浙江省溫臺海域臺風風暴潮的數值模擬

張月霞，車助鎂，郭敬（.浙江省海洋監測預報中心，浙江杭州30007；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島26600）

浙江省溫臺海域臺風風暴潮的數值模擬

張月霞1,2，車助鎂1，郭敬1
（1.浙江省海洋監測預報中心，浙江杭州310007；2.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100）

摘要：建立溫臺地區高分辨率非結構三角網格（溫臺沿海海域網格分辨率不低于200 m），運用ADCIRC模型,建立了溫臺地區臺風風暴潮數值計算模型。通過實測資料對該模型進行了驗證,結果表明該模型能較好地應用于溫臺地區臺風風暴潮數值模擬。在實際工作中，若輸入的氣象因子是質量較高的預報產品，此模式可以用于風暴潮的預報。

關鍵詞：溫州;臺州;風暴潮;ADCIRC

1　引言

浙江省溫臺地區地處我國東南沿海，東臨廣闊的西北太平洋，是我國易受海洋災害影響的區域之一[1]。由于特殊的地理位置和氣候條件，海洋災害形勢復雜多樣，主要表現為：風暴潮、災害性海浪、赤潮、海上溢油災害。其中，臺風風暴潮災害是對溫臺威脅最大的海洋災害，沿海地區每年6—11月都有可能受臺風風暴潮的影響。新中國建國以來，9417號、9711號、0414號和0608號等特大風暴潮災都在溫臺地區造成嚴重的經濟損失。

溫臺地區是我國人口密集、經濟發達的地區之一。近年來，緊緊圍繞建設海洋經濟強市的目標，加快海洋開發，大力發展海洋經濟，海洋經濟的綜合實力不斷增強。隨著海洋開發利用的進一步開展和海洋經濟的蓬勃發展，沿海地區經濟、社會和環境脆弱性進一步加重，風暴潮災害損失和風險俱增[1]，成為涉海經濟可持續發展的重大威脅。本文開展溫臺地區臺風風暴潮的數值模擬，以期進一步提高臺風風暴潮的預報水平，為海洋防災減災提供技術支撐。

2　模型簡介

ADCIRC（A PARALLEL ADVANCED CIRCULATION MODEL FOR OCEANIC,COASTAL AND ESTUARINE WATERS）模型是由美國北卡羅來納大學的LUETTICH和美國圣母大學的WESTE- RINK教授于1992年研制的基于有限元方法，可以應用于海洋、海岸、河口區域的水動力計算模型。該模型能考慮各種復雜因素和復雜邊界條件的影響，能合理描述受各種復雜動力影響的近岸流場，被美國工程兵部隊（ACE）和美國海軍研究實驗室（NRL）廣泛應用于各個軍港的潮汐、海流和風暴潮預報中，也被NOAA應用于美國東海岸的風暴潮預報及路易斯安那州的風暴潮風險評估系統中，在國內外廣泛應用[2-8]。

2.1控制方程

笛卡爾坐標系下，二維ADCIRC模型采用沿水深積分的時均連續方程和運動方程，表達式為：

式中，t為時間；(x,y )為水平笛卡爾坐標；H=ζ+h為總水深；ζ為從平均海平面起算的自由表面高度；R為地球的半徑；(U,V)為深度平均的海水水平流速；f=2Ωsinφ為科氏參數，Ω為地球的自轉角速度；ρ0為海水密度；ps為海水自由表面的大氣壓強；η為牛頓引潮勢；τsx,τsy為海表面應力；τbx,τby為海底摩擦力；Dx,Dy為動量方程的水平擴散項。有關ADCIRC模型的詳細描述可參看其用戶手冊[9]。

2.2數值方法

為了避免或者是減小伽留金有限元離散出現的數值問題，ADCIRC模型采用通用波動連續性方程（GWCE）來代替原有的連續性方程。GWCE方程的構建需要3步：首先，對深度積分的連續方程進行時間求導；第二步，將對空間求導的深度積分的動量方程代入上一方程；最后，將新得到的連續方程加上原連續方程乘以系數τ0后的連續方程。

