1323号“菲特”台风过程鳌江站历史最高潮位的数值模拟

丁骏，王晶，赵鑫

（1.浙江省海洋监测预报中心，浙江杭州310012；2.浙江大学，浙江杭州310058；3.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

1323号“菲特”台风过程鳌江站历史最高潮位的数值模拟

丁骏1,2，王晶1,2，赵鑫2,3

（1.浙江省海洋监测预报中心，浙江杭州310012；2.浙江大学，浙江杭州310058；3.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

采用丹麦DHI的Mike21水动力计算模块建立浙江沿海二维潮位数学模型，结合全球天文潮位预报模型，根据1323号台风“菲特”的气象资料，模拟了该强台风在浙江省的风暴潮过程，并特别对造成历史最高水位的鳌江站的风暴潮位和增水过程进行了分析。计算结果表明：该站最高潮位和最大增水的模拟精度在10 cm左右，时间误差约10 min，模型在本海域的数值计算能够满足预报要求。

1323号台风；鳌江；最高潮位；风暴增水

1 引言

2013年第23号热带风暴“菲特”于2013年9月30日20时在菲律宾以东洋面生成，1日20时增强为强热带风暴，3日08时增强为台风，4日17时增强为强台风，7日01时15分在福建省福鼎市沙埕镇沿海登陆，登陆时中心最低气压为955 hPa，近中心最大风力14级（42 m/s），强度为强台风，“菲特”是建国以来10月份登陆我国大陆强度最强的秋季台风，登陆强度排名第二的是1961年10月4日在三门县登陆的6126号台风，登陆时强度13级（40 m/s）。台风路径见图1。

2 “菲特”台风过程浙江沿海风暴增水分析

1323号“菲特”台风影响期间，我省沿海岸段的风暴增水普遍在100 cm以上，最大增水乍浦站119 cm，澉浦站206 cm，镇海站61 cm，健跳站127 cm，海门站166 cm，坎门站186 cm，温州站260 cm，瑞安站298 cm，鳌江站383 cm。乍浦、澉浦、镇海、健跳、海门潮位站出现略超过当地警戒潮位的高潮位（黄色），坎门、温州、瑞安、鳌江潮位站出现超过当地警戒水位80 cm以上的高潮位（红色），见图2。

此次台风过程鳌江站实测高潮位522 cm，超过历史最高潮位42 cm（历史最高潮位480 cm，出现时间为1992年8月30日，是由“9216”号台风引起）。

3 鳌江站出现历史最高潮位的初步分析

3.1 降水

1323号“菲特”台风呈现了秋台风的特性，雨量大、范围广。6—7日浙江全省出现暴雨和大暴雨天气，局部特大暴雨。7日全省面雨量149 mm，为浙江省有记录以来的最大日面雨量。

温州平阳全县从10月6日8时到7日20时普降大到暴雨，全县平均面雨量275.9 mm，单站最大过程雨量罗垟水库501.5 mm，共有2个站点雨量超过400 mm，11个站点雨量在300—400 mm，27个站点雨量在200—300 mm，5个站点雨量在100—200 mm。全县多个镇乡受淹，其中鳌江镇6日9点30分左右开始满水，几乎全镇受淹，最深处达1 m多；萧江镇6日10点40分左右开始满水，多处水深达2 m以上，淹没时间达30 h；水头镇7日凌晨开始满水，最深处达2 m多，淹没时间近32 h；昆阳镇7日凌晨3时开始满水，淹没时间长达55 h；万全镇在7日早上5时多开始满水，淹没时长53 h。

