1409号和1415号台风风暴潮预报的数值研究

傅赐福，董剑希，2，刘秋兴，李明杰，李　涛，2（.国家海洋环境预报中心，北京0008；2.国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京0008）

1409号和1415号台风风暴潮预报的数值研究

傅赐福1，董剑希1，2，刘秋兴1，李明杰1，李涛1，2
（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）

分析了1409“威马逊”和1415“海鸥”台风特点及风暴潮、潮位情况。给定较准确的台风特征参数并利用ADCIRC模式对两次台风风暴潮进行数值模拟，各站模拟与实测吻合良好，选取海南岛北部铺前湾作为重点岸段，利用秀英站的风暴潮模拟及北港岛灾后调查推断铺前湾口（P1）、湾顶（P2）输出点的风暴潮模拟值可信度高。对于环流范围较小的超强台风1409“威马逊”，P1和P2的模拟最大增水明显高于秀英站，而P2又明显高于P1；对于环流范围较大的台风1415“海鸥”，P1、P2的模拟最大增水与秀英站无显著差别。因此，台风特征的预报判断将是风暴潮预报的重要因素。

“威马逊”；“海鸥”；台风特征；风暴潮预报；铺前湾

1　引言

风暴潮作为我国沿海主要的海洋灾害，一直是海洋防灾减灾的重要研究方向，发展风暴潮数值预报技术是海洋防灾减灾的重要手段［1］。近几年，随着海洋经济的快速发展，港口、码头、核电厂、滨海工业区等重点保障目标日益增多，我国逐步开展了风暴潮精细化预报以满足重点保障目标的海洋防灾减灾需求，并由原来的大面预报向沿海市、县级和重点保障目标预报延伸，取得了良好效果。但同时，由于风暴潮属于海洋-气象交叉课题，其影响因子较多，风暴潮精细化预报也存在较大难度。一方面，在江河出海口等浅水区，由于水动力特征、地形较为复杂，风暴潮精细化预报的误差可能变大；另一方面，台风特征的不确定因素也会加大风暴潮精细化预报的误差。

众多的研究表明台风特征对台风风暴潮起到至关重要的作用，台风的强度、环流大小、风力分布都会对风暴潮产生显著影响［2-6］。因此，本文将运用中国海高分辨率风暴潮数值预报模式分别对2014年第9号热带气旋“威马逊”和第15号热带气旋“海鸥”在雷州半岛东岸和海南岛东北部沿海产生的强风暴潮过程进行数值模拟分析，并以海南岛东北部的铺前湾为研究重点岸段，研究台风特征对风暴潮精细化预报的影响。

2　两次台风及风暴潮概况

2014年第9号热带气旋“威马逊”（超强台风级）是1949年以来登陆我国的最强台风，7月18日14时（北京时，下同），“威马逊”中心最低气压888 hPa，近中心最大风速72 m/s，15时30分，在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，19时30分，在广东省湛江市徐闻县龙塘镇沿海再次登陆，19日07时10分前后，在广西防城港市光坡镇沿海3次登陆，“威马逊”具有登陆强度超强、登陆次数多、近海加强、核心环流范围较小的特点。

受风暴潮和近岸浪的共同影响，粤西到雷州半岛东岸、海南东北部和广西沿海先后出现强风暴潮过程，上述影响岸段潮位站的最大增水普遍超过100 cm。沿海最大风暴增水392 cm，发生在广东省南渡站。增水超过200 cm的还有广东省硇洲站（260 cm）、湛江站（256 cm），广西铁山港站（288 cm）、石头埠站（265 cm）和钦州站（219 cm），海南省秀英站（215 cm）。由于恰逢天文小潮期，广东省南渡站和湛江站最高潮位分别超过当地警戒潮位49 cm和8 cm，海南省秀英站超过当地警戒潮位53 cm。广东、广西和海南三地因灾直接经济损失合计80.80亿元。

