臺風移動方向和速度對湛江市沿海風暴潮影響的數值分析

張敏，陳鈺祥,趙雪，馮偉忠

(1.國家海洋局南海預報中心，廣東廣州510310;2.河海大學,江蘇南京210098)

臺風移動方向和速度對湛江市沿海風暴潮影響的數值分析

張敏1，陳鈺祥2,趙雪1，馮偉忠1

(1.國家海洋局南海預報中心，廣東廣州510310;2.河海大學,江蘇南京210098)

基于FVCOM海洋數值模式，模擬了1409號超強臺風“威馬遜”和1415號臺風“海鷗”的風暴潮過程，并通過數值試驗，定量的研究了臺風移動方向和移動速度對湛江市沿海風暴潮的影響，分析了1409號和1415號臺風產生的風暴潮相差較大的原因。結果表明：臺風以180°角（正西向）移動并登陸湛江時，所產生的風暴潮最大，其次是157.5°，當臺風以180°角登陸時，湛江海域的最大風暴潮較臺風以135°登陸時大60—90 cm；臺風移動速度越快，對湛江海域造成的風暴潮越大，兩者呈對數關系，臺風以20 km/h和30 km/h的移速并以180°角登陸湛江時，后者對湛江海域3個站點造成的最大風暴潮較前者大將近100 cm。“海鷗”以接近157.5°的角度和30 km/h的速度登陸湛江，是導致其增水遠大于“威馬遜”的其中兩個重要因素。

湛江；臺風；風暴潮；移動方向；移動速度

1 引言

臺風風暴潮災害是我國華南沿岸較為嚴重的自然災害之一，尤其是雷州半島東岸的湛江市海域，由于其獨特的海岸形態，每當臺風影響時，地形十分有利于風暴潮的發展，往往會造成巨大的風暴潮災害。例如，受8007號強臺風影響，南渡站出現了有史以來的最大風暴潮594 cm[1-3]，這次災害共造成414人死亡，失蹤137人，受傷645人，倒塌房屋121917間，船只沉沒、漂失共計3133艘，直接經濟損失達4億元。2014年的兩場臺風過程，1409號超強臺風“威馬遜”和1415號臺風“海鷗”接連襲擊湛江市，也給湛江市沿海造成了巨大的經濟損失。對湛江市沿海風暴潮過程進行數值研究，分析影響臺風風暴潮增水的可能因素，能有效的為風暴潮預警預報工作提供參考。曾有學者利用歷史資料系統的分析了臺風登陸地點和湛江港增水的關系[4]，本文旨在通過數值試驗，揭示臺風移動方向和移動速度對湛江市沿海風暴潮的影響。

2 模型介紹

2.1 臺風模型

本文使用的臺風氣壓場采用高橋公式[5]和藤田公式[6]，在2R范圍以外，前者更具有代表性，臺風中心至2R范圍內，后者能更好的反映臺風的氣壓變化，故將兩個公式嵌套來計算同一臺風的氣壓場分布：

式中：P（r）為距離臺風中心r距離處的氣壓，P0為臺風中心氣壓，P∞為臺風外圍氣壓（正常氣壓，取1010 hPa），R為最大風速半徑。

本文的風場采用改進的Jelesnians公式，修正公式如下[7]：

式中：W為風速，u、v為臺風移動速度在x、y方向的分量；R為最大風速半徑；r為計算點至臺風中心的距離；Wm為臺風中心最大風速；R7、R10分別為臺風的七級和十級大風半徑；W7、W10分別為七級和十級風速；（xc，yc）為臺風中心坐標，θ為流入角，本文中取為20°。

2.2 風暴潮模型

近年來風暴潮數值計算模式發展迅速[8-9]，本文所使用的風暴潮模型是基于美國麻省大學海洋科技學院陳長勝教授的博士生研究組建立的FVCOM（Finite Volume Coastand Ocean Model）海洋數值模式，該模式水平方向采用無結構三角網格，通過有限體積法進行求解，并結合了干濕網格技術[10]。本文采用二維模型，垂向采用σ坐標系，其二維垂向積分流體運動方程如下：

上劃線“—”表示垂直積分，例如對指定變量ψ，

式中：x、y、z分別表示東，北和深度垂直坐標軸；u、v分別為x、y方向的速度分量；ρ為海水密度；ζ表示水位；H表示水深；D=H+ζ；Pa為大氣壓強；f為科氏參量；g為重力加速度；Am為水平渦動粘性系數；Ah為水平熱量渦度擴散系數；Fu、Fv代表水平動量擴散項。

