台风移动方向和速度对湛江市沿海风暴潮影响的数值分析

张敏，陈钰祥,赵雪，冯伟忠

(1.国家海洋局南海预报中心，广东广州510310;2.河海大学,江苏南京210098)

台风移动方向和速度对湛江市沿海风暴潮影响的数值分析

张敏1，陈钰祥2,赵雪1，冯伟忠1

(1.国家海洋局南海预报中心，广东广州510310;2.河海大学,江苏南京210098)

基于FVCOM海洋数值模式，模拟了1409号超强台风“威马逊”和1415号台风“海鸥”的风暴潮过程，并通过数值试验，定量的研究了台风移动方向和移动速度对湛江市沿海风暴潮的影响，分析了1409号和1415号台风产生的风暴潮相差较大的原因。结果表明：台风以180°角（正西向）移动并登陆湛江时，所产生的风暴潮最大，其次是157.5°，当台风以180°角登陆时，湛江海域的最大风暴潮较台风以135°登陆时大60—90 cm；台风移动速度越快，对湛江海域造成的风暴潮越大，两者呈对数关系，台风以20 km/h和30 km/h的移速并以180°角登陆湛江时，后者对湛江海域3个站点造成的最大风暴潮较前者大将近100 cm。“海鸥”以接近157.5°的角度和30 km/h的速度登陆湛江，是导致其增水远大于“威马逊”的其中两个重要因素。

湛江；台风；风暴潮；移动方向；移动速度

1 引言

台风风暴潮灾害是我国华南沿岸较为严重的自然灾害之一，尤其是雷州半岛东岸的湛江市海域，由于其独特的海岸形态，每当台风影响时，地形十分有利于风暴潮的发展，往往会造成巨大的风暴潮灾害。例如，受8007号强台风影响，南渡站出现了有史以来的最大风暴潮594 cm[1-3]，这次灾害共造成414人死亡，失踪137人，受伤645人，倒塌房屋121917间，船只沉没、漂失共计3133艘，直接经济损失达4亿元。2014年的两场台风过程，1409号超强台风“威马逊”和1415号台风“海鸥”接连袭击湛江市，也给湛江市沿海造成了巨大的经济损失。对湛江市沿海风暴潮过程进行数值研究，分析影响台风风暴潮增水的可能因素，能有效的为风暴潮预警预报工作提供参考。曾有学者利用历史资料系统的分析了台风登陆地点和湛江港增水的关系[4]，本文旨在通过数值试验，揭示台风移动方向和移动速度对湛江市沿海风暴潮的影响。

2 模型介绍

2.1 台风模型

本文使用的台风气压场采用高桥公式[5]和藤田公式[6]，在2R范围以外，前者更具有代表性，台风中心至2R范围内，后者能更好的反映台风的气压变化，故将两个公式嵌套来计算同一台风的气压场分布：

式中：P（r）为距离台风中心r距离处的气压，P0为台风中心气压，P∞为台风外围气压（正常气压，取1010 hPa），R为最大风速半径。

本文的风场采用改进的Jelesnians公式，修正公式如下[7]：

式中：W为风速，u、v为台风移动速度在x、y方向的分量；R为最大风速半径；r为计算点至台风中心的距离；Wm为台风中心最大风速；R7、R10分别为台风的七级和十级大风半径；W7、W10分别为七级和十级风速；（xc，yc）为台风中心坐标，θ为流入角，本文中取为20°。

2.2 风暴潮模型

近年来风暴潮数值计算模式发展迅速[8-9]，本文所使用的风暴潮模型是基于美国麻省大学海洋科技学院陈长胜教授的博士生研究组建立的FVCOM（Finite Volume Coastand Ocean Model）海洋数值模式，该模式水平方向采用无结构三角网格，通过有限体积法进行求解，并结合了干湿网格技术[10]。本文采用二维模型，垂向采用σ坐标系，其二维垂向积分流体运动方程如下：

上划线“—”表示垂直积分，例如对指定变量ψ，

式中：x、y、z分别表示东，北和深度垂直坐标轴；u、v分别为x、y方向的速度分量；ρ为海水密度；ζ表示水位；H表示水深；D=H+ζ；Pa为大气压强；f为科氏参量；g为重力加速度；Am为水平涡动粘性系数；Ah为水平热量涡度扩散系数；Fu、Fv代表水平动量扩散项。

