颶風“桑迪”登陸期間紐約長島附近海域風暴潮數值模擬

任成才，沈瑞杰，屠澤杰，宿殿鵬，陽凡林

(1.山東科技大學 測繪與空間信息學院，山東 青島 266590； 2.自然資源部 海洋測繪重點實驗室，山東 青島 266590)

風暴潮指由強烈大氣擾動，如熱帶氣旋(臺風、颶風)、溫帶氣旋(寒潮)等引起的海面異常升降現象[1]。21世紀以來，伴隨著紐約人口和經濟的快速增長以及全球海平面的上升，颶風(如“IRENE”、“SANDY”和“FAY”)引起的風暴潮在該地區造成的損失日益嚴重[2]。美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)根據驗潮站監測水位對紐約附近風暴潮洪水淹沒情況進行了統計和預測，當水位超過平均低-低潮位(mean lower-low water，MLLW)2.977 m時會出現洪水，2000年共有5天出現了洪水淹沒現象，2020年增加到13天，預計2050年產生洪水的天數將增加至40～110天。因此，建立精細化風暴潮數值模型對該地區風暴潮的預報預警、河口規劃和防災減災等具有重要現實意義。

目前，基于數值模擬建立高精度風暴潮模型依然是研究風暴潮最有效的手段，常用的數值模擬系統有：風暴潮業務預報模式(sea, lake and over land surges from hurricanes，SLOSH)[3]，海洋、沿海和河口水域的先進環流模式(an advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters，ADCRIC)[4]，有限體積海岸和海洋模型(finite volume coast and ocean model，FVCOM )[5-6]、MIKE[7]等。通過歷史數據分析，美國國家颶風中心(National Hurricane Center，NHC)列出了影響風暴潮增水的幾個因素，包括颶風強度、表面壓力、前進速度、路徑、登陸時的位置和角度以及附近海域的水深等。國內外許多學者對上述因素進行了研究，Du等[8]利用同化風壓模式和ADCIRC+SWAN(simulating wave nearshore)[9]模型，建立了浙江沿海風暴潮模擬系統，并用該系統研究了23條新建臺風路徑對溫州市風暴潮的敏感性，發現風暴潮最大增水往往發生在最大風速半徑處。韓樹宗等[10]基于FVCOM模式對杭州灣附近海域進行了風暴潮模擬，分析了1995—2010年間16個臺風登陸期間該區域增水變化情況，結果表明，颶風以不同的方向登陸時作用效果不同。另外，海岸線的形狀對風暴潮增水也會產生顯著影響，當颶風在向內彎曲的凹形海岸線(如佛羅里達州的阿巴拉契灣)登陸時，風暴潮增水更高；相反，在向外彎曲的凸形海岸線(如北卡羅來納州的外河岸)登陸時，風暴潮增水更低[11-12]。

圖1 實驗區域及驗潮站位置

為分析紐約長島海峽的特殊地形和不同颶風路徑對風暴潮增水的影響，本研究通過Holland[13]颶風模型與MIKE21FM(Flow Model)水動力模型的耦合，構建了紐約長島及其周圍海域的風暴潮模型。并從風暴潮預警等級出發，對比分析水位對歷史颶風的響應，從而定性評估不同颶風路徑的風暴潮危害。

1 實驗區域及數據來源

實驗區域位于北美東海岸邊，包括紐約長島及其附近海域(39.5°～42°N，70°～74.5°W)。長島北面與海岸間隔著長島海峽，南面和東面則是北大西洋海域。沿岸從西至東分布有4個驗潮站(圖1)，水位數據源于美國國家海洋和大氣管理局。圖2展示了在颶風到來之前(10月17日—27日)4個驗潮站同期水位變化情況，可以看出正常情況下長島海峽西側的水位明顯高于東側。

圖2 正常情況下各驗潮站的水位變化

美國國家環境信息中心(National Centers for Environmental Information, NCEI)提供的GEODAS-NG軟件可提取較精細的岸線數據，模型的水深數據[14]源于NOAA提供的ETOPO1全球水深模型(1′×1′)。為了使模擬結果更加準確，融合了歐洲中期天氣預報中心(European centre for medium-range weather forecasts,ECMWF)提供的降水數據集(15′×15′)。開邊界水位由FES2014(finite element solution)潮汐模型中的8個分潮組合水位驅動。颶風風場資料(包括颶風位置、風速、中心氣壓、最大風速半徑等信息)由IBTrACS(international best track archive for climate steward ship)數據集提供，該數據集將多個單位和個人的風暴數據合并到一個產品中，形成全球最完整的熱帶歷史氣旋數據集，并將數據存檔供公眾使用。

