浙江省温台海域台风风暴潮的数值模拟

张月霞，车助镁，郭敬（.浙江省海洋监测预报中心，浙江杭州30007；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛26600）

浙江省温台海域台风风暴潮的数值模拟

张月霞1,2，车助镁1，郭敬1
（1.浙江省海洋监测预报中心，浙江杭州310007；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

摘要：建立温台地区高分辨率非结构三角网格（温台沿海海域网格分辨率不低于200 m），运用ADCIRC模型,建立了温台地区台风风暴潮数值计算模型。通过实测资料对该模型进行了验证,结果表明该模型能较好地应用于温台地区台风风暴潮数值模拟。在实际工作中，若输入的气象因子是质量较高的预报产品，此模式可以用于风暴潮的预报。

关键词：温州;台州;风暴潮;ADCIRC

1　引言

浙江省温台地区地处我国东南沿海，东临广阔的西北太平洋，是我国易受海洋灾害影响的区域之一[1]。由于特殊的地理位置和气候条件，海洋灾害形势复杂多样，主要表现为：风暴潮、灾害性海浪、赤潮、海上溢油灾害。其中，台风风暴潮灾害是对温台威胁最大的海洋灾害，沿海地区每年6—11月都有可能受台风风暴潮的影响。新中国建国以来，9417号、9711号、0414号和0608号等特大风暴潮灾都在温台地区造成严重的经济损失。

温台地区是我国人口密集、经济发达的地区之一。近年来，紧紧围绕建设海洋经济强市的目标，加快海洋开发，大力发展海洋经济，海洋经济的综合实力不断增强。随着海洋开发利用的进一步开展和海洋经济的蓬勃发展，沿海地区经济、社会和环境脆弱性进一步加重，风暴潮灾害损失和风险俱增[1]，成为涉海经济可持续发展的重大威胁。本文开展温台地区台风风暴潮的数值模拟，以期进一步提高台风风暴潮的预报水平，为海洋防灾减灾提供技术支撑。

2　模型简介

ADCIRC（A PARALLEL ADVANCED CIRCULATION MODEL FOR OCEANIC,COASTAL AND ESTUARINE WATERS）模型是由美国北卡罗来纳大学的LUETTICH和美国圣母大学的WESTE- RINK教授于1992年研制的基于有限元方法，可以应用于海洋、海岸、河口区域的水动力计算模型。该模型能考虑各种复杂因素和复杂边界条件的影响，能合理描述受各种复杂动力影响的近岸流场，被美国工程兵部队（ACE）和美国海军研究实验室（NRL）广泛应用于各个军港的潮汐、海流和风暴潮预报中，也被NOAA应用于美国东海岸的风暴潮预报及路易斯安那州的风暴潮风险评估系统中，在国内外广泛应用[2-8]。

2.1控制方程

笛卡尔坐标系下，二维ADCIRC模型采用沿水深积分的时均连续方程和运动方程，表达式为：

式中，t为时间；(x,y )为水平笛卡尔坐标；H=ζ+h为总水深；ζ为从平均海平面起算的自由表面高度；R为地球的半径；(U,V)为深度平均的海水水平流速；f=2Ωsinφ为科氏参数，Ω为地球的自转角速度；ρ0为海水密度；ps为海水自由表面的大气压强；η为牛顿引潮势；τsx,τsy为海表面应力；τbx,τby为海底摩擦力；Dx,Dy为动量方程的水平扩散项。有关ADCIRC模型的详细描述可参看其用户手册[9]。

2.2数值方法

为了避免或者是减小伽留金有限元离散出现的数值问题，ADCIRC模型采用通用波动连续性方程（GWCE）来代替原有的连续性方程。GWCE方程的构建需要3步：首先，对深度积分的连续方程进行时间求导；第二步，将对空间求导的深度积分的动量方程代入上一方程；最后，将新得到的连续方程加上原连续方程乘以系数τ0后的连续方程。

并将通用波动连续性方程与动量守恒方程一起作为控制方程，采用有限单元法和有限差分法相结合的办法来求解。在空间上采用有限单元法，以适应复杂的边界条件，时间上则采用有限差分法以提高计算速度。采用半隐式法来求解波动连续性方程。

