波浪對臺風風暴潮過程的影響分析

陳華偉, 葛建忠, 丁平興

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

波浪對臺風風暴潮過程的影響分析

陳華偉, 葛建忠, 丁平興

(華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)

利用胡克林等建立的長江口及鄰近海域的二維風暴潮數(shù)值計算模式,對2007-2008年有較大影響的4次臺風風暴潮進行加波浪和不加波浪的后報計算.將計算結(jié)果與實測資料進行比較分析,得出結(jié)論:波浪對于風暴潮的影響程度取決于臺風的路徑、登陸地點和不同時刻.在臺風登錄前后一兩天內(nèi),加波浪計算比不加波浪計算出的風暴潮水位精度總體要高;當臺風傳播到近岸時,波浪破碎對近岸增水影響較大,需要加波浪計算臺風風暴潮;對南登陸北上轉(zhuǎn)出型臺風風暴潮計算時需加波浪,而對南登陸型可不必加波浪,以提高計算效率.

波浪; 風暴潮; 數(shù)值模擬

0 引 言

中國擁有漫長的海岸線和遼闊的海域,沿岸常受臺風的襲擊,是一個風暴潮危害嚴重的國家.因此,及時、準確地預報臺風風暴潮對于保護人民的生命財產(chǎn)安全有著重大的意義.

國際上對風暴潮數(shù)值預報的研究開始于20世紀50年代.美國在70年代建立了第一代SPLASH模式,于80年代發(fā)展了第二代SLOSH模式,可用于計算風暴潮期間計算區(qū)域的最大增水分布.20世紀70年代起,秦曾灝、馮士筰、孫文心和劉鳳樹等[1-6]開創(chuàng)了國內(nèi)數(shù)值風暴潮預報的先河,但早期的研究未涉及天文潮和風暴潮的相互作用.張延廷、王以嬌[7,8]、端義宏和秦曾灝[9]等引入風暴潮與天文潮的相互作用,分別研究渤海、北黃海和浙江、上海、江蘇沿岸的風暴潮數(shù)值預報.黃華和朱建榮等[10]基于 ECOM-si模式建立了長江口杭州灣地區(qū)的風暴潮三維數(shù)值模式,同時考慮了徑流、天文潮與風暴潮的耦合作用.此后,還有很多學者對天文潮與風暴潮的非線性相互作用做了大量的研究.

當波浪傳播到近岸地區(qū)時,會產(chǎn)生反射、折射和破碎等現(xiàn)象,從而使水體受到一種壓力,迫使水體向岸堆積起來形成增水.特別在臺風期間,波浪在近岸的增水現(xiàn)象較為顯著.因而在計算風暴潮時,人們逐漸認識到除了考慮風暴潮和天文潮相互作用外,還應包含波浪對近岸水位過程的影響.國際上開展波浪和風暴潮相互作用的數(shù)值研究始于1988年.Wolf[11]等就波浪和風暴潮的相互作用進行了數(shù)值模擬,后來 Tolmann[12],Masternbroen[13]等也對波浪和天文潮、風暴潮相互作用的不同方面進行了研究,但這些研究大多僅考慮了相互作用的影響的一個方面.尹寶樹等[14-17]、丁平興和胡克林[18,19]等考慮波浪、天文潮、風暴潮聯(lián)合相互作用,并分別應用于黃渤海和長江口杭州灣地區(qū)進行二維風暴潮的數(shù)值計算,尹寶樹等還在此基礎(chǔ)上對黃渤海區(qū)域進行了三維的風暴潮數(shù)值計算.劉永玲等[20]利用第三代淺水波浪模式SWAN和三維海流模式POM,建立了考慮波浪影響的三維風暴潮模式,并應用于黃渤海區(qū)域.但由于一般波浪模式計算需要時間較長,特別是在三維風暴潮模式中引入波浪影響,不能滿足風暴潮快速預報的需要,因此在預報時一般不考慮波浪因素.本研究試圖利用胡克林和丁平興等建立的包含波浪、天文潮和風暴潮相互作用的長江口及其鄰近海域的二維風暴潮預報模式,計算2007—2008年影響長江口區(qū)域的4次風暴潮過程,并著重討論波浪對風暴潮過程在不同臺風路徑,不同時刻,以及不同地點的影響.

1 模式與計算方法簡介

風暴潮數(shù)值預報模式及可視化系統(tǒng)由華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室開發(fā),該模式由臺風場模型、波浪場模型以及復合流場模型組成.其中臺風場模型采用考慮背景風場的對稱風場模型;波浪模型采用適合于河口海岸地區(qū)的第三代海浪模式SWAN模型;復合流場模型包括風暴潮、天文潮、徑流和波生流;其預報區(qū)域為長江口、杭州灣及其鄰近區(qū)域.

