浙江省溫臺(tái)海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬

張?jiān)孪?，?chē)助鎂，郭敬（.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江杭州30007；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島26600）

浙江省溫臺(tái)海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬

張?jiān)孪?,2，車(chē)助鎂1，郭敬1
（1.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江杭州310007；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

摘要：建立溫臺(tái)地區(qū)高分辨率非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格（溫臺(tái)沿海海域網(wǎng)格分辨率不低于200 m），運(yùn)用ADCIRC模型,建立了溫臺(tái)地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值計(jì)算模型。通過(guò)實(shí)測(cè)資料對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明該模型能較好地應(yīng)用于溫臺(tái)地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬。在實(shí)際工作中，若輸入的氣象因子是質(zhì)量較高的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，此模式可以用于風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞：溫州;臺(tái)州;風(fēng)暴潮;ADCIRC

1　引言

浙江省溫臺(tái)地區(qū)地處我國(guó)東南沿海，東臨廣闊的西北太平洋，是我國(guó)易受海洋災(zāi)害影響的區(qū)域之一[1]。由于特殊的地理位置和氣候條件，海洋災(zāi)害形勢(shì)復(fù)雜多樣，主要表現(xiàn)為：風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪、赤潮、海上溢油災(zāi)害。其中，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害是對(duì)溫臺(tái)威脅最大的海洋災(zāi)害，沿海地區(qū)每年6—11月都有可能受臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的影響。新中國(guó)建國(guó)以來(lái)，9417號(hào)、9711號(hào)、0414號(hào)和0608號(hào)等特大風(fēng)暴潮災(zāi)都在溫臺(tái)地區(qū)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

溫臺(tái)地區(qū)是我國(guó)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。近年來(lái)，緊緊圍繞建設(shè)海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市的目標(biāo)，加快海洋開(kāi)發(fā)，大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，海洋經(jīng)濟(jì)的綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)。隨著海洋開(kāi)發(fā)利用的進(jìn)一步開(kāi)展和海洋經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境脆弱性進(jìn)一步加重，風(fēng)暴潮災(zāi)害損失和風(fēng)險(xiǎn)俱增[1]，成為涉海經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大威脅。本文開(kāi)展溫臺(tái)地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬，以期進(jìn)一步提高臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)水平，為海洋防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

2　模型簡(jiǎn)介

ADCIRC（A PARALLEL ADVANCED CIRCULATION MODEL FOR OCEANIC,COASTAL AND ESTUARINE WATERS）模型是由美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的LUETTICH和美國(guó)圣母大學(xué)的WESTE- RINK教授于1992年研制的基于有限元方法，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的水動(dòng)力計(jì)算模型。該模型能考慮各種復(fù)雜因素和復(fù)雜邊界條件的影響，能合理描述受各種復(fù)雜動(dòng)力影響的近岸流場(chǎng)，被美國(guó)工程兵部隊(duì)（ACE）和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）廣泛應(yīng)用于各個(gè)軍港的潮汐、海流和風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)中，也被NOAA應(yīng)用于美國(guó)東海岸的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)及路易斯安那州的風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)中，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[2-8]。

2.1控制方程

笛卡爾坐標(biāo)系下，二維ADCIRC模型采用沿水深積分的時(shí)均連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程，表達(dá)式為：

式中，t為時(shí)間；(x,y )為水平笛卡爾坐標(biāo)；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(shù)，Ω為地球的自轉(zhuǎn)角速度；ρ0為海水密度；ps為海水自由表面的大氣壓強(qiáng)；η為牛頓引潮勢(shì)；τsx,τsy為海表面應(yīng)力；τbx,τby為海底摩擦力；Dx,Dy為動(dòng)量方程的水平擴(kuò)散項(xiàng)。有關(guān)ADCIRC模型的詳細(xì)描述可參看其用戶(hù)手冊(cè)[9]。

2.2數(shù)值方法

為了避免或者是減小伽留金有限元離散出現(xiàn)的數(shù)值問(wèn)題，ADCIRC模型采用通用波動(dòng)連續(xù)性方程（GWCE）來(lái)代替原有的連續(xù)性方程。GWCE方程的構(gòu)建需要3步：首先，對(duì)深度積分的連續(xù)方程進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)；第二步，將對(duì)空間求導(dǎo)的深度積分的動(dòng)量方程代入上一方程；最后，將新得到的連續(xù)方程加上原連續(xù)方程乘以系數(shù)τ0后的連續(xù)方程。

