臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮影響的數(shù)值分析

張敏，陳鈺祥,趙雪，馮偉忠

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

臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮影響的數(shù)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(yù)報(bào)中心，廣東廣州510310;2.河海大學(xué),江蘇南京210098)

基于FVCOM海洋數(shù)值模式，模擬了1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”和1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”的風(fēng)暴潮過程，并通過數(shù)值試驗(yàn)，定量的研究了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和移動(dòng)速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮的影響，分析了1409號(hào)和1415號(hào)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮相差較大的原因。結(jié)果表明：臺(tái)風(fēng)以180°角（正西向）移動(dòng)并登陸湛江時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)暴潮最大，其次是157.5°，當(dāng)臺(tái)風(fēng)以180°角登陸時(shí)，湛江海域的最大風(fēng)暴潮較臺(tái)風(fēng)以135°登陸時(shí)大60—90 cm；臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，對(duì)湛江海域造成的風(fēng)暴潮越大，兩者呈對(duì)數(shù)關(guān)系，臺(tái)風(fēng)以20 km/h和30 km/h的移速并以180°角登陸湛江時(shí)，后者對(duì)湛江海域3個(gè)站點(diǎn)造成的最大風(fēng)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(dǎo)致其增水遠(yuǎn)大于“威馬遜”的其中兩個(gè)重要因素。

湛江；臺(tái)風(fēng)；風(fēng)暴潮；移動(dòng)方向；移動(dòng)速度

1 引言

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害是我國華南沿岸較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，尤其是雷州半島東岸的湛江市海域，由于其獨(dú)特的海岸形態(tài)，每當(dāng)臺(tái)風(fēng)影響時(shí)，地形十分有利于風(fēng)暴潮的發(fā)展，往往會(huì)造成巨大的風(fēng)暴潮災(zāi)害。例如，受8007號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響，南渡站出現(xiàn)了有史以來的最大風(fēng)暴潮594 cm[1-3]，這次災(zāi)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(jì)3133艘，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4億元。2014年的兩場臺(tái)風(fēng)過程，1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”和1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”接連襲擊湛江市，也給湛江市沿海造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮過程進(jìn)行數(shù)值研究，分析影響臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水的可能因素，能有效的為風(fēng)暴潮預(yù)警預(yù)報(bào)工作提供參考。曾有學(xué)者利用歷史資料系統(tǒng)的分析了臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)和湛江港增水的關(guān)系[4]，本文旨在通過數(shù)值試驗(yàn)，揭示臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和移動(dòng)速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮的影響。

2 模型介紹

2.1 臺(tái)風(fēng)模型

本文使用的臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)中心至2R范圍內(nèi)，后者能更好的反映臺(tái)風(fēng)的氣壓變化，故將兩個(gè)公式嵌套來計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)的氣壓場分布：

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

本文的風(fēng)場采用改進(jìn)的Jelesnians公式，修正公式如下[7]：

式中：W為風(fēng)速，u、v為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度在x、y方向的分量；R為最大風(fēng)速半徑；r為計(jì)算點(diǎn)至臺(tái)風(fēng)中心的距離；Wm為臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速；R7、R10分別為臺(tái)風(fēng)的七級(jí)和十級(jí)大風(fēng)半徑；W7、W10分別為七級(jí)和十級(jí)風(fēng)速；（xc，yc）為臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)，θ為流入角，本文中取為20°。

2.2 風(fēng)暴潮模型

近年來風(fēng)暴潮數(shù)值計(jì)算模式發(fā)展迅速[8-9]，本文所使用的風(fēng)暴潮模型是基于美國麻省大學(xué)海洋科技學(xué)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(shù)值模式，該模式水平方向采用無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，通過有限體積法進(jìn)行求解，并結(jié)合了干濕網(wǎng)格技術(shù)[10]。本文采用二維模型，垂向采用σ坐標(biāo)系，其二維垂向積分流體運(yùn)動(dòng)方程如下：