本文所建立的二维风暴潮模型计算区域包含南海中北部海域，模型网格共有68237个三角形单元，最高空间分辨率约为200m，计算时间步长为10 s。近岸水深采用海图水深，计算区域和网格水深见图1。

本文对2014年登陆湛江市徐闻县的两场台风进行模拟，分别是1409号超强台风“威马逊”和1415号台风“海鸥”。1409号超强台风“威马逊”于2014年7月12日14时（北京时，下同）在西北太平洋生成，14日发展成台风，15日加强为强台风并向西北

移动，16日08时进入南海东部海面，并于18日上午05时加强为超强台风，于18日15时30分前后在海南省文昌市翁田镇沿海登陆（中心最大风速60m/s），后于18日19时30分在广东省湛江市徐闻县第三次登陆，登陆时为超强台风级别（55m/s），登陆后强度减弱，于19日07时10分在广西省防城港市第四次登陆。1415号台风“海鸥”于2014年9月12日14时在西北太平洋海面生成，于13日17时加强为台风，于15日02时进入南海东部海面，之后保持稳定的西偏北路径移动，于16日09时40分前后以台风级别（40m/s）在海南省文昌市翁田镇沿海第二次登陆，于16日12时45分在广东省湛江徐闻县南部沿海第三次登陆，登陆级别为台风（40m/s）。登陆湛江之后，强度减弱，于16日23时前后在越南北部广宁省沿海第四次登陆，登陆级别为台风。

图1 风暴潮模型计算区域和网格水深

图2 1409号超强台风“威马逊”和1415号台风“海鸥”路径图

受1415号台风“海鸥”影响，湛江站、南渡站测

得了历史第二大风暴增水。对1409号和1415号两次台风过程的风暴增水情况进行数值模拟，与实测增水对比结果如图3和图4所示，模拟值与实测值相位和大小拟合较好。本文还对历史上影响湛江沿海较为严重的0312号和1117号台风进行了模拟，并对模拟结果进行误差分析，如表1所示。本文建立的风暴潮模型能较好的重现出湛江海域风暴潮情况。

1415号台风“海鸥”与1409号超强台风“威马逊”在湛江市的登陆地点相差不大，“海鸥”的强度弱于“威马逊”，但是造成的增水却远大于“威马逊”。对比两个台风过程，“海鸥”云团范围和风圈较大，且登陆湛江徐闻时沿海潮位处于涨潮时段，有利于风暴增水。除了以上因素之外，它的移动方向和移动速度也与“威马逊”不同。本文将构造理想台风，利用数值试验对台风移动方向和速度对湛江市海域风暴潮的影响进行定量的研究，分析这两个因素对湛江沿海风暴潮大小的影响，讨论1409号和1415号两次过程产生的风暴潮差异原因，为今后湛江市沿海风暴潮预警报工作提供参考依据。

图3 1409号超强台风“威马逊”期间湛江和硇洲站增水曲线对比图

图4 1415号台风“海鸥”期间湛江和硇洲站增水曲线对比图

3 台风移动方向对湛江市沿海风暴增水影响的数值试验

为了研究台风移动方向对湛江海域风暴潮的影响，本文假想了6条平直的台风路径，定义正东为0°，逆时针为正，在湛江市徐闻县选取一个固定的登陆点，使6个台风分别以90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°的方向登陆，台风的移动速度均为20 km/h，强度均为台风级别，中心最大风速40m/s，如图5所示。

对这六条台风路径下湛江市的风暴潮过程进行模拟，模拟的最大增水分布图如图6所示，图7和图8为各条路径台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站

产生的风暴潮，可以看出，不同的台风移动路径对湛江沿海的风暴潮影响有很大的差异，在90°—180°的移动方向内，台风造成的最大风暴潮与台风移动角度成正比，过180°后，造成的最大风暴潮又明显减小。总体来看，台风以180°的移动方向登陆徐闻县，对湛江海域的潮位影响最大，造成的风暴增水最大，其次是157°。南渡站和硇洲站的潮位对台风移动方向的敏感性较大，台风以180°登陆时造成的最大风暴潮比135°登陆时，南渡站大83 cm，硇洲站大84 cm。对于湛江站来说，台风以90°—135°的角度登陆时，对其产生的最大增水相差不大，但是以大于135°的角度登陆时，最大风暴潮则增大明显，台风以180°登陆时较135°最大增水大60 cm。