图1 “菲特”台风路径示意图

图2 “菲特”台风期间浙江潮位站最大增水及最高潮位情况

图3 “菲特”台风期间石砰站风测及鳌江站增水过程图

3.2 风速

“菲特”靠近浙江省沿海时，强度为强台风，致使浙江省东南沿海局部地区出现15级的极端大风，风灾严重。受“菲特”影响，我省东部沿海5日夜里开始出现8级以上大风，6日中午起增强到10级以上，并维持19 h；东南沿海风力更强，普遍有12—14级，持续11 h左右，10—12级大风由沿海向内陆纵深约40 km，持续9 h左右；局部海岛和山区观测站瞬时极大风速达15—17级，海拔略高的苍南石砰山、苍南望洲山分别录得76.1 m/s和73.1 m/s（均＞17级）的大风，破我省瞬时大风纪录（“桑美”带给霞关的68 m/s），另还有苍南马站63.0 m/s、平阳南麂岛60.0 m/s，平阳上头屿55.8 m/s、瑞安北龙55.6 m/s、瑞安铜盘岛55.3 m/s、苍南龙沙53.1 m/s、苍南赤溪53.0 m/s等10个测站观测到16级以上大风。7日杭州、绍兴、丽水等内陆部分地区也出现了8—9级大风。

图3是“菲特”台风过程苍南石砰海洋站实测平均风与鳌江水文站的风暴增水过程图。鳌江站最大风暴增水与石砰站最大平均风时间非常吻合，台风登陆前连续3个小时12—13级的平均风，风向从偏东转为东南。鳌江站天文高潮位在22时04分，随着“菲特”的靠近，12—13级的大风使鳌江河口大范围的水体堆积，高潮位没有降低，实测最高潮位出现在23时40分，比天文高潮位延迟了1个小时30多分钟，这在以前鳌江站的台风增水过程中是很少见的。

3.3 潮汐

“菲特”台风影响期间，适逢农历九月初一、初二、初三天文大潮期。台风登陆前又赶上九月初二晚高潮，鳌江6日晚高潮的天文高潮时为22时04分，天文高潮位369 cm，警戒潮位370 cm，天文高潮位已接近当地警戒潮位，距离年极值天文潮位也只有13 cm。图4是我们用潮汐调和分析方法计算出的菲特台风期间鳌江站天文潮位过程。

3.4 河口地形

鳌江为浙江省八条主要水系之一，又是我国仅有的三大涌潮江之一，发源于温州市文成县桂山乡桂库村的吴地山南面，主峰海拔1124 m，河源以下有十多条主要支流和众多的溪涧沟壑汇入，全长92.47 km，河源至平阳县顺溪镇长19.1 km为上游段，顺溪至詹家埠长24.7 km为中游段，詹家埠至狮子口长38.67 km为下游段，狮子口外10 km为河口段（见图5）。

鳌江口内河段纵向冲淤变化在20世纪60年代以后，由于上游及支流南港桥墩水库等拦蓄引水工程的建设，使径流量减少，导致落潮减弱，河床呈全线抬高趋势，鳌江镇以上尤为显著，至80年代河床平均普遍抬高约1 m，最大达2 m，主槽深槽淤浅缩短，河口上游淤积最剧，向下游渐减。冲淤变化总的特点是汛期冲，枯水期淤，洪水年冲，枯水年淤，纵向冲淤交替发生。鳌江河口朝向东南，口门从平阳县西湾乡到苍南县舥艚镇，宽度14 km。从口门往里到鳌江测站的江面宽度只有200—300 m。当大量潮水从鳌江河口涌进时，由于江面急剧缩小，造成海水迅速雍高。

4 数值模拟

风暴潮数值模式计算开始于50年代，70年代美国建立的SPLASH模式，在实时风暴潮预报中发挥了重要作用；80年代美国建立的SLOSH[1]模式能预报海上、陆上以及湖上的台风风暴潮，在防灾预报中发挥了很好的作用。我国的风暴潮数值模拟研究也在80年代得到了迅速的发展，目前已对渤海、黄海、东海和南海的风暴潮进行了大量的数值模拟实验，以此来研究各动力因子的效应[2-3]。模式实验取得了许多有意义的结果并且部分模式已经在实时预报中使用[4]，成为风暴潮预报的重要手段之一。

MIKE21数学模型是丹麦DHI公司开发的属于平面二维表面流数学模型，可广泛地应用于潮汐、水流，风暴潮等二维水力学现象的研究；相关研究表明，Mike21软件水动力计算模块是一种较好的风暴潮计算程序[5]，该模块具有可嵌套计算、采用稳定性较好的ADI格式和干湿网格法处理动边界等优点，适合于浙江省沿海多滩涂和曲折岸线的海岸特征。模型计算介绍如下：

