馬經廣，張云博

(1.廣東省水文局，廣州 510150；2.廣東海啟星海洋科技有限公司，廣州 511400)

1 概述

廣東省是全國風暴潮災害影響最嚴重的地區(qū)，尤其是粵港澳大灣區(qū)，常住總人口約7 000萬，GDP總量超10萬億，未來將打造成國際一流灣區(qū)和世界級城市群；而聚集了大量產業(yè)與人口的海岸帶區(qū)域，也正是風暴潮災害可能影響最大的區(qū)域。全省沿海重要城市防潮標準基本達到50年一遇以上，其中部分重要城市重點堤防防御標準達到50～200年一遇，其余大部分地區(qū)不足20年一遇。隨著社會經濟的發(fā)展對風暴潮預警預報工作的需求也不斷提高，但目前我省仍難以開展精細化的漫灘漫堤等模擬預測，精細化風暴潮數值預報關鍵技術研發(fā)也有待提升。為了提高廣東省沿海風暴潮預警能力，開展適用南海海域的精細化風暴潮預報模型研究顯得尤為重要。

近年來，國內多個學者采用當前較為成熟、應用廣泛的ADCIRC水動力模型，構建了適用于西北太平洋海域和南海海域的風暴潮預報模型，既有對該模型進行數值模擬研究[1-3]，也有對其合理性進行基于天文潮和風暴潮預報結果的驗證[3-4]。本文基于國際上比較常用的ADCIRC 模式，構建了適用南海海域的精細化風暴潮預報模型；選用Holland 模型提供強迫風場和氣壓場，開邊界潮位采用OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)的全球潮汐數據結果。

2 風暴潮精細化預報模型的構建

構建的適用南海海域風暴潮精細化預報模型為ADCIRC非結構網絡二維全流風暴潮模型。

2.1 控制方程

風暴潮模型ADCIRC在非結構三角網格下，基于伽遼金(Galerkin)有限元方法求解淺水波動方程得到水位與流速。水位通過以下廣義連續(xù)方程(簡稱GWCE方程)來求解得到：

(1)

流速通過以下垂向平均的動量方程求解得到：

(2)

(3)

式中：

ζ——從海平面起算的自由表面高度，m；

U,V——兩個方向的垂向平均流速,m/s；

H——海水水柱的總水深,m；

f——科氏參數,s-1；

Ps——海水自由表面的大氣壓強,N/m2；

ρ0——海水密度，文中默認為1 025 kg/m3；

g——重力加速度,m/s2；

τbx和τby——海底摩擦力的x和y方向分量,N；

τsx和τsy——海表面應力的x和y方向分量,N；

Tx和Ty——波浪輻射應力項,N；

Dx和Dy——動量方程的水平擴散項。

2.2 底摩擦項

在ADCIRC中，復合形式底摩擦系數的表達式為：

(4)

曼寧系數與摩擦系數轉化關系：

(5)

式中：

Hc——臨界水深，m，它是反映底摩擦在淺水區(qū)域增大的一個參數；

θ——決定底摩擦系數與漸近線接近的快慢，是常數，取值10；

λ——決定從深水到淺水底摩擦增大的快慢，是常數，取值1/3；

n——曼寧系數，其值的大小和水深、水底底質狀況相關；

ζ——從海平面起算的水位高度，m；

d——相對于海平面的水深,m。

考慮地物對漫灘模擬的影響時，主要是地物的差異所產生的底摩擦變化，此變化直接影響水的流速與流向，進而直接影響漫灘模擬；本文采用給定各節(jié)點曼寧系數n的方式來計算底摩擦。根據美國NLCD數據的分類標準，結合廣東沿海地區(qū)的高分辨率地形、影像數據，對全省沿岸地物進行分類。

2.3 模型范圍和網格精度

本模型的計算范圍選擇覆蓋了南海中北部和部分菲律賓以東洋面，覆蓋范圍為105.6°E～127°E和13°N～27°N。模式使用三角網格對計算區(qū)域進行離散，網格大小主要取決于當地波長的大小，開邊界處網格分辨率約為0.5～110 km，岸線區(qū)域分辨率基本為0.5～1 km。采用局部截斷誤差分析技術對網格進行優(yōu)化，網格最小分辨率控制在100 m左右。廣東近海地區(qū)的水深數據采用海圖數據，外海地區(qū)水深采用GEBCO全球海陸地形數據庫數據。風暴潮模型計算區(qū)域網格劃分及水深見圖1所示。

圖1 風暴潮模型計算區(qū)域網格劃分及水深示意

本文對于陸地、島嶼等陸邊界，在邊界上滿足不可入射條件，即取法向流速為零，Vn=0。模型選取珠江三角洲網河主要匯入江河的水文站所在位置作為上邊界起算點，并以高要、石角、博羅、太平場和麒麟嘴等5個水文站的實測水位作為模型上邊界驅動條件；粵東粵西入海河流則假設為陸地，珠三角河網區(qū)兩側海岸沿線看作閉合陸邊界。模型開邊界有東、南、北3條，采用潮位作為開邊界驅動力。開邊界潮位采用OTIS的全球潮汐數據結果，并結合南海當地驗潮站的數據作為驅動，主要考慮能充分并準確反映選取海域范圍潮位變化的M2、S2、N2、K2、O1、P1、Q1、K1、M4、MS4、MN4、MN、MF等13個天文分潮。