并將通用波動連續性方程與動量守恒方程一起作為控制方程，采用有限單元法和有限差分法相結合的辦法來求解。在空間上采用有限單元法，以適應復雜的邊界條件，時間上則采用有限差分法以提高計算速度。采用半隱式法來求解波動連續性方程。

2.3定解條件

模型啟動時，采用冷啟動，認為海洋是靜止的，所有單元上的水位值的初始條件和流場的初始條件均為0，即：ζ=0，u=v=0。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；在外海的開邊界上，指定水位邊界條件為開邊界控制量，其他物理量采用輻射邊界條件。2.4表面風應力系數和底部摩擦系數

表面風應力的計算公式可表示為:

式中，ρa為空氣密度，V→為海面上10 m處的風速，Cd為拖曳系數采用Garratt公式[10]：

Cd=μ×(0.75+0.667×V）（5）

若Cd超過了0.003，則Cd=0.003。

ADCIRC模式中底部應力有3種形式：線性、二次和混合形式?；旌闲问街械啄Σ料禂礐f是變化的，表達式[11]：

式中，Cfmin和Hbreak都是常數，λ,θ也是常數，因此Cf只是H的函數。當H很大，即在遠離近岸的海域時，與線性形式相同；當H和Hbreak同量級，即在靠近陸地的近海區域時，Cf將呈指數增大，這樣可以客觀地、整體地刻畫深海和近海的底摩擦力的實際情況。因此，文中底摩擦項選取了混合形式。

3　模型的建立與驗證

3.1研究區域及網格剖分

為了減少開邊界對模擬結果的影響，本文選取韓國麗水市至廣東汕尾市的半圓形連線為網格外海的開邊界，研究區域包括黃海、渤海的全部海域和大部分的東海海域，見圖1。

為了能把岸線對計算結果的影響降到最低，本文對于浙江省的海岸線數據，采用浙江省“908”專項的海岸線最新調查成果，并進行了細致的修改。同時為了兼顧模式模擬的計算質量和速度，將各個陸地邊界網格計算區域因關心程度不一而采用了可變分辨率的劃分，其中溫臺沿海海域網格分辨率不低于200 m，渤海、黃海和東南部的陸地邊界網格分辨率約為2—10 km，開邊界處網格分辨率約為40 km。最終整個高分辨率非結構網格的計算區域包括了806107個三角形單元，共計414005個節點，近80%的網格分布在浙江沿海，實現了高精度的刻畫，既能夠滿足對重點地物的刻畫，同時又大大縮短了計算時間。

對于水深數據，溫臺以外沿海采用分辨率為2′× 2′的水深數據，溫臺沿海采用浙江省“908”近海專項調查得到的水深資料。

3.2計算結果與驗證

溫臺沿海是遭受風暴潮災害較為嚴重的區域之一，歷史上許多臺風都對其造成了較大的損失。采用已建立的數值模型對影響溫臺地區有代表性的臺風風暴潮過程進行了模擬計算。

本文用來驗證的臺風要素數據來源于《臺風年鑒》，1989年以后更名為《熱帶氣旋年鑒》；潮位數據主要來自于水利部門。

（1）0515號臺風風暴潮過程模擬

0515號臺風“卡努”于2005年9月7日08時在西北太平洋上生成，8日02時加強為強熱帶風暴，9日加強為臺風，10日12時加強為強臺風，之后其強度依然逐漸加強，10日14時加強至中心最低氣壓為945 hPa、中心最大風速為50 m/s，并維持西北的行進方向。于11日14時50分在浙江省臺州市路橋區金清鎮登陸。具體路徑見圖2。受其影響，浙江中部沿海風暴增水高達300 cm左右，其中臺州海門站最大增水達320 cm，最高潮位676 cm。

