“威马逊”台风暴潮增水及水动力响应数值模拟

黄潘阳，叶银灿，韦雁机，来向华

（国家海洋局第二海洋研究所，工程海洋学研究中心浙江杭州 310012）

“威马逊”台风暴潮增水及水动力响应数值模拟

黄潘阳，叶银灿，韦雁机，来向华

（国家海洋局第二海洋研究所，工程海洋学研究中心浙江杭州 310012）

基于河口海岸水动力三维数值计算模型，建立浙江沿海天文潮与风暴潮耦合预报模式。利用该模式，对经过浙江沿海海域的台风“威马逊”进行数值计算，风暴潮增水计算结果与实测值符合较好，误差基本在±20 cm以内。计算增水值与传统的调和分析法所得的增水结果相比，也较为一致。进一步对局部水动力响应的研究发现，风暴潮期间，局部地区从底到表各层水流流速均急剧增大或减小，其值达到了与天文潮流同等的数量级。当水流流向与风向相同或相近时，流速增大，相反时，则流速减小。且台风期间，各层水流流向也随风向发生改变，流态变得更加复杂。

风暴潮；数值模拟；耦合；水动力响应

1 引言

台风是影响沿海地区生产生活最主要的自然灾害，尤其是浙江沿海，岛屿众多，地形复杂，人口密集，生产建设活动频繁，每年夏季都会因台风暴潮而造成巨大损失。若是风暴潮正好遇上天文大潮，则破坏性更强。鉴于风暴潮的巨大破坏作用，国内外都对其进行了广泛的研究，尤其是在风暴潮的预报方面。国外，如美国的SLOSH（Sea，Lake&Overland Surges from Hurricanes）模式[1]；在国内，20世纪70年代的浅海风暴潮理论奠定了我国风暴潮数值预报基础[2-4]，另外，针对具体海区也有一些耦合预报模式的研究成果[5-7]。

本文建立适合于浙江沿海的天文潮与风暴潮耦合模式，由全球潮波模型TPX06[8]提供潮汐调和常数作为边界驱动。首先验证天文潮，在此基础上，加载经实测验证的0205号台风“威马逊”风场，风暴增水计算结果与实测值吻合较好。另外，计算与实测值都显示台风期间局部水流流速急剧增大或减小，流向改变。这会对海洋工程设施造成严重威胁，应当加强防范。

2 计算模型

为研究台风对浙江沿海地区水动力因素的影响，先建立了覆盖长江口、杭州湾、舟山群岛及毗邻海域的三维水动力模型，在外海边界给定潮汐调和常数，上游河流边界给出流量；并建立了相同区域的台风气压和风场模型[9-10]。利用以上模型对台风条件下的浙江沿海水动力因素进行模拟。其数值方式采用ADI法。

2.1 水动力学模型控制方程组

垂向平均质量守恒方程：

式中，Q代表源和汇的作用，如取排水、降水和蒸发等。

ζ方向动量守恒方程：

式中，ω是指垂直于σ坐标平面的垂向速度，随着σ坐标平面的上下移动而变化。

上面各式中，H为水深，H=h+ζ，ζ为水位，h为相对于平均海平面的水深；Gξξ和Gηη为曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数；U、V分别为ξ和η方向上平均流速；g为重力加速度；f为科氏力参数；Fξ和Fη分别为ξ和η方向的紊动动量通量；Pξ和Pη表示ξ和η方向上的水压力梯度；Mξ和Mη分别表示ξ和η方向上动量的源或汇；qin和qout表示源汇项。

风切应力项处理：

式中， ρa是空气密度；ra是拖曳力系数；W→是海面以上10 m处的风矢量。

图1 计算区域及网格

2.2 模型网格与范围

采用正交曲线网格剖分计算域，计算范围为26.61°—32.58°N；120.21°—125.15°E。水平方向计算网格采用扇形结构设计（见图1），圆心取在象山附近，对圆心周围网格进行局部加密。此处采用扇形网格的天然优势是可以使所关注的地区网格密集，约为200m，而外海网格稀疏，为数千米。

2.3 边界条件

水陆边界，作刚壁处理，即设法向流速为零。外海水边界，由全球潮波模型TPX06提供，由 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18 个分潮来驱动，基本能够构造出外海深水处真实的天文潮过程。河流边界，计算区域主要有长江和钱塘江两条大的江河，采取在上游给定恒定流量作为边界。

2.4 台风风场和气压场计算

风暴潮计算中台风风场和气压场的计算是重要的环节，将直接影响计算的精度。通常使用参数化的风模型作为风暴潮计算的强迫力。其优点之一是便于使用，且能反映热带风暴的主要风场特征。

