“海鷗”臺風作用下近海最大增水、波高分布特征分析

張博文 朱良生

摘? ? 要：2014年第15號“海鷗”臺風，對海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大經(jīng)濟損失，近海最大增水、波高分布特征對減災防災有指導意義。采用波浪與水動力模塊的耦合模型，模擬了風暴潮與潮汐、波浪的過程，分析了“海鷗”臺風過境時風暴潮作用下的最大增水、波高分布特點。結(jié)果表明，雷州半島東部海域最大增水大于瓊州海峽海域內(nèi)的最大增水值，雷州半島東部海域出現(xiàn)3 m以上增水，最大增水在5.5 m以上，雷州半島西部海域出現(xiàn)超過2 m的減水。受雷州半島東部近岸水深較淺影響，瓊州海峽海域最大有效波高高于雷州半島東部近岸海域，但低于雷州半島東部外海海域，雷州半島東部外海海域有效波高達12 m，瓊州海峽有效波也高達6.5～7.5 m。

關(guān)鍵詞：風暴潮;增水分布;有效波高分布;耦合模型

中圖分類號：P71? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The strong typhoon “Seagull” No. 15 in 2014 caused huge economic losses to the coastal areas of Hainan， Guangdong and Guangxi. The maximum water set-up and wave height distribution characteristics in the offshore areas have guiding significance for disaster reduction and prevention. The coupling model of wave and hydrodynamic modules is used to simulate the process of storm surge， tide and wave， and the distribution characteristics of maximum water set-up and significant wave height under the storm surge during the typhoon. The results show that the maximum water set-up in the eastern part of Leizhou Peninsula is greater than that in the Qiongzhou Strait sea area. The maximum water set-up in the eastern sea area of Leizhou Peninsula is more than 3 m. The maximum water set-up is in the Leizhou Bay， and the maximum water set-up is above 5.5 m. More than 2 m of water set-down is in the western waters of Leizhou Peninsula. Influenced by the shallow water depth in the east coast of Leizhou Peninsula， the maximum significant wave height in the sea area of the Qiongzhou Strait is higher than that in the east coast of Leizhou Peninsula， but lower than that in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula. The significant wave height in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula can be up to 12 m and that in the Qiongzhou Strait can be up to 6.5～7.5 m.

Key words： Storm Surge; Water set-up distribution; Significant wave height distribution; Coupling model

2014年第15號“海鷗”臺風于9月16日在海南省文昌市登陸，由于該臺風強度強、風圈范圍大，同時恰逢天文大潮，在登陸時產(chǎn)生了巨大的風暴增水，給海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大破壞和經(jīng)濟損失。

風暴潮若與天文潮高潮疊加，往往會使海域潮位暴漲，造成巨大災害。波浪也是近岸海域重要的動力要素，在風暴潮過程中，波浪、潮汐、風暴潮三者相互作用相互影響，只有全面考慮三者的綜合作用，才能準確地模擬出風暴潮期間的水動力特點和波浪過程。

過去在風暴潮增水研究方面，大多是分析臺風特點和風暴潮、潮位特點[1][2]以及增水分布規(guī)律[3];在波浪、潮汐風暴潮耦合模型研究方面，則主要探討了耦合作用的機制[4] [5]以及模擬臺風下的高潮位[6]或波高過程[7]等方面。在對“海鷗”臺風風暴潮的研究中，更多的是針對其臺風路徑[8]、最大風速半徑[9]等特征參數(shù)變化對風暴增水產(chǎn)生的影響，或是單純進行波浪特征的數(shù)值分析[10]，而綜合考慮波浪、潮汐、風暴潮三者耦合模擬與最大增水、波高分布特征分析的研究卻很有限。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮波浪、潮汐、風暴潮三者耦合模擬的適用性，采用波浪與水動力模塊的耦合模型（MIKE），建立適用于南海水域的潮汐、風暴潮、波浪耦合模型，在模型驗證基礎(chǔ)上，分析了“海鷗”臺風作用下近海最大增水、波高的分布特征。