并將通用波動(dòng)連續(xù)性方程與動(dòng)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(jié)合的辦法來(lái)求解。在空間上采用有限單元法，以適應(yīng)復(fù)雜的邊界條件，時(shí)間上則采用有限差分法以提高計(jì)算速度。采用半隱式法來(lái)求解波動(dòng)連續(xù)性方程。

2.3定解條件

模型啟動(dòng)時(shí)，采用冷啟動(dòng)，認(rèn)為海洋是靜止的，所有單元上的水位值的初始條件和流場(chǎng)的初始條件均為0，即：ζ=0，u=v=0。對(duì)于陸地、島嶼等陸邊界，在邊界上滿(mǎn)足不可入射條件，即取法向流速為零，Vn=0；在外海的開(kāi)邊界上，指定水位邊界條件為開(kāi)邊界控制量，其他物理量采用輻射邊界條件。2.4表面風(fēng)應(yīng)力系數(shù)和底部摩擦系數(shù)

表面風(fēng)應(yīng)力的計(jì)算公式可表示為:

式中，ρa(bǔ)為空氣密度，V→為海面上10 m處的風(fēng)速，Cd為拖曳系數(shù)采用Garratt公式[10]：

Cd=μ×(0.75+0.667×V）（5）

若Cd超過(guò)了0.003，則Cd=0.003。

ADCIRC模式中底部應(yīng)力有3種形式：線(xiàn)性、二次和混合形式?；旌闲问街械啄Σ料禂?shù)Cf是變化的，表達(dá)式[11]：

式中，Cfmin和Hbreak都是常數(shù)，λ,θ也是常數(shù)，因此Cf只是H的函數(shù)。當(dāng)H很大，即在遠(yuǎn)離近岸的海域時(shí)，與線(xiàn)性形式相同；當(dāng)H和Hbreak同量級(jí)，即在靠近陸地的近海區(qū)域時(shí)，Cf將呈指數(shù)增大，這樣可以客觀(guān)地、整體地刻畫(huà)深海和近海的底摩擦力的實(shí)際情況。因此，文中底摩擦項(xiàng)選取了混合形式。

3　模型的建立與驗(yàn)證

3.1研究區(qū)域及網(wǎng)格剖分

為了減少開(kāi)邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，本文選取韓國(guó)麗水市至廣東汕尾市的半圓形連線(xiàn)為網(wǎng)格外海的開(kāi)邊界，研究區(qū)域包括黃海、渤海的全部海域和大部分的東海海域，見(jiàn)圖1。

為了能把岸線(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響降到最低，本文對(duì)于浙江省的海岸線(xiàn)數(shù)據(jù)，采用浙江省“908”專(zhuān)項(xiàng)的海岸線(xiàn)最新調(diào)查成果，并進(jìn)行了細(xì)致的修改。同時(shí)為了兼顧模式模擬的計(jì)算質(zhì)量和速度，將各個(gè)陸地邊界網(wǎng)格計(jì)算區(qū)域因關(guān)心程度不一而采用了可變分辨率的劃分，其中溫臺(tái)沿海海域網(wǎng)格分辨率不低于200 m，渤海、黃海和東南部的陸地邊界網(wǎng)格分辨率約為2—10 km，開(kāi)邊界處網(wǎng)格分辨率約為40 km。最終整個(gè)高分辨率非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計(jì)算區(qū)域包括了806107個(gè)三角形單元，共計(jì)414005個(gè)節(jié)點(diǎn)，近80%的網(wǎng)格分布在浙江沿海，實(shí)現(xiàn)了高精度的刻畫(huà)，既能夠滿(mǎn)足對(duì)重點(diǎn)地物的刻畫(huà)，同時(shí)又大大縮短了計(jì)算時(shí)間。

對(duì)于水深數(shù)據(jù)，溫臺(tái)以外沿海采用分辨率為2′× 2′的水深數(shù)據(jù)，溫臺(tái)沿海采用浙江省“908”近海專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查得到的水深資料。

3.2計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

溫臺(tái)沿海是遭受風(fēng)暴潮災(zāi)害較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，歷史上許多臺(tái)風(fēng)都對(duì)其造成了較大的損失。采用已建立的數(shù)值模型對(duì)影響溫臺(tái)地區(qū)有代表性的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。