上劃線“—”表示垂直積分，例如對(duì)指定變量ψ，

式中：x、y、z分別表示東，北和深度垂直坐標(biāo)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(qiáng)；f為科氏參量；g為重力加速度；Am為水平渦動(dòng)粘性系數(shù)；Ah為水平熱量渦度擴(kuò)散系數(shù)；Fu、Fv代表水平動(dòng)量擴(kuò)散項(xiàng)。

本文所建立的二維風(fēng)暴潮模型計(jì)算區(qū)域包含南海中北部海域，模型網(wǎng)格共有68237個(gè)三角形單元，最高空間分辨率約為200m，計(jì)算時(shí)間步長為10 s。近岸水深采用海圖水深，計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格水深見圖1。

本文對(duì)2014年登陸湛江市徐聞縣的兩場臺(tái)風(fēng)進(jìn)行模擬，分別是1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”和1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”。1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”于2014年7月12日14時(shí)（北京時(shí)，下同）在西北太平洋生成，14日發(fā)展成臺(tái)風(fēng)，15日加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并向西北

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

圖1 風(fēng)暴潮模型計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格水深

圖2 1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”和1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”路徑圖

受1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”影響，湛江站、南渡站測

得了歷史第二大風(fēng)暴增水。對(duì)1409號(hào)和1415號(hào)兩次臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)暴增水情況進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)測增水對(duì)比結(jié)果如圖3和圖4所示，模擬值與實(shí)測值相位和大小擬合較好。本文還對(duì)歷史上影響湛江沿海較為嚴(yán)重的0312號(hào)和1117號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行誤差分析，如表1所示。本文建立的風(fēng)暴潮模型能較好的重現(xiàn)出湛江海域風(fēng)暴潮情況。

1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”與1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”在湛江市的登陸地點(diǎn)相差不大，“海鷗”的強(qiáng)度弱于“威馬遜”，但是造成的增水卻遠(yuǎn)大于“威馬遜”。對(duì)比兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過程，“海鷗”云團(tuán)范圍和風(fēng)圈較大，且登陸湛江徐聞時(shí)沿海潮位處于漲潮時(shí)段，有利于風(fēng)暴增水。除了以上因素之外，它的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度也與“威馬遜”不同。本文將構(gòu)造理想臺(tái)風(fēng)，利用數(shù)值試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和速度對(duì)湛江市海域風(fēng)暴潮的影響進(jìn)行定量的研究，分析這兩個(gè)因素對(duì)湛江沿海風(fēng)暴潮大小的影響，討論1409號(hào)和1415號(hào)兩次過程產(chǎn)生的風(fēng)暴潮差異原因，為今后湛江市沿海風(fēng)暴潮預(yù)警報(bào)工作提供參考依據(jù)。

圖3 1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”期間湛江和硇洲站增水曲線對(duì)比圖

圖4 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”期間湛江和硇洲站增水曲線對(duì)比圖

3 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向?qū)φ拷醒睾ｏL(fēng)暴增水影響的數(shù)值試驗(yàn)

為了研究臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向?qū)φ拷Ｓ蝻L(fēng)暴潮的影響，本文假想了6條平直的臺(tái)風(fēng)路徑，定義正東為0°，逆時(shí)針為正，在湛江市徐聞縣選取一個(gè)固定的登陸點(diǎn)，使6個(gè)臺(tái)風(fēng)分別以90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°的方向登陸，臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度均為20 km/h，強(qiáng)度均為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心最大風(fēng)速40m/s，如圖5所示。

對(duì)這六條臺(tái)風(fēng)路徑下湛江市的風(fēng)暴潮過程進(jìn)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(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站

產(chǎn)生的風(fēng)暴潮，可以看出，不同的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑對(duì)湛江沿海的風(fēng)暴潮影響有很大的差異，在90°—180°的移動(dòng)方向內(nèi)，臺(tái)風(fēng)造成的最大風(fēng)暴潮與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)角度成正比，過180°后，造成的最大風(fēng)暴潮又明顯減小?？傮w來看，臺(tái)風(fēng)以180°的移動(dòng)方向登陸徐聞縣，對(duì)湛江海域的潮位影響最大，造成的風(fēng)暴增水最大，其次是157°。南渡站和硇洲站的潮位對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的敏感性較大，臺(tái)風(fēng)以180°登陸時(shí)造成的最大風(fēng)暴潮比135°登陸時(shí)，南渡站大83 cm，硇洲站大84 cm。對(duì)于湛江站來說，臺(tái)風(fēng)以90°—135°的角度登陸時(shí)，對(duì)其產(chǎn)生的最大增水相差不大，但是以大于135°的角度登陸時(shí)，最大風(fēng)暴潮則增大明顯，臺(tái)風(fēng)以180°登陸時(shí)較135°最大增水大60 cm。

