基于ADCIRC水動力模型的臺風風暴潮預報模型驗證

劉克強，袁杰穎，陳文召 ，陳永平

（1.太湖流域管理局水利發展研究中心，上海 200434；

2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098）

1 研究背景

臺風是一種具有很強破壞力的海上熱帶氣旋，我國沿海是受臺風侵擾最為頻繁的地區之一［1］。由于臺風復雜的內部結構帶來的強風和低壓造成沿海地區普遍增水，當天文大潮時間與臺風登錄時間十分接近時，很有可能導致近岸地區的水位急速升高，對海岸建筑物和海上航行的船只造成嚴重的安全威脅，形成臺風暴潮災害［2-3］。表1為我國沿海在2010～2015年由臺風風暴潮災害導致的直接經濟損失。為了有效降低臺風暴潮所帶來的損失，亟需開展沿海風暴潮的高精度預報研究。

目前，國內外學者已經對風暴潮數值模擬開展了大量的研究工作，先后構建了多個動力預報模式［4-6］。風暴潮過程的預報結果很大程度受到風暴潮預報模型的影響，地形是否匹配、模型的參數設定是否合理均會影響到風暴潮過程預報的結果，故開展更加高精度的臺風風暴潮模型研究十分必要。

表1 2010～2015年由臺風風暴潮災害導致的經濟損失

為了滿足西北太平洋海域復雜岸線和分辨率的要求，數值模擬采用了目前較為成熟、應用廣泛的ADCIRC水動力模型。該模型的構建是基于有限元的方法，于1992年由美國圣母大學的J.J.Wester?ink和美國北卡羅來納大學的R.A.Luettich共同研制。目前，ADCIRC水動力模型已被廣泛應用于河口、海洋、海岸等區域的潮汐、海流和風暴潮預報中。本文利用該模型構建了一套適用于西北太平洋海域的風暴潮預報模型，并對該模型的合理性進行了基于天文潮和風暴潮預報結果的驗證。

2 風暴潮預報模型簡介

2.1 臺風模型

臺風結構十分復雜，氣壓場、風場伴隨臺風的孕育、發展、成熟和消亡過程不斷變化。目前被廣泛用來描述臺風氣壓場分布的模型有Jelesnianski模型［7-8］、Myers模型、高橋模型和藤田模型等。本文在西北太平洋海域選用的臺風氣壓場模型為Jelesnianski模型，風場模型選用Holland（1980）臺風風場模型。

2.2 ADCIRC風暴潮數值預報模型

2.2.1 模型范圍和網格精度

風暴潮耦合模型的計算區域覆蓋了西北太平洋地區，包括渤海、黃海、東海、南海北部和日本海南部的部分區域。計算區域覆蓋范圍為北緯14°～41°、東經105°～144°，模型采用非結構化三角網格，開邊界處網格分辨率約為1°，岸線區域分辨率較為精細，可達0.1°。網格節點數為12 077，網格數為22 562。地形數據從GEBCO獲得，在前海區域用海圖進行地形修正，再插值到模型網格當中。

模型開邊界有北、東、南3條，采用潮位作為開邊界驅動力。開邊界潮位采用全球潮波模型TPXO7.2進行計算，有M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4、MN4 共13個分潮。在本文選取的海域范圍內，這13個分潮可以充分并且準確地反映該區域潮位變化。

2.3 資料的選取

本文研究的臺風風暴潮預報分析所需的資料包括臺風風場資料以及實測潮位資料。

2.3.1 臺風風場資料

本文所選取的臺風風場資料包括風暴潮模型預熱和運行期間所需要的實測資料。實測資料為福建水利信息網于臺風期間發布的路徑、最大風速和臺風中心氣壓實測值。在風暴潮模型預熱過程中，采用的臺風數據為在起報時刻前約2 d內的中心氣壓、最大風速和路徑實測值。

2.3.2 實測潮位資料

在對潮位進行驗證時，主要考慮的是風暴潮過程中的最高潮位和逐時潮位計算誤差，故需要用到的實測潮位資料為各潮汐測站的最高潮位實測值和逐時潮位實測值。其中，逐時潮位資料的時間間隔取為1 h，而最高潮位出現的時刻不一定是整點，故所選取的時間間隔不一定為1 h，另外，實測資料可能存在某些時刻數據缺失或異常。對數據缺失和異常的情況進行如下說明：

（1）異常或缺失的數據。將明顯異常的數據剔除，對于偶然缺失的數據，通過對預報時刻前后的數據進行線性插值加以補充，不考慮長時間缺失的數據序列。

（2）非整點時刻數據。在對逐時潮位預報誤差進行統計時，不考慮非整點時刻的潮位資料；在對最高潮位預報誤差進行統計時，需要考慮非整點時刻的最高潮位，預報誤差通過預報最高潮位與實測最高潮位計算所得。