4.1 水动力模型

DHI水动力模块计算的控制方程包括一个连续性方程和二个动量方程，基本方程为：

式中，ς为潮位（包括天文潮和台风增水）；p、q分别为x、y方向上的垂线平均单宽流量；h为水深；Ω为柯氏力参数；ρw为水密度；C为谢才系数；Pa为大气压力；f为风摩擦系数；V，Vx，Vy分别为风速及其在x、y方向的分量；E为涡动粘性系数。

初始条件：

边界条件：

陆边界：取法向流量为零，即Qn＝0

水边界：由全球天文潮预报模型给出，取静压水位叠加由10个分潮推算的天文潮位，包含8个主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1以及两个长周期分潮Mf、Mm。

4.2 陆地径流

注意睡姿：身睡如弓效果好，向右侧卧负担轻。由于人体的心脏多在身体左侧，向右侧卧可以减轻心脏承受的压力，同时双手尽量不要放在心脏附近，避免因为噩梦而惊醒。此外不要蒙头大睡或张大嘴巴，睡觉时用被子捂住面部会使人呼吸困难，导致身体缺氧；而张嘴吸入的冷空气和灰尘入会伤及肺部，胃部也会受凉。

由于“菲特”影响期间，风暴潮过程受上游洪水影响。水动力计算时，上游河道边界条件采用流量边界，鳌江上游为“菲特”期间温州平阳埭头水文站实测流量过程，见图6。

图4 “菲特”台风期间鳌江站天文潮位过程图

图5 鳌江流域高分辨率影像图

图6 “菲特”期间鳌江上游埭头水文站实测流量过程（起始时间为10月6日18:00）

图7 模型计算范围图

4.3 台风场计算

目前国际通用的风场计算模式主要有高桥和藤田模式、Jelesnianski模式等[6]，此外，还有NCEP和QSCAT混合风场等[7]，根据对一些超强台风风速模拟的研究[8]，Jelesnianski模型较优，因此选用Jelesnianski模型风场和气压场，其式如下：

式中，R为最大风速半径；r为计算点到台风中心的距离；V0为台风移动速度；WR为台风最大风速；A=-[(x-xc)sinθ+(y-yc)cosθ]；B=(x-xc)cosθ-(y-yc) sinθ；(x,y)、(xc,yc)分别为计算点坐标和台风中心坐标；θ为流入角；P0为台风中心气压，P∞为无穷远处的大气压。β为台风风速距离衰减系数。风－压关系使用ATKINSON－HOLLIDY提出的关系式来计算最大风速[9]。

对于R，由以上资料可构造求得：R=Rk-0．4(P0-900)+0．01(P0-900)2，P0为中心气压（hPa），R为最大风速半径（km），Rk为经验常数，推荐值为40，也可由气压或风速的拟合精度预以调节。

图8 鳌江站天文潮验证图

图9 瑞安站天文潮验证图

图10 “菲特”台风过程鳌江站潮位验证图

图11 “菲特”台风过程鳌江站增水验证图

4.4 模型范围

数值模拟的计算域见图7，模型采用直角平面坐标，计算边界与经线、纬线并不重合，模型大致范围为21.5°—41°N、116.5°—127°E，整个计算域面积为2.2×106 km2。采用五层嵌套的方法逐步加密网格，其中大范围的网格尺寸为8100 m，其后每一层网格逐层缩小3倍，鳌江海域的网格尺度为10 m。

根据以上模型，得到计算结果见图8—12。其中图8和图9为鳌江和瑞安两个潮位站的潮位过程计算值与调和分析推算结果的比较。由图可见，无论潮位过程还是高、低潮位值，高、低潮位出现的时间，计算与调和分析推算结果均符合良好。说明模型计算的精度是比较高的，可用于两潮耦合计算。

表1 鳌江站最高潮位及最大增水验证对比表

4.5 其它各站模拟情况

图12是“菲特”台风过程其它各站的模拟情况，从图来看模拟结果比较令人满意，从潮位的平均模拟绝对值误差来看，瑞安站37 cm，温州站42 cm，坎门站37 cm，健跳站16 cm，石浦站23 cm，镇海站15 cm。模拟误差主要体现在低潮位的模拟上。