本文用來(lái)驗(yàn)證的臺(tái)風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于《臺(tái)風(fēng)年鑒》，1989年以后更名為《熱帶氣旋年鑒》；潮位數(shù)據(jù)主要來(lái)自于水利部門(mén)。

（1）0515號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程模擬

0515號(hào)臺(tái)風(fēng)“卡努”于2005年9月7日08時(shí)在西北太平洋上生成，8日02時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，9日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，10日12時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，之后其強(qiáng)度依然逐漸加強(qiáng)，10日14時(shí)加強(qiáng)至中心最低氣壓為945 hPa、中心最大風(fēng)速為50 m/s，并維持西北的行進(jìn)方向。于11日14時(shí)50分在浙江省臺(tái)州市路橋區(qū)金清鎮(zhèn)登陸。具體路徑見(jiàn)圖2。受其影響，浙江中部沿海風(fēng)暴增水高達(dá)300 cm左右，其中臺(tái)州海門(mén)站最大增水達(dá)320 cm，最高潮位676 cm。

（2）1323號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程模擬

1323號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”于2013年9月30日20時(shí)在菲律賓以東洋面生成，1日20時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，3日08時(shí)增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，7日01時(shí)15分在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速42 m/s，中心最低氣壓為955 hPa。具體路徑見(jiàn)圖2。

圖1　模式計(jì)算區(qū)域及水深分布

圖2　模擬計(jì)算臺(tái)風(fēng)路徑圖（引自：中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心網(wǎng)站）

影響期間，浙江省沿海岸段的風(fēng)暴增水普遍在100 cm以上，此次臺(tái)風(fēng)過(guò)程最大增水出現(xiàn)在鰲江站，達(dá)到383 cm，實(shí)測(cè)高潮位522 cm，超過(guò)歷史最高潮位18 cm（歷史最高潮位504 cm，出現(xiàn)時(shí)間為2002 年9月7日，是由0216號(hào)臺(tái)風(fēng)“森拉克”引起）。

采用已建立的數(shù)值模型選取對(duì)溫臺(tái)地區(qū)產(chǎn)生重大風(fēng)暴潮災(zāi)害的具有代表性的12次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程包括進(jìn)行了數(shù)值模擬，限于篇幅原因，本文只例出0515號(hào)臺(tái)風(fēng)和1323號(hào)臺(tái)風(fēng)期間站點(diǎn)風(fēng)暴潮計(jì)算值和觀(guān)測(cè)值的比較圖（見(jiàn)圖3、圖4），其中0515號(hào)臺(tái)風(fēng)在臺(tái)州市路橋區(qū)登陸，這類(lèi)路徑對(duì)臺(tái)州北部影響較大；1323號(hào)臺(tái)風(fēng)在福鼎市沙埕鎮(zhèn)登陸，這類(lèi)路徑對(duì)溫州影響較大。

通過(guò)典型臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程的模擬計(jì)算可以看出（見(jiàn)表1）：該臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模式較好地重現(xiàn)了歷次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的發(fā)生過(guò)程，模擬值和實(shí)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差為12.1 cm，平均相對(duì)誤差為5.6%，因此本文所建立的溫臺(tái)地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模式計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖3　0515號(hào)臺(tái)風(fēng)期間海門(mén)站和健跳站風(fēng)暴潮計(jì)算值與觀(guān)測(cè)值比較

圖4　1323號(hào)臺(tái)風(fēng)期間鰲江、瑞安、坎門(mén)和海門(mén)站風(fēng)暴潮計(jì)算值與觀(guān)測(cè)值比較

表1　顯著臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水過(guò)程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

4　結(jié)束語(yǔ)

本文采用ADCIRC模型,建立了基于三角網(wǎng)格

的浙江溫臺(tái)地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模式。利用實(shí)測(cè)資料對(duì)該模式進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模式較好地重現(xiàn)了歷次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的發(fā)生過(guò)程，模式結(jié)果是可靠的。在實(shí)際工作中，若輸入的氣象因子是質(zhì)量較高的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，此模式可用于風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)，同時(shí)可為今后進(jìn)一步的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)化應(yīng)用的研究打下基礎(chǔ)。

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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(jiǎn)介：張?jiān)孪迹?982-），博士，工程師，主要從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋防災(zāi)減災(zāi)工作。E-mail: zhangyuex@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(lèi)號(hào)：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0020-06