模式的兩個計算區(qū)域如圖1和圖2,大區(qū)為東中國海區(qū)域(ECS),小區(qū)為長江口、杭州灣區(qū)域(YE-HB).采用大小區(qū)嵌套的方式,大區(qū)向小區(qū)的邊界提供余水位,在小區(qū)邊界上輸入6個天文分潮,M2,S2,N2,K2,K1,O1,再進行潮流場和余流場的疊加計算,提高小區(qū)的流場計算精度.具體的模式設置參看文獻[21].

對該模式而言,不同機型配置系統(tǒng)預報所需的運行時間不同.一般來說,不加波浪時利用臺式PC機計算時間在30min之內(nèi).利用該模式曾成功的預報了TC0509(麥莎),TC0515(卡努)等多次臺風風暴潮過程,且精度基本在10%左右,可以用于長江口及其鄰近海域的臺風風暴潮的預報和后報.

圖1 東中國海區(qū)域計算網(wǎng)格Fig.1 Curvilinearmodelgridfor theregionofECS

圖2 長江口、杭州灣區(qū)域計算網(wǎng)格Fig.2 Curvilinearmodelgridfor theregionofYE-HB

2 2007—2008年4次主要臺風風暴潮的計算與檢驗

2007—2008年對長江口及其鄰近海域影響比較嚴重的臺風主要有0713號“韋帕”臺風,0716號“羅莎”臺風,0807號“海鷗”臺風以及0808號“鳳凰”臺風.其中0713號和0716號臺風對長江口杭州灣的影響比較大,0807號和0808號臺風因登陸地點比較遠,對長江口杭州灣地區(qū)的影響相對小很多.但這4次臺風對所經(jīng)之處都帶來強風、暴雨甚至特大暴雨,給部分沿海地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡.本文即利用風暴潮數(shù)值預報模式對TC0713,TC0716,TC0807以及 TC0808這4次臺風風暴潮進行后報檢驗,并討論加入波浪和不加入波浪對計算區(qū)域的增水分布影響.為節(jié)省篇幅,該文僅以 TC0713“韋帕”臺風為例,給出具體計算流程和結(jié)果,并進行討論.

模式的計算區(qū)域和4次臺風路徑如圖3所示,圖中所示站點為大戢和灘滸兩站.從圖中可以看出,4次臺風路徑中 TC0713與 TC0807的路徑相似,均為南登陸北上轉(zhuǎn)出型,TC0716和 TC0808的路徑均可視為南登陸型.而這兩種類型也是影響長江口杭州灣地區(qū)頻率較高的兩種,在該區(qū)域研究這兩種路徑類型的臺風風暴潮具有代表性.

(1)依據(jù)大通站的流量,長江徑流取為40500m3/s;

(2)背景風場采用QSCAT/NCEPBlendedOceanWindsfromColoradoResearchAssociates氣象數(shù)值產(chǎn)品(http://dss.ucar.edu/datasets/ds744.4).

(3)臺風路徑取自佛山氣象(http://www.fs121.com/record/typhoon.html).實測站點風速、水位資料由國家海洋局東海預報中心提供.

2.1 臺風“韋帕”風暴潮的計算與檢驗

TC0713臺風風暴潮的計算中臺風系數(shù)取為0.6,大戢山和灘滸島兩站點風速比較如圖4所示,可看出在臺風登陸前后計算風速與實測值誤差較大,而在臺風尚未登陸以及登陸后風速與實測值比較吻合.這主要是因為當臺風離岸較近時,其下墊面由海洋變?yōu)殛懙?氣壓場在此時已經(jīng)不是圓對稱氣壓場,而本文所用計算模式中仍采用圓對稱氣壓場,導致風場的計算存在較大誤差.

圖3 站點分布和四次臺風路徑圖Fig.3 surveystationsandtyphoontracks

圖4 TC0713臺風風速比較圖Fig.4 ComparisonofobservedwindswithcomputedonesforTyphoonWipha

圖5(a)為0713號“韋帕”臺風風暴潮計算中大戢山和灘滸島兩站的水位比較,(b)為加波浪和不加波浪兩種情況下水位的差值.不加波浪時的水位與實測值的17-20日4d平均誤差分別是大戢山9.89%,灘滸島10.01%,加波浪時的水位與實測值的17-20日4d平均誤差分別是大戢山9.20%,灘滸島9.70%.但是在臺風離長江口杭州灣地區(qū)比較近的19日0:00至21日0:00兩天內(nèi),兩站水位誤差分別為:不加波浪時大戢山10.40%,灘滸島10.25%,加波浪時的大戢山9.15%,灘滸島9.68%.加波浪后在高潮位時與實測值符合更好,尤其是在臺風登陸前后一段時間內(nèi).而從5(b)圖中也可看出波浪對風暴潮的主要影響時段,波浪對0713號臺風風暴潮的影響就主要在19-21日兩天內(nèi).