本文气压场选用Fujita公式：

式中，P∞为台风外围气压（正常气压）；P0为台风中心气压；R为台风最大风速半径；P()r为距台风中心距离r处的气压。

风场采用Veno Takeo（1981）[10]的公式表示：

式中，Vx,Vy为台风移速在x,y方向的分量。

0205号台风移动路径见图2。由图3可知，以上风场模型，大致能刻画台风期间空间风场分布。

图2 0205号台风路径

图3 风速验证

3 模式适用性验证

3.1 天文潮验证

浙江沿海岛屿众多，地形复杂多变，而地形对沿海潮位和潮流影响显著，这就对模式中所采用的岸线与水深数据提出较高的要求。本模型采用分布在舟山地区南面，且离岸距离各异的三个实测点潮位数据来做模型天文潮的验证（见图4），天文潮相位和高、低潮位的计算值与实测值基本吻合。

3.2 风暴增水验证及误差分析

0205号台风“威马逊”于7月初沿东海北上影响浙江舟山。影响舟山时台风中心气压仍有940 hPa,在历史同期是少见的。从对0205号台风风暴增水的计算结果及误差分析（见图5）来看，计算值的误差基本在±20 cm以内。表明本模型具有良好的计算精度。结合图5和表1可知，在台风中心穿过浙江沿海的4日0时到5日12时，01和02站都经历了先增水，后减水的过程。在台风中心靠近站位的4日，沿岸水流受到逆时针方向风场的作用，水流流向岸边，增水；当台风中心继而北上时，沿岸水流受到顺时针方向风场的作用，水流流向外海，减水。

从图5的误差比较来看，02站计算结果优于01站，这是由舟山地区特殊的地理环境决定的，01站地形更加复杂，且离岸较近，台风期间大浪破碎引起的增水对测站的潮位有一定的影响，故误差相对较大。

早期采用调和分析法计算风暴增水，即利用正常情况下的历史潮位资料进行调和分析，得到各分潮的调和常数并进行潮位预报，用风暴期间的实测值减去预报值，便是风暴增水。本文用数值计算法和调和分析法对0205号台风对浙江沿海增水作用进行了比较（见表1）。其中无风场指计算区域上空风速为0，加风场指在计算区域上空加上经过实测验证的风矢量。由表1可知，两者的增减水趋势基本一致，但在数值及峰值出现的时间上略有差异。调和分析法结果显示：01站最大增水发生在4日13时，最大增水量为81 cm，最大减水出现在5日11时，最大减水量为27 cm；02站最大增水发生在4日17时，最大增水量为69 cm，最大减水出现在5日12时，最大减水量为58 cm。数值计算结果显示：01站最大增水发生在4日18时，最大增水量为58 cm，最大减水出现在5日9时，最大减水量为32 cm；02站最大增水发生在4日17时，最大增水量为46 cm，最大减水出现在5日9时，最大减水量为43 cm。两者都显示靠岸的01站增水量比02站大，与常识相符。调和分析法增水量比数值计算法增水量大。两者之间的差异由多方面因素影响，如风场数据的准确性，潮位调和分析时所采用的历史潮位数据的数量与质量等。

图4 天文潮验证

图5 增水验证及误差

3.3 流速、流向验证及水动力响应分析

受条件限制，近岸浅海区很难获取台风期间风暴海流的实测资料，早期工作主要根据数值模拟计算得出风暴海流，尚无法用实测资料加以验证。在春晓气田群海底管道路由调查期间，获得了宝贵的0205号台风过境时02站的ADCP流速流向实测数据。从图6可以看出，总体上，各层流速与流向的计算值都接近实测值。并且，在7月4—5日台风中心经过测站期间，流速出现了异常峰值。从4日19时到5日14时，流向也出现了异常，始终停留在110°附近方位，计算结果也印证了这个变化趋势。

表1 调和分析法与数值计算法风暴增水对比(单位/cm)

比较而言，5日4时前后流速与流向的计算值与实测值偏差较大，这应该与所采用的风场的精度有关，风暴潮数值计算精度高度依赖风场的准确性。对比图2台风路径可知，大约5日0时开始，本文所采用风场比实际风场偏小。从图5风暴增水的验证图和图6流速流向的验证图还可以看出，模拟计算时，流速比流向对风场精度的要求更高。从底到表4层水流的流速流向的对比来看，各层水流流速流向基本保持一致，但是表层流的流速和流向对风的响应更加敏感。计算结果趋势也大致相当，但是在表层流流速的计算上，误差较大。

