杭州灣、浙江沿海一帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)研究

洪文淵，張火明，管衛(wèi)兵

（1.中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

風(fēng)暴潮災(zāi)害是集氣象、海洋、暴雨洪水災(zāi)害為一體的綜合性災(zāi)害，是海洋災(zāi)害中最嚴(yán)重的，一次大的風(fēng)暴潮災(zāi)害的破壞及影響甚至超過地震和海嘯.我國東臨西太平洋，有廣闊的海岸線，并且地處臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，每年都要經(jīng)歷幾場甚至十幾場臺(tái)風(fēng)，而沿海地區(qū)又是人口較為集中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的地帶，全國70%以上的大城市、55%的國民經(jīng)濟(jì)收入都分布在東部和南部沿海［1］.風(fēng)暴潮的沖擊不僅會(huì)對(duì)居民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失，還會(huì)導(dǎo)致河口海岸航道淤淺，船舶和海堤損毀，對(duì)沿海地區(qū)的養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、旅游業(yè)等都造成嚴(yán)重的影響，2001—2010年十年的經(jīng)濟(jì)損失總計(jì)超過了一千億.因此，對(duì)風(fēng)暴潮及其預(yù)報(bào)方法的研究和警報(bào)系統(tǒng)的建立具有迫切的實(shí)際意義.

杭州灣，上接錢塘江，下臨東海，是一個(gè)典型的倒置喇叭口形海灣.灣口寬約95km，灣口向內(nèi)變窄，灣底起伏不大，河床較為平坦，由于杭州灣的這一地形特征，使其具有明顯的潮汐特性并經(jīng)常出現(xiàn)涌潮或暴漲潮.當(dāng)潮波由于臺(tái)風(fēng)影響進(jìn)入杭州灣時(shí)，引起杭州灣水位的漲落，高潮位逐步被抬高，低潮位逐步被降低，使得潮差急劇增大，其中灣頂澉浦一帶潮差最為明顯，澉浦站曾出現(xiàn)了歷史最大潮差，達(dá)8.93m.

本文在靜壓條件下采用藤田和高橋的兩個(gè)氣壓場公式相嵌套來算出整個(gè)計(jì)算域的氣壓場分布情況，采用梯度風(fēng)和經(jīng)典的Ueno移行風(fēng)場公式給出整個(gè)計(jì)算域的合成風(fēng)場分布情況，綜合考慮了天文潮和風(fēng)應(yīng)力對(duì)計(jì)算風(fēng)暴潮產(chǎn)生的影響.程序以FBM二維風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式為基礎(chǔ)，同時(shí)加入了多線程技術(shù)，以氣象信息網(wǎng)提供的6h變化的臺(tái)風(fēng)中心位置、臺(tái)風(fēng)中心氣壓值和最大風(fēng)速半徑作為輸入?yún)?shù)，以兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的杭州灣風(fēng)暴潮實(shí)測資料為驗(yàn)證依據(jù)，對(duì)浙江沿海杭州灣的風(fēng)暴潮進(jìn)行了研究.

1 模型建立

本文所采用的二維數(shù)值計(jì)算模式為王喜年等專家所建立的覆蓋中國海五個(gè)區(qū)塊的FBM模式［2-3］，該模式是在封閉海、半封閉海和開闊海模式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的，適合中國曲折的海岸線，并在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中發(fā)揮了很好的作用.然后通過諾模圖法［4-5］實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)過程其最大風(fēng)暴潮的預(yù)測.此處選取了覆蓋整個(gè)杭州灣的東海區(qū)塊作為計(jì)算域進(jìn)行研究.

1.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格配置

計(jì)算區(qū)域如圖1.計(jì)算域陸地部分包括整個(gè)杭州灣，江蘇、浙江大部分沿海城市以及部分福建地區(qū)，同時(shí)還包含韓國濟(jì)州島及小部分區(qū)域，海域?yàn)闁|海海域.

圖1 杭州灣計(jì)算區(qū)域Figure 1 Calculation area of Hangzhou Bay

圖2 粗網(wǎng)格格點(diǎn)分布Figure 2 Grid point distribution of big grid

圖2為采用粗網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算域劃分的情況，其中深色部分表示陸地區(qū)域，淺色部分表示陸邊界，其余為海域.為了更好的擬合岸邊界，又將粗網(wǎng)格進(jìn)行二分之一細(xì)分（圖3）和四分之一細(xì)分（圖4），得到精細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.