圖5 水位比較圖Fig.5 ComparisonofobservedlevelswithcomputedonesforTyphoonWipha

圖6為不加波浪計算時臺風登陸前6h,臺風登陸時(登錄時間為19日2:30)以及臺風登陸后6h的長江口及其鄰近海域的增水分布情況.隨著臺風向長江口杭州灣地區(qū)的行進,該區(qū)域的增水逐漸增加.

圖6 增水分布圖(單位:m)Fig.6 DistributionofthesurgesetupduringTyphoonWipha(Unit:m)

圖7為對應圖6中3個時刻的計算區(qū)域波要素分布圖.可看出長江口及其鄰近海域的波高逐漸變大.當波浪傳播到近岸地區(qū)時,受地形的影響產(chǎn)生明顯的梯度變化,從外海到近岸波高逐漸變小.

當考慮波浪時,這兩站的水位精度均有提高,特別是在臺風登陸前后9月19日至9月21日期間(登錄時間為19日2:30),在高潮位時加波浪比不加波浪與實測值吻合更好,這對實際應用有著重要意義.從圖8中可看出,大戢和灘滸兩站在臺風登陸前后9月19日到21日這兩天內(nèi)的波高值比較大,從而導致對增水的影響比較大.

圖7 波高分布圖(單位:m)Fig.7 DistributionofthewaveheightsduringTyphoonWipha(Unit:m)

2.2 波浪對4次臺風風暴潮單站水位的影響分析

以同樣的方法對TC0716,TC0807和 TC0808這3次臺風風暴潮進行計算分析.圖9為水位隨時間變化過程與加波浪和不加波浪兩種情況的水位差.

因?qū)崪y資料只有大戢和灘滸兩站,現(xiàn)僅將這兩站的比較結(jié)果總結(jié)為表1.

圖8 波高隨時間變化圖Fig.8 ThewaveheightsofDaJiandTanXuduringTyphoonWipha

圖9 其他3次臺風過程的水位比較圖Fig.9 Comparisonofobservedlevelsandcomputedonesforotherthreetyphoons

表1 各臺風計算情況表Tab.1 Thecomparisonsofthreetyphoons

通過對以上4次臺風風暴潮的計算可知:

(1)在強臺風中,尤其是臺風登陸時刻,大戢和灘滸兩站加波浪比不加波浪的計算結(jié)果精度提高,因此在臺風登陸時刻,尤其是登陸前后兩天內(nèi)計算風暴潮應考慮波浪的作用;當臺風登陸點離計算區(qū)域較遠時,在該地區(qū)產(chǎn)生的波浪較小,因此對增水的影響不是很大,在計算時可不考慮波浪,提高計算效率;波浪向岸傳播到近岸緩坡地帶時會受地形、底摩擦等影響而產(chǎn)生破碎,迫使水體向岸堆積起來形成增水,波浪可在一個很小的范圍內(nèi)發(fā)生巨大的變化.所以在計算近岸地區(qū)的風暴潮時也需要考慮波浪的作用.

(2)分析原因可知,對 TC0713和 TC0807這兩個南登陸北上轉(zhuǎn)出型臺風,登陸地點離計算區(qū)域較近,對該區(qū)域的風場、波浪場作用較強,在臺風登陸前后幾小時內(nèi)加波浪和不加波浪時水位差較大;而對 TC0716和 TC0808這兩個南登陸型臺風,登陸地點離計算區(qū)域較遠,對該區(qū)域的風場、波浪場作用較弱,在臺風登陸前后幾小時內(nèi)加波浪和不加波浪的水位差較小.

