汕頭南澳海域典型臺風(fēng)過程水動力數(shù)值分析

陶英佳，張璐，何倩倩

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海200062)

潮汐和潮流是陸架海域最顯著、最持久的動力學(xué)現(xiàn)象[1]，潮位漲落和周期性潮流運(yùn)動對海岸及近海工程總體布置和安全性都有著極其重要的影響,尤其是臺風(fēng)等極端天氣下潮汐潮流的特性具有重要意義[2]。南澳海域?qū)儆趶V東省汕頭市，廣東地區(qū)臺風(fēng)暴潮災(zāi)害的特點是：發(fā)生次數(shù)多、強(qiáng)度大、連續(xù)性明顯，影響范圍廣，突發(fā)性強(qiáng)，災(zāi)害損失大[3]。

針對臺風(fēng)風(fēng)暴潮的研究開展得比較早，相對也比較成熟，但針對汕頭海域的風(fēng)暴潮研究不多，董劍希、蔡文恬等對廣東省沿岸包括汕頭沿海風(fēng)暴潮的特征做了系統(tǒng)的分析和描述[4-5]。風(fēng)暴潮的預(yù)報主要分為經(jīng)驗預(yù)報和數(shù)值模式預(yù)報，針對本文研究海域丁千龍等采用經(jīng)驗預(yù)報的方法對風(fēng)暴潮進(jìn)行分析[6-7]。黃平、羅家海等針對汕頭海域采用三維數(shù)值模型對潮汐潮流進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析污染物擴(kuò)散特征[8-9]；劉娟、侯京明等采用數(shù)值模擬的方式對汕頭海域風(fēng)暴潮漫灘進(jìn)行過分析預(yù)報[10-11]。

本文基于MIKE 21數(shù)值模式，采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，對南澳海域的潮汐潮流的變化情況進(jìn)行高分辨率的數(shù)值模擬，在率定驗證較好的基礎(chǔ)上，選取2016年直接影響該海域的2場典型臺風(fēng)過程(1614號臺風(fēng)“莫蘭蒂”、1622號臺風(fēng)“海馬”)，分析臺風(fēng)過程對該海域潮流場影響。

1 數(shù)值模型及計算設(shè)置

1.1 MIKE 21模型簡介

MIKE 21平面二維潮流模型基于連續(xù)方程和動量方程(1)—(3)，通過無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，數(shù)值計算上采用有限元法對控制方程進(jìn)行離散求解，由于該模型在對數(shù)值處理方法和岸線地形擬合上的優(yōu)勢使其在河口海岸地帶有著廣泛的應(yīng)用。故對于汕頭南澳這樣一個海岸線曲折、海底地形復(fù)雜、島嶼暗礁較多的海域，采用MIKE 21模式進(jìn)行模擬是非常適合的。

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1.2 模型計算區(qū)域網(wǎng)格和設(shè)置

本次研究計算范圍見圖1。計算域剖分采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，既可以較好地擬合陸地、方案邊界條件，又可以對近岸及關(guān)注海域局部加密，從而保證計算精度。計算區(qū)域岸線最北端位于福建漳浦縣附近，岸線最南端位于廣東惠來縣附近，東南側(cè)開邊界離岸約150 km，開邊界處網(wǎng)格分辨率最低，約為3 km，此外，整個模型網(wǎng)格由20 807個三角形頂點和38 283個三角形元素構(gòu)成。水深數(shù)據(jù)采用海圖數(shù)據(jù)以及局部實測地形資料。高分辨率區(qū)域網(wǎng)格見圖2。

模型采用內(nèi)外模分離的方法，最小時間步長0.01 s，最大時間步長30 s，能夠滿足模型的穩(wěn)定運(yùn)行的CFL條件。模型的曼寧系數(shù)按照分區(qū)給定，按照離岸的遠(yuǎn)近給出不同的數(shù)值。模式采用冷啟動方式，流速和水位的初始場設(shè)為零。