圖3 二分之一細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)分布Figure 3 Grid point distribution of 1／2smaller grid

如圖5，網(wǎng)格細(xì)分后的水深數(shù)據(jù)由粗網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)四點(diǎn)加權(quán)平均求得，對(duì)于岸邊界的水深數(shù)據(jù)仍取為原來的水深.網(wǎng)格配置如表1，表中給出了粗細(xì)網(wǎng)格配置對(duì)照.

表1 網(wǎng)格配置Table 1 Grid configuration

1.2 計(jì)算區(qū)域驗(yàn)潮站分布

本文選取了杭州灣附近的24個(gè)驗(yàn)潮站作為潮位計(jì)算站點(diǎn)，24個(gè)驗(yàn)潮站分別為：燕尾站、新洋港站、小羊口站、呂四站、吳淞站、高橋站、橫沙站、盧潮站、金沙站、乍浦站、澉浦站、海黃山站、鎮(zhèn)海站、長涂站、定海站、大萬山、健跳站、海門站、大成島站、坎門站、溫州站、瑞安站、熬江站和沙埕站，其具體位置分布如圖6.從圖中可以看出，這些站點(diǎn)的分布較為均勻，且分布于整個(gè)杭州灣沿岸計(jì)算域，因而具有較好的代表性.

圖6 驗(yàn)潮站位置分布Figure 6 Distribution of the tide gauge stations

1.3 氣壓場模型

FBM模式氣壓場的計(jì)算是由下面的藤田公式和高橋公式（公式1和2）［6-7］相嵌套來實(shí)現(xiàn)的.

式（1）（2）中：p0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；p∞為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓（正常氣壓）；R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；pr為距臺(tái)風(fēng)中心距離r處的氣壓；r為計(jì)算點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的距離.

1.4 風(fēng)場模型

臺(tái)風(fēng)域中的風(fēng)場計(jì)算由兩個(gè)矢量場疊加而成［8］，分別是相對(duì)于臺(tái)風(fēng)中心對(duì)稱的圓形風(fēng)場和基本風(fēng)場.相對(duì)于臺(tái)風(fēng)中心對(duì)稱的圓形風(fēng)場梯度風(fēng)公式為：

式（3）中：Vg為梯度風(fēng)；f為科氏力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣密度.基本風(fēng)場采用 Veno Takeo（1981）的公式［9］為：

式（4）中，Vx、Vy為臺(tái)風(fēng)移速在x、y方向上的分量.

1.5 多線程技術(shù)

線程是操作系統(tǒng)分時(shí)調(diào)度CPU時(shí)間的基本實(shí)體，一個(gè)線程可以執(zhí)行程序的任意部分的代碼，即這部分代碼被另一個(gè)線程并發(fā)地執(zhí)行.為了使一個(gè)程序中能夠同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)，就可以通過運(yùn)行多個(gè)不同的線程來實(shí)現(xiàn).它通過提高資源利用效率來提高系統(tǒng)的效率［10］.本文的程序所要實(shí)現(xiàn)的功能是在界面進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，系統(tǒng)可以同時(shí)處理別的任務(wù)，如點(diǎn)擊計(jì)算區(qū)域以外或者執(zhí)行別的應(yīng)用程序，而不影響計(jì)算的進(jìn)行，這就用到了多線程技術(shù).

多進(jìn)程結(jié)構(gòu)示意圖如圖7，多線程結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.

2 可視化界面

模式預(yù)報(bào)可視化界面如圖9.界面由一個(gè)窗口組成，標(biāo)題為“SurgeFW”，在菜單欄中添加了“風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)”、“驗(yàn)潮站”、“網(wǎng)格”菜單，單擊后執(zhí)行相應(yīng)操作.工具欄區(qū)添加了風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的快捷按鈕，分別為“開始計(jì)算”、“暫?！?、“繼續(xù)計(jì)算”、“停止計(jì)算”、“打開輸出文件”.整個(gè)工作區(qū)域分左右兩塊顯示，左邊為風(fēng)暴潮過程顯示區(qū)，顯示計(jì)算過程中的風(fēng)暴增水時(shí)歷過程以及臺(tái)風(fēng)路徑，同時(shí)計(jì)算臺(tái)風(fēng)所進(jìn)行的時(shí)間；右邊為數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)，顯示計(jì)算過程所對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴增水時(shí)歷曲線和臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)風(fēng)速大小、方向曲線.