3 結(jié) 語

文章計算了2007-2008年期間影響長江口及其鄰近海域的4次臺風風暴潮,以0713號臺風風暴潮為例分析了臺風過程的風速,水位和增水變化并與實測資料比較,精度基本控制在10%左右,并對加波浪計算和不加波浪計算進行了比較.當波浪傳播到近岸緩坡地帶,受地形等影響,波浪產(chǎn)生破碎,計算風暴潮時應考慮波浪的作用.在臺風登陸前后一段時間內(nèi),加波浪比不加波浪計算精度提高,在實際計算時應考慮波浪的作用.而對登陸地點離計算區(qū)域較遠的臺風,加波浪與不加波浪相比差別不大,而且不加波浪計算的精度已經(jīng)滿足實際要求,可不加波浪計算,提高效率.對不同路徑類型的臺風,波浪的作用強度不同,對南登陸北上型臺風計算時需考慮波浪的作用,而對南登陸型可不必考慮.本文分析了波浪對不同路徑,不同時刻,不同地點的增水影響,可提高計算效率,并提高臺風風暴潮的預報精度.

致謝 本文得到了國家海洋局東海預報中心領(lǐng)導和數(shù)值預報室同仁們的熱情幫助,在此表示衷心的感謝!

[1] 秦曾灝,馮士筰.淺海風暴潮動力學機制的初步研究[J].中國科學,1975,18(1):64-79.

QINZH,FENGSZ.Themechanismstudyofhallowwaterstormsurge[J].ScienceinChina,1975,18(1):64-79.

[2] 孫文心,馮士笮,秦曾灝.超淺海風暴潮的數(shù)值模擬(Ⅰ):零階模型對渤海風潮的初步應用[J].海洋學報,1979,1(2):1-11.

SUNWX,FENGSZ,QINZH.Numericalmodelingofanultra-shallowwaterstormsurge(Ⅰ)[J].ACTA OceanologicaSinica,1979,1(2):1-11.

[3] 孫文心,馮士笮,秦曾灝.超淺海風暴潮的數(shù)值模擬(Ⅰ):渤海風潮的一階模型[J].山東海洋學院學報,1980,10(2):7-19.

SUNWX,FENGSZ,QINZH.Numericalmodelingofanultra-shallowwaterstormsurge(Ⅰ):Thefirst-order modelofthebehaiseawind-surges[J].JournalofShandongCollegeofOceanology,1980,10(2):7-19.

[4] 劉鳳樹.臺風暴潮某些特性的分析[J].海洋學報,1980,2(3):12-23.

LIUFS.Ananalysisofthecharacteristicsofstormsurgesbytyphoon[J].ACTAOceanologicaSinica,1980,2(3):12-23.

[5] 馮士筰.風暴潮導論[M].北京:科學出版社,1982:148-187.

FENGSZ.IntroductiontoStormSurge[M].Beijing:SciencePress,1982:148-187.

[6] 陳長勝,秦曾灝.江浙沿海模型臺風暴潮的數(shù)值模擬[J].山東海洋學院學報,1985,15(1):11-18.

CHENCS,QINZH.NumericalsimulationofsurgescausedbythemodeltyphoonsalongtheeastcoastofZhejiangandJinagsuprovinces[J].JournalofShangdongCollegeofOceanology,1985,15(1):11-18.

[7] 張延廷,王以嬌.渤海風暴潮與天文潮耦合作用的數(shù)值模擬[J].海洋學報,1990,12(4):426-431.

ZHANGYT,WANGYJ.NumericalstudyoftheinteractionbetweenstormsurgeandtideinBohaiSea[J].ACTAOceanologicaSinica,1990,12(4):426-431.

[8] 王以嬌,張延廷,趙永良.北黃海天文潮與風暴潮耦合水位的數(shù)值預報方法[J].黃渤海海洋,1993,11(4):1-8.

WANGYJ,ZHANGYT,ZHAOYL.ANumericalpredictionmethodofthesealevelunderthecouplingaction betweenstormsurgeandastronomicaltideintheNorthernYellowSea[J].JournalofOceanographyof Huanghai&BohaiSeas,1993,11(4):1-8.

[9] 端義宏,秦曾灝.上海沿岸天文潮與風暴潮非線性相互作用的數(shù)值研究[J].海洋與湖沼,1997,28(1):82-87.

DUANYH,QINZH.NumericalstudyofnonlinearinteractionbetweenstormsurgeandtideinShanghaicoast[J].OceanologiaetLimnologiaSinica,1997,28(1):82-87.

[10] 黃華,朱建榮,吳輝.長江口與杭州灣風暴潮三維數(shù)值模擬[J].華東師范大學學報(自然科學版),2007(4):9-19.

HUANGH,ZHUJR,WUH.3-DnumericalsimulationofstormsurgeintheChangjiangEstuaryandtheHangzhouBay[J].JournalofEastChinaNormalUniversity(NaturalScience),2007(4):9-19.

[11] WOLFJ,HUBBERTKP,FLATHERRA.Afeasibilitystudyforthedevelopmentofajointsurgeandwave model[J].ProundmanPceanographicLaboratoryRep,1988(1):1-109.