（2）1323號臺風風暴潮過程模擬

1323號臺風“菲特”于2013年9月30日20時在菲律賓以東洋面生成，1日20時增強為強熱帶風暴，3日08時增強為臺風，7日01時15分在福建省福鼎市沙埕鎮沿海登陸，登陸時臺風中心附近最大風速42 m/s，中心最低氣壓為955 hPa。具體路徑見圖2。

圖1　模式計算區域及水深分布

圖2　模擬計算臺風路徑圖（引自：中國氣象局國家氣候中心網站）

影響期間，浙江省沿海岸段的風暴增水普遍在100 cm以上，此次臺風過程最大增水出現在鰲江站，達到383 cm，實測高潮位522 cm，超過歷史最高潮位18 cm（歷史最高潮位504 cm，出現時間為2002 年9月7日，是由0216號臺風“森拉克”引起）。

采用已建立的數值模型選取對溫臺地區產生重大風暴潮災害的具有代表性的12次臺風風暴潮過程包括進行了數值模擬，限于篇幅原因，本文只例出0515號臺風和1323號臺風期間站點風暴潮計算值和觀測值的比較圖（見圖3、圖4），其中0515號臺風在臺州市路橋區登陸，這類路徑對臺州北部影響較大；1323號臺風在福鼎市沙埕鎮登陸，這類路徑對溫州影響較大。

通過典型臺風風暴潮過程的模擬計算可以看出（見表1）：該臺風風暴潮模式較好地重現了歷次臺風風暴潮的發生過程，模擬值和實測值的平均絕對誤差為12.1 cm，平均相對誤差為5.6%，因此本文所建立的溫臺地區臺風風暴潮模式計算結果是可靠的。

圖3　0515號臺風期間海門站和健跳站風暴潮計算值與觀測值比較

圖4　1323號臺風期間鰲江、瑞安、坎門和海門站風暴潮計算值與觀測值比較

表1　顯著臺風風暴增水過程計算值與實測值的比較

4　結束語

本文采用ADCIRC模型,建立了基于三角網格

的浙江溫臺地區臺風風暴潮數值模式。利用實測資料對該模式進行了驗證，結果表明：該臺風風暴潮模式較好地重現了歷次臺風風暴潮的發生過程，模式結果是可靠的。在實際工作中，若輸入的氣象因子是質量較高的預報產品，此模式可用于風暴潮的預報，同時可為今后進一步的臺風風暴潮業務化應用的研究打下基礎。

參考文獻：

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[10] Garratt J R. Review of drag coefficients over oceans and continents[J]. Monthly Weather Review, 1977, 105(7): 915-929.

[11] Luettich R A, Westerink J J, Scheffner N W. ADCIRC: An advanced three-dimensional circulation model for shelves, coasts, and estuaries, report I: Theory and methodology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL[R]. Washington DC: U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experiment Stations, 1992.

Studies on storm surge model in the Wenzhou-Taizhou coastal area

ZHANG Yue-Xia1,2，CHE Zhu-Mei1，GUO Jing1
（1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266000 China 2. Marine Monitoring and Forecasting Center of Zhejiang, Hangzhou 310007 China）

Abstract：A high resolution unstructured triangular grid is established in Wenzhou and Taizhou (the horizontal resolution is less than 200 m), the ADCIRC (an advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters) is used to set up the storm surge numerical model for Wenzhou and Taizhou. The model is validated by the observed data, and the result shows that the model can be applied to simulate the storm surges in Wenzhou and Taizhou. This model can even be applied to forecast storm surges in Wenzhou and Taizhou if the input meteorological factor is high-quality.

Key words：Wenzhou；Taizhou；storm surge；ADCIRC

作者簡介：張月霞（1982-），博士，工程師，主要從事海洋環境預報、海洋防災減災工作。E-mail: zhangyuex@126.com

基金項目：國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室開放基金（LOMF1303）

收稿日期：2014-03-19

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.003

中圖分類號：P731.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0020-06