圖9 風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)可視化界面Figure 9 Storm surge numerical forecasting visual interface

風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)通過菜單列表對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行控制，可以編輯臺(tái)風(fēng)參數(shù)、水深參數(shù)，執(zhí)行計(jì)算操作和瀏覽計(jì)算結(jié)果.驗(yàn)潮站子菜單列表中共有24個(gè)驗(yàn)潮站名稱，對(duì)應(yīng)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的24個(gè)驗(yàn)潮站，選擇不同的驗(yàn)潮站，則曲線繪制部分也繪制出對(duì)應(yīng)驗(yàn)潮站的時(shí)歷曲線.網(wǎng)格子菜單列表可以選擇在風(fēng)暴潮增水和風(fēng)速時(shí)歷曲線坐標(biāo)軸上添加粗網(wǎng)格、添加細(xì)網(wǎng)格、刪除網(wǎng)格三種操作.計(jì)算區(qū)域以杭州灣一帶的海域?yàn)楸尘?，其覆蓋面積為1027.86×763.95km2，土色部分表示杭州灣的陸地，藍(lán)色部分表示海洋，其交界為沿海陸地的邊界輪廓線.右側(cè)給出水深圖例，分別給出“＜0cm”、“0～50cm”、“50～100cm”、“100～150cm”、“150～200cm”、“200～250cm”、“250～300cm”、“300～350cm”、“＞350cm”九個(gè)顏色區(qū)塊.右下角的時(shí)間標(biāo)記框表示風(fēng)暴潮發(fā)生的過程時(shí)間.隨著計(jì)算的進(jìn)行，不同水域呈現(xiàn)不同的水深顏色.陸地區(qū)域上的小圖標(biāo)為臺(tái)風(fēng)圖標(biāo)，標(biāo)記臺(tái)風(fēng)移動(dòng)到的位置.增水曲線和臺(tái)風(fēng)移速大小方向曲線過程同步進(jìn)行.

程序運(yùn)行完成后的界面也如圖9，圖中顯示了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的路徑，隨著臺(tái)風(fēng)的移行，海面水位有相應(yīng)的變化，風(fēng)暴增水的區(qū)域與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)情況相符，增水發(fā)生在風(fēng)暴周圍，隨著風(fēng)暴潮增強(qiáng)增水情況也加劇.右側(cè)時(shí)歷曲線部分以新洋港站為例繪制了風(fēng)暴潮增水與風(fēng)速大小方向時(shí)歷曲線，由曲線可以直觀的看到最大增水發(fā)生的時(shí)間與最大增水值.

3 臺(tái)風(fēng)實(shí)例

用本文中介紹的數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)5612號(hào)和7708臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)在整個(gè)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)研究歷史上都有著極其重要的意義.分別選取乍浦站、鎮(zhèn)海站和高橋站、吳淞站四個(gè)驗(yàn)潮站進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)比對(duì).然后再對(duì)2012年第1210和1211號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，取三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證網(wǎng)格大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.

3.1 臺(tái)風(fēng)5612和臺(tái)風(fēng)7708

5612號(hào)臺(tái)風(fēng)［11］，俗稱“八一大臺(tái)風(fēng)”，于1956年登陸我國浙江舟山專區(qū)象山縣南莊.其登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)中心氣壓為923hPa，風(fēng)速60～65m／s，整場臺(tái)風(fēng)造成的各種氣象災(zāi)害導(dǎo)致超過5000人遇難，僅僅浙江就造成4000多人死亡，超過1.7萬人不同程度受傷，200多萬房屋損毀，經(jīng)濟(jì)損失難以估量.

7708號(hào)臺(tái)風(fēng)又名“寶佩”、“Babe”，于北京時(shí)間1977年8月31日14時(shí)，于北緯5°，東經(jīng)155°海域生成，生成時(shí)的中心風(fēng)速為10m／s，中心氣壓為1004hPa，在其生命期間，最大風(fēng)速達(dá)到70m／s，最低氣壓達(dá)到906hPa.期間導(dǎo)致市區(qū)房屋損毀700余間，發(fā)生6000多起供電斷線事故，黃浦江中沉沒2條船，共死亡2人，重傷9人.

從圖10和圖11兩張對(duì)比圖來看，兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的總體趨勢是一致的，實(shí)測數(shù)據(jù)的某些位置潮位的波動(dòng)性較大，而計(jì)算值相對(duì)較為平滑，沒有體現(xiàn)出波動(dòng)較大的部分.這是因?yàn)樵趯?shí)際情況下，潮位值h與很多復(fù)雜的因素有關(guān)系，包括海流、浪，甚至水中的物體，海水密度的改變，都會(huì)對(duì)實(shí)際測得的潮位有影響，而在計(jì)算中，為了確保計(jì)算能夠進(jìn)行并盡快收斂，忽略了一些影響相對(duì)較小的非線性因素，因而無法避免這樣的誤差.相比之下，粗網(wǎng)格比兩種細(xì)網(wǎng)格與實(shí)測值有著更好的吻合性，由此看來，細(xì)網(wǎng)格并非一定能很好地吻合實(shí)際情況.