研究海域距離徑流入?？?0 km，水深在30 m左右，受徑流影響較小，上游徑流主要考慮韓江水系下游支流外砂河和蓮陽河的徑流量，外砂河徑流量設(shè)定為250 m3/s，蓮陽河徑流量設(shè)定為300 m3/s[13]。

模型率定驗證所使用的歷史風(fēng)場數(shù)據(jù)由歐洲中期天氣預(yù)報中心(簡稱ECMWF，http://apps.ecmwf.int/)提供，該數(shù)據(jù)按月份提供下載，空間分辨率達(dá)到0.125°×0.125°，時間分辨率為3～6 h，能夠滿足模型的需求。該數(shù)據(jù)是基于實測歷史資料同化后的再分析數(shù)據(jù)，比WRF模式計算出的風(fēng)場數(shù)據(jù)精度更高，因此模型在率定驗證及后續(xù)臺風(fēng)期間的水動力計算時候均使用該數(shù)據(jù)。

外海開邊界通過給出13個主要天文分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4、MS4、MF、MM和MN4)的調(diào)和常數(shù)計算的水位進(jìn)行驅(qū)動，水位計算公式如下：

(4)

式中ζ——潮位；ζ0——余水位(此處設(shè)為零)；fi——交點因子；Hi——振幅；σi——角頻率；ui——交點訂正角；Vi+ui——初相角；gi——遲角[12]。調(diào)和常數(shù)，即Hi和gi的數(shù)值來源于中國海大區(qū)域的模型計算的結(jié)果，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)的率定檢驗，比較可靠[14]。

2 模型的率定驗證

南澳海域?qū)儆诓徽?guī)半日潮海域，根據(jù)云澳站多年波浪統(tǒng)計資料，海域波浪主要集中在ENE、SSE和S 3個方向，強(qiáng)浪向為NNE向。南澳島東側(cè)、東山島南側(cè)海域水深達(dá)到了20 m以上，靠近外海側(cè)水深在30 m以上，海域距離徑流入?？诩s40 km，受徑流影響較小。模型采用2016年8月云澳站和海門站實測潮位、C1、C2站點夏季全潮水文觀測流速數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定驗證，站點分布見圖3。C1、C2站點夏季全潮水文觀測時間為2017年9月。

圖4給出了海門站和云澳站的潮位驗證成果，圖5分別給出了C1、C2站點夏季大中小潮期間的流速和流向驗證曲線，圖中黑線表示模型計算值，紅點表示實測值。通過比較分析，海門站位于河流入?？谖恢?，受河口等徑流影響較大，云澳站位于南澳島海域，具有較強(qiáng)的潮汐代表性，模型均能較好地驗證2個站點的潮汐特性，各測站的計算潮位、流速、流向在連續(xù)變化過程中均與實測值吻合較好，最高、最低潮位值偏差在±0.1 m以內(nèi)；流速驗證總體效果較好，最大偏差在0.15 m/s以內(nèi)。流向整體效果較好，模型能很好地反映出工程海域的往復(fù)流特性，流速、流向總體上滿足要求，與原型達(dá)到很好的相似性，可用于對當(dāng)?shù)爻绷髌矫孢\(yùn)動規(guī)律的模擬中，所預(yù)測結(jié)果具有良好的可信度。

圖4海門站和云澳站潮位驗證

3 典型臺風(fēng)過程分析

3.1 典型臺風(fēng)過程選取

選取2016年對研究海域影響較大的臺風(fēng)進(jìn)行分析，2016年在中國近岸登陸的臺風(fēng)中無直接在研究海域途徑并登陸的臺風(fēng)，因此選取2個對海域影響較大、強(qiáng)度較大、登陸路徑距離海域較近的臺風(fēng)進(jìn)行分析，選取1614號臺風(fēng)“莫蘭蒂”和1622號臺風(fēng)“海馬”，這2個臺風(fēng)分別在場址區(qū)域北、南側(cè)登陸，且路徑距離工程海域最近，近岸登陸過程中均以強(qiáng)臺風(fēng)過程登陸，具有較好的代表性。