2.4 臺風風場模式

本文采用常用的Holland臺風風場模型，臺風氣壓場分布公式為：

P(r,θ) =Pc+ (Pn-Pc)e[-(Rmax(θ)/r)]B

(6)

式中：

P(r,θ)——距離臺風中心r的海表面氣壓值，它是徑向距離r、方位角θ的函數；

Pc——臺風以外不受干擾的背景氣壓；

Rmax——臺風最大風速半徑；

B——臺風輪廓參數[5]，決定了臺風的峰度和強度。

臺風風場分布公式為：

(7)

式中：

f——科式力系數；

ρA——空氣密度。

風拖曳系數Cd采用Garratt公式：

(8)

3 模型驗證

由于篇幅有限，同時根據臺風對廣東海域影響的嚴重程度，本文從2008年以來造成廣東省沿海汕尾至饒平岸段、深圳至陽江岸段和茂名至湛江徐聞岸段產生嚴重風暴潮的臺風中，選取了200814號“黑格比”、201213號“啟德”、201319號“天兔”、201415號“海鷗”和201713號“天鴿”等5個典型臺風(見圖2)，對構建好的風暴潮精細化預報模型進行驗證，驗證數據采用各岸段主要潮位站的逐時實測潮位數據。具體潮位站為：汕尾至饒平岸段的東溪口、媽嶼和海門潮位站，深圳至陽江岸段的赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港潮位站，茂名至湛江徐聞岸段的湛江港和南渡潮位站。

圖2 典型臺風路徑示意

3.1 汕尾至饒平岸段典型臺風暴潮數值模擬

本岸段選取了201319號臺風“天兔”對模型進行驗證。201319號臺風“天兔”于2013年9月22日在粵東汕尾市沿海登陸，登陸時中心附近最大風力45 m/s，中心最低氣壓935 hPa，造成粵東沿海出現166～207 cm的風暴增水，出現超警戒105～139 cm的高潮位。其中海門站于9月22日下午出現269 cm的高潮位，超警戒139 cm，超歷史最高7 cm，最大增水為207 cm。以下比較“天兔”登陸期間潮位過程預報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2013年9月21日0:00至9月24日0:00。該岸段的東溪口、媽嶼和海門潮位站的風暴潮模擬與實測對比如圖3所示，模擬水位與實測水位比較結果見表1所示。

東溪口站1319號臺風

媽嶼站1319號臺風

海門站1319號臺風

表1 汕尾至饒平岸段風暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201319號臺風)

從表1、圖3可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值為0.3 h；東溪口、媽嶼和海門3個潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為22～34 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差為11～22 cm。

3.2 深圳至陽江岸段典型臺風暴潮數值模擬

本岸段選取了200814號臺風“黑格比”和201713號臺風“天鴿”對模型進行驗證。

1) “黑格比”于2008年9月24日在粵西的電白市陳村鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心附近最大風力為48 m/s，中心最低氣壓為950 hPa，造成珠江口一帶沿海出現166～207 cm的風暴增水，超警戒65～171 cm的高潮位，黃埔、南沙、橫門、官沖、三灶、北津港等潮位站超過歷史實測最高潮位。其中北津港站于9月24日凌晨出現356 cm的高潮位，超警戒171 cm，超歷史最高42 cm，最大增水為262 cm。以下比較“黑格比”登陸期間潮位過程預報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2008年9月22日0:00至9月25日0:00。該岸段赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港潮位站的風暴潮模擬與實測對比見圖4，模擬水位與實測水位比較見表2。

北津港站0814號臺風

官沖站0814號臺風

三灶站0814號臺風

橫門站0814號臺風

南沙站0814號臺風

黃埔站0814號臺風

泗盛圍站0814號臺風

赤灣站0814號臺風圖4 深圳至陽江岸段風暴潮模擬與實測對比示意(200814號臺風)

表2 深圳至陽江岸段風暴潮位驗證誤差統(tǒng)計表(200814號臺風)

從圖4、表2可見，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值為0.3 h；赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港等8個潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差在0～39 cm之間，模型計算與實測的高潮位絕對誤差在4～81 cm之間。

2) “天鴿”于2017年8月23日中午在珠海市金灣區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風力為45 m/s，中心最低氣壓為945 hPa，造成珠江口一帶沿海出現125～240 cm的風暴增水，出現超警戒88～123 cm的高潮位，赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門等潮位站超過歷史實測最高潮位。其中泗盛圍站于8月23日下午出現308 cm的高潮位，超警戒118 cm，超歷史最高53 cm，最大增水為240 cm。以下比較“天鴿”登陸期間潮位過程預報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2017年8月22日0：00至8月25日0：00。該岸段的赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門和三灶潮位站的風暴潮模擬與實測對比見圖5，模擬水位與實測水位比較見表3。