2014年第15号热带气旋“海鸥”（台风级）于9月16日9时40分在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，12时45分，“海鸥”在广东湛江市徐闻县南部沿海地区再次登陆。“海鸥”具有登陆强度强、登陆次数多、移动速度快、环流和风圈大的特点。

受风暴潮和近岸浪的共同影响，珠江口到雷州半岛东岸、海南东北部和广西沿海先后出现强风暴潮过程，上述影响岸段潮位站的最大增水普遍超过100 cm。沿海最大风暴增水495 cm，发生在广东省南渡站。增水超过或接近200 cm的还有广东省湛江站（433 cm）、硇洲站（388 cm）、水东站（298 cm）、北津站（238 cm）、闸坡站（222 cm），海南省秀英站（199 cm）。广东省盐田站、黄埔站、三灶站、北津站、湛江站、南渡站6个潮（水）位站的最高潮位超过当地警戒潮位，其中湛江站和南渡站最高潮位分别超过当地警戒潮位121 cm和159 cm，海南省秀英站出现了破历史记录的高潮位，超过当地警戒潮位147 cm。广东、广西和海南三地因灾直接经济损失合计42.75亿元。

1409“威马逊”和1415“海鸥”在不到两个月的时间内，以相似的路径影响海南、广东和广西沿海实属罕见。从灾后调查的情况来看，“威马逊”引起的风暴潮灾主要集中在海南海口和文昌局部岸段，风暴潮漫滩范围较大，且破坏力惊人；“海鸥”引起的风暴潮灾波及广东湛江、海南海口和文昌大部分沿海，均引发了海水倒灌。从风暴潮灾害的角度而言，“威马逊”引起的风暴潮灾害强度大于“海鸥”，而“海鸥”引起的风暴潮受灾面大于“威马逊”。

3　中国海高分辨率风暴潮数值预报模式

为了模拟强风暴潮在近岸复杂地形下的传播发展过程，本文采用基于非结构三角形网格的ADCIRC（An Advanced Circulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters）模型，该模型是目前国际上较常用的风暴潮数值模式，由Luettich和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［9］，同时它作为国家海洋环境预报中心的业务化风暴潮模型之一，在风暴潮业务化预报及数值模拟上具有较高可信度［7-8］。

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粘性项等。模式将连续方程和运动方程通过引入空间变量数值加权参数（GWCE）进行结合求解。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；ζ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=ζ+h为海水总水深；R为地球半径；f=2Ωsinφ为科式参数，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；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，K1，O1，P1，Q1，等8个分潮驱动计算，该8个分潮调和常数取自全球潮汐模型NAO99；

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，时间步长取为10 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采用二次律形式，见式（4），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，本文Cfmin取值0.0018，Hbreak取值3.0 m，θ取值10，λ取值1/3。

运用该公式，水深较深的开阔海域（大于3 m）底摩擦系数基本为常数0.0018，而水深较浅的海湾、河口等地形（小于3 m）随着水深的变浅的底摩擦系数则呈指数式的增大，这样就能较客观同时刻画海洋、河口等地形条件的底摩擦力项。

3.2台风模型风场

文中选取Holland模型风场驱动风暴潮模式［9］，文中选取的这两次台风强度较强，风场分布较对称，用Holland模型风场基本可以刻画。

台风气压场表示为：

式中：P（r，θ）是距台风中心r处的海表面气压值，为径向距离r、方位角θ的函数；Pc为台风中心气压，Pn为台风以外不受干扰的背景气压，文中取为1 012 hPa；Rmax是台风最大风速半径，为方位角θ的函数。

在Holland台风风场的计算中，假设梯度风平衡，即气压梯度力、离心力与科氏力的平衡得到切向风速：

式中：V（r）为距离台风中心r的切向风速，ρa为空气密度，f为科氏参数，B是台风轮廓参数，表征台风眼区直径和切向速度梯度，一般取值1.0—2.5。该模型计算得到的风场是轴对称的，在台风移动方向的右半圆科氏力作用使得切向风速加强，左半圆切向风速减弱。