3.2 臺(tái)風(fēng)1210和臺(tái)風(fēng)1211

1210號(hào)Damrey臺(tái)風(fēng)于2012年8月2日在江蘇省沿海登陸.登陸后先后經(jīng)過山東和河北，4日在渤海北部消失.Damrey是1949年以后登陸我國長江以北地區(qū)最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，但由于它生成時(shí)緯度較高，且一路向西北方向移動(dòng)，因此攜帶的熱帶能量和水汽就相對(duì)較小.到了高緯度地區(qū)海溫較低，又受到陸地摩擦的作用，因此強(qiáng)度減弱得較快.

1211號(hào)Haikui臺(tái)風(fēng)于2012年8月5日進(jìn)入我國東部海面，為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴.8日于浙江省象山縣登陸，中央氣象臺(tái)發(fā)布臺(tái)風(fēng)紅色預(yù)警，中國氣象局也五年來首次啟動(dòng)了重大氣象災(zāi)害一級(jí)應(yīng)急響應(yīng).臺(tái)風(fēng)結(jié)束后，各省經(jīng)濟(jì)損失慘重，并有不同人次的死亡.

圖12 1210號(hào)燕尾站（a）和瑞安站（b）三種網(wǎng)格對(duì)比Figure 12 Three grids contrast of No.1210Yanwei station and Ruian station

圖13 1211號(hào)高橋站（a）和沙埕站（b）三種網(wǎng)格對(duì)比Figure 13 Three grids contrast of No.1211Gaoqiao station and Shacheng station

圖12和圖13為兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的不同網(wǎng)格對(duì)比圖，相比之下可以看出網(wǎng)格的粗細(xì)對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有太大的影響，在風(fēng)暴剛開始的時(shí)候，三種網(wǎng)格的結(jié)果基本是一致的，而在風(fēng)暴充分發(fā)展的情況下計(jì)算值會(huì)出現(xiàn)少許的差別.總的來說，三種網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果十分接近，驗(yàn)證了網(wǎng)格大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響是很小的.由于缺少驗(yàn)潮站的實(shí)測數(shù)據(jù)，所以這里只對(duì)網(wǎng)格大小的影響進(jìn)行分析.

4 結(jié) 語

通過與實(shí)際測量值比較，可以看出程序能夠較直觀地預(yù)報(bào)出隨時(shí)間變化的風(fēng)暴潮增水高度，顯示出臺(tái)風(fēng)路徑，其計(jì)算結(jié)果也基本與實(shí)際觀測水位吻合.同時(shí)，本文還存在一些不足和需要改進(jìn)的地方，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，結(jié)果將會(huì)更加精確.主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）本文中將原來的粗網(wǎng)格進(jìn)行二分之一和四分之一細(xì)分，并結(jié)合杭州灣實(shí)際地形對(duì)海岸進(jìn)行了修正，但由于采用結(jié)構(gòu)化正方形網(wǎng)格劃分，對(duì)于岸邊界變化劇烈的岸段無法很好的擬合出其形狀，針對(duì)這一點(diǎn)，在接下去的研究中可以在靠近岸邊界的部分，將網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化，對(duì)于局部靠近岸段區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格擬合岸邊界；

2）風(fēng)場的預(yù)報(bào)精度對(duì)風(fēng)暴潮的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)起決定作用，本文中采用了圓形風(fēng)場，計(jì)算相對(duì)簡便，實(shí)際風(fēng)場分布情況復(fù)雜，接下去的研究可以考慮使用其他非對(duì)稱的風(fēng)場進(jìn)行模擬.

總的來說，風(fēng)暴潮位的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)與氣象部門提供的臺(tái)風(fēng)參數(shù)預(yù)報(bào)、數(shù)值模型和各參數(shù)的選取都息息相關(guān)，風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)技術(shù)仍然需要繼續(xù)發(fā)展以期獲得更加精準(zhǔn)、時(shí)效更高的預(yù)報(bào)結(jié)果，使風(fēng)暴潮災(zāi)害所造成的影響盡量減到最小.

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