圖3 風暴潮模型構建流程圖

2 模型構建方法

在風暴潮登陸過程中，海面的總水位由天文潮和風暴增水(颶風因素強迫)兩部分組成。首先，采用Holland經驗氣旋模型構建實驗區域的風場模型；然后根據水深數據和岸線數據生成區域水深模型；最后，將得到的水深模型和風場模型輸入MIKE21 Flow模型中，并設置邊界條件及模型參數，從而構建風暴潮模型，具體技術路線如圖3所示。

在構建風場模型時，首先根據Young等[15]提出的熱帶氣旋數值預測模型，計算距離氣旋中心r處的颶風梯度風速Vg：

(1)

(2)

式中，Vmax為最大風速，RMW為最大風速半徑。

壓力p由Holland[13]模型給出的公式計算：

(3)

式中：r表示到颶風中心的距離，p(r)表示距離颶風中心r處的壓力，pc為颶風中心處的壓力，pn為颶風風場邊緣區域的壓力(或中性壓力)，B為確定颶風氣壓剖面和風速剖面的關系的參數。

B參數與颶風的中心氣壓、外圍氣壓、最大風速半徑甚至颶風路徑均有關系。林偉等[16]研究了多種B參數計算方法對風場模擬結果的影響，總結了不同海域B參數的計算公式，本研究采用式(4)計算該參數。

B=1.881-0.005 57RMW-0.010 97ψ。

(4)

其中，ψ為颶風所在位置的緯度。將颶風參數輸入Holland模型后，即可生成颶風風場。

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3 風暴潮模型的構建與率定

結合岸線數據在實驗區域生成非結構化三角網格，并在沿岸進行加密，然后將水深數據內插到網格中生成實驗區域的水深模型，如圖4所示。

在進行后續的實驗之前，首先應對模型進行率定。為此，使用歷史颶風“桑迪”(1級)來模擬水位變化。颶風“桑迪”形成于加勒比海西南部并在平行于美國東南部海岸向東北方向移動時獲得加強[17]，同時異常的天氣條件使得風暴向西轉向，最終于2012年10月29日23:30在新澤西州登陸，最大持續地表風速達6 m/s，最大風速半徑可達150 km，在新澤西州和紐約州海岸引起了高強度風暴潮。在率定時，以沿岸驗潮站實測水位為基準，通過不斷調節模型參數，以達到模擬水位與實測水位的最佳匹配效果。最終，模型的Smagorinsky常數設置為0.28，河床糙率值(曼寧系數)設置為35 m1/3/s，邊界初始水位流速均為0，模型開邊界水位通過8個主要天文分潮(K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2)調和分析獲得。

圖4 實驗區域水深模型

率定結果表明(圖5)，實驗區域西側驗潮站處模擬水位與實測水位基本吻合，相比之下，東側驗潮站處的模擬水位在高低潮處存在一定偏差，同時對比圖5中未受風暴潮影響的水位(水位的預報值)可以看出，在颶風登陸過程中，4個驗潮站均出現了明顯的增水。表1對4個驗潮站風暴潮模擬結果進行了更為精細的精度評估。從表1中可以看出模擬最大風暴潮的絕對誤差和相對誤差均較小，絕對誤差和相對誤差最大值均發生在Kings Point站，分別為0.23 m和5.01%。另外，模擬最大風暴潮與實際觀測值之間存在一定的相位誤差，最大相位誤差發生在Woods Hole站，比實測值晚了近3 h。從計算結果可以看出，模擬風暴潮的均方根誤差整體較小，且誤差很大程度上是由相位誤差引起的。Woods Hole站風暴潮模擬值與實測值的相關性最低，相關系數為0.87(大于0.8即可認為具有強相關性)，可能是由于IBTrACS數據集在颶風消散時的參數精度不高所致。整體而言，構建的風暴潮模型參數可以準確模擬颶風期間的水位變化情況。

