“威馬遜”臺(tái)風(fēng)暴潮增水及水動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

黃潘陽(yáng)，葉銀燦，韋雁機(jī)，來(lái)向華

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，工程海洋學(xué)研究中心浙江杭州 310012）

“威馬遜”臺(tái)風(fēng)暴潮增水及水動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

黃潘陽(yáng)，葉銀燦，韋雁機(jī)，來(lái)向華

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，工程海洋學(xué)研究中心浙江杭州 310012）

基于河口海岸水動(dòng)力三維數(shù)值計(jì)算模型，建立浙江沿海天文潮與風(fēng)暴潮耦合預(yù)報(bào)模式。利用該模式，對(duì)經(jīng)過(guò)浙江沿海海域的臺(tái)風(fēng)“威馬遜”進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，風(fēng)暴潮增水計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好，誤差基本在±20 cm以內(nèi)。計(jì)算增水值與傳統(tǒng)的調(diào)和分析法所得的增水結(jié)果相比，也較為一致。進(jìn)一步對(duì)局部水動(dòng)力響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴潮期間，局部地區(qū)從底到表各層水流流速均急劇增大或減小，其值達(dá)到了與天文潮流同等的數(shù)量級(jí)。當(dāng)水流流向與風(fēng)向相同或相近時(shí)，流速增大，相反時(shí)，則流速減小。且臺(tái)風(fēng)期間，各層水流流向也隨風(fēng)向發(fā)生改變，流態(tài)變得更加復(fù)雜。

風(fēng)暴潮；數(shù)值模擬；耦合；水動(dòng)力響應(yīng)

1 引言

臺(tái)風(fēng)是影響沿海地區(qū)生產(chǎn)生活最主要的自然災(zāi)害，尤其是浙江沿海，島嶼眾多，地形復(fù)雜，人口密集，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)頻繁，每年夏季都會(huì)因臺(tái)風(fēng)暴潮而造成巨大損失。若是風(fēng)暴潮正好遇上天文大潮，則破壞性更強(qiáng)。鑒于風(fēng)暴潮的巨大破壞作用，國(guó)內(nèi)外都對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，尤其是在風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)方面。國(guó)外，如美國(guó)的SLOSH（Sea，Lake&Overland Surges from Hurricanes）模式[1]；在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)70年代的淺海風(fēng)暴潮理論奠定了我國(guó)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)基礎(chǔ)[2-4]，另外，針對(duì)具體海區(qū)也有一些耦合預(yù)報(bào)模式的研究成果[5-7]。

本文建立適合于浙江沿海的天文潮與風(fēng)暴潮耦合模式，由全球潮波模型TPX06[8]提供潮汐調(diào)和常數(shù)作為邊界驅(qū)動(dòng)。首先驗(yàn)證天文潮，在此基礎(chǔ)上，加載經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的0205號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)暴增水計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。另外，計(jì)算與實(shí)測(cè)值都顯示臺(tái)風(fēng)期間局部水流流速急劇增大或減小，流向改變。這會(huì)對(duì)海洋工程設(shè)施造成嚴(yán)重威脅，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)防范。

2 計(jì)算模型

為研究臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江沿海地區(qū)水動(dòng)力因素的影響，先建立了覆蓋長(zhǎng)江口、杭州灣、舟山群島及毗鄰海域的三維水動(dòng)力模型，在外海邊界給定潮汐調(diào)和常數(shù)，上游河流邊界給出流量；并建立了相同區(qū)域的臺(tái)風(fēng)氣壓和風(fēng)場(chǎng)模型[9-10]。利用以上模型對(duì)臺(tái)風(fēng)條件下的浙江沿海水動(dòng)力因素進(jìn)行模擬。其數(shù)值方式采用ADI法。

2.1 水動(dòng)力學(xué)模型控制方程組

垂向平均質(zhì)量守恒方程：

式中，Q代表源和匯的作用，如取排水、降水和蒸發(fā)等。

ζ方向動(dòng)量守恒方程：

式中，ω是指垂直于σ坐標(biāo)平面的垂向速度，隨著σ坐標(biāo)平面的上下移動(dòng)而變化。

上面各式中，H為水深，H=h+ζ，ζ為水位，h為相對(duì)于平均海平面的水深；Gξξ和Gηη為曲線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；U、V分別為ξ和η方向上平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)；Fξ和Fη分別為ξ和η方向的紊動(dòng)動(dòng)量通量；Pξ和Pη表示ξ和η方向上的水壓力梯度；Mξ和Mη分別表示ξ和η方向上動(dòng)量的源或匯；qin和qout表示源匯項(xiàng)。

