渤海风暴减水特征及其对深水航路影响的数值模拟

傅赐福，付翔，吴少华，于福江2，董剑希

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081）

渤海风暴减水特征及其对深水航路影响的数值模拟

傅赐福1，付翔1，吴少华1，于福江12，董剑希1

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京 100081）

利用环渤海9个沿岸站近10 a潮位资料分析渤海海域的风暴减水特征，结果表明：渤海年均出现50 cm和100 cm风暴减水分别超过30 d和6 d，每年的9月至翌年4月份风暴减水最为频繁；建立了一套精细化天文潮-风暴潮耦合模型用于渤海深水航路的潮位预报，各站天文潮模拟验证的平均均方根误差为18.5 cm，由此计算得到航路代表点的潮汐特征值并作潮汐预报；后报模拟了近10 a重大风暴减水过程，模拟与实测吻合较好，说明该耦合模型可为该航路的潮位预报提供有益参考。

风暴减水；深水航路；高分辨率；风暴潮-天文潮耦合；数值模拟

1 引言

渤海包括辽东湾、渤海湾、莱州湾，由于其半封闭地形缘故，且位于中纬度地区，一年四季均有风暴潮发生，历史上曾多次发生强风暴潮灾害，尤其以由西风带天气系统引起的温带风暴潮最为频繁和严重［1—2］。渤海属超浅海，平均水深不足20 m，当离岸风长时间吹刮海面，较大风暴减水与天文低潮等相叠加会引起的异常低潮位，将严重影响了大型油轮及巨型货轮的正常航行和锚泊。

从老铁山水道航行至曹妃甸锚地的其中一段航路水深约25 m（见图3b，虚线框），该航路为大型货船进出渤海的深水航路，是连接大连港与曹妃甸港的唯一航路，为了满足吃水较深的大型船只对该航路的航运要求，需对该航路及附近海域的潮位及风暴减水进行深入的研究。

国内许多学者对风暴减水的研究主要侧重近岸工程的极低水位计算，分别基于构造温带天气系统进行数值模拟［3］、统计分析［4］、重大减水过程分析［5］等思路进行研究。本文则主要分析减水特征并利用经检验的天文潮-风暴潮耦合模型进行数值模拟研究，以期对深水航路的潮位预报有益。

2 近10年渤海风暴减水特征

2.1 渤海风暴减水天气系统特征

分析环渤海各站同时出现明显风暴减水过程，发现造成渤海风暴减水的天气系统主要由冷空气造成。

（1）冷空气配合气旋：由于冷空气东移南下恰遇气旋东移，渤海风向变化由东北—北—西北，气旋出海前的东风使北黄海的一部分海水流入渤海，渤海风暴潮情况呈现先增后减，并且此天气形势下的风暴潮量值比较大。这种减水过程的特点是整个渤海的风暴减水持续时间长，且辽东湾减水值略大于渤海湾、莱州湾，而渤海海峡外减水最小。

（2）西路冷空气南下：受西路空气南下影响，渤海前期为偏北风，渤海北部先开始出现减水，随着高压南下东移，渤海风向由北—西北—西，渤海西部和南部也开始减水，因此渤海西部、西南部的渤海湾和莱州湾能出现较大减水，减水值甚至大于渤海北部。

2.2 近10年渤海风暴减水特征

利用环渤海9个沿岸验潮站（表1）近10 a的实测潮位数据，进行渤海减水特征分析。增减水分离采用观测潮位直接减去周期性天文潮部分，得到逐时增减水值。

表1 环渤海9个验潮站位置及数据信息

统计各站大于50 cm和大于100 cm减水的天数，分别做年平均和多年平均月际变化分析，见图1和图2。从年平均变化来看，减水大于50 cm：渤海湾、莱州湾一年中出现的天数最多，为38～50 d，辽东湾约35 d，渤海海峡口约15 d；减水大于100 cm：渤海湾、莱州湾6～8 d，辽东湾为6 d，渤海海峡口为1 d。总的来说，渤海海峡内比海峡口更容易出现减水且渤海海峡内的风暴减水量值比海峡口偏大。