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→）（2‰≤Cd≤3‰）。

3.3网格剖分

文中采用非结构三角形网格便于刻画复杂近岸地形。计算区域包括整个中国海，开边界网格分辨率25 km，中国沿海河口或海湾等复杂地形网格分辨率为200—500 m，其他较平坦的海岸网格分辨率1 000—2 000 m，该套网格包括634 410个三角形单元，325 016个网格点（见图1）。其中图1a为模型边界及网格剖分分布，图1b为雷州半岛沿海网格分布，图1c为海南岛东北部沿海网格分布，图1b和图1c为图1a中黑色方框的放大图。

所用水深、高程数据由两部分组成：（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外海；（2）中国沿海高分辨率水深数据，空间分辨率12″—1′不等，这部分数据主要用于中国近海。这3种数据统一订正、融合后，插值到网格格点。

图2为粤西、广西、海南沿海水深分布，1409和1415热带气旋路径及强度、沿海潮位站及铺前湾输出点分布。其中红色方框为研究的重点岸段-海南铺前湾，地处海口与文昌交界的海湾，是华南台风登陆和影响较频繁的岸段。分别选取海湾口P1和海湾顶P2研究两次台风过程的风暴潮变化特征。

4　两次台风风暴潮数值模拟

本文路径和强度均来源于中央气象台（CMA）与中国台风网，由于两次台风的环流范围大小、风圈半径存在明显差异，表1列出文中对两次台风采用的台风特征参数。利用所建立的风暴潮预报模式，分别对1409“威马逊”和1415“海鸥”进行数值模拟。虽然1409“威马逊”影响期间的强度强于1415“海鸥”（近中心最大风速强、中心气压低），但环流范围大小和最大风速半径均低于1415“海鸥”，表1中的台风参数基本反映了两次台风的各自特征。

图1　研究区域地形图

图2　重点研究区域地形、1409和1415热带气旋路径强度、沿海潮位站及铺前湾输出点分布

表1　1409“威马逊”和1415“海鸥”台风特征参数

图3　1409“威马逊”期间各代表站风暴潮模拟与实测对比

4.1两次台风风暴潮数值模拟

图3和图4分别给出了1409“威马逊”和1415“海鸥”影响下，粤西、海南岛北部和广西沿海各主要潮位站数值模拟与实测对比，可以看出，在给定台风特征参数基本准确的情况下，各站的风暴潮模拟与实测吻合良好。表2为各站误差统计，1409“威马逊”各站最大增水平均误差约11.7 cm，最大增水出现时间最大误差约1.2 h，1415“海鸥”各站最大增水平均误差约15.5 cm，最大增水出现时间最大误差1.0 h。可以看出，模式较准确地模拟了这两次台风风暴潮过程。

4.2海南岛北部重点岸段风暴潮模拟分析

为了更全面地分析重点岸段-铺前湾在两次台风过程中的风暴潮变化情况，文中选取了同处海南北部的秀英潮位站、铺前湾口P1和湾顶P2点输出进行分析。

图4　1415“海鸥”期间各代表站风暴潮模拟与实测对比

图5　两次台风过程海南岛北部重点岸段输出站点的风暴潮曲线对比

表2　两次台风过程中各站误差统计

图6两次台风过程粤西及海南岛北部最大增水场分布

图5为两次台风过程期间，秀英站及铺前湾口P1和湾顶P2点风暴潮模拟对比，其中1409“威马逊”秀英站模拟最大增水222 cm，湾口P1最大增水357 cm，湾顶P2最大增水461 cm，1415“海鸥”秀英站最大增水180 cm，湾口P1最大增水189 cm，湾顶P2最大增水242 cm。图6为两次台风过程粤西及海南岛北部最大增水场分布。