2.3.3 逐時潮位誤差統計方法

在對逐時潮位預報誤差進行計算時，取平均絕對誤差作為數據比對的依據。對各個潮汐測站而言，單場風暴潮過程的逐時潮位預報誤差通過對各時刻計算其預報平均絕對誤差得到，公式為

式中，EMA即為所求的逐時潮位預報平均絕對誤差；M為單場風暴潮過程的總預報時刻數；ei為第i個預報時刻的逐時潮位預報絕對誤差，計算公式為

式中，Fi為第i個預報時刻的預報值；Oi為第i個預報時刻對應的實測值。

2.3.4 最高潮位誤差統計方法

在單場風暴潮過程中，用絕對誤差來表示最高潮位的預報誤差。對各潮汐測站而言，每場風暴潮過程中只有一個最高潮位預報值。

3 風暴潮模型驗證

為檢驗西北太平洋海域風暴潮模型的適用性，分別對天文潮和臺風風暴潮進行了驗證。選取近幾年發生的典型臺風風暴潮進行模擬預報，將實測潮位與相應潮汐測站的模型模擬結果進行對比分析，以驗證模型準確度。

3.1 潮位驗證資料

模型驗證分為兩個部分：①無臺風登陸期間的天文潮潮位進行驗證；②以1307號超強臺風“蘇力”、1323號強臺風“菲特”以及1409號超強臺風“威馬遜”為例，計算臺風登陸期間引起的風暴潮潮位變化。通過比較西北太平洋沿岸部分潮汐測站的實測水位過程與模型預報的潮位過程結果，論證模型的正確性。各測站地理位置見表2。

表2 西北太平洋沿岸各潮汐測站地理位置

圖1 2014年6月25～28日各測站天文潮水位過程線

3.2 天文潮潮位驗證結果及分析

首先對無臺風登陸期間的天文潮潮位進行驗證，比較潮位過程曲線的擬合情況、各測站的逐時潮位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6月25日09：00至6月28日08：00。各測站的潮位過程曲線如圖1所示。各測站的模擬水位與實測水位比較結果如表3所示。

由圖1可知，在驗證時段內，模型計算和實測高、低潮位及過程線相位均吻合良好。從表3中可看出，各測站的逐時潮位預報平均絕對誤差均在30 cm以內。通過比較高潮位的相對誤差可以看出，只有崇武站的高潮位相對誤差達到50 cm，其余各測站的高潮位相對誤差均在±20 cm以內，滿足誤差許可范圍±30 cm的要求，說明該模型的擬合度較好。

表3 西北太平洋沿岸各測站天文潮模擬水位與實測水位比較 m

3.3 風暴潮潮位驗證結果及分析

選取1307號超強臺風“蘇力”、1323號強臺風“菲特”以及1409號超強臺風“威馬遜”進行臺風風暴潮數值模擬驗證計算。在3場臺風期間，各測站的模擬水位與實測水位對比結果分別見表4～6。

表4 臺風“蘇力”期間各測站風暴潮模擬水位與實測水位比較 m

3.3.1 1307號臺風“蘇力”

1307號超強臺風“蘇力”于2013年7月8日08：00在中國臺灣省臺北市東偏南大約2 500 km的西北太平洋洋面上生成；7月9日02：00形成強熱帶風暴，08：00加強為臺風，17：00升級為強臺風；7月10日再次加強為超強臺風；7月11日開始逐漸減弱；7月13日03：00在臺灣省新北市與宜蘭縣交界處登陸，并于同日16：00在福建省連江縣黃岐半島沿海再次登陸。“蘇力”具有強度發展快、風力強、直接正面登陸、降雨強度大、影響范圍廣以及風、雨、潮“三碰頭”的特點，造成登陸影響區域風暴增水多、巨浪狂浪高、降雨強度大。

表5 臺風“菲特”期間各測站風暴潮模擬水位與實測水位比較 m

表6 臺風“威馬遜”期間各測站風暴潮模擬水位與實測水位比較 m

2013年7月11～14日臺風“蘇力”期間，西北太平洋沿岸8個測站的潮位過程驗證曲線見圖2。由圖可見，計算和實測的高、低潮位及過程線相位吻合度較好，其中崇武站的計算潮差相比于實際潮差偏差較大，這可能是由于大尺度下繪制臺灣海峽區域潮波傳播及變形的不夠準確所致，但參與統計的潮汐測站的逐時潮位預報平均絕對誤差和高潮位的相對誤差均在30 cm以內。整體上該模型的構建及各個參數設定比較合理，該模型可以用于下一階段對臺風風暴潮的預報。

3.3.2 1323號臺風“菲特”