赤灣站1713號臺風

泗盛圍站1713號臺風

黃埔站1713號臺風

南沙站1713號臺風

橫門站1713號臺風

三灶站1713號臺風圖5 深圳至陽江岸段風暴潮模擬與實測對比示意(201713號臺風)

表3 深圳至陽江岸段風暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201713號臺風)

從圖5、表3可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值為0.2 h；赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門和三灶等6個潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差在20～39 cm之間，模型計算與實測的高潮位絕對誤差在4～80 cm之間。

3.3 茂名至湛江徐聞岸段典型臺風暴潮數值模擬

本岸段選取了201213號臺風“啟德”和201415號臺風“海鷗”對模型進行驗證。

1) “啟德”于2012年8月17日中午在粵西的湛江市麻章區(qū)湖光鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風力為38 m/s，中心最低氣壓為968 hPa，造成茂名至湛江徐聞一帶沿海出現101～238 cm的風暴增水，其中湛江港站于17日11：45出現390 cm的高潮位，超警戒125 cm，最大增水為238 cm。以下比較“啟德”登陸期間潮位過程預報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2012年8月15日0：00至8月18日0：00。該岸段的湛江港和南渡潮位站的風暴潮模擬與實測對比見圖6，模擬水位與實測水位比較見表4。

湛江港站1213號臺風

南渡站1213號臺風圖6 茂名至湛江徐聞岸段風暴潮模擬與實測對比示意(201213號臺風)

表4 茂名至湛江徐聞岸段風暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201213號臺風)

從表4、圖6可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值為0.5 h；湛江港和南渡等2個潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為15～26 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差均為62 cm。

2) “海鷗”于2014年9月16日上午在海南文昌翁田鎮(zhèn)登陸，并在中午再次登陸廣東徐聞縣南部沿海地區(qū)，登陸時中心附近最大風力為40 m/s，中心最低氣壓為960 hPa，造成茂名至湛江徐聞一帶沿海出現250～515 cm的風暴增水，出現超警戒121～175 cm的高潮位。其中南渡站于16日中午出現475 cm的高潮位，超警戒175 cm，最大增水為515 cm(歷史實測排名第2)；湛江港16日中午出現386 cm的高潮位，超警戒121 cm，最大增水為432 cm(歷史實測排名第2)。以下比較“海鷗”登陸期間潮位過程預報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2014年7月16日0:00至7月20日0:00。該岸段的湛江港和南渡潮位站的風暴潮模擬與實測對比如圖7所示，模擬水位與實測水位比較結果見表5所示。

湛江港站1415號臺風

南渡站1415號臺風圖7 茂名至湛江徐聞岸段風暴潮模擬與實測對比示意(201415號臺風)

表5 茂名至湛江徐聞岸段風暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201415號臺風)

從表5、圖7可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值為2 h；湛江港和南渡等2個潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為33～46 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差為72～78 cm。

3.4 各典型岸段風暴潮數值模擬效果評價

本文依據規(guī)范對各岸段的風暴潮數值模擬效果進行了評價，上文典型臺風的驗證結果顯示：汕尾至饒平岸段潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為28 cm，風暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為17 cm；深圳至陽江岸段潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為18 cm，風暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為45 cm；茂名至湛江徐聞岸段潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差為30 cm，風暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為69 cm；各岸段最高潮位出現時間模擬值與實測值相位差平均值少于1 h。部分潮位站計算高潮位與實測高潮位的絕對誤差超過50 cm，但均在許可誤差范圍并符合規(guī)范不得超過100 cm的要求，主要原因是實測最高潮位時增水較大，上文5個典型臺風造成部分潮位站最大增水均超過200 cm、甚至達到515 cm，另外可能是因為所使用的風場模型不足以概括復雜的天氣系統(tǒng)，使得部分潮位站的計算誤差較大。但從整體上看典型岸段潮位過程預報平均絕對誤差在30 cm以內，計算與實測的高潮位絕對誤差基本滿足規(guī)范許可誤差要求，證明模型基本滿足全省沿海潮位驗證要求。

4 結語

本文構建的精細化風暴潮預報模型分別計算了汕尾至饒平、深圳至陽江和茂名至湛江徐聞3個典型岸段在典型臺風登陸期間的風暴潮潮位，驗證結果表明：① 模型計算和實測的高、低潮位及過程線相位吻合度較好；② 典型岸段部分潮位站的計算高潮位與實測高潮位的絕對誤差超過50 cm，除了因為實測最高潮位時增水較大外，還可能是因為所使用的風場模型不足以概括復雜的天氣系統(tǒng)，使得部分潮位站的計算誤差較大;③ 預報模型從整體模擬效果看，潮位站的潮位過程預報平均絕對誤差在30 cm以內，計算與實測的高潮位絕對誤差基本滿足規(guī)范許可誤差要求，可以滿足廣東省的風暴潮預警預報需要。