从这两次台风过程的模拟来看，对于环流范围较小的超强台风1409“威马逊”而言，铺前湾处于危险半圆的最大风速半径附近，风力超强，加之喇叭形地形效应，湾口P1和湾顶P2的模拟最大增水明显大于处于较开阔海域的秀英站，而湾顶P2又明显大于湾口P1；对于环流范围较大的较强台风1415“海鸥”而言，整个海南岛北部的风力分布较均匀，湾口P1和湾顶P2的模拟最大增水与秀英站无显著差别。

虽然，两次台风期间铺前湾附近沿海并无潮位站验证湾口P1和湾顶P2点的模拟值，但从以下两方面可佐证湾口P1和湾顶P2点模拟的可信度：（1）两次台风过程中秀英站的模拟值与实测值平均误差仅为12 cm，从整个模拟曲线来看，对风暴潮过程的刻画较准确；（2）1409“威马逊”主要影响时段，正值海南岛北部沿海天文低潮期，但秀英站潮位超警戒值53 cm，从铺前湾口的北港岛（平原高程约3 m）灾后调查的情况来看，岛上一层建筑基本被风暴潮淹没，据岛上居民反映海潮比平时高出约3 m以上，这与湾口P1模拟最大风暴增水的量级接近；而1415“海鸥”主要影响时段，恰逢海南岛北部沿海天文高潮，秀英站潮位超警戒值121 cm，从灾后调查的情况来看，北港岛多处被淹没，多处淹没水深达2 m，淹没灾害略轻于1409“威马逊”。基于秀英站的模拟情况和灾害调查的情况推断文中对铺前湾的风暴潮模拟值具有较高可信度。

5　结论

台风特征作为风暴潮的主要影响因素，在沿岸风暴潮的发生、传播中起到重要作用，从文中的研究可知，对1409“威马逊”和1415“海鸥”风暴潮防潮减灾，可依据精细化的数值预报在不同岸段采取不同的防灾决策。因此，在开展精细化风暴潮预警工作过程中，除了完善风暴潮模式物理过程、提高模式网格分辨率和研究地形效应外，同时应将台风特征的预报判断作为重要要素加以考虑，这样就可为风暴潮精细化预报奠定坚实基础，为沿岸防潮减灾提供更客观、精细化的预报指导。

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Numerical simulation study on typhoon“Rammasun”（1409）and typhoon“Kalmaegi”（1415）storm surge forecast

FU Ci-fu1，DONG Jian-xi1，2，LIU Qiu-xing1，LI Ming-jie1，LI Tao1，2
（1.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China；2.Key Laboratory Of Research on Marine Hazards Forecasting of SOA，Beijing 100081 China）

In this paper，typhoon feature and storm surge caused by 1409“Rammasun”and 1415“Kalmaegi”is analyzed respectively，and the two storm surge processes are simulated based on the ADCIRC-2D model with correct typhoon parameters and the model result has a good agreement with measured data.Puqianwan located at the northern of Hainan Province is chosen as a key coast，and the two output points from model result which are located at bay mouth（P1）and showed at bay top（P2）is inferred high reliability based on storm surge modeling at Xiuying station and the disaster investigation at Beigang Island.For 1409 super typhoon“Rammasun”with small circulation，the peak storm surge modeling at Puqianwan is significantly greater than Xiuying station，while the modeled result at P2is significantly greater than that at P1；for 1415 typhoon“Kalmaegi”，the peak storm surge modeling at P1and P2shows no significant difference from Xiuying station.Therefore，the typhoon feature will be an important factor in storm surge forecasting.

“Rammasun”；“Kalmaegi”；typhoon feature；storm surge forecasting；Puqianwan

P731.23

A

1003-0239（2016）04-0026-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.004

2015-12-14

国家海洋局海洋公益性行业科研专项项目（201305031）。

傅赐福（1983-），男，工程师，硕士，从事风暴潮预报预警及研究工作。E-mail∶fucf@nmefc.gov.cn