为了直观考察台风期间水动力的响应程度，图7展现了02站在加风场和不加风场情况下的底流流速、流向计算结果对比图。从中可以看出，台风过境期间，水流流速周期性地增大、减小，结合流向图可以知道，当流向与风向相同或相近时，流速增大，反之亦然。且在台风中心比较接近02站的4日18时到5日6时，底流流速的增幅达到了惊人的100%，甚至以上，突然增大的底流，会剧烈冲刷海床，对浅基础的海洋工程可能会构成威胁。

总之，台风期间，局部地区水动力环境变化巨大，流速改变，流向异常，流态趋向复杂。

4 结语

图6 各层流速流向验证

图7 加风场与不加风场底层流速流向对比

本研究基于河口海岸水动力三维数值计算模型，考虑风暴潮与天文潮的非线性关系，建立了适合于浙江沿海地区风暴潮预报的三维数值模式。在天文潮验证的基础上，对0205号台风进行了数值计算，风暴增水的计算值与实测值吻合较好，平均误差基本控制在±20 cm以内。对数值计算法和传统的调和分析法对风暴增水的计算结果进行了对比。对台风期间水动力响应的进一步研究发现，台风期间，水流结构变得复杂，且实测值和计算值都显示，局部地区从底到表的各层水流流速、流向都发生改变。通过对该区域加风场和不加风场的流场模拟对比发现，台风对流速的影响非常显著，在潮流流向与风向一致时，底流流速急剧增大，反之亦然。

本文所建立的模式没有考虑波浪的耦合作用，对波浪传播到近岸缓坡地带，受地形影响，产生破碎等物理过程没有进行模拟，尚需进一步的研究改进。

[1]Jelesnianski C P,Chen J,Shaffer W A.SLOSH(Sea,Lake,and Overland Surge from Hurricanes)[R].NOAA Technical Report NWS48.1992:71.

[2]秦曾灏,冯士筰.浅海风暴潮动力学机制的初步研究[J].中国科学,1975,18(1):64-78.

[3]Heaps N S.On the numerical solution of the three-dimensional hydrodynamical for tide and storm surge[J].Men Soc Sci Liege,1971,6(2):143-180.

[4]L eendertse J J,Liu S K.A three-dimensional model for estuaries and coastal seas:Vol.IV[A].The Rand Corporation,R-2187-OWRT[R].Santa Monica,California,1977.1-58.

[5]江毓武,吴培木,许金殿.厦门港潮汐、风暴潮耦合模型[J].海洋学报,2000,22(3):1-6.

[6]端义宏,朱建荣,秦曾灏.一个高分辩率的长江口台风风暴潮数值预报模式及其应用[J].海洋学报,2005,27(3):11-19.

[7]Hu K L,Ding P X,Wang Z B,et al.A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary[J].China Journal of Marine Systems.2009,77(1-2):114-136.

[8]Egbert G D,Erofeeva S Y.Efficient inverse modeling of barotropic ocean tides[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2002,19(2):183-204.

[9]Fujita T.Pressure distribution within typhoons[J].Geophysical Magazine,1952,23:437-451.

[10]Veno T,Numerical Computations of the Storm Surges in Tosa Bay[J].Journal of the Oceanographical Society of Japan,1981,37:61-73.

Anumerical simulation of storm surge and hydrodynamic response caused by typhoon“Rammasun”

HUANG Pan-yang,YE Yin-can,WEI Yan-ji,LAI Xiang-hua
(Laboratory of Engineering Oceanography，the Second Institute of Oceanography，SOA Hangzhou,Zhejiang,310012 China)

In this paper,a three-dimensional estuarine and coastal hydrodynamic model,coupled astronomical tide and storm surge,is established in coastal area of Zhejiang province.The model is validated by making a numerical simulation of typhoon“Rammasum”and comparing with the results by conventional harmonic analysis.It is shown that the modeled storm surge agrees well with the one from field observation.Further study is made on the local hydrodynamic response to the storm surge.The results show that local current velocity in each depth,with a magnitude of the same order as the astronomic tidal current,increases or decreases rapidly depending on the relationship between wind and current directions.Furthermore,the current pattern gets more complicated under the influence of direction-varying typhoon wind.

storm surge;numerical simulation;coupled;hydrodynamic response

P731

A

1003-0239（2012）02-0032-07

2011-07-25

国家海洋局青年海洋科学基金(2011324);国家海洋局第二海洋研究所科研业务费专项(JT0803,JG1020)

黄潘阳(1986-)，男，硕士研究生，主要从事海洋工程防灾减灾方面研究。E-mail：pomuking@gmail.com