图1 各站年均大于50 cm（a）和100 cm（b）风暴减水的天数

从年平均月际变化来看，5—8月出现减水的情况较少，9月至翌年4月整个渤海减水频繁。以各站的平均天数来看，11月至3月渤海每月大于50 cm的减水都超过3 d，12月最多，超过6 d；大于100 cm的减水12月和3月平均每月超过1 d。这是由于冬、春季冷空气频繁南下，渤海多受偏北风影响，整个渤海易出现减水。

3 天文潮-风暴潮耦合模式的建立及参数设置

由于风暴潮影响范围较广，模型计算区域必须足够大以刻画大规模海水的运动，又要考虑重点区域复杂地形，本文采用基于非结构三角形网格的ADCirc模型，该模型是目前国际上较先进的风暴潮数值模式，由北卡罗来纳大学的Luettich和美国圣母大学的Westerink教授于1992年研制后经不断完善发展。ADCirc是基于有限元方法、垂向平均二维、正压的水动力学模式，具有计算速度快，精确性和稳定性高的特点［6—7］。

图2 环渤海各站大于50 cm（a）和大于100 cm（b）风暴减水的月均天数

3.1 控制方程及主要参数设置

ADCirc模式在计算过程通过基于垂直平均的原始连续方程和运动方程来求解自由表面起伏、二维流速等3个变量，在运动方程中，除了考虑平流项、科氏力项、风应力项和底摩擦项外，还考虑了潮汐和侧向黏性项等。在球坐标系下，连续方程和运动方程表示为：

式中，λ，φ为经度和纬度；ς为从海平面起算的自由表面高度；U，V为深度平均的海水水平流速；H＝ς＋h为海水总水深；R为地球半径；f＝2Ωsinφ为科氏力参数，Ω为地球自转角速度；g为重力加速度；Ps为海水自由表面大气压；ρ0为海水密度；η为牛顿引潮势；α为地球有效弹性因子；τsλ、τsφ为自由表面应力；τbλ、τbφ为底摩擦应力；Dλ、Dφ为动量方程的水平扩散项。

初始条件为：ζ＝u＝v＝0。

海岸边界条件：边界的法向速度为0。

开边界条件：辐射边界条件，文中由M2、S2、K2、 N2、2N2、L2、MU2、NU2、T2、K1、O1、P1、Q1、J1、M1、OO1等16个分潮驱动计算，该16个分潮调和常数取自全球潮汐模型NAO99。

模式中求解所需物理变量的过程中，空间采用有限元法离散，时间采用有限差分法。将连续方程和运动方程通过引入空间变量数值加权参数进行结合求解，提高了计算结果的稳定性，时间步长取为30 s，满足CFL条件要求。

底摩擦力τb与深度平均流呈二次平方律关系，底摩擦系数Cf采用线性与二次律混合形式，同时适用于大洋与近海，公式如下：

式中，Cfmin为最小底摩擦因子；Hbreak为临界水深；参数θ用来控制混合公式接近其上下限的快慢；参数λ描述摩擦因子随水深增加而增大的快慢。

海面风应力与风速呈二次平方律关系，风拖曳系数采用Garratt公式，Cd＝0．001（0．75＋0．667→W），（Cd的值在0.002 2和0.003之间）。

文中所用风场由美国研究机构共同研究的新一代中尺度预报模式和同化系统WRF经过GTS等资料同化后的再分析风场提供，区域范围5°～45°N、105°～155°E，空间分辨率0.1°×0.1°，约10 km［8］。

3.2 网格剖分

文中所用水深数据由3部分组成：（1）国家海洋环境预报中心业务化风暴潮预报系统所用水深数据，空间分辨率2′，这部分数据主要用于黄海中部以南；（2）渤海海域、黄海北部海域局部精细化水深数据，空间分辨率12″，这部分数据主要用于渤海及黄海北部海域；（3）渤海海域精细化电子海图1∶5 000，这部分数据主要用于订正修改航线及附近海域。这3类数据通过订正、融合后，插值到网格格点。

