“威馬遜”臺風暴潮增水及水動力響應數(shù)值模擬

黃潘陽，葉銀燦，韋雁機，來向華

（國家海洋局第二海洋研究所，工程海洋學研究中心浙江杭州 310012）

“威馬遜”臺風暴潮增水及水動力響應數(shù)值模擬

黃潘陽，葉銀燦，韋雁機，來向華

（國家海洋局第二海洋研究所，工程海洋學研究中心浙江杭州 310012）

基于河口海岸水動力三維數(shù)值計算模型，建立浙江沿海天文潮與風暴潮耦合預報模式。利用該模式，對經(jīng)過浙江沿海海域的臺風“威馬遜”進行數(shù)值計算，風暴潮增水計算結(jié)果與實測值符合較好，誤差基本在±20 cm以內(nèi)。計算增水值與傳統(tǒng)的調(diào)和分析法所得的增水結(jié)果相比，也較為一致。進一步對局部水動力響應的研究發(fā)現(xiàn)，風暴潮期間，局部地區(qū)從底到表各層水流流速均急劇增大或減小，其值達到了與天文潮流同等的數(shù)量級。當水流流向與風向相同或相近時，流速增大，相反時，則流速減小。且臺風期間，各層水流流向也隨風向發(fā)生改變，流態(tài)變得更加復雜。

風暴潮；數(shù)值模擬；耦合；水動力響應

1 引言

臺風是影響沿海地區(qū)生產(chǎn)生活最主要的自然災害，尤其是浙江沿海，島嶼眾多，地形復雜，人口密集，生產(chǎn)建設(shè)活動頻繁，每年夏季都會因臺風暴潮而造成巨大損失。若是風暴潮正好遇上天文大潮，則破壞性更強。鑒于風暴潮的巨大破壞作用，國內(nèi)外都對其進行了廣泛的研究，尤其是在風暴潮的預報方面。國外，如美國的SLOSH（Sea，Lake&Overland Surges from Hurricanes）模式[1]；在國內(nèi)，20世紀70年代的淺海風暴潮理論奠定了我國風暴潮數(shù)值預報基礎(chǔ)[2-4]，另外，針對具體海區(qū)也有一些耦合預報模式的研究成果[5-7]。

本文建立適合于浙江沿海的天文潮與風暴潮耦合模式，由全球潮波模型TPX06[8]提供潮汐調(diào)和常數(shù)作為邊界驅(qū)動。首先驗證天文潮，在此基礎(chǔ)上，加載經(jīng)實測驗證的0205號臺風“威馬遜”風場，風暴增水計算結(jié)果與實測值吻合較好。另外，計算與實測值都顯示臺風期間局部水流流速急劇增大或減小，流向改變。這會對海洋工程設(shè)施造成嚴重威脅，應當加強防范。

2 計算模型

為研究臺風對浙江沿海地區(qū)水動力因素的影響，先建立了覆蓋長江口、杭州灣、舟山群島及毗鄰海域的三維水動力模型，在外海邊界給定潮汐調(diào)和常數(shù)，上游河流邊界給出流量；并建立了相同區(qū)域的臺風氣壓和風場模型[9-10]。利用以上模型對臺風條件下的浙江沿海水動力因素進行模擬。其數(shù)值方式采用ADI法。

2.1 水動力學模型控制方程組

垂向平均質(zhì)量守恒方程：

式中，Q代表源和匯的作用，如取排水、降水和蒸發(fā)等。

ζ方向動量守恒方程：

式中，ω是指垂直于σ坐標平面的垂向速度，隨著σ坐標平面的上下移動而變化。

上面各式中，H為水深，H=h+ζ，ζ為水位，h為相對于平均海平面的水深；Gξξ和Gηη為曲線坐標系轉(zhuǎn)換為直角坐標系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；U、V分別為ξ和η方向上平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)；Fξ和Fη分別為ξ和η方向的紊動動量通量；Pξ和Pη表示ξ和η方向上的水壓力梯度；Mξ和Mη分別表示ξ和η方向上動量的源或匯；qin和qout表示源匯項。

風切應力項處理：

式中， ρa是空氣密度；ra是拖曳力系數(shù)；W→是海面以上10 m處的風矢量。

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格

2.2 模型網(wǎng)格與范圍

采用正交曲線網(wǎng)格剖分計算域，計算范圍為26.61°—32.58°N；120.21°—125.15°E。水平方向計算網(wǎng)格采用扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖1），圓心取在象山附近，對圓心周圍網(wǎng)格進行局部加密。此處采用扇形網(wǎng)格的天然優(yōu)勢是可以使所關(guān)注的地區(qū)網(wǎng)格密集，約為200m，而外海網(wǎng)格稀疏，為數(shù)千米。