1? ? 模型與方法

1.1? 氣壓場和風場模型

臺風氣壓場與海面風場選用Holland模型[12]構(gòu)造，氣壓場P（r）和風場Vg（r）分別表示為：

1.2? 水動力模型

在笛卡爾坐標系下，二維淺水方程[14]為：

1.3? 波浪模型

波浪作用守恒方程[15]為：

相對角頻率與絕對角頻率的關(guān)系為：

波譜的演化由動譜密度守恒方程來描述：

1.4? 波浪與水動力耦合模式

在風暴潮過程中，波浪對風暴潮的影響主要通過以下三種方式：（1）波浪成長狀態(tài)對表面風應力的影響;（2）波流相互作用對底部應力的影響;（3）波浪輻射應力導致近岸流對增水和流場的影響。

其中，表面風應力的相互影響通過Komen et al.提出的模型進行耦合[16];底部應力的相互影響通過WAMDIG Group提出的WAM Cycle 4 wave model模型進行耦合;輻射應力指的是作用在垂直于底面的單位水柱體四個側(cè)面上的由于動量交換而產(chǎn)生的應力時均值。

水動力模塊通過計算獲得水位和流場，傳遞給波浪模塊作為輸入條件，波浪模塊計算出輻射應力傳遞給水動力模塊作為驅(qū)動力繼續(xù)計算水位和流場傳遞，每個時間步長都傳遞一次。波浪模塊將輻射應力Sxx、Sxy和Syx 、Syy計算出來后帶入淺水方程（5）和（6），則構(gòu)成了波浪與水動力的耦合模式。

2? ?區(qū)域概況與模型設(shè)置

2.1? 區(qū)域概況

模擬范圍為東經(jīng)105°～ 118°、北緯15°～25°;水深數(shù)據(jù)為NGDC分辨率為1'×1' 的ETOPO1地形數(shù)據(jù);水位邊界條件：模型在邊界上給定分潮調(diào)和常數(shù)構(gòu)成水位邊界條件，陸地邊界條件初始水位與流速為0作為閉邊界;波浪邊界條件：以模型外近海波要素為開邊界水域波浪條件，通過淺海波浪模型嵌套網(wǎng)格計算得到模擬區(qū)域內(nèi)部波要素條件;在模型海域波浪計算中，開邊界條件由上一層較粗網(wǎng)格的計算結(jié)果得到。

2.2? 網(wǎng)格設(shè)置

模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，計算區(qū)域包括南海區(qū)域、瓊州海峽區(qū)域。外層嵌套網(wǎng)格分辨率為50 km，最內(nèi)層海峽和海灣地形網(wǎng)格分辨率為100～500 m，中間嵌套區(qū)域網(wǎng)格分辨率為1 000～10 000 m。網(wǎng)格共包括88524個三角形單元、48 273個網(wǎng)格點。

2.3 “海鷗”臺風概況

“海鷗”臺風于2014年9月12日下午在西北太平洋洋面上生成;16日9時在海南省文昌市登陸，中心氣壓960 hPa、最大風速40 m/s;16日中午12時45分在廣東湛江市登陸;下午23：00在越南北部登陸后逐漸減弱。

“海鷗”臺風強度強、影響范圍廣和風圈范圍大，給海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大破壞和損失。

在風暴潮和波浪的共同影響下，雷州半島東北部出現(xiàn)強風暴潮過程，增水超過200 cm的有湛江（433 cm）、硇洲島（388 cm）、北津（236 cm）、秀英站（199 cm）、南渡站最大增水（493 cm），其中秀英站出現(xiàn)破記錄的高潮位（超過警戒潮位147 cm）。

3? ?模型計算與驗證

3.1? 天文潮驗證

模擬了2014年9月1日～9月30日的天文潮，并取9月14～18日的數(shù)據(jù)用于驗證模型。

提取秀英站和硇洲島2個驗潮站的結(jié)果，與2014年潮汐表數(shù)據(jù)進行對比，驗證模型對天文潮模擬的準確性。圖1（a）（b）分別為秀英站和硇洲島的潮位過程對比，模擬結(jié)果擬合較好，可用于進一步的風暴潮增水分析。

