汕头南澳海域典型台风过程水动力数值分析

陶英佳，张璐，何倩倩

(上海勘测设计研究院有限公司，上海200062)

潮汐和潮流是陆架海域最显著、最持久的动力学现象[1]，潮位涨落和周期性潮流运动对海岸及近海工程总体布置和安全性都有着极其重要的影响,尤其是台风等极端天气下潮汐潮流的特性具有重要意义[2]。南澳海域属于广东省汕头市，广东地区台风暴潮灾害的特点是：发生次数多、强度大、连续性明显，影响范围广，突发性强，灾害损失大[3]。

针对台风风暴潮的研究开展得比较早，相对也比较成熟，但针对汕头海域的风暴潮研究不多，董剑希、蔡文恬等对广东省沿岸包括汕头沿海风暴潮的特征做了系统的分析和描述[4-5]。风暴潮的预报主要分为经验预报和数值模式预报，针对本文研究海域丁千龙等采用经验预报的方法对风暴潮进行分析[6-7]。黄平、罗家海等针对汕头海域采用三维数值模型对潮汐潮流进行数值模拟，并分析污染物扩散特征[8-9]；刘娟、侯京明等采用数值模拟的方式对汕头海域风暴潮漫滩进行过分析预报[10-11]。

本文基于MIKE 21数值模式，采用无结构三角形网格，对南澳海域的潮汐潮流的变化情况进行高分辨率的数值模拟，在率定验证较好的基础上，选取2016年直接影响该海域的2场典型台风过程(1614号台风“莫兰蒂”、1622号台风“海马”)，分析台风过程对该海域潮流场影响。

1 数值模型及计算设置

1.1 MIKE 21模型简介

MIKE 21平面二维潮流模型基于连续方程和动量方程(1)—(3)，通过无结构三角形网格进行空间离散，数值计算上采用有限元法对控制方程进行离散求解，由于该模型在对数值处理方法和岸线地形拟合上的优势使其在河口海岸地带有着广泛的应用。故对于汕头南澳这样一个海岸线曲折、海底地形复杂、岛屿暗礁较多的海域，采用MIKE 21模式进行模拟是非常适合的。

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1.2 模型计算区域网格和设置

本次研究计算范围见图1。计算域剖分采用无结构三角形网格，既可以较好地拟合陆地、方案边界条件，又可以对近岸及关注海域局部加密，从而保证计算精度。计算区域岸线最北端位于福建漳浦县附近，岸线最南端位于广东惠来县附近，东南侧开边界离岸约150 km，开边界处网格分辨率最低，约为3 km，此外，整个模型网格由20 807个三角形顶点和38 283个三角形元素构成。水深数据采用海图数据以及局部实测地形资料。高分辨率区域网格见图2。

模型采用内外模分离的方法，最小时间步长0.01 s，最大时间步长30 s，能够满足模型的稳定运行的CFL条件。模型的曼宁系数按照分区给定，按照离岸的远近给出不同的数值。模式采用冷启动方式，流速和水位的初始场设为零。

研究海域距离径流入海口40 km，水深在30 m左右，受径流影响较小，上游径流主要考虑韩江水系下游支流外砂河和莲阳河的径流量，外砂河径流量设定为250 m3/s，莲阳河径流量设定为300 m3/s[13]。

模型率定验证所使用的历史风场数据由欧洲中期天气预报中心(简称ECMWF，http://apps.ecmwf.int/)提供，该数据按月份提供下载，空间分辨率达到0.125°×0.125°，时间分辨率为3～6 h，能够满足模型的需求。该数据是基于实测历史资料同化后的再分析数据，比WRF模式计算出的风场数据精度更高，因此模型在率定验证及后续台风期间的水动力计算时候均使用该数据。

外海开边界通过给出13个主要天文分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4、MS4、MF、MM和MN4)的调和常数计算的水位进行驱动，水位计算公式如下：