[12] TOLMANNHL.EffectsoftidesandstormsurgesonNorthSeawindwaves[J].JPhysOceangr,1991(6):766-781.

[13] MASTENBROEKC,BURGERSG,JANSSENPAEM.Thedynamicalcouplingofawavemodelandastorm surgemodelthroughtheatmosphericboundarylayer[J].JPhysOceangr,1993(6):1856-1866.

[14] 金正華,王濤,尹寶樹.浪、潮、風暴潮聯(lián)合作用下的底應力效應[J].海洋與湖沼,1998,29(6):604-610.

JINZH,WANGT,YINBS.Theeffectofbottomfrictionintheprocessofwave-tide-surgeinteraction[J].OceanologiaetLimnologiaSinica,1998,29(6):604-61.

[15] 尹寶樹,王濤.渤海波浪和潮汐風暴潮相互作用對波浪影響的數(shù)值研究[J].海洋與湖沼,2001,32(1):109-116.

YINBS,WANGT.Nuumericalstudyoftheinfluenceofwavesandtide-surgeinteractionofwavesinBohaiSea[J].OceanologiaetLimnologiaSinica,2001,32(1):109-116.

[16] 林祥,尹寶樹,侯一筠.輻射應力在黃河三角洲近岸波浪和潮汐風暴潮相互作用中的影響[J].海洋與湖沼,2002,33(6):615-621.

LINX,YINBS,HOUYJ.Effectsofradiationstressintheinteractionofcoupledwave-tide-surgeinthecoastal areaofHuanghedelta[J].OceanologiaetLimnologiaSinica,2002,33(6):615-621.

[17] BAOSHUYN,RINASHA.Numericalstudyofwave-tide-surgecouplingprocesses[J].BulletinofMarineScience,2006(47):1-15.

[18] 丁平興.太湖流域風暴潮及潮汐特性分析與預報模型研究報告[R].上海:華東師范大學,2005:45-84.

DINGPX.Researchreportforthesurges-tideanalysisandpredictionmodelinTaihuLake[R].Shanghai:East ChinaNormalUniversity,2005:45-84.

[19] HUKL,DINGPX,GEJZ.ModelingofstormsurgeinthecoastalwatersofYangtzeEstuaryandHangzhou Bay,China[J].JournalofCoastalResearch,SI50(proceedingsofthe9thInternationalCoastalSymposium),2007:527-533.

[20] 劉永玲,王秀芹,王淑娟.波浪對風暴潮影響的數(shù)值研究[J].海洋湖沼通報,2007,B12:1-7.

LIUYL,WANGXQ,WANGSJ.Anumerlcalstudyoftheinfluenceofwavesonstrrmsurges[J].Transaction ofOceanologyandLimnology,2007,B12:1-7

[21] 葛建忠.風暴潮集成預報及可視化[D].上海:華東師范大學,2007:20-25.

GEJZ.Numericalforecastingandvisualizationofstormsurge[D].Shanghai:EastChinaNormalUniversity,2007:20-25.

Analysisofstormsurge’sprocessundertheinfluenceofwaves

CHENHua-wei, GEJian-zhong, DINGPing-xing

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormal University,Shanghai 200062,China)

FourtyphoonstormsurgeswhichaffectedChangjiangEstuaryanditsadjacentseas seriouslyduring2007—2008werecomputedbyusinga2Dstormsurgepredictionmodelsetup byHuetal,andtheeffectsofwavesonstormsurgeswerediscussed.Itwasfoundbycomparisonthattheimpactofwavesonstormsurgesdependsontyphoon’stracks,locations,anddifferenttimes.Theprecisionofpredicationofstormsurgescanbeimprovediftheinfluenceofwaves onstormsurgesisconsideredinthedaysaroundtyphoons’landing.Whenatyphoonwasclose totheshore,thewavesbrokenandaffectedthestormsurge,soitismorereasonabletotakeaccountoftheinfluenceofwaves.It’snecessarytocomputewavesforthesouthlandingand northwardstyphoons.

wave ; storm surge ; numerical simulation

Q948

A

1000-5641(2010)04-0016-10

2009-04

上海市科委“登山行動計劃”項目(06DJ12014);中荷戰(zhàn)略聯(lián)盟第二階段合作項目(2008DFB90240)

陳華偉,女,碩士研究生.Email:chwjst@126.com.

丁平興,男,教授,博導,主要從事潮灘動力學與陸海相互作用的研究.E-mail:pxding@sklec.ecnu.edu.cn.