本文所建立的二維風暴潮模型計算區域包含南海中北部海域，模型網格共有68237個三角形單元，最高空間分辨率約為200m，計算時間步長為10 s。近岸水深采用海圖水深，計算區域和網格水深見圖1。

本文對2014年登陸湛江市徐聞縣的兩場臺風進行模擬，分別是1409號超強臺風“威馬遜”和1415號臺風“海鷗”。1409號超強臺風“威馬遜”于2014年7月12日14時（北京時，下同）在西北太平洋生成，14日發展成臺風，15日加強為強臺風并向西北

移動，16日08時進入南海東部海面，并于18日上午05時加強為超強臺風，于18日15時30分前后在海南省文昌市翁田鎮沿海登陸（中心最大風速60m/s），后于18日19時30分在廣東省湛江市徐聞縣第三次登陸，登陸時為超強臺風級別（55m/s），登陸后強度減弱，于19日07時10分在廣西省防城港市第四次登陸。1415號臺風“海鷗”于2014年9月12日14時在西北太平洋海面生成，于13日17時加強為臺風，于15日02時進入南海東部海面，之后保持穩定的西偏北路徑移動，于16日09時40分前后以臺風級別（40m/s）在海南省文昌市翁田鎮沿海第二次登陸，于16日12時45分在廣東省湛江徐聞縣南部沿海第三次登陸，登陸級別為臺風（40m/s）。登陸湛江之后，強度減弱，于16日23時前后在越南北部廣寧省沿海第四次登陸，登陸級別為臺風。

圖1 風暴潮模型計算區域和網格水深

圖2 1409號超強臺風“威馬遜”和1415號臺風“海鷗”路徑圖

受1415號臺風“海鷗”影響，湛江站、南渡站測

得了歷史第二大風暴增水。對1409號和1415號兩次臺風過程的風暴增水情況進行數值模擬，與實測增水對比結果如圖3和圖4所示，模擬值與實測值相位和大小擬合較好。本文還對歷史上影響湛江沿海較為嚴重的0312號和1117號臺風進行了模擬，并對模擬結果進行誤差分析，如表1所示。本文建立的風暴潮模型能較好的重現出湛江海域風暴潮情況。

1415號臺風“海鷗”與1409號超強臺風“威馬遜”在湛江市的登陸地點相差不大，“海鷗”的強度弱于“威馬遜”，但是造成的增水卻遠大于“威馬遜”。對比兩個臺風過程，“海鷗”云團范圍和風圈較大，且登陸湛江徐聞時沿海潮位處于漲潮時段，有利于風暴增水。除了以上因素之外，它的移動方向和移動速度也與“威馬遜”不同。本文將構造理想臺風，利用數值試驗對臺風移動方向和速度對湛江市海域風暴潮的影響進行定量的研究，分析這兩個因素對湛江沿海風暴潮大小的影響，討論1409號和1415號兩次過程產生的風暴潮差異原因，為今后湛江市沿海風暴潮預警報工作提供參考依據。

圖3 1409號超強臺風“威馬遜”期間湛江和硇洲站增水曲線對比圖

圖4 1415號臺風“海鷗”期間湛江和硇洲站增水曲線對比圖

3 臺風移動方向對湛江市沿海風暴增水影響的數值試驗

為了研究臺風移動方向對湛江海域風暴潮的影響，本文假想了6條平直的臺風路徑，定義正東為0°，逆時針為正，在湛江市徐聞縣選取一個固定的登陸點，使6個臺風分別以90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°的方向登陸，臺風的移動速度均為20 km/h，強度均為臺風級別，中心最大風速40m/s，如圖5所示。

對這六條臺風路徑下湛江市的風暴潮過程進行模擬，模擬的最大增水分布圖如圖6所示，圖7和圖8為各條路徑臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站

產生的風暴潮，可以看出，不同的臺風移動路徑對湛江沿海的風暴潮影響有很大的差異，在90°—180°的移動方向內，臺風造成的最大風暴潮與臺風移動角度成正比，過180°后，造成的最大風暴潮又明顯減小。總體來看，臺風以180°的移動方向登陸徐聞縣，對湛江海域的潮位影響最大，造成的風暴增水最大，其次是157°。南渡站和硇洲站的潮位對臺風移動方向的敏感性較大，臺風以180°登陸時造成的最大風暴潮比135°登陸時，南渡站大83 cm，硇洲站大84 cm。對于湛江站來說，臺風以90°—135°的角度登陸時，對其產生的最大增水相差不大，但是以大于135°的角度登陸時，最大風暴潮則增大明顯，臺風以180°登陸時較135°最大增水大60 cm。