2.3 邊界條件

水陸邊界，作剛壁處理，即設(shè)法向流速為零。外海水邊界，由全球潮波模型TPX06提供，由 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18 個分潮來驅(qū)動，基本能夠構(gòu)造出外海深水處真實的天文潮過程。河流邊界，計算區(qū)域主要有長江和錢塘江兩條大的江河，采取在上游給定恒定流量作為邊界。

2.4 臺風風場和氣壓場計算

風暴潮計算中臺風風場和氣壓場的計算是重要的環(huán)節(jié)，將直接影響計算的精度。通常使用參數(shù)化的風模型作為風暴潮計算的強迫力。其優(yōu)點之一是便于使用，且能反映熱帶風暴的主要風場特征。

本文氣壓場選用Fujita公式：

式中，P∞為臺風外圍氣壓（正常氣壓）；P0為臺風中心氣壓；R為臺風最大風速半徑；P()r為距臺風中心距離r處的氣壓。

風場采用Veno Takeo（1981）[10]的公式表示：

式中，Vx,Vy為臺風移速在x,y方向的分量。

0205號臺風移動路徑見圖2。由圖3可知，以上風場模型，大致能刻畫臺風期間空間風場分布。

圖2 0205號臺風路徑

圖3 風速驗證

3 模式適用性驗證

3.1 天文潮驗證

浙江沿海島嶼眾多，地形復雜多變，而地形對沿海潮位和潮流影響顯著，這就對模式中所采用的岸線與水深數(shù)據(jù)提出較高的要求。本模型采用分布在舟山地區(qū)南面，且離岸距離各異的三個實測點潮位數(shù)據(jù)來做模型天文潮的驗證（見圖4），天文潮相位和高、低潮位的計算值與實測值基本吻合。

3.2 風暴增水驗證及誤差分析

0205號臺風“威馬遜”于7月初沿東海北上影響浙江舟山。影響舟山時臺風中心氣壓仍有940 hPa,在歷史同期是少見的。從對0205號臺風風暴增水的計算結(jié)果及誤差分析（見圖5）來看，計算值的誤差基本在±20 cm以內(nèi)。表明本模型具有良好的計算精度。結(jié)合圖5和表1可知，在臺風中心穿過浙江沿海的4日0時到5日12時，01和02站都經(jīng)歷了先增水，后減水的過程。在臺風中心靠近站位的4日，沿岸水流受到逆時針方向風場的作用，水流流向岸邊，增水；當臺風中心繼而北上時，沿岸水流受到順時針方向風場的作用，水流流向外海，減水。

從圖5的誤差比較來看，02站計算結(jié)果優(yōu)于01站，這是由舟山地區(qū)特殊的地理環(huán)境決定的，01站地形更加復雜，且離岸較近，臺風期間大浪破碎引起的增水對測站的潮位有一定的影響，故誤差相對較大。

早期采用調(diào)和分析法計算風暴增水，即利用正常情況下的歷史潮位資料進行調(diào)和分析，得到各分潮的調(diào)和常數(shù)并進行潮位預報，用風暴期間的實測值減去預報值，便是風暴增水。本文用數(shù)值計算法和調(diào)和分析法對0205號臺風對浙江沿海增水作用進行了比較（見表1）。其中無風場指計算區(qū)域上空風速為0，加風場指在計算區(qū)域上空加上經(jīng)過實測驗證的風矢量。由表1可知，兩者的增減水趨勢基本一致，但在數(shù)值及峰值出現(xiàn)的時間上略有差異。調(diào)和分析法結(jié)果顯示：01站最大增水發(fā)生在4日13時，最大增水量為81 cm，最大減水出現(xiàn)在5日11時，最大減水量為27 cm；02站最大增水發(fā)生在4日17時，最大增水量為69 cm，最大減水出現(xiàn)在5日12時，最大減水量為58 cm。數(shù)值計算結(jié)果顯示：01站最大增水發(fā)生在4日18時，最大增水量為58 cm，最大減水出現(xiàn)在5日9時，最大減水量為32 cm；02站最大增水發(fā)生在4日17時，最大增水量為46 cm，最大減水出現(xiàn)在5日9時，最大減水量為43 cm。兩者都顯示靠岸的01站增水量比02站大，與常識相符。調(diào)和分析法增水量比數(shù)值計算法增水量大。兩者之間的差異由多方面因素影響，如風場數(shù)據(jù)的準確性，潮位調(diào)和分析時所采用的歷史潮位數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量等。

