基于ADCIRC模式的宁波沿海风暴潮预报

李欢，周天逸，张丽芬

(1.上海市水利工程设计研究院有限公司, 上海200061;2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海200092)

风暴潮是一种灾害性自然现象，中国是世界上受风暴潮灾害最严重的国家之一[1]。宁波市位于中国东海之滨，台风灾害频发，风暴潮每年都给宁波市沿海造成巨大的经济损失[2-3]。据统计，自1949年以来，共有超过120个热带气旋不同程度地对宁波造成影响，其中达到黄色预警级别的风暴潮增水过程年均有0.5个，达到橙色及以上预警级别的平均5 a出现一次[4-5]。历史上，8114号台风在宁波直接登陆，台风形成的暴雨、强风、高潮位造成了20多万公顷农田受灾，26 600多间房屋损坏倒塌，江堤、海塘决口多达2 198处，人员伤亡141人[6]。1323号“菲特”台风造成宁波11个县(市)区、139个乡镇不同程度受灾，受灾人口137.5万人[7]。

不少学者对包括宁波海域的东海风暴潮进行了模拟与研究，但专门针对宁波海域沿岸的风暴潮进行模拟与分析的研究较少。金秋等[8]建立了宁波沿海风暴潮增水模型，但模型只计算增水预报，未叠加有天文潮数值。张月霞等[9]建立了浙江省温台海域的风暴潮数值模式，模型范围涵盖了整个东中国海，但没有对研究区域建立专门的精细化模型，且所得的后报模拟过程曲线与实测过程曲线存在较大误差。胡仁飞等[10]进行了宁波海域近海台风风暴潮最大可能增水模拟研究，其采用了三角网格的形式，但网格分辨率较低，对于宁波海域复杂海岛地形岸线的勾画仍有欠缺。因此本文着重对于宁波近海海域的精细化天文潮、风暴潮耦合预报技术进行研究。

1 精细化数值模型建立

宁波具有漫长的海岸线，港湾曲折，岛屿星罗棋布，为了满足宁波海域复杂岸线和分辨率的要求，数值模式采用了目前广泛应用的ADCIRC水动力模型[11]。该模型可集中关注天文潮和风暴潮的相互作用，广泛应用于潮汐和风暴潮预报中[12]。

1.1 研究区域与网格的划分

在风暴潮模拟中，计算区域越大，水边界就越准确，计算得到的风暴潮数值也就越准确。但对于近海地区而言，海岸的形状勾勒和水深对风暴潮计算的影响也很大[13]，同时考虑到模型计算的时效性，因此本文天文潮、风暴潮耦合数值模型由2部分构成：东中国海天文潮、风暴潮耦合模型；宁波近海天文潮、风暴潮耦合模型。

1.1.1东中国海天文潮、风暴潮耦合预报模型

东中国海天文潮、风暴潮耦合预报模型范围见图1。模型覆盖整个东中国海区域，范围为117.0～ 130.9°E，23.4～ 41.1°N。网格分辨率为0.1°。外海边界处的潮位由多年的调和常数预报。该模型为宁波近海精细化天文潮、风暴潮耦合预报模型提供外海边界条件。

1.1.2宁波近海天文潮、风暴潮耦合预报模型

该模型研究区域覆盖了整个宁波海域，即北至北纬30.9°包含杭州湾，南至北纬28.9°，包含三门湾海域以南，东至东经123°，西至东经120.5°。外海取至超40 m等深线的海域，整个计算域涵盖了宁波海域的两港一湾。采用最新的水下地形资料，构建计算域的水下地形数据，模型计算范围及水深见图2。

图1 东中国海天文潮、风暴潮模型范围

图2 宁波天文潮、风暴潮耦合模型计算范围及水深

模型计算域采用非结构三角形网格离散，对近海岸线、岛屿复杂区域进行局部加密，实现了模型的高分辨率，因而近海风暴潮潮位的计算精度可以得到保障[14]。模型网格总数87 868个，节点共46 675个，最小单元长度200 m，模型整体网格布置见图3，同时为了更好地展示沿海精细网格，将旗门港外海域局部放大，见图4。

图3 模型计算域网格布置

图4 模型计算域网格局部放大

1.2 控制方程

采用ADCIRC二维模型在笛卡尔坐标系下通过基于垂直平均的原始连续方程和海水动量方程来求解自由表面起伏、二维流速等3个变量，即(ζ,u,v)。其中，在笛卡尔坐标系下海水的连续方程为：

(1)

在笛卡尔坐标系下海水原始动量方程为：

(2)

(3)

海表面风切应力：

式中S——纬度和网格计算区域中心点纬度的余弦值之比；t——时间；(x,y)——水平笛卡尔坐标；H=ζ+h——海水水柱的总水深；ζ——从平均海平面起算的自由表面高度；h(x,y)——未扰动海洋水深，即平均海平面至海底的距离；R——地球的半径，文中取6 378 135 m；(U,V)——深度平均的海水水平流速；f=2Ωsinφ——科氏参数，Ω为地球的自转角速度；g——重力加速度；ρ0——海水密度，1 025 kg/m3；ps——海水自由表面的大气压强；η——牛顿引潮势；τsx、τsy——海表面风切应力的x和y方向分量；Wx、Wy——风速的x、y分量；Cd——风拖曳系数；τbx、τby——海底摩擦力的x和y方向分量，底摩擦τbx=Uτ*，τby=Vτ*，其中采用二次式时，τ*=Cf(U2+V2)2/H，Cf为底摩擦系数；Dx、Dy——动量方程的水平扩散项。

1.3 初始条件和边界条件

初始条件：

(4)

ζ(x,y,0)=ζ0(x,y)

(5)

