 日00 時左右，其中廈門站和平潭站的水位最高值都超過了300 cm。

圖5 驗潮站地理位置及不同站位的實況和模擬水位時間序列

4.3 增水水位和表層流場變化特征分析

為了深入分析臺風“莫蘭蒂”過程中廈門灣及其周邊海域增水和表層流場變化特征，利用重新構(gòu)建風場驅(qū)動的風暴潮模式潮位高度和表層流場數(shù)據(jù)，減去僅由天文潮驅(qū)動的模式潮位高度和表層流場數(shù)據(jù)，得到了由于臺風風場導致的增水和表層風生流場數(shù)據(jù)。綜合臺風風場（見圖4）、風生流場和增水水位（見圖6、圖7），按照臺風登陸前、臨近登陸（潮位最高階段）、登陸后等不同時段對臺風風場、風生流場和風暴潮增水高度三者的時空變化特征進行分析。

圖6 增水水位（填色，單位：m）和表層風生流場（矢量箭頭，單位：m/s）

圖7 廈門灣增水水位（填色，單位：m；紅點為臺風中心）和表層風生流場（矢量箭頭，單位：m/s）

臺風登陸前（13日20時—14日20時）：臺風“莫蘭蒂”從臺灣島東南部海面逐漸向臺灣海峽南部移動。13日20時—14日08時，臺灣海峽內(nèi)以臺風外圍的東北風為主，隨著臺風西北行移近，海峽風力由6～7 級（10.8～17.2 m/s）逐漸增強至大范圍的7 級風（≥13.9 m/s）。受臺風風場強迫影響，同時間段的風生流場有類似特征：閩南沿海一帶均為平行岸線的東北向風生流，在風場增強的過程中，風生流速也隨之增強。風暴潮增水水位的大值區(qū)主要位于閩南沿海，分布呈西南高東北低的特征，與風場和風生流場方向近乎一致。增水水位最高值隨著風場風速和流場流速的增加而增加，最大值由0.2 m 增加至0.3 m。

臺風臨近登陸時（14 日20 時—15 日03 時）：14日20 時，臺風移進臺灣海峽南部，閩南沿岸東北風增強至9 級以上（≥20.8 m/s），東北向風生流速也顯著加大至1 m/s以上，增水范圍和增水水位高度都大幅增加，增水高度在漳州沿海出現(xiàn)0.7 m 以上的極大值。臺風登陸前西南高東北低的增水高度分布特征在這時更加顯著。23 時，風生流速最大增至2 m/s以上，海岸線為西北-東南走向的區(qū)域（漳州港區(qū)、大金門東部沿岸等）與東北向風生流近乎垂直，均出現(xiàn)了1 m 以上的增水。15 日02 時臺風中心位于大金門島的東南方向海域（見圖7 中紅點所在位置），此時臺風中心附近為閉合的氣旋式逆時針風場（圖略），中心最大風速為50 m/s，相比23 時有所減弱。中心北側(cè)為偏東風，東側(cè)為偏南風。受其影響，廈門灣及其附近海域的風生流場由前期一致的東北向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，臺風中心北側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槠珫|風生流，東側(cè)轉(zhuǎn)為東南風生流，最大流速均超過1 m/s。這樣的風生流方向有利于將廈門灣口東部海域的海水向廈門內(nèi)灣輸送，造成廈門灣出現(xiàn)大范圍的1.5 m 以上的增水。

臺風登陸后（15日03—08時）：臺風強度迅速減弱，廈門灣附近轉(zhuǎn)為臺風后部偏南風，風力迅速減小至6 級（≥10.8 m/s），風生流速降至1 m/s 以下。廈門灣附近增水范圍大幅度減小并北縮至北部海灣一帶，增水高度也顯著減小，但仍有0.5 m以上的增水。閩南沿海其余大部分地區(qū)則逐漸由增水轉(zhuǎn)為減水。

總的來看，臺風“莫蘭蒂”造成了廈門灣附近大范圍的增水。臺風風場的時空變化是造成風生流流向和流速發(fā)生改變的主要原因。增水分布主要受到風場、風生流和岸線特征共同影響。增水大值區(qū)分布特征往往與風生流方向較為一致，當岸線走向與風生流流向近乎垂直時往往容易出現(xiàn)顯著增水。