1323號強臺風“菲特”于2013年9月30日20：00在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成；10月1日17：00加強為強熱帶風暴；10月3日凌晨加強為臺風；4日下午再次加強為強臺風；于7日01：15在福建省福鼎市沙埕鎮沿海登陸，登陸后臺風強度迅速減弱，于09：00在福建省建甌市內減弱為熱帶低壓，停止編號。“菲特”具有移速穩定、路徑西折、發展穩定、強度逐漸增強、登陸后消亡快、風大雨強、影響范圍廣等特點。

圖2 2013年7月11～14日臺風“蘇力”期間各測站水位過程線

2013年10月4～7日臺風“菲特”期間，西北太平洋沿岸8個測站的潮位過程驗證曲線見圖3。由圖可知，模擬計算和實測的高、低潮位及過程線相位吻合度良好。各測站的逐時潮位預報平均絕對誤差均在30 cm以內，除崇武站的高潮位誤差達到46 cm以外，其余7個測站的高潮位誤差均保持在30 cm以內。鰲江站低潮位的模擬計算值偏低，造成這一現象的原因可能是由于模型尺度較大，無法較好地模擬近岸波浪破碎所造成的增水，但高潮位擬合較好，相對誤差僅15 cm。本文研究側重于高潮位的準確度，故鰲江站的模擬計算結果符合要求。總體上，臺風“菲特”期間潮位預報結果較為準確。

圖3 2013年10月4～7日臺風“菲特”期間各測站水位過程線

3.3.3 1409號臺風“威馬遜”

1409號超強臺風“威馬遜”于2014年7月12日14：00在西北太平洋洋面上生成；15日18：20在菲律賓中部登陸；16日上午進入南海海面；17日17：00加強為強臺風，19：00加強為超強臺風；18日15：30在海南省文昌市翁田鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力為17級（60 m/s），中心最低氣壓為910 hPa；18日19：30在廣東省徐聞縣龍塘鎮沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力為17級（60 m/s），中心最低氣壓910 hPa；19日07：10，在廣西防城港市光坡鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力15級（48 m/s），中心最低氣壓950 hPa；19日09：00減弱為臺風，15：00減弱為強熱帶風暴，18：00減弱為熱帶風暴；于20日08：00停止編號。“威馬遜”是自1973年以來登陸華南地區最強的臺風，具有風力大、降雨強等特點。

圖4 2014年7月15～18日臺風“威馬遜”期間各測站水位過程線

2014年7月15～18日臺風“威馬遜”期間，西北太平洋沿岸8個測站的潮位過程驗證曲線見圖4。從圖中可以看出，模擬計算和實測的高、低潮位及過程線相位均十分吻合，8個測站的逐時潮位預報平均絕對誤差和高潮位相對誤差均在允許范圍的30 cm以內。在對臺風風暴潮過程預報期間，距離臺風中心最近的測站為湛江站，該測站的風暴潮預報最大值受臺風參數預報精度的影響應該最大，而該測站的高潮位擬合良好，說明此處地形對臺風風暴潮近岸產生的增水效應較好。該模型的構建符合海域要求，各個參數的設定比較合理，可以用于下一階段對臺風風暴潮的預報。

以上驗證結果表明：①各測站的逐時潮位預報平均絕對誤差均在30 cm以內，風暴潮模型計算的高潮位與實測高潮位的相對誤差也基本集中在±30 cm的范圍內；②臺風“菲特”期間，崇武站的計算高水位與實測高水位的相對誤差達到46 cm，這可能是因為崇武測站受附近臺灣島嶼的影響，而大尺度模型中對較為精細的、尺度較小的群島刻畫不夠精確，無法準確反映群島對潮波的削減作用。在綜合多個測站的對比結果后，表明該模型滿足站點潮位驗證要求。

4 結論

利用ADCIRC水動力模型構建了一套適用于西北太平洋海域的風暴潮預報模型，分別計算了無臺風登陸時的天文潮潮位和臺風登陸期間的風暴潮潮位。①通過對比實測潮位和模型計算潮位可以發現，兩者數值基本一致，高潮位擬合的吻合度很高。②無論是在天文潮期間還是風暴潮期間，各測站的逐時潮位預報平均絕對誤差均在30 cm以內。③在對天文潮進行驗證時，僅有崇武站的高潮位相對誤差達到50 cm，其余各測站的高潮位相對誤差均在±20 cm以內，滿足誤差許可范圍；④在對風暴潮過程進行驗證時，臺風“菲特”期間崇武站的計算高水位與實測高水位的相對誤差達到46 cm，其余臺風期間的風暴潮潮位過程驗證均滿足要求。綜合以上結果，說明基于ADCIRC水動力模型構建的臺風風暴潮預報模型是合理的，可以用于我國沿海的臺風風暴潮預報。