宁波市沿海台风风暴潮增水数值预报研究

金 秋，周宏杰，陈永平

（1.浙江省宁波市水文站，浙江 宁波 315020；2.河海大学，江苏 南京 210098）

1 问题的提出

宁波市位于东海之滨，大陆海岸带中段，是一个水、旱、台风、大潮多种灾害频繁交错发生的地区，其中风暴潮作为最严重的灾害之一，每年给宁波市沿海带来巨大的经济损失。以“9711”台风暴潮为例，在强风、低压和天文大潮的共同作用下，宁波市各潮位站均出现有记录以来的最高潮位，造成大批海塘决口，海水倒灌严重，直接经济损失数十亿元。此外，台风期间所带来的强降水使江河水位猛涨，由于宁波特殊的地理形势，下游受风暴潮的顶托，泄洪不畅，造成平原地区洪涝严重，水位居高不下，个别区域出现长时间受淹，给城市安全带来巨大隐患。

宁波市水文站自20世纪80年代开始相继采用回归分析、回归分析与经验相结合的方法开展潮位预报，而这些方法只能提供最高潮位值，不能得出各个时段的潮位，难以满足风暴潮灾害预警及城市防洪排涝科学调度对潮位预报提出的新需求[1]。本文通过对宁波市沿海地区风暴潮数值预报的研究，能及时、准确预报各个时段的潮位，为沿海城市防御台风、防洪排涝方案的确定提供准确依据，从而显著降低台风灾害所造成的人员和财产损失。

2 台风风场的确立

沿海风暴潮数值计算主要是在给定的台风风场和气压场强迫力的作用下、在适当的边界条件和初始条件下用数值求解风暴潮全流方程组，从而得出风暴潮位和风暴潮流的时空分布[2]。因此，首先需要确定台风风场。

对影响宁波的历史台风数据进行整理分析，优选出更加适合于宁波海域的台风风场经验模型。针对台风预报误差的不确定性，采用超级集合方法，即将每个气象预报中心的预报结果作为一种模式，并将台风季节按先后顺序分为训练期和预报期。在训练期，通过对训练样本中各气象中心数值预报结果的误差进行分析，以此确定参与各个预报台站的权重系数；在预报期，使用上述权重系数将各个模式预报结果进行加权平均，获得台风的集合预报路径[3-4]。通过动态训练确定各个台站的加权因子，得出台风集合路径和最大风速的预报成果，为风暴潮预报模型提供更为准确的风场条件。

（1）训练期。为了使训练期预报误差越小的台站在多模式集合预报中所占权重越大，权重系数取为训练期内各台站预报值平均误差的倒数：

（2）预报期。在预报期，集合化预报的台风路径FA，Fi为第i个台站的预报值：

3 增水预报模型

3.1 模型的范围

台风暴潮模型既要反映台风的大尺度、大范围运移的特性，又需关注宁波海域局部微地形的影响。因此，本研究采用多级嵌套网格离散，基于有限差分法进行数值计算。其计算范围为南北间距17个纬距，东西横跨14个经距。大范围覆盖范围：117° ～ 131°E，23.5° ～ 41°6′N，网格尺寸为 6′；近岸二级网格覆盖范围：117° ～ 123°40′E，23.4° ～41°6′ N，二级网格尺寸为 2′；三级网格覆盖区域：121°12′ ～123°E，28°54 ～ 30°19′N，三级网格尺寸为 0.666 6′，约 400 m（见图1）。各级网格的空间比为1∶3，大小网格间采用“小网格的水位提供给大网格，大网格的流量提供给小网格”的嵌套方法，使计算能够在整个计算域的三级网格顺序推进，且模型采用“干湿法”进行动边界处理。

图1 宁波风暴潮增水模型多级嵌套网格计算域图

3.2 模型的建立

在近海水域的水深一般较浅，无论是外海潮波在河口区诱发的谐振动，还是在台风强劲风力作用下所产生的水体大范围输移，都可以近似假定为上下层均匀一致，因此模型采用沿深积分（或平均）的二维模式[5]。

完整的沿深积分二维全流型基本方程：

3.3 模型的初始和边界条件

在岸边界上，取法向全流为零，即M = N = 0。

在水边界上，取静压水位。由于计算域足够大，不会发生因台风移速等于长波波速出现的共振现象。

3.4 模型的验证

宁波市沿海潮位站多位于地形复杂的岸边和河口地区[6]，潮波变形显著，潮汐变化复杂，选用306个自动分潮方法对沿海基础资料较好的11个站点（见表1）对进行天文潮的预报[7]。风暴潮增水模型叠加天文潮可以实现潮位站点在风暴期间的综合水位和增水预报。宁波沿海潮位站点示意见图2。

选取近20年来对宁波影响较大的10场台风，即“9711温妮”“0608桑美”“0716罗莎”“0908莫拉克”“1211海葵”“1323菲特”“1416凤凰”“1419黄蜂”“1509灿鸿”“1521杜鹃”作为历史重要台风，根据实测资料对模型进行率定和验证[8]。

图2 宁波沿海潮位站点示意图

表1 宁波市历史重要台风期各站风暴高潮位预报合格次数表

从表1中可以得出，合格次数为320，总次数为419，合格率为76.0%。此研究所建立的风暴潮模型可以对宁波市沿海台风期间的最高潮位进行准确后报，其后报合格率达到76.0%，满足潮位预报的技术要求。

4 预报结果验证

通过2016 — 2017年对宁波市有影响的5场台风，即“1601尼伯特”“1614莫兰蒂”“1616马勒卡”“1617鲇鱼”“1718泰利”，进行实时预报，再根据实测资料对增水模型进行后报精度检验。图3 ～ 7为镇海站在5场台风的综合水位和增水过程模型计算与实测数据的对比结果图。2016 — 2017年各站风暴高潮位后报合格次数见表2。

图3 “1601尼伯特”台风预报水位和增水过程后报结果图

图4 “1614莫兰蒂”台风预报水位和增水过程后报结果图

图5 “1616马勒卡”台风预报水位和增水过程后报结果图

图6 “1617鲇鱼”台风预报水位和增水过程后报结果图

表2 2016—2017年各站风暴高潮位后报合格次数表

从表2统计的5场台风风暴潮高潮位预报合格次数可以得出，合格次数为140，总次数为183，合格率为76.5%。此研究所建立的风暴潮模型可以对宁波市沿海2016 — 2017年台风期间的最高潮位进行准确后报，其合格率达到76.5%，满足预报精度的要求。

5 结 语

（1）用超级集合方法，通过动态训练确定各个台站的加权因子，得出台风集合路径和最大风速的预报成果。结合优选的台风风场模型，为风暴潮预报模型提供更为准确的风场条件，为今后台风风暴潮预报实践中，台风路径的选取提供重要参考。

（2）建立适合宁波市海域的三级嵌套网格，各级网格的空间比为1∶3，大小网格间采用“小网格的水位提供给大网格，大网格的流量提供给小网格”的嵌套方法，使计算在整个计算域的三级网格顺序推进。

（3）研究首次建立适合宁波地区的精细化台风风暴潮数值模型，使宁波市沿海各潮位站点有了逐时的潮位预报，且满足台风风暴潮预报精度的要求，为沿海潮位预警和市区内涝排水提供精准预报，减少洪涝灾害。

模型只计算增水预报，最终各潮位站潮位预报值需要叠加于基础天文潮数值，因此需要对天文潮进行高精度的制作，否则应用受限；其次，模型只预报测站的潮位数值，但宁波海岸线漫长，而潮位站点的建设有限，对于没有站点区域的海塘段不适用。