2.3定解条件

模型启动时，采用冷启动，认为海洋是静止的，所有单元上的水位值的初始条件和流场的初始条件均为0，即：ζ=0，u=v=0。对于陆地、岛屿等陆边界，在边界上满足不可入射条件，即取法向流速为零，Vn=0；在外海的开边界上，指定水位边界条件为开边界控制量，其他物理量采用辐射边界条件。2.4表面风应力系数和底部摩擦系数

表面风应力的计算公式可表示为:

式中，ρa为空气密度，V→为海面上10 m处的风速，Cd为拖曳系数采用Garratt公式[10]：

Cd=μ×(0.75+0.667×V）（5）

若Cd超过了0.003，则Cd=0.003。

ADCIRC模式中底部应力有3种形式：线性、二次和混合形式。混合形式中底摩擦系数Cf是变化的，表达式[11]：

式中，Cfmin和Hbreak都是常数，λ,θ也是常数，因此Cf只是H的函数。当H很大，即在远离近岸的海域时，与线性形式相同；当H和Hbreak同量级，即在靠近陆地的近海区域时，Cf将呈指数增大，这样可以客观地、整体地刻画深海和近海的底摩擦力的实际情况。因此，文中底摩擦项选取了混合形式。

3　模型的建立与验证

3.1研究区域及网格剖分

为了减少开边界对模拟结果的影响，本文选取韩国丽水市至广东汕尾市的半圆形连线为网格外海的开边界，研究区域包括黄海、渤海的全部海域和大部分的东海海域，见图1。

为了能把岸线对计算结果的影响降到最低，本文对于浙江省的海岸线数据，采用浙江省“908”专项的海岸线最新调查成果，并进行了细致的修改。同时为了兼顾模式模拟的计算质量和速度，将各个陆地边界网格计算区域因关心程度不一而采用了可变分辨率的划分，其中温台沿海海域网格分辨率不低于200 m，渤海、黄海和东南部的陆地边界网格分辨率约为2—10 km，开边界处网格分辨率约为40 km。最终整个高分辨率非结构网格的计算区域包括了806107个三角形单元，共计414005个节点，近80%的网格分布在浙江沿海，实现了高精度的刻画，既能够满足对重点地物的刻画，同时又大大缩短了计算时间。

对于水深数据，温台以外沿海采用分辨率为2′× 2′的水深数据，温台沿海采用浙江省“908”近海专项调查得到的水深资料。

3.2计算结果与验证

温台沿海是遭受风暴潮灾害较为严重的区域之一，历史上许多台风都对其造成了较大的损失。采用已建立的数值模型对影响温台地区有代表性的台风风暴潮过程进行了模拟计算。

本文用来验证的台风要素数据来源于《台风年鉴》，1989年以后更名为《热带气旋年鉴》；潮位数据主要来自于水利部门。

（1）0515号台风风暴潮过程模拟

0515号台风“卡努”于2005年9月7日08时在西北太平洋上生成，8日02时加强为强热带风暴，9日加强为台风，10日12时加强为强台风，之后其强度依然逐渐加强，10日14时加强至中心最低气压为945 hPa、中心最大风速为50 m/s，并维持西北的行进方向。于11日14时50分在浙江省台州市路桥区金清镇登陆。具体路径见图2。受其影响，浙江中部沿海风暴增水高达300 cm左右，其中台州海门站最大增水达320 cm，最高潮位676 cm。

（2）1323号台风风暴潮过程模拟

1323号台风“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，7日01时15分在福建省福鼎市沙埕镇沿海登陆，登陆时台风中心附近最大风速42 m/s，中心最低气压为955 hPa。具体路径见图2。

图1　模式计算区域及水深分布

图2　模拟计算台风路径图（引自：中国气象局国家气候中心网站）

影响期间，浙江省沿海岸段的风暴增水普遍在100 cm以上，此次台风过程最大增水出现在鳌江站，达到383 cm，实测高潮位522 cm，超过历史最高潮位18 cm（历史最高潮位504 cm，出现时间为2002 年9月7日，是由0216号台风“森拉克”引起）。