表1 湛江海域4次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過程模擬與實(shí)測結(jié)果對(duì)比（單位/cm）

表2 不同移動(dòng)方向臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的最大風(fēng)暴潮（單位/cm）

圖5 構(gòu)建的臺(tái)風(fēng)路徑圖（圖中相鄰兩個(gè)紅點(diǎn)之間的時(shí)間差為5 h）

4 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴增水影響的數(shù)值試驗(yàn)

為了研究臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)湛江市沿海風(fēng)暴潮的的影響，本文假想了6條以180°角移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)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(diǎn)與上節(jié)相同，強(qiáng)度均為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心最大風(fēng)速40m/s。

圖6 不同移動(dòng)方向臺(tái)風(fēng)過程產(chǎn)生的最大風(fēng)暴潮分布（單位/m）

圖7 不同移動(dòng)方向臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的風(fēng)暴潮曲線過程

從模擬結(jié)果可以看出（見圖9,10），湛江海域最大風(fēng)暴潮與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的越快，對(duì)湛江海域造成的風(fēng)暴潮越大，這種增大的趨勢隨著移速加大而變緩。臺(tái)風(fēng)以20 km/h和 30 km/h的移速登陸時(shí)，后者對(duì)湛江海域3個(gè)站點(diǎn)造成的最大風(fēng)暴潮較前者大將近100 cm（見表3）。

圖8 不同移動(dòng)方向臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的最大風(fēng)暴潮

圖9 不同移動(dòng)速度臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的風(fēng)暴潮曲線過程

圖10 不同移動(dòng)速度臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的最大風(fēng)暴潮

表3 不同移動(dòng)速度臺(tái)風(fēng)影響下湛江站、南渡站、硇洲站產(chǎn)生的最大風(fēng)暴潮（單位/cm）

5 結(jié)論

通過數(shù)值試驗(yàn)可以得出，湛江市沿海風(fēng)暴潮大小與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和移動(dòng)速度有密切關(guān)系，臺(tái)風(fēng)以180°角登陸湛江徐聞時(shí)，所產(chǎn)生的風(fēng)暴潮最大，其次是157.5°，當(dāng)臺(tái)風(fēng)以180°角登陸時(shí)，湛江海域的最大風(fēng)暴潮較臺(tái)風(fēng)以135°登陸時(shí)大60—90 cm；臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，對(duì)湛江海域造成的風(fēng)暴潮越大，這種增大的趨勢隨著移速加大而變緩，臺(tái)風(fēng)以20 km/h和30 km/h的移速并都以180°角登陸時(shí)，后者對(duì)湛江海域三個(gè)站點(diǎn)造成的最大風(fēng)暴潮較前者大將近

100 cm。1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”雖然強(qiáng)度不如1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”，但是其登陸角度接近于157.5°，平均移動(dòng)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(dòng)速度為20 km/h，這也是導(dǎo)致2014年“海鷗”造成的風(fēng)暴潮災(zāi)害遠(yuǎn)大于“威馬遜”的兩個(gè)重要因素。在今后針對(duì)湛江市沿海的風(fēng)暴潮預(yù)警報(bào)工作中，不僅要考慮臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、風(fēng)圈半徑、登陸地點(diǎn)、天文潮等因素之外，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和速度也是需要加以考慮的重要因素。對(duì)于其他影響因素的定量分析，將在后續(xù)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(yè)項(xiàng)目（201305020）

張敏（1989－），女，碩士，助理工程師，從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)工作。E-mail：zhangminling6688@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.006