風(fēng)切應(yīng)力項(xiàng)處理：

式中， ρa(bǔ)是空氣密度；ra是拖曳力系數(shù)；W→是海面以上10 m處的風(fēng)矢量。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

2.2 模型網(wǎng)格與范圍

采用正交曲線網(wǎng)格剖分計(jì)算域，計(jì)算范圍為26.61°—32.58°N；120.21°—125.15°E。水平方向計(jì)算網(wǎng)格采用扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1），圓心取在象山附近，對(duì)圓心周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。此處采用扇形網(wǎng)格的天然優(yōu)勢(shì)是可以使所關(guān)注的地區(qū)網(wǎng)格密集，約為200m，而外海網(wǎng)格稀疏，為數(shù)千米。

2.3 邊界條件

水陸邊界，作剛壁處理，即設(shè)法向流速為零。外海水邊界，由全球潮波模型TPX06提供，由 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18 個(gè)分潮來(lái)驅(qū)動(dòng)，基本能夠構(gòu)造出外海深水處真實(shí)的天文潮過(guò)程。河流邊界，計(jì)算區(qū)域主要有長(zhǎng)江和錢塘江兩條大的江河，采取在上游給定恒定流量作為邊界。

2.4 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)計(jì)算

風(fēng)暴潮計(jì)算中臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的計(jì)算是重要的環(huán)節(jié)，將直接影響計(jì)算的精度。通常使用參數(shù)化的風(fēng)模型作為風(fēng)暴潮計(jì)算的強(qiáng)迫力。其優(yōu)點(diǎn)之一是便于使用，且能反映熱帶風(fēng)暴的主要風(fēng)場(chǎng)特征。

本文氣壓場(chǎng)選用Fujita公式：

式中，P∞為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓（正常氣壓）；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；P()r為距臺(tái)風(fēng)中心距離r處的氣壓。

風(fēng)場(chǎng)采用Veno Takeo（1981）[10]的公式表示：

式中，Vx,Vy為臺(tái)風(fēng)移速在x,y方向的分量。

0205號(hào)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑見(jiàn)圖2。由圖3可知，以上風(fēng)場(chǎng)模型，大致能刻畫臺(tái)風(fēng)期間空間風(fēng)場(chǎng)分布。

圖2 0205號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑

圖3 風(fēng)速驗(yàn)證

3 模式適用性驗(yàn)證

3.1 天文潮驗(yàn)證

浙江沿海島嶼眾多，地形復(fù)雜多變，而地形對(duì)沿海潮位和潮流影響顯著，這就對(duì)模式中所采用的岸線與水深數(shù)據(jù)提出較高的要求。本模型采用分布在舟山地區(qū)南面，且離岸距離各異的三個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)潮位數(shù)據(jù)來(lái)做模型天文潮的驗(yàn)證（見(jiàn)圖4），天文潮相位和高、低潮位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

3.2 風(fēng)暴增水驗(yàn)證及誤差分析

0205號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”于7月初沿東海北上影響浙江舟山。影響舟山時(shí)臺(tái)風(fēng)中心氣壓仍有940 hPa,在歷史同期是少見(jiàn)的。從對(duì)0205號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水的計(jì)算結(jié)果及誤差分析（見(jiàn)圖5）來(lái)看，計(jì)算值的誤差基本在±20 cm以內(nèi)。表明本模型具有良好的計(jì)算精度。結(jié)合圖5和表1可知，在臺(tái)風(fēng)中心穿過(guò)浙江沿海的4日0時(shí)到5日12時(shí)，01和02站都經(jīng)歷了先增水，后減水的過(guò)程。在臺(tái)風(fēng)中心靠近站位的4日，沿岸水流受到逆時(shí)針?lè)较蝻L(fēng)場(chǎng)的作用，水流流向岸邊，增水；當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心繼而北上時(shí)，沿岸水流受到順時(shí)針?lè)较蝻L(fēng)場(chǎng)的作用，水流流向外海，減水。