图3 计算区域网格划分（a）、渤海高分辨率水深（m）（b）及所涉及潮位站和航路代表点（c）

计算区域包括渤海、黄海和东海北部海域，黄海网格分辨率2～5 km，渤海网格分辨率0.5～2 km，该套网格包括92 304个三角形单元，47 167个网格点。渤海及航路的网格剖分、水深分布以及所涉及潮位站和航路代表点位置见图3（文中水深及潮位值均换算至平均海平面）。通过多种水深数据订正融合，插值后的网格水深更加准确，航线沿线的水深在24.5～28 m之间，基本反映了精细化电子海图的航路信息。

4 风暴潮过程模拟验证

4.1 天文潮模拟验证

模拟了2010年12月1日至2011年12月31日，共396 d，提取2011年1月1日至12月31日全年的潮汐逐时值作为模拟值，各站潮汐调和分析值由国家海洋环境预报中心根据前一年的调和分析计算给出。图4为曹妃甸、大沽灯塔、龙口、老虎滩4个站2011年8月份天文潮模拟值与调和分析值对比，表2为各验潮站逐时天文潮模拟值与调和分析值的均方根误差。可以看出，在渤海大部分验潮站的均方根误差普遍小于20 cm，说明所建立的模式能够很好刻画渤海的潮汐特征。

另外，在这重点阐述大沽灯塔的天文潮模拟情况。与其他沿岸站不同的是，大沽灯塔是位于航道上的潮位站，所处航道水深约18 m，本文认为大沽灯塔模拟的结果可以很大程度上反映该航路上其他点的模拟质量，大沽灯塔所处海域平均潮差较大（约3 m），均方根误差为18.49 cm，吻合较好，可以从一定程度上说明航路各点模拟天文潮与实测相差较小，是可信的。表3为航路各点计算得到的潮汐特征值，可以看出航路自东向西的潮汐类型由正规半日潮向不正规半日潮过渡，平均潮差约55～80 cm，由东向西逐渐减小。

图4 曹妃甸（a）、大沽灯塔（b）、龙口（c）、老虎滩（d）2011年8月份天文潮对比

表2 各验潮站逐时天文潮模拟值与调和分析值的均方根误差

表3 航线4个代表点潮汐特征值

4.2 风暴减水过程模拟验证

2005年12月21—22日，受西路冷空气南下的影响，渤海受7～8级西-西北风控制，渤海沿岸各站出现了较大减水。图5为该过程21日14时、22日08时东亚地面天气图，图6为该过程葫芦岛、塘沽风暴潮、潮位模拟与实测对比图。

2007年3月4—6日，受西北路冷空气南下和江淮气旋出海的共同影响，渤海海域发生了一次强风暴潮过程，5日清晨开始，由于江淮气旋已经出海至朝鲜半岛，渤海受8～9级北到西北风控制，各沿岸站依次开始出现减水。图7为该过程5日08时、5日20时东亚地面天气图，图8为葫芦岛、黄骅、龙口、烟台风暴潮、潮位模拟与实测对比。

从图6和图8可以看出，各站无论从过程风暴潮、潮位模拟都与实测相当吻合，说明该模型能客观刻画渤海风暴潮。

图5 2005年12月21日14时（a）、22日08时（b）东亚地面天气图（单位：hPa）

图6 葫芦岛（a）、塘沽（b）风暴潮，葫芦岛（c）、塘沽（d）潮位模拟与实测对比

图7 2007年3月5日08时（a）、5日20时（b）东亚地面天气图（单位：hPa）

图8 2007年3月葫芦岛（a）、黄骅（b）、龙口（c）、烟台（d）风暴潮、潮位模拟结果与实测结果对比

图9为上述两次过程模拟航路各代表点的风暴潮、潮位过程曲线，综合图6、图8和图9可以看出：渤海风暴减水具有范围广、时间长、减水大的特征，整个渤海的海水受离岸风作用通过渤海海峡大量地流出，因此无论在渤海海湾内或是渤海中央区的减水量值差别不大，在海湾内的减水略大于海盆中的减水；由于这种天气系统持续时间基本都超过1 d，因此渤海的较大减水过程持续时间往往超过1 d；另外，这种天气系统给渤海带来较强西北风，因此渤海的最大减水量值可以达到150～250 cm，一旦减水低值与天文低潮叠加将出现极低潮位，给大型油轮及巨型货轮的正常航行和锚泊造成严重影响。