图12 “菲特”台风过程浙江沿海各站潮位验证图

5 结论及分析

作为1949年以来10月份登陆我国的最强台风，“菲特”台风及其造成的影响是巨大而独特的，经总结，主要有以下结论：

（1）“菲特”台风尽管在福建登陆，但其主要的海洋水文的影响集中在浙江，台风登陆前后，温州沿海全线超警戒潮位，其中鳌江站超历史最高潮位42 cm，创造了新的历史潮位记录；

（2）鳌江超高潮位的形成，与“菲特”台风的强劲风场有关，也与鳌江口特殊的河口地形和高强度的降雨有关，天文潮在大范围的风场作用下，形成风暴潮由外海向海岸线传播，由于鳌江口的喇叭口形态，造成了风暴潮能的集中，从而使水位抬升，此时上游高强度降水形成的洪水下泄造成水位壅高，即在鳌江口附近造成了俗称的“三碰头”现象，水位在极端气象条件下形成异常超高现象；

（3）从建立的数学模型结果看，准确的模拟了风暴潮过程和增水过程，特别是高潮位和最大增水，模拟的精度在10 cm左右，时间在10 min左右，鉴于本次台风受风、洪影响及特殊地形，达到这一精度殊为不易，充分说明了模型在本海域风暴潮计算中的可靠性；

（4）数学模型对低潮位的模拟精度较低，这主要是由于河口区地形特殊，同时高、低潮位时实际的海床糙率有所不同，在模型中难以准确反映和概化，还需要进一步改进；

（5）本次数学模型在得到台风路径和相关台风参数的情况下的计算时间约为45 min，已经达到了预报所需要的时间要求，因此，在需要进行本海域的台风暴潮预报时，可以使用该模型计算。

[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]端义宏,秦曾灏.上海沿岸天文潮与风暴潮非线性相互作用的数值研究[J].海洋与湖沼,1997,28(1):80-87.

[3]秦曾灏,冯士筰.浅海风暴潮动力机制的初步研究[J].中国科学数学,1957,18(1):64-78.

[4]Wang X N,Yu F J,Yin Q J.Research of Application of Numerical Model of Typhoon Surges in China Seas[Z].The Special Issue of MAUSAM,1997:595-608.

[5]赵鑫,姚炎明,黄世昌,等.超强台风“桑美”及“韦帕”风暴潮预报分析[J].海洋预报,2009,26(1):19-28.

[6]尹庆江,吴少华,王喜年.美国SLOSH模式在我国的应用－杭州湾台风风暴潮的数值模拟[J].海洋预报,1997,14(1):70-74.

[7]徐艳清,尹宝树,杨德周,等.东中国海海浪数值模式的研究[J].海洋科学,2008,29(6):42-47.

[8]黄世昌,李玉成,赵鑫,等.浙江沿海超强台风作用下的风暴潮流[J].海洋通报,2008,27(5):8-17.

[9]Atkinson G D,Holliday C R.Tropical cyclone minimum sea level pressure/maximum sustained wind relationship for the western North Pacific[J].MonthlyWeatherReview,1977,105(4):421-427.

Simulation of the highest tidal level in history of typhoon 1323“Fitow”

DING Jun1,2，WANG Jing1,2，ZHAO Xin3,2
（1.Marine monitoring and forecasting center of Zhejiang,Hangzhou 310007 China；2.Zhejiang University,Hangzhou 310058 China；3.Zhejiang institute of Hydraulics&Estuary,Hangzhou 310020 China）

Based on the meteorological data of Typhoon 1323“Fitow”,a two-dimensional MIKE21 model of Zhejiang coastal tidal level with global astronomical tidal level forecasting model is established to simulate the storm surge and water level variation in Aojiang station during this strong typhoon.The calculation results show that the accuracy of the highest tide level and the largest water increase is about 10 cm,and the time error is about 10 min,which indicate that the model calculation is satisfied with the requirement of numerical forecasts in this area.

typhoon“1323”；Aojiang Station；the highest tide level；storm surge

P444

：A

：1003-0239（2014）05-0030-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.005

2014-04-16

浙江省重点科技创新团队项目（2010R50035）

丁骏（1978-），男，工程师，主要从事海洋预报工作。E-mail：ddjj7888@sina.com