從圖5的誤差比較來(lái)看，02站計(jì)算結(jié)果優(yōu)于01站，這是由舟山地區(qū)特殊的地理環(huán)境決定的，01站地形更加復(fù)雜，且離岸較近，臺(tái)風(fēng)期間大浪破碎引起的增水對(duì)測(cè)站的潮位有一定的影響，故誤差相對(duì)較大。

早期采用調(diào)和分析法計(jì)算風(fēng)暴增水，即利用正常情況下的歷史潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，得到各分潮的調(diào)和常數(shù)并進(jìn)行潮位預(yù)報(bào)，用風(fēng)暴期間的實(shí)測(cè)值減去預(yù)報(bào)值，便是風(fēng)暴增水。本文用數(shù)值計(jì)算法和調(diào)和分析法對(duì)0205號(hào)臺(tái)風(fēng)對(duì)浙江沿海增水作用進(jìn)行了比較（見(jiàn)表1）。其中無(wú)風(fēng)場(chǎng)指計(jì)算區(qū)域上空風(fēng)速為0，加風(fēng)場(chǎng)指在計(jì)算區(qū)域上空加上經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的風(fēng)矢量。由表1可知，兩者的增減水趨勢(shì)基本一致，但在數(shù)值及峰值出現(xiàn)的時(shí)間上略有差異。調(diào)和分析法結(jié)果顯示：01站最大增水發(fā)生在4日13時(shí)，最大增水量為81 cm，最大減水出現(xiàn)在5日11時(shí)，最大減水量為27 cm；02站最大增水發(fā)生在4日17時(shí)，最大增水量為69 cm，最大減水出現(xiàn)在5日12時(shí)，最大減水量為58 cm。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：01站最大增水發(fā)生在4日18時(shí)，最大增水量為58 cm，最大減水出現(xiàn)在5日9時(shí)，最大減水量為32 cm；02站最大增水發(fā)生在4日17時(shí)，最大增水量為46 cm，最大減水出現(xiàn)在5日9時(shí)，最大減水量為43 cm。兩者都顯示靠岸的01站增水量比02站大，與常識(shí)相符。調(diào)和分析法增水量比數(shù)值計(jì)算法增水量大。兩者之間的差異由多方面因素影響，如風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，潮位調(diào)和分析時(shí)所采用的歷史潮位數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量等。

圖4 天文潮驗(yàn)證

圖5 增水驗(yàn)證及誤差

3.3 流速、流向驗(yàn)證及水動(dòng)力響應(yīng)分析

受條件限制，近岸淺海區(qū)很難獲取臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)暴海流的實(shí)測(cè)資料，早期工作主要根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得出風(fēng)暴海流，尚無(wú)法用實(shí)測(cè)資料加以驗(yàn)證。在春曉氣田群海底管道路由調(diào)查期間，獲得了寶貴的0205號(hào)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)02站的ADCP流速流向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)。從圖6可以看出，總體上，各層流速與流向的計(jì)算值都接近實(shí)測(cè)值。并且，在7月4—5日臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)測(cè)站期間，流速出現(xiàn)了異常峰值。從4日19時(shí)到5日14時(shí)，流向也出現(xiàn)了異常，始終停留在110°附近方位，計(jì)算結(jié)果也印證了這個(gè)變化趨勢(shì)。

表1 調(diào)和分析法與數(shù)值計(jì)算法風(fēng)暴增水對(duì)比(單位/cm)

比較而言，5日4時(shí)前后流速與流向的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差較大，這應(yīng)該與所采用的風(fēng)場(chǎng)的精度有關(guān)，風(fēng)暴潮數(shù)值計(jì)算精度高度依賴風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性。對(duì)比圖2臺(tái)風(fēng)路徑可知，大約5日0時(shí)開(kāi)始，本文所采用風(fēng)場(chǎng)比實(shí)際風(fēng)場(chǎng)偏小。從圖5風(fēng)暴增水的驗(yàn)證圖和圖6流速流向的驗(yàn)證圖還可以看出，模擬計(jì)算時(shí)，流速比流向?qū)︼L(fēng)場(chǎng)精度的要求更高。從底到表4層水流的流速流向的對(duì)比來(lái)看，各層水流流速流向基本保持一致，但是表層流的流速和流向?qū)︼L(fēng)的響應(yīng)更加敏感。計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)也大致相當(dāng)，但是在表層流流速的計(jì)算上，誤差較大。