2016年9月10日14時，“莫蘭蒂”在西北太平洋洋面上生成；9月11日14時加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；9月12日02時加強(qiáng)為臺風(fēng)，08時加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，11時繼續(xù)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)級；9月13日晚間加強(qiáng)到頂峰強(qiáng)度70 m/s；9月15日以強(qiáng)臺風(fēng)級在廈門市登陸，登陸時中心最大風(fēng)力48 m/s，17時減弱為熱帶低壓；9月16日凌晨在中國黃海海域消散。

“海馬”于2016年10月15日8時生成，當(dāng)日9時25分升格為熱帶風(fēng)暴并命名；10月16日14時，升格為臺風(fēng)級；10月17日8時升格為強(qiáng)臺風(fēng)級，當(dāng)日17時升格為超強(qiáng)臺風(fēng)級；10月18日晚至19日日間達(dá)到巔峰強(qiáng)度，其強(qiáng)度達(dá)到薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級下的五級標(biāo)準(zhǔn)；10月19日23時40分前后，在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸；10月21日12時40分前后，其中心在廣東省汕尾市海豐縣鲘門鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有14級(42 m/s)[15]。

根據(jù)ECMWF風(fēng)場數(shù)據(jù)南澳海域的特征點分析臺風(fēng)過程風(fēng)速變化，圖7給出了“莫蘭蒂”臺風(fēng)過程和“海馬”臺風(fēng)過程中海域代表點的風(fēng)速變化情況。南澳海域在受“莫蘭蒂”臺風(fēng)影響之前，風(fēng)向主要以西南偏西向為主，風(fēng)速大小逐漸降低，臺風(fēng)影響過程

中，由于臺風(fēng)中心位于研究海域東北側(cè)，因此工程海域受到明顯的東北方向的風(fēng)影響，最大風(fēng)速達(dá)到了10 m/s，臺風(fēng)過后風(fēng)速逐漸降低。在受臺風(fēng)“海馬”影響之前，由于受到季風(fēng)的影響，風(fēng)向以東北向為主，在臺風(fēng)影響過程中，風(fēng)向逐漸成順時針旋轉(zhuǎn)趨勢，臺風(fēng)過境后風(fēng)向重新呈東北向。受臺風(fēng)的影響，工程海域于10月12日便有超過10 m/s的風(fēng)速，臺風(fēng)影響最大造成風(fēng)速超過了18 m/s，臺風(fēng)過后風(fēng)速逐漸回到正常范圍內(nèi)。

3.2 典型臺風(fēng)過程下云澳站增減水的變化

風(fēng)暴潮增水是指實測潮位過程減去天文潮過程[16]，本文對2個臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮增減水進(jìn)行驗證，采用云澳站的實測數(shù)據(jù)。云澳站增水計算方法采用實測潮位減去周年數(shù)據(jù)調(diào)和分析成果的天文潮過程，模型的增水計算采用臺風(fēng)影響下的水位過程減去未加風(fēng)場的水位過程，最終得到2個臺風(fēng)過程的風(fēng)暴潮增減水變化，見圖7。結(jié)果表明模型能夠較好地反映云澳站臺風(fēng)過程的增減水變化，“莫蘭蒂”臺風(fēng)期間實測最高增水達(dá)到了53 cm，模型模擬達(dá)到了50 cm；“海馬”臺風(fēng)期間實測最高增水達(dá)到了74 cm，對應(yīng)的模擬最高增水達(dá)到了69 cm。