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式中ζ——潮位；ζ0——余水位(此处设为零)；fi——交点因子；Hi——振幅；σi——角频率；ui——交点订正角；Vi+ui——初相角；gi——迟角[12]。调和常数，即Hi和gi的数值来源于中国海大区域的模型计算的结果，经过实测数据的率定检验，比较可靠[14]。

2 模型的率定验证

南澳海域属于不正规半日潮海域，根据云澳站多年波浪统计资料，海域波浪主要集中在ENE、SSE和S 3个方向，强浪向为NNE向。南澳岛东侧、东山岛南侧海域水深达到了20 m以上，靠近外海侧水深在30 m以上，海域距离径流入海口约40 km，受径流影响较小。模型采用2016年8月云澳站和海门站实测潮位、C1、C2站点夏季全潮水文观测流速数据对模型进行率定验证，站点分布见图3。C1、C2站点夏季全潮水文观测时间为2017年9月。

图4给出了海门站和云澳站的潮位验证成果，图5分别给出了C1、C2站点夏季大中小潮期间的流速和流向验证曲线，图中黑线表示模型计算值，红点表示实测值。通过比较分析，海门站位于河流入海口位置，受河口等径流影响较大，云澳站位于南澳岛海域，具有较强的潮汐代表性，模型均能较好地验证2个站点的潮汐特性，各测站的计算潮位、流速、流向在连续变化过程中均与实测值吻合较好，最高、最低潮位值偏差在±0.1 m以内；流速验证总体效果较好，最大偏差在0.15 m/s以内。流向整体效果较好，模型能很好地反映出工程海域的往复流特性，流速、流向总体上满足要求，与原型达到很好的相似性，可用于对当地潮流平面运动规律的模拟中，所预测结果具有良好的可信度。

图4海门站和云澳站潮位验证

3 典型台风过程分析

3.1 典型台风过程选取

选取2016年对研究海域影响较大的台风进行分析，2016年在中国近岸登陆的台风中无直接在研究海域途径并登陆的台风，因此选取2个对海域影响较大、强度较大、登陆路径距离海域较近的台风进行分析，选取1614号台风“莫兰蒂”和1622号台风“海马”，这2个台风分别在场址区域北、南侧登陆，且路径距离工程海域最近，近岸登陆过程中均以强台风过程登陆，具有较好的代表性。

2016年9月10日14时，“莫兰蒂”在西北太平洋洋面上生成；9月11日14时加强为强热带风暴；9月12日02时加强为台风，08时加强为强台风，11时继续加强为超强台风级；9月13日晚间加强到顶峰强度70 m/s；9月15日以强台风级在厦门市登陆，登陆时中心最大风力48 m/s，17时减弱为热带低压；9月16日凌晨在中国黄海海域消散。

“海马”于2016年10月15日8时生成，当日9时25分升格为热带风暴并命名；10月16日14时，升格为台风级；10月17日8时升格为强台风级，当日17时升格为超强台风级；10月18日晚至19日日间达到巅峰强度，其强度达到萨菲尔-辛普森飓风等级下的五级标准；10月19日23时40分前后，在菲律宾吕宋岛东北部沿海登陆；10月21日12时40分前后，其中心在广东省汕尾市海丰县鲘门镇登陆，登陆时中心附近最大风力有14级(42 m/s)[15]。

根据ECMWF风场数据南澳海域的特征点分析台风过程风速变化，图7给出了“莫兰蒂”台风过程和“海马”台风过程中海域代表点的风速变化情况。南澳海域在受“莫兰蒂”台风影响之前，风向主要以西南偏西向为主，风速大小逐渐降低，台风影响过程

中，由于台风中心位于研究海域东北侧，因此工程海域受到明显的东北方向的风影响，最大风速达到了10 m/s，台风过后风速逐渐降低。在受台风“海马”影响之前，由于受到季风的影响，风向以东北向为主，在台风影响过程中，风向逐渐成顺时针旋转趋势，台风过境后风向重新呈东北向。受台风的影响，工程海域于10月12日便有超过10 m/s的风速，台风影响最大造成风速超过了18 m/s，台风过后风速逐渐回到正常范围内。