式中ζ0——由台风气压降引起的海面静压升高。

对于风暴潮和天文潮的耦合，采用的是在计算域和开边界处，同时考虑天文潮和台风的作用。天文潮的作用是通过在边界上提供主要分潮作为主要驱动力实现。本文中，陆边界法向流速取为0，外海开边界条件由区域大模型提供。

台风的作用是通过上述的台风风场和气压模型提供计算域内和开边界上的风，按照静压假设和自由表面边界条件作用在水体上面。

1.4 台风风场

1.4.1气压模式

台风区域气压分布采用高桥模式[15]：

(6)

式中P∞——台风外围气压；P0——台风中心气压，ΔP=P∞-P0；r——计算点至台风中心的距离；R0——台风参数，可取最大风速半径，km。

最大风速半径是台风模型的关键参数之一，其精确与否直接关系到台风中心周围台风场的计算精度，本文采用经验公式进行计算：

R0=mVmax

(7)

其中，m为常数，因台风发生区域不同而不同，本文选取宁波海域1997年之后的台风观测资料率定。

1.4.2风场模式

在直角坐标系上，将台风的移动速度和梯度风速分解为相应的坐标分量。当气压取高桥公式、流入角为20°时，计算域上任一点风速的东分量(x向)和北分量(y向)为：

(0.342·x+0.940·y)·103

(8)

(0.940·x-0.342·y)·103

(9)

图5是对西泽站9711号台风的风速和风向的验证结果，效果显示较好。

a)风速比较

b)风向比较图5 西泽站9711号台风风速和风向模拟值与实测值比较

2 模型验证

宁波市每年都会受到台风的影响，采用已建立的天文潮、风暴潮耦合模型，对影响宁波近海海域有代表性的台风风暴潮过程进行模拟计算。本文对影响研究区域的8场台风进行了数值模拟，台风路径可见图6，文中提供所用到实测数据的宁波各大水文测站位置见图7。由于篇幅所限，同时根据台风对宁波海域影响的严重程度，本文对1509号台风进行了详细的验证比对，其余7场仅列出了模拟最高潮位和实测最高潮位的比对(表1)。

图6 典型台风路径

图7 宁波水文测站位置

1509号“灿鸿”台风路径见图6，其于2015年6月30日20时在西北太平洋洋面上生成，7月11日16时40分，“灿鸿”以强台风级别在浙江省舟山朱家尖登陆，登录时中心附近最大风力有14级。导致宁波市109个乡镇，60.5万人口受灾，损坏堤防243处共计72公里，堤防决口40处，损坏海塘3处、护岸237处。宁波全市遭受直接经济损失27.37亿元。

1509号台风是一个直接在宁波登陆的台风，对宁波当地影响较大，因此可以更好的验证本模型的精确性。图8给出了1509号台风期间，毛礁、湖头渡、西泽和大目涂实测和模拟潮位过程线。

表1 模拟与实测最高水位比较

a)毛礁站

b)湖头渡站图8 1509号台风期间潮位模拟值与实测值比较

c)西泽站

d)大目涂站续图8 台风1509期间潮位模拟值与实测值比较

通过典型台风风暴潮过程的模拟计算可以看出，该耦合模型较好地重现了历次台风的发生过程，模拟值和实测值的平均绝对误差为10.16 cm，平均相对误差为3.68%。根据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》，平均相对误差在15%以内，且平均绝对误差控制在20 cm以内，说明本文所建立的宁波沿海精细化天文潮、风暴潮耦合模型是可靠的。

3 模型应用

上文建立的精细化耦合数值模型验证结果良好，现已将其集成于宁波沿海的风暴潮精细化预报预警系统中。本模型在系统中运算时由大范围模型实时对小范围模型提供边界条件，来提高模型运算的时效性。该预报预警系统以网络数据库作为各类信息的存储仓库，以GIS作为可视化平台，以天文潮自动分潮优化预报和风暴潮数值预报模型为核心，根据预报作业的业务流程，搭建专业应用平台。主要包括：二维场景、三维场景、沿海实测潮位查询、台风路径获取与分析、历史数据查询、天文潮预报、台风风暴潮增水预报、台风风暴潮耦合预报、海塘工程安全预警、预报精度评定及成果发布、以及系统管理与维护等功能模块，实现宁波沿海潮汐、风暴潮日常化、业务化预报。

系统的专业性和多样性可以满足不同层次的技术和防洪决策人员进行计算分析、信息查询的需要，系统操作简单，数据读取直观。该系统已在2016、2017年宁波沿海风暴潮预报中成功应用。图9和图10是对1601号台风“尼伯特”进行试运用中截取的综合分析界面和毛礁站预报水位过程线。

图9 各站预报结果综合分析

图10 毛礁站试报结果

4 结论

本文建立的宁波近海风暴潮、天文潮耦合模型，涵盖了整个宁波海域，对宁波岸线进行了细致的勾画，使得在近岸的风暴潮敏感区有较高的分辨率，8场验证台风的平均绝对误差小于20 cm，平均相对误差小于5%，能够更准确地计算风暴潮的整个发生过程。该数值模式基本可以满足宁波市台风风暴潮的预报预警需要，并已集成应用于宁波沿海风暴潮精细化预报预警系统，可提供宁波各大水文测站的综合水位预报，为宁波近海海域海堤预警提供技术参数，帮助安全决策人员提前采取措施减少因其带来的损失，为宁波市经济社会的可持续发展保驾护航。

本模型仅能预报宁波沿海各点位处水位，无法进行风暴潮的漫滩计算，故无法对受灾范围进行预报。若能加入宁波沿海海塘标高信息，对台风来临时的漫滩受灾范围进行预报，将更有助于防灾决策。