為了直觀考察臺(tái)風(fēng)期間水動(dòng)力的響應(yīng)程度，圖7展現(xiàn)了02站在加風(fēng)場(chǎng)和不加風(fēng)場(chǎng)情況下的底流流速、流向計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。從中可以看出，臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，水流流速周期性地增大、減小，結(jié)合流向圖可以知道，當(dāng)流向與風(fēng)向相同或相近時(shí)，流速增大，反之亦然。且在臺(tái)風(fēng)中心比較接近02站的4日18時(shí)到5日6時(shí)，底流流速的增幅達(dá)到了驚人的100%，甚至以上，突然增大的底流，會(huì)劇烈沖刷海床，對(duì)淺基礎(chǔ)的海洋工程可能會(huì)構(gòu)成威脅。

總之，臺(tái)風(fēng)期間，局部地區(qū)水動(dòng)力環(huán)境變化巨大，流速改變，流向異常，流態(tài)趨向復(fù)雜。

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 各層流速流向驗(yàn)證

圖7 加風(fēng)場(chǎng)與不加風(fēng)場(chǎng)底層流速流向?qū)Ρ?/p>

本研究基于河口海岸水動(dòng)力三維數(shù)值計(jì)算模型，考慮風(fēng)暴潮與天文潮的非線性關(guān)系，建立了適合于浙江沿海地區(qū)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的三維數(shù)值模式。在天文潮驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)0205號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，風(fēng)暴增水的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，平均誤差基本控制在±20 cm以內(nèi)。對(duì)數(shù)值計(jì)算法和傳統(tǒng)的調(diào)和分析法對(duì)風(fēng)暴增水的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)臺(tái)風(fēng)期間水動(dòng)力響應(yīng)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)期間，水流結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，且實(shí)測(cè)值和計(jì)算值都顯示，局部地區(qū)從底到表的各層水流流速、流向都發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)該區(qū)域加風(fēng)場(chǎng)和不加風(fēng)場(chǎng)的流場(chǎng)模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)對(duì)流速的影響非常顯著，在潮流流向與風(fēng)向一致時(shí)，底流流速急劇增大，反之亦然。

本文所建立的模式?jīng)]有考慮波浪的耦合作用，對(duì)波浪傳播到近岸緩坡地帶，受地形影響，產(chǎn)生破碎等物理過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行模擬，尚需進(jìn)一步的研究改進(jìn)。

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Anumerical simulation of storm surge and hydrodynamic response caused by typhoon“Rammasun”

HUANG Pan-yang,YE Yin-can,WEI Yan-ji,LAI Xiang-hua
(Laboratory of Engineering Oceanography，the Second Institute of Oceanography，SOA Hangzhou,Zhejiang,310012 China)

In this paper,a three-dimensional estuarine and coastal hydrodynamic model,coupled astronomical tide and storm surge,is established in coastal area of Zhejiang province.The model is validated by making a numerical simulation of typhoon“Rammasum”and comparing with the results by conventional harmonic analysis.It is shown that the modeled storm surge agrees well with the one from field observation.Further study is made on the local hydrodynamic response to the storm surge.The results show that local current velocity in each depth,with a magnitude of the same order as the astronomic tidal current,increases or decreases rapidly depending on the relationship between wind and current directions.Furthermore,the current pattern gets more complicated under the influence of direction-varying typhoon wind.

storm surge;numerical simulation;coupled;hydrodynamic response

P731

A

1003-0239（2012）02-0032-07

2011-07-25

國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金(2011324);國(guó)家海洋局第二海洋研究所科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(JT0803,JG1020)

黃潘陽(yáng)(1986-)，男，碩士研究生，主要從事海洋工程防災(zāi)減災(zāi)方面研究。E-mail：pomuking@gmail.com