表1 湛江海域4次台风风暴潮过程模拟与实测结果对比（单位/cm）

表2 不同移动方向台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的最大风暴潮（单位/cm）

图5 构建的台风路径图（图中相邻两个红点之间的时间差为5 h）

4 台风移动速度对湛江市沿海风暴增水影响的数值试验

为了研究台风移动速度对湛江市沿海风暴潮的的影响，本文假想了6条以180°角移动的台风路径，分别以15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h、

35 km/h和40 km/h的速度登陆湛江市徐闻县，登陆点与上节相同，强度均为台风级别，中心最大风速40m/s。

图6 不同移动方向台风过程产生的最大风暴潮分布（单位/m）

图7 不同移动方向台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的风暴潮曲线过程

从模拟结果可以看出（见图9,10），湛江海域最大风暴潮与台风移动速度呈对数关系，台风移动的越快，对湛江海域造成的风暴潮越大，这种增大的趋势随着移速加大而变缓。台风以20 km/h和 30 km/h的移速登陆时，后者对湛江海域3个站点造成的最大风暴潮较前者大将近100 cm（见表3）。

图8 不同移动方向台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的最大风暴潮

图9 不同移动速度台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的风暴潮曲线过程

图10 不同移动速度台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的最大风暴潮

表3 不同移动速度台风影响下湛江站、南渡站、硇洲站产生的最大风暴潮（单位/cm）

5 结论

通过数值试验可以得出，湛江市沿海风暴潮大小与台风移动方向和移动速度有密切关系，台风以180°角登陆湛江徐闻时，所产生的风暴潮最大，其次是157.5°，当台风以180°角登陆时，湛江海域的最大风暴潮较台风以135°登陆时大60—90 cm；台风移动速度越快，对湛江海域造成的风暴潮越大，这种增大的趋势随着移速加大而变缓，台风以20 km/h和30 km/h的移速并都以180°角登陆时，后者对湛江海域三个站点造成的最大风暴潮较前者大将近

100 cm。1415号台风“海鸥”虽然强度不如1409号超强台风“威马逊”，但是其登陆角度接近于157.5°，平均移动速度为30 km/h，而“威马逊”的登陆角度接近135°，登陆前的平均移动速度为20 km/h，这也是导致2014年“海鸥”造成的风暴潮灾害远大于“威马逊”的两个重要因素。在今后针对湛江市沿海的风暴潮预警报工作中，不仅要考虑台风强度、风圈半径、登陆地点、天文潮等因素之外，台风移动方向和速度也是需要加以考虑的重要因素。对于其他影响因素的定量分析，将在后续的工作中开展。

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Numericalanalysisof the im pactsof themoving direction and speed of typhoon on ZhanJiang coastalstorm surge

ZHANGM in1,CHENYu-xiang2,ZHAO Xue1,FENGWei-zhong1
（1.South China Sea Prediction Center,State Oceanic Administration,Guangzhou 510310 China；2.HohaiUniversity,Nanjing 210098 China）

Based on FVCOM ocean numericalmodel,the storm surge of No.1409 super typhoon“Rammasun”and No.1415 typhoon“Kalmaegi”was simulated,and through numericalexperiments,the impacts of themoving direction and speed of typhoon on Zhan Jiang coastalstorm surgewas studied and the causeof the large different storm surge of“Rammasun”and“Kalmaegi”was analyzed.The results showed,when the typhoonmoved and landed on Zhan Jiang at180°angle,the storm surge is the largest,and the second is at157.5°angle.In ZhanJiang sea areas,themaximum storm surge caused by 180°angle landed typhoon willbe greaterby 60-90 cm than that caused by 135°angle landed typhoon.The typhoon move faster,the storm surge in ZhanJiang sea area w ill be larger.There is a logarithm ic relation between the typhoon speed and the maximum storm surge.When the typhoon landed on Zhan Jiang at 180°angle w ith moving speed of 20km/h and 30km/h,the latter w ill cause larger storm surge in Zhan Jiang coastal sea are by nearly 100cm.“Kalmaegi”landed on ZhanJiang w ith nearly 157.5°angle and 30km/h moving speed are two important reasons of all that cause larger storm surge in ZhanJiang coastalseaarea than“Rammasun”.

Zhan Jiang;typhoon;storm surge;moving direction;moving speed

P444

A

1003-0239（2015）05-0045-08

2015-02-09

国家海洋局海洋公益行业项目（201305020）

张敏（1989－），女，硕士，助理工程师，从事海洋环境预报工作。E-mail：zhangminling6688@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.006