圖4 天文潮驗證

圖5 增水驗證及誤差

3.3 流速、流向驗證及水動力響應分析

受條件限制，近岸淺海區(qū)很難獲取臺風期間風暴海流的實測資料，早期工作主要根據(jù)數(shù)值模擬計算得出風暴海流，尚無法用實測資料加以驗證。在春曉氣田群海底管道路由調(diào)查期間，獲得了寶貴的0205號臺風過境時02站的ADCP流速流向?qū)崪y數(shù)據(jù)。從圖6可以看出，總體上，各層流速與流向的計算值都接近實測值。并且，在7月4—5日臺風中心經(jīng)過測站期間，流速出現(xiàn)了異常峰值。從4日19時到5日14時，流向也出現(xiàn)了異常，始終停留在110°附近方位，計算結(jié)果也印證了這個變化趨勢。

表1 調(diào)和分析法與數(shù)值計算法風暴增水對比(單位/cm)

比較而言，5日4時前后流速與流向的計算值與實測值偏差較大，這應該與所采用的風場的精度有關(guān)，風暴潮數(shù)值計算精度高度依賴風場的準確性。對比圖2臺風路徑可知，大約5日0時開始，本文所采用風場比實際風場偏小。從圖5風暴增水的驗證圖和圖6流速流向的驗證圖還可以看出，模擬計算時，流速比流向?qū)︼L場精度的要求更高。從底到表4層水流的流速流向的對比來看，各層水流流速流向基本保持一致，但是表層流的流速和流向?qū)︼L的響應更加敏感。計算結(jié)果趨勢也大致相當，但是在表層流流速的計算上，誤差較大。

為了直觀考察臺風期間水動力的響應程度，圖7展現(xiàn)了02站在加風場和不加風場情況下的底流流速、流向計算結(jié)果對比圖。從中可以看出，臺風過境期間，水流流速周期性地增大、減小，結(jié)合流向圖可以知道，當流向與風向相同或相近時，流速增大，反之亦然。且在臺風中心比較接近02站的4日18時到5日6時，底流流速的增幅達到了驚人的100%，甚至以上，突然增大的底流，會劇烈沖刷海床，對淺基礎(chǔ)的海洋工程可能會構(gòu)成威脅。

總之，臺風期間，局部地區(qū)水動力環(huán)境變化巨大，流速改變，流向異常，流態(tài)趨向復雜。

4 結(jié)語

圖6 各層流速流向驗證

圖7 加風場與不加風場底層流速流向?qū)Ρ?/p>

本研究基于河口海岸水動力三維數(shù)值計算模型，考慮風暴潮與天文潮的非線性關(guān)系，建立了適合于浙江沿海地區(qū)風暴潮預報的三維數(shù)值模式。在天文潮驗證的基礎(chǔ)上，對0205號臺風進行了數(shù)值計算，風暴增水的計算值與實測值吻合較好，平均誤差基本控制在±20 cm以內(nèi)。對數(shù)值計算法和傳統(tǒng)的調(diào)和分析法對風暴增水的計算結(jié)果進行了對比。對臺風期間水動力響應的進一步研究發(fā)現(xiàn)，臺風期間，水流結(jié)構(gòu)變得復雜，且實測值和計算值都顯示，局部地區(qū)從底到表的各層水流流速、流向都發(fā)生改變。通過對該區(qū)域加風場和不加風場的流場模擬對比發(fā)現(xiàn)，臺風對流速的影響非常顯著，在潮流流向與風向一致時，底流流速急劇增大，反之亦然。

本文所建立的模式?jīng)]有考慮波浪的耦合作用，對波浪傳播到近岸緩坡地帶，受地形影響，產(chǎn)生破碎等物理過程沒有進行模擬，尚需進一步的研究改進。

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Anumerical simulation of storm surge and hydrodynamic response caused by typhoon“Rammasun”

HUANG Pan-yang,YE Yin-can,WEI Yan-ji,LAI Xiang-hua
(Laboratory of Engineering Oceanography，the Second Institute of Oceanography，SOA Hangzhou,Zhejiang,310012 China)

In this paper,a three-dimensional estuarine and coastal hydrodynamic model,coupled astronomical tide and storm surge,is established in coastal area of Zhejiang province.The model is validated by making a numerical simulation of typhoon“Rammasum”and comparing with the results by conventional harmonic analysis.It is shown that the modeled storm surge agrees well with the one from field observation.Further study is made on the local hydrodynamic response to the storm surge.The results show that local current velocity in each depth,with a magnitude of the same order as the astronomic tidal current,increases or decreases rapidly depending on the relationship between wind and current directions.Furthermore,the current pattern gets more complicated under the influence of direction-varying typhoon wind.

storm surge;numerical simulation;coupled;hydrodynamic response

P731

A

1003-0239（2012）02-0032-07

2011-07-25

國家海洋局青年海洋科學基金(2011324);國家海洋局第二海洋研究所科研業(yè)務費專項(JT0803,JG1020)

黃潘陽(1986-)，男，碩士研究生，主要從事海洋工程防災減災方面研究。E-mail：pomuking@gmail.com