3.2 典型台风过程下云澳站增减水的变化

风暴潮增水是指实测潮位过程减去天文潮过程[16]，本文对2个台风引起的风暴潮增减水进行验证，采用云澳站的实测数据。云澳站增水计算方法采用实测潮位减去周年数据调和分析成果的天文潮过程，模型的增水计算采用台风影响下的水位过程减去未加风场的水位过程，最终得到2个台风过程的风暴潮增减水变化，见图7。结果表明模型能够较好地反映云澳站台风过程的增减水变化，“莫兰蒂”台风期间实测最高增水达到了53 cm，模型模拟达到了50 cm；“海马”台风期间实测最高增水达到了74 cm，对应的模拟最高增水达到了69 cm。

3.3 典型台风过程海域水动力的变化

图8分别给出了“莫兰蒂”和“海马”台风过程下C2站点的增减水变化和流速流向的变化过程。可以看到，C2站点最大增水在50 cm左右，流速流向变化差异不大，说明“莫兰蒂”台风对风电场的水动力影响较弱。相比“莫兰蒂”台风，“海马”台风增减水变化过程更明显，最大增水在70 cm左右，“海马”台风对流速流向的影响比较大，主要体现在落潮时间段对流速增长和涨潮时间段流速的相对减小，落急时刻流速最大涨幅达到了20 cm/s，涨急时刻流速相应的减幅也达到了20 cm/s。从流向的对比来看，“海马”台风主要对落潮时间区间长度有一个显著增长的影响。影响风暴增水的因子主要是风和气压，而在北半球，风从所有方向螺旋式地向台风中心吹，形成绕台风中心的逆时针方向的总环流，最大风速出现在沿着台风前进路径方向的右边。由于本文研究的海域位于“海马”台风前进路径方向的右边、“莫兰蒂”台风前进路径方向的左侧，在这2个台风强度差别不大的情况下，“海马”台风对南澳海域水动力的影响更明显。

由于“海马”台风对工程场区的水动力影响相对较大，重点分析在“海马”台风影响下，南澳海域的水动力场变化。图9a、9b分别给出了南澳海域在无、有“海马”台风情况下，场区海域落急时刻的流场分布。可以看到海马台风对于落急时刻的流速有一个显著的增大作用，流向上影响不大，有一个小角度的顺时针旋转的影响，主要由于在台风影响过程中，风向逐渐成顺时针旋转趋势。图9c、9d分别给出了工程场区在无、有“海马”台风境情况下，场区海域涨急时刻的流场分布。“海马”对涨急时刻的流速有一个显著的减小作用，流向变化不大，这主要由于涨潮潮流方向与风生海流方向不一致，且风生海流对潮流具有一定的抑制作用，因此在涨潮时段，流速有明显的减小。

南澳海域代表点在无、有台风影响下余流情况见表1。“海马”台风对本海域的余流影响较大，在“海马”的影响下，海域余流的流向基本无变化，流速则从2～3 cm/s增加到了14 cm/s以上；相对而言，“莫兰蒂”对海域余流的影响较小，余流流速流向并未有很大的变化。

表1 不同工况下海域代表点余流

4 结论

从两场典型台风过程对南澳海域水动力(主要是增水和潮流)影响分析结果可知，影响程度与台风路径、台风强度以及影响时间等密切相关，由于在北半球风从所有方向螺旋式地向台风中心吹，形成绕台风中心的逆时针方向的总环流，最大风速出现在沿着台风前进路径方向的右边，因此“海马”相对于台风“莫兰蒂”对海域水动力影响更显著一些，“海马”台风期间实测最高增水达到了74 cm，对应的模拟最高增水达到了69 cm，“海马”台风对流速流向的影响主要体现在对落潮时间段的增长作用和对涨潮时间段流速的抑制作用，这主要与风生海流流向与涨落潮流流向的变化有关。