3.3 典型臺風(fēng)過程海域水動力的變化

圖8分別給出了“莫蘭蒂”和“海馬”臺風(fēng)過程下C2站點的增減水變化和流速流向的變化過程?？梢钥吹剑珻2站點最大增水在50 cm左右，流速流向變化差異不大，說明“莫蘭蒂”臺風(fēng)對風(fēng)電場的水動力影響較弱。相比“莫蘭蒂”臺風(fēng)，“海馬”臺風(fēng)增減水變化過程更明顯，最大增水在70 cm左右，“海馬”臺風(fēng)對流速流向的影響比較大，主要體現(xiàn)在落潮時間段對流速增長和漲潮時間段流速的相對減小，落急時刻流速最大漲幅達(dá)到了20 cm/s，漲急時刻流速相應(yīng)的減幅也達(dá)到了20 cm/s。從流向的對比來看，“海馬”臺風(fēng)主要對落潮時間區(qū)間長度有一個顯著增長的影響。影響風(fēng)暴增水的因子主要是風(fēng)和氣壓，而在北半球，風(fēng)從所有方向螺旋式地向臺風(fēng)中心吹，形成繞臺風(fēng)中心的逆時針方向的總環(huán)流，最大風(fēng)速出現(xiàn)在沿著臺風(fēng)前進(jìn)路徑方向的右邊。由于本文研究的海域位于“海馬”臺風(fēng)前進(jìn)路徑方向的右邊、“莫蘭蒂”臺風(fēng)前進(jìn)路徑方向的左側(cè)，在這2個臺風(fēng)強(qiáng)度差別不大的情況下，“海馬”臺風(fēng)對南澳海域水動力的影響更明顯。

由于“海馬”臺風(fēng)對工程場區(qū)的水動力影響相對較大，重點分析在“海馬”臺風(fēng)影響下，南澳海域的水動力場變化。圖9a、9b分別給出了南澳海域在無、有“海馬”臺風(fēng)情況下，場區(qū)海域落急時刻的流場分布?？梢钥吹胶ｑR臺風(fēng)對于落急時刻的流速有一個顯著的增大作用，流向上影響不大，有一個小角度的順時針旋轉(zhuǎn)的影響，主要由于在臺風(fēng)影響過程中，風(fēng)向逐漸成順時針旋轉(zhuǎn)趨勢。圖9c、9d分別給出了工程場區(qū)在無、有“海馬”臺風(fēng)境情況下，場區(qū)海域漲急時刻的流場分布?！昂ｑR”對漲急時刻的流速有一個顯著的減小作用，流向變化不大，這主要由于漲潮潮流方向與風(fēng)生海流方向不一致，且風(fēng)生海流對潮流具有一定的抑制作用，因此在漲潮時段，流速有明顯的減小。

南澳海域代表點在無、有臺風(fēng)影響下余流情況見表1?！昂ｑR”臺風(fēng)對本海域的余流影響較大，在“海馬”的影響下，海域余流的流向基本無變化，流速則從2～3 cm/s增加到了14 cm/s以上；相對而言，“莫蘭蒂”對海域余流的影響較小，余流流速流向并未有很大的變化。

表1 不同工況下海域代表點余流

4 結(jié)論

從兩場典型臺風(fēng)過程對南澳海域水動力(主要是增水和潮流)影響分析結(jié)果可知，影響程度與臺風(fēng)路徑、臺風(fēng)強(qiáng)度以及影響時間等密切相關(guān)，由于在北半球風(fēng)從所有方向螺旋式地向臺風(fēng)中心吹，形成繞臺風(fēng)中心的逆時針方向的總環(huán)流，最大風(fēng)速出現(xiàn)在沿著臺風(fēng)前進(jìn)路徑方向的右邊，因此“海馬”相對于臺風(fēng)“莫蘭蒂”對海域水動力影響更顯著一些，“海馬”臺風(fēng)期間實測最高增水達(dá)到了74 cm，對應(yīng)的模擬最高增水達(dá)到了69 cm，“海馬”臺風(fēng)對流速流向的影響主要體現(xiàn)在對落潮時間段的增長作用和對漲潮時間段流速的抑制作用，這主要與風(fēng)生海流流向與漲落潮流流向的變化有關(guān)。