采用已建立的数值模型选取对温台地区产生重大风暴潮灾害的具有代表性的12次台风风暴潮过程包括进行了数值模拟，限于篇幅原因，本文只例出0515号台风和1323号台风期间站点风暴潮计算值和观测值的比较图（见图3、图4），其中0515号台风在台州市路桥区登陆，这类路径对台州北部影响较大；1323号台风在福鼎市沙埕镇登陆，这类路径对温州影响较大。

通过典型台风风暴潮过程的模拟计算可以看出（见表1）：该台风风暴潮模式较好地重现了历次台风风暴潮的发生过程，模拟值和实测值的平均绝对误差为12.1 cm，平均相对误差为5.6%，因此本文所建立的温台地区台风风暴潮模式计算结果是可靠的。

图3　0515号台风期间海门站和健跳站风暴潮计算值与观测值比较

图4　1323号台风期间鳌江、瑞安、坎门和海门站风暴潮计算值与观测值比较

表1　显著台风风暴增水过程计算值与实测值的比较

4　结束语

本文采用ADCIRC模型,建立了基于三角网格

的浙江温台地区台风风暴潮数值模式。利用实测资料对该模式进行了验证，结果表明：该台风风暴潮模式较好地重现了历次台风风暴潮的发生过程，模式结果是可靠的。在实际工作中，若输入的气象因子是质量较高的预报产品，此模式可用于风暴潮的预报，同时可为今后进一步的台风风暴潮业务化应用的研究打下基础。

参考文献：

[1]浙江省人民政府.浙江省海洋灾害防御“十二五”规划[S]. 2012.

[2]曹永华.二维潮流的浅水紊流模型及其应用[D].天津:天津大学, 2002.

[3]林全泓.强风浪过程中近岸泥沙运动的数值模拟[D].天津:天津大学, 2004.

[4]张娜.风浪作用下粘性泥沙运动的三维数值模拟[D].天津:天津大学, 2004.

[5]曹永华,张庆河,闫澍旺,等.黄骅港海域二维流场分析[J].中国港湾建设, 2005, (3): 1-4.

[6]吴相忠,张庆河,张娜,等.黄骅港海域三维流场数值模拟[J].水利水运工程学报, 2005, (3): 13-19.

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[9] Luettich R A, Westerink J J. ADCIRC User Manual: A (Parallel) Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal and Estuarine Waters[R]. 2000, (http://www.unc.edu/ims/adcirc/documentv47/ ADCIRC_title_page.html).

[10] Garratt J R. Review of drag coefficients over oceans and continents[J]. Monthly Weather Review, 1977, 105(7): 915-929.

[11] Luettich R A, Westerink J J, Scheffner N W. ADCIRC: An advanced three-dimensional circulation model for shelves, coasts, and estuaries, report I: Theory and methodology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL[R]. Washington DC: U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experiment Stations, 1992.

Studies on storm surge model in the Wenzhou-Taizhou coastal area

ZHANG Yue-Xia1,2，CHE Zhu-Mei1，GUO Jing1
（1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266000 China 2. Marine Monitoring and Forecasting Center of Zhejiang, Hangzhou 310007 China）

Abstract：A high resolution unstructured triangular grid is established in Wenzhou and Taizhou (the horizontal resolution is less than 200 m), the ADCIRC (an advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters) is used to set up the storm surge numerical model for Wenzhou and Taizhou. The model is validated by the observed data, and the result shows that the model can be applied to simulate the storm surges in Wenzhou and Taizhou. This model can even be applied to forecast storm surges in Wenzhou and Taizhou if the input meteorological factor is high-quality.

Key words：Wenzhou；Taizhou；storm surge；ADCIRC

作者简介：张月霞（1982-），博士，工程师，主要从事海洋环境预报、海洋防灾减灾工作。E-mail: zhangyuex@126.com

基金项目：国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室开放基金（LOMF1303）

收稿日期：2014-03-19

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.003

中图分类号：P731.23

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）01-0020-06