3.2? 風暴潮水位驗證

圖2為“海鷗”臺風期間海口秀英站風暴潮水位模擬值與實測值比較。從圖2可以看到，模型潮水位變化趨勢與實測過程一致，但在臺風過境期間，15日12時與16日12時兩次高水位時模擬值略偏小?？傮w來說，在臺風過境期間該模型能較準確地模擬本次臺風風暴潮過程。

3.3? 波浪計算與驗證

圖3給出了2014年9月15日0：00時至18日0：00時耦合模型秀英站的有效波高和最大波高實測值與模擬值的比較曲線。從模擬過程可以看出，當臺風距離海峽相對較遠時，有效波高的值在2 m以下;而當臺風逐漸靠近瓊州海峽區(qū)域時，波高開始逐漸增加，于9月16日10：00左右時達到峰值，最大有效波高為4 m、最大波高為5.87 m，與實測出現(xiàn)時間一致。

圖3? 秀英站有效波高和最大波高實測值與模擬值對比圖

4? ?模擬結(jié)果分析

4.1? 增水特點分析

4.1.1 增水過程

根據(jù)臺風過境期間增水過程分析可知，海峽東部海域的增水范圍和幅度與臺風路徑和臺風最大風速半徑有關(guān)，“海鷗”臺風行進方向接近自東南向西北，對瓊州海峽東部海域作用時間長，引起的水體隆起、水位抬升顯著，雖然“海鷗”臺風等級不高，但在雷州半島東部海域引起的增水卻很高，這與臺風來襲時恰逢天文高潮有關(guān)。圖4為臺風期間秀英站水位、天文潮和增水的關(guān)系圖。

4.1.2極值風暴潮水位

計算模擬區(qū)域的極值風暴潮水位，取臺風過境時間段內(nèi)每個網(wǎng)格點的增水最大值和減水最大值，分別得到“海鷗”臺風過境期間的最大增水和最大減水分布，如圖5所示。

從整個臺風過境期間的最大增水分布（圖5（a））可以看出，臺風中心路徑形成了帶狀的增水分布，最大增水位于雷州半島東岸的雷州灣，由于是大尺度彎曲海岸，非常有利于海水堆積壅高，沿岸最大增水普遍達到了5 m以上;北部灣區(qū)域由于臺風受到雷州半島和海南島阻隔的影響，最大增水普遍為1～2 m，靠近岸邊增水有所增加但并不明顯;在瓊州海峽范圍內(nèi)，最大增水普遍在2 m左右，分布規(guī)律沿著海峽自東向西減小、海峽內(nèi)部越靠近南北兩岸增水值越大。

在臺風過境的時間段內(nèi)，模擬區(qū)域同樣出現(xiàn)最大減水，圖5（b）反映了沿岸各點出現(xiàn)的最大減水值。北部灣區(qū)域由于在臺風過境期間受到離岸風的影響，在烏石港附近出現(xiàn)了超過1 m的減水值，而在北部灣附近海域則出現(xiàn)了超過2 m的減水值。

4.2? 波浪特征分析

4.2.1波浪變化過程

從模型的模擬結(jié)果來看，臺風中心影響半徑內(nèi)的波高最大，距離臺風半徑越遠則波高越小;整個波浪場的中心，處在臺風行進路線的右前側(cè);當臺風逐漸向陸地靠近時，波高中心逐漸向臺風行進路線的右側(cè)移動，臺風離開后波高迅速降低;在開闊海域，波高分布呈較規(guī)則的圓形，而臺風在由東南向西北而上的過程中，由于陸地的影響波高分布不再是相對規(guī)則的圓形;臺風穿過瓊州海峽進入北部灣后，由于右側(cè)受地形影響波高中心轉(zhuǎn)移到臺風行進路線的左側(cè)。