图9 两次过程航路各代表点模拟风暴潮、潮位过程曲线

5 结论

（1）利用环渤海9个沿岸站近10年潮位资料统计分析渤海海域的风暴减水特征，结果表明：受天气系统和地形影响，渤海年均出现50 cm和100 cm风暴减水分别超过30 d和6 d，每年的9月至翌年4月份风暴减水最为频繁；渤海风暴减水具有范围广、时间长、减水大的特征，海湾内与渤海中央区减水量值差别不大，海湾内的减水略大于渤海中央区的减水。

（2）建立了一套精细化天文潮-风暴潮耦合模型对各站天文潮进行模拟验证，各站平均均方根误差为18.5 cm，由此计算得到航路代表点的潮汐特征值表明航路从东向西潮汐类型由正规半日潮向不正规半日潮过渡，平均潮差缓慢递减。

（3）利用该耦合模型后报模拟了近10 a较大过程引发的风暴减水和极低潮位，各站模拟与实测吻合较好，说明耦合模型可为大型船只在渤海深水航路航行提供有益的潮位预报。

［1］吴少华，王喜年，戴明瑞，等.渤海风暴潮概况及温带风暴潮数值模拟［J］.海洋学报，2002，24（3）：28-34.

［2］王喜年.海洋灾害及预报［M］.北京：海洋出版社，1991：43-88.

［3］吴少华，王喜年，于福江，等.连云港温带风暴潮及可能最大温带风暴潮的计算［J］.海洋学报，2002，24（5）：8-18.

［4］董胜，于亚群，余海静.海岸带风暴潮减水的统计分析［J］.海洋科学，2004，13（4）：70-74.

［5］胡筱敏，熊学军，云升军，等.2007年3月辽东湾西部减水特征分析［J］.海洋科学进展，2008，26（3）：277-284.

［6］Blain C，Westerink J，Luettich R，et al.Grid convergence studies for the prediction of hurricane storm surge［J］.International Journal For Numerical Methods In Fluids，1998，26：369-401.

［7］Westerink J，Luettich R，et al.A basin-to channel scale unstructured grid hurricane stormsurge model applied to Southern Louisiana［J］.Monthly Weather Review，2008，136：833-863.

［8］赵洪，杨学联，邢建勇，等.WRF与MM5对2007年3月初强冷空气数值预报结果的对比分析［J］.海洋预报，2007，24（2）：1-8.

Numerical simulation study on deepwater channel influenced by negative storm surge and its features in Bohai Sea

Fu Cifu1，Fu Xiang1，Wu Shaohua1，Yu Fujiang12，Dong Jianxi1
（1．National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China；2．Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting of State Oceanic Administration，Beijing 100081，China）

The negative storm surge features based on the last 10 a tidal data of 9 coastal tide gauges in Bohai Sea has analyzed in this paper，the results show that：average annual negative storm surge of 50 and 100 cm is more than 30 d and 6d respectively，and September to April next year is the most frequently.A tide-storm surge coupled model with high resolution has been simulated tide，the average RMSis 18.5 cm for the coastal tide gauge，and the tidal characteristic quantities of each point at deepwater channel has been calculated for tide prediction.The large negative storm surge for last 10 a has been simulated base on the coupled model and the calculated results agree well with the observations，indicates that the coupled model can provide a useful reference on the tide forecast for the deepwater channel in Bohai Sea.

negative storm surge；deepwater channel；high resolution；surge-tidecoupled；numerical simulation

P731.34

A

0253-4193（2013）03-0030-09

2013-03-09；

2013-05-07。

海洋公益性行业科研专项经费项目（2012418017）。

傅赐福（1983—），男，福建省泉州市人，工程师，从事风暴潮预报预警及研究工作。E-mail：fucf＠nmefc.gov.cn

傅赐福，付翔，吴少华，等.渤海风暴减水特征及其对深水航路影响的数值模拟［J］.海洋学报，2014，36（3）：30—38，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.004.

Fu Cifu，Fu Xiang，Wu Shaohua，et al.Numerical simulation study on deepwater channel influenced by negative storm surge and its features in Bohai Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：30—38，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.004.