表1 湛江海域4次臺風風暴潮過程模擬與實測結果對比（單位/cm）

表2 不同移動方向臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的最大風暴潮（單位/cm）

圖5 構建的臺風路徑圖（圖中相鄰兩個紅點之間的時間差為5 h）

4 臺風移動速度對湛江市沿海風暴增水影響的數值試驗

為了研究臺風移動速度對湛江市沿海風暴潮的的影響，本文假想了6條以180°角移動的臺風路徑，分別以15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、

35 km/h和40 km/h的速度登陸湛江市徐聞縣，登陸點與上節相同，強度均為臺風級別，中心最大風速40m/s。

圖6 不同移動方向臺風過程產生的最大風暴潮分布（單位/m）

圖7 不同移動方向臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的風暴潮曲線過程

從模擬結果可以看出（見圖9,10），湛江海域最大風暴潮與臺風移動速度呈對數關系，臺風移動的越快，對湛江海域造成的風暴潮越大，這種增大的趨勢隨著移速加大而變緩。臺風以20 km/h和 30 km/h的移速登陸時，后者對湛江海域3個站點造成的最大風暴潮較前者大將近100 cm（見表3）。

圖8 不同移動方向臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的最大風暴潮

圖9 不同移動速度臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的風暴潮曲線過程

圖10 不同移動速度臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的最大風暴潮

表3 不同移動速度臺風影響下湛江站、南渡站、硇洲站產生的最大風暴潮（單位/cm）

5 結論

通過數值試驗可以得出，湛江市沿海風暴潮大小與臺風移動方向和移動速度有密切關系，臺風以180°角登陸湛江徐聞時，所產生的風暴潮最大，其次是157.5°，當臺風以180°角登陸時，湛江海域的最大風暴潮較臺風以135°登陸時大60—90 cm；臺風移動速度越快，對湛江海域造成的風暴潮越大，這種增大的趨勢隨著移速加大而變緩，臺風以20 km/h和30 km/h的移速并都以180°角登陸時，后者對湛江海域三個站點造成的最大風暴潮較前者大將近

100 cm。1415號臺風“海鷗”雖然強度不如1409號超強臺風“威馬遜”，但是其登陸角度接近于157.5°，平均移動速度為30 km/h，而“威馬遜”的登陸角度接近135°，登陸前的平均移動速度為20 km/h，這也是導致2014年“海鷗”造成的風暴潮災害遠大于“威馬遜”的兩個重要因素。在今后針對湛江市沿海的風暴潮預警報工作中，不僅要考慮臺風強度、風圈半徑、登陸地點、天文潮等因素之外，臺風移動方向和速度也是需要加以考慮的重要因素。對于其他影響因素的定量分析，將在后續的工作中開展。

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Numericalanalysisof the im pactsof themoving direction and speed of typhoon on ZhanJiang coastalstorm surge

ZHANGM in1,CHENYu-xiang2,ZHAO Xue1,FENGWei-zhong1
（1.South China Sea Prediction Center,State Oceanic Administration,Guangzhou 510310 China；2.HohaiUniversity,Nanjing 210098 China）

Based on FVCOM ocean numericalmodel,the storm surge of No.1409 super typhoon“Rammasun”and No.1415 typhoon“Kalmaegi”was simulated,and through numericalexperiments,the impacts of themoving direction and speed of typhoon on Zhan Jiang coastalstorm surgewas studied and the causeof the large different storm surge of“Rammasun”and“Kalmaegi”was analyzed.The results showed,when the typhoonmoved and landed on Zhan Jiang at180°angle,the storm surge is the largest,and the second is at157.5°angle.In ZhanJiang sea areas,themaximum storm surge caused by 180°angle landed typhoon willbe greaterby 60-90 cm than that caused by 135°angle landed typhoon.The typhoon move faster,the storm surge in ZhanJiang sea area w ill be larger.There is a logarithm ic relation between the typhoon speed and the maximum storm surge.When the typhoon landed on Zhan Jiang at 180°angle w ith moving speed of 20km/h and 30km/h,the latter w ill cause larger storm surge in Zhan Jiang coastal sea are by nearly 100cm.“Kalmaegi”landed on ZhanJiang w ith nearly 157.5°angle and 30km/h moving speed are two important reasons of all that cause larger storm surge in ZhanJiang coastalseaarea than“Rammasun”.

Zhan Jiang;typhoon;storm surge;moving direction;moving speed

P444

A

1003-0239（2015）05-0045-08

2015-02-09

國家海洋局海洋公益行業項目（201305020）

張敏（1989－），女，碩士，助理工程師，從事海洋環境預報工作。E-mail：zhangminling6688@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.006