4.2.2最大波高分布

圖7為計算模擬區(qū)域的最大有效波高分布。隨著臺風逐漸向瓊州海峽靠近，海域水深不斷減小，由于近岸波浪發(fā)生破碎，最大波高也不斷減小，瓊州海峽內(nèi)部最大波高多分布在8 m以內(nèi);臺風進入北部灣之后，由于臺風強度不斷減弱，加上臺風進入內(nèi)陸風區(qū)變短，波高大幅降低，但海南島西部外海海域波高仍可達9.0 m;從瓊州海峽內(nèi)部的最大有效波高分布可以看出，海峽中心、臺風行進路線上往東西兩側(cè)波高值逐漸減小;海峽內(nèi)部從中軸線往南北兩岸，中心區(qū)域波高在6 m以上，往南北兩岸波高減小;雷州半島東部海域，最大有效波高自東南開闊海域向西北雷州灣內(nèi)部海域逐漸變小，雷州半島東部外海海域有效波可高達12 m。

4.3? 瓊州海峽與雷州半島海域增水與波高分析

為了進一步分析“海鷗”臺風過境期間增水與波高分布的特征，選取受臺風影響顯著的雷州半島東部海域及瓊州海峽區(qū)域作對比分析，分別選取位于瓊州海峽離岸10～15 km及位于雷州半島東部海域離岸10～15 km的各5個點作為控制點，對比分析各自區(qū)域的最大增水與最大有效波高分布差異。

根據(jù)分析資料，瓊州海峽內(nèi)的5個控制點水深較深（在20～80 m之間），而雷州半島東部海域的5個控制點水深都在10 m附近，說明瓊州海峽水域水深較大且水深變化幅度大，而雷州半島東部海域近岸水深較淺且變化幅度較小。

在最大增水值和最大有效波高值對比方面，在“海鷗”臺風過境期間，瓊州海峽海域內(nèi)的5個控制點最大增水值要顯著低于雷州半島東部海域內(nèi)5個控制點;而最大有效波高值卻要高于雷州半島東部近岸海域。

雷州半島東部海域增水較大的原因一是由于位于臺風最大風速半徑處，增水效果顯著，二是該區(qū)域位水深較淺，同時區(qū)域位于向岸風區(qū)，受海灣地形影響海水壅積堆高顯著。

瓊州海峽內(nèi)部有效波高較高的原因，一是因為臺風中心路徑穿過該區(qū)域;二是海峽內(nèi)水深較深，海峽海域利于波浪形成。而雷州半島東部近岸海域，水深逐漸變淺，區(qū)域地形復雜，由此引起淺化、折射、繞射以及波波相互作用等復雜的波浪變形和淺水波浪破碎，而使得波高較小。

5? ? 結(jié)論

（1） 建立了潮汐、波浪與風暴潮耦合模型，對“海鷗”臺風進行波浪、風暴潮耦合模擬，通過天文潮、風暴潮水位以及有效波高最大波高的驗證，耦合模型整體模擬情況與實測結(jié)果擬合較好。該模型具有較好的潮汐、波浪和風暴潮耦合計算適應性，能夠很好地模擬出臺風過境時增水變化和波浪分布特征;

（2） 分析了耦合模型下“海鷗”臺風引起的增水特點，討論了臺風過境時間段內(nèi)最大增水與最大減水的分布。臺風眼處出現(xiàn)水體隆起，雷州半島東部海域和瓊州海峽東部增水較為顯著;雷州半島東部海域最大增水值大于瓊州海峽海域內(nèi)的最大增水值，最大增水位置在雷州灣海域為5.5 m以上，而雷州半島西部海域出現(xiàn)了超過2 m的減水值;

（3） 探討了臺風過境時波浪的分布特點，分析了近海海域最大有效波高分布。臺風行進的過程中，較大的有效波高區(qū)域隨“海鷗”臺風眼移動而移動，靠近瓊州海峽和雷州半島波高逐漸減小;瓊州海峽海域最大有效波高高于雷州半島東部近岸海域，但低于雷州半島東部外海海域，雷州半島東部外海海域有效波可高達12 m，瓊州海峽有效波高也高達6.5～7.5 m。

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