圖5 “桑迪”颶風登陸期間模擬水位與實測水位對比

表1 風暴潮模擬結果精度評估

圖6 颶風桑迪登陸期間各驗潮站處增水值變化

4 結果與討論

4.1 長島海峽增水時空變化規律

為深入分析颶風“桑迪”登陸過程中長島海峽特殊地形對風暴潮增水分布的影響，從風暴潮模型得到的模擬水位中去除水位預報值，得到僅由颶風引發的增水數據。圖6和圖7分別顯示了颶風登陸期間不同驗潮站增水值變化情況以及颶風登陸時刻實驗區域增水分布情況?？梢钥闯?，在颶風登陸前后，長島海峽西側區域的增水始終高于東側。不同驗潮站最大增水時刻相近，均在颶風登陸約1 h后，但增水最大值相差較大，且最大值由東往西遞增，最大增水發生在Kings Point站，為2.71 m。圖8是最大增水時刻實驗區域內的風場分布情況，從圖8中可以看出，在颶風登陸時測區內主要為東南向岸風，持續的強風將海水吹向海峽西側，同時由于長島海峽兩側通道口東寬西窄的特征，西側短時間內水流量小，致使海水迅速累積，最終形成較高水位。紐約長島東部和南部海域距離岸邊較遠，颶風引起的最大增水在0.5 m左右，所受影響較小。

圖7 颶風登陸時刻實驗區增水值大小分布

4.2 不同颶風路徑下的水位預警

為探究颶風不同路徑可能對長島造成的災害，將10月29日18時之后(18時之后颶風對實驗區域內水位的影響較為強烈)的原始路徑每隔10°順時針旋轉一次從而得到4條不同的颶風路徑，如圖9所示。實驗中，只改變颶風的移動軌跡，最大風速、最大風速半徑、中心氣壓等其他參數保持不變[18]。

美國國家氣象局(National Weather Service，NWS)按照不同淹沒程度和范圍設定了低、中、高三種等級的水位警戒線。圖10顯示了4個驗潮站不同路徑下的水位值，可以看出颶風以不同路徑登陸時，水位最高點發生的時間沒有明顯變化，但對水位值的大小有較為明顯的影響。觀察各驗潮站的水位變化可以看出，颶風由西側登陸時各驗潮站水位明顯較高，在Kings Point和New Haven站，水位最高點超過高級水位預警線，而颶風由東側登陸時水位值不會超過高級水位預警線。相比之下，長島海峽東側Woods Hole站在不同路徑颶風登陸期間水位均不會超過警戒線。

圖8 實驗區最大增水時刻風場分布

圖9 不同路徑下颶風移動示意圖

值得注意的是，由于潮汐現象，增水時長并不連續。從圖10中可以看出，在10月28日3時和15時左右，長島海峽內水位兩次躍過低級水位預警線，持續時間約為2～3 h，均發生在高潮時，隨后由于受落潮的影響，水位持續下降，主要是由于該段時間內颶風距離實驗區域較遠，水位變化仍主要受潮汐的影響。而10月29日23時起(即颶風登陸后)，水位出現了明顯的上升，超過低級水位預警線的持續時間增加到7～8 h，該段時間內颶風對水位的變化起主導作用。

圖11顯示了各實驗區域發生低級和高級風暴潮淹沒時颶風位置。當颶風移動至橙色軌跡和區域時，沿岸水位會超過低級水位預警線，淹沒深度0.3～0.6 m。當颶風位于紅色區域時將超過高級水位預警線，此時淹沒深度將達0.9 m以上。因此，颶風到達不同的“淹

圖10 颶風不同移動路徑下的水位變化

沒預警區域”(圖11中的紅色和橙色區域)時，會在沿岸造成不同程度的洪水災害。之后，颶風將以不同方向登陸長島，東部沿岸率先產生洪水，且淹沒持續時間較長，但水位不會超過高級水位預警線，而西部區域洪水持續時間雖短，但淹沒情況更為嚴重。另外，對于實驗區域內同一位置，颶風由西側登陸時，洪水到來時間會更早且持續時間也更長，颶風由東側登陸時，情況正好相反。

圖11 不同水位警戒等級下颶風所處位置

5 結論

本研究利用MIKE21水動力模型實現了紐約長島地區的風暴潮數值模擬，通過兩組對比實驗，得到以下結論：

1) 颶風“桑迪”登陸期間長島海峽西側增水始終高于東側，表明海峽地形對海水流動起著重要作用，是影響風暴潮增水分布的關鍵因素。

2) 颶風由長島西部登陸時在長島海峽內引起的增水較高，水位將超過高級水位預警線，在沿岸造成嚴重的淹沒現象，而由東部登陸時對風暴潮增水影響較小，只會引發輕微洪水。

3) 長島海峽西側容易產生潮水淹沒現象。通過風暴潮數值模擬，計算得到紐約沿岸不同等級潮水淹沒發生的時間，進而劃分出不同路徑颶風的“淹沒預警區域”，實現沿岸不同位置風暴潮預警，為人口和物資的轉移提供依據。