4.4 站點臺風風暴潮增水特征

本文選取了平潭、廈門、東山3個驗潮站分別代表海峽北部、中部和南部海域，分析其在臺風“莫蘭蒂”影響期間的增水水位時間變化（見圖8）。3 個站都從14 日06 時左右開始出現(xiàn)增水，15 日03 時（臺風登陸時刻）附近達到增水水位的最高值。在增水水位達到最高值前各站均出現(xiàn)了先兆波動，振幅大約為15～25 cm，之后則均出現(xiàn)了余振，余振振幅大于先兆波動，大約為20～30cm。整個臺風過程波動響應(yīng)持續(xù)了2 d左右。平潭站由于位于海峽北部，最早受到臺風外圍偏東風影響，在3 個站中最早達到增水的最高峰；且由于平潭距離臺風中心稍遠，一直處于臺風外圍偏東風影響，風速、風向變化較小，所以臺風過程期間其增水振幅的變化也較小。從臺風路徑和合成風場可以看出（見圖3、圖4），在臺風登陸前后，廈門站始終受偏東-偏南的向岸風控制，強度最強，影響時間最長，故其最大增水（190 cm）、先兆波動和余振都是最強的，且在3 個站中最晚達到增水水位最高峰。而東山站位于臺風中心西南象限，在臺風登陸前主導風向由偏東向岸風逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠麟x岸風，風速強度相比處于臺風中心附近的廈門站更弱，故其最大增水水位明顯低于廈門站。

4.5 最大增減水特征分析

圖9 顯示出了臺風影響期間（9 月14 日17 時—15日08時）廈門灣及其附近海域的最大增水和減水分布特征。從增水分布圖中可以看出（見圖9a），在臺風影響過程中，閩南沿海海域均出現(xiàn)了明顯的增水效應(yīng)。增水大值區(qū)主要分布在九龍江口、廈門灣、同安灣、圍頭灣和泉州灣一帶，最大增水高度均超過了1.8 m。這些區(qū)域?qū)?yīng)了臺風行進過程中的東北象限和臺風中心。位于東北象限的廈門灣、同安灣、圍頭灣和泉州灣一帶，由于始終受到臺風的偏東向岸風影響，加上與影響風有著較大夾角的岸線分布，因此造成了長時間的海水堆積和水位猛增。而九龍江口和漳州港等區(qū)域前期受臺風外圍偏東風和岸線的共同影響，出現(xiàn)了增水；后期受到臺風中心低氣壓和強風的雙重影響，有利于外海的水向內(nèi)灣的匯聚，造成水位上升。從減水分布圖中可以看出（見圖9b），最大減水分布主要集中在漳州沿海和臺灣海峽南部海域，漳州沿海最大減水高度超過1 m。漳州沿海的減水大值區(qū)呈西北-東南走向，這主要是因為在臺風登陸前后，該區(qū)域長時間受臺風左側(cè)的西北離岸風控制，造成明顯的減水。而海峽南部的減水大值區(qū)主要發(fā)生在臺風行進前期的中心右側(cè)，受到臺風右側(cè)東南風的影響，海水向西北方向匯聚，造成該區(qū)域水位的顯著降低。

圖9 最大增減水分布圖（單位：m；黑色點劃線為臺風路徑）

總的來看，最大增水區(qū)主要與臺風風場和岸線特征有關(guān)，最大增水大值區(qū)主要集中在臺風中心和臺風的東北象限向岸風長時間作用的區(qū)域；最大減水區(qū)主要與風場有關(guān)，最大減水大值區(qū)往往出現(xiàn)在離岸風長時間作用的區(qū)域。

5 結(jié)論

本文基于FVCOM 風暴潮模式，利用重建的臺風風場資料，模擬了1614號臺風“莫蘭蒂”過程中廈門灣及其附近海域的風暴潮。通過觀測資料和模擬數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果能夠較為準確地再現(xiàn)此次臺風風暴潮過程。利用模擬結(jié)果，本文著重分析了風場、風生流場和增水高度在臺風過程中的特征，得到以下結(jié)論：

（1）臺風“莫蘭蒂”造成閩南沿海大范圍的增水，最大增水水位超過1.8 m。臺風風場的時空變化是造成風生流流向和流速發(fā)生改變的主要原因。增水分布主要受到風生流和岸線特征共同影響。增水大值區(qū)分布特征與風生流方向較為一致；當岸線走向與風生流流向近乎垂直時容易出現(xiàn)顯著增水。

（2）平潭、廈門、東山站點風暴潮均存在先兆波動和余振，且余振振幅均大于先兆波動，其中處于臺風中心附近的廈門站振幅最強。

（3）臺風過程中最大增水區(qū)主要與臺風風場和岸線特征有關(guān)，分布在臺風行進過程中東北象限和向岸風長時間作用的區(qū)域附近；最大減水區(qū)主要與風場有關(guān)，最大減水大值區(qū)往往出現(xiàn)在離岸風長時間作用的區(qū)域。

本文選取的臺風“莫蘭蒂”是近年來對廈門附近海域造成顯著影響的典型個例，對其造成的增水分布、風生流場等風暴潮特征進行模擬研究，對廈門灣及其附近海域關(guān)于沿海臺風風暴潮的預報和預警具有一定的科學參考意義。

致謝：感謝天津大學和天津市氣象科學研究所提供的技術(shù)幫助以及廈門海洋預報臺提供的驗潮站資料。