舟山海域風(fēng)暴潮特征及數(shù)值模擬研究

楊 昀，王惠群，管衛(wèi)兵*,3，曹振軼，陳 琪

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.國家海洋局 第二海洋研究所，

舟山海域風(fēng)暴潮特征及數(shù)值模擬研究

楊 昀1,2，王惠群1,2，管衛(wèi)兵*1,2,3，曹振軼1,2，陳 琪1,2

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012; 2.國家海洋局 第二海洋研究所，

浙江 杭州 310012; 3 浙江大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州 310058)

選擇20個(gè)對(duì)舟山海域有較大影響的歷史臺(tái)風(fēng)案例，開展定海站實(shí)測潮位數(shù)據(jù)的分析與歸納，總結(jié)得出20個(gè)臺(tái)風(fēng)中風(fēng)暴潮過程增水最大值為5612號(hào)臺(tái)風(fēng)的207.1 cm，風(fēng)暴潮高潮位最大值為9711號(hào)臺(tái)風(fēng)的283.7 cm。同時(shí)，在三維斜壓水動(dòng)力模型SELFE的基礎(chǔ)上加入臺(tái)風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模塊，建立了一個(gè)采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，模擬表明定海站的斜壓效應(yīng)較為明顯，非線性耦合作用相對(duì)較弱，但兩潮耦合風(fēng)暴潮增水結(jié)果仍優(yōu)于風(fēng)暴潮單因子增水結(jié)果，與實(shí)際增水更為接近。在此基礎(chǔ)上，以一定間隔在5612號(hào)臺(tái)風(fēng)原路徑南北兩側(cè)各設(shè)計(jì)了2條平行路徑，分別模擬兩潮耦合風(fēng)暴潮增水，結(jié)果表明5612號(hào)臺(tái)風(fēng)參數(shù)沿其原路徑偏南1個(gè)最大風(fēng)速半徑距離的S1路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)可模擬得到定海站可能最大風(fēng)暴潮增水為243.9 cm。最后，在S1路徑下模擬可能最大風(fēng)暴潮增水分別遭遇天文高、中、低潮位時(shí)的風(fēng)暴潮高潮位，結(jié)果表明天文潮高潮時(shí)可得到可能最大風(fēng)暴潮高潮位約為400 cm，天文中潮時(shí)次之，而天文低潮時(shí)風(fēng)暴潮高潮位最低。

風(fēng)暴潮；斜壓；非線性耦合；可能最大風(fēng)暴潮增水；數(shù)值模型；舟山

0 引言

浙江省舟山市由群島組成，地處長江口南側(cè)，杭州灣外緣的東海洋面上，海岸線曲折多變，港灣眾多且多數(shù)灣口朝向與熱帶氣旋移動(dòng)方向相向，有利于風(fēng)暴潮能量的集中，加之全市由群島組成，并面臨寬闊的東海陸架，有利于天文潮波幅的增大，兩者疊加往往構(gòu)成嚴(yán)重風(fēng)暴潮災(zāi)害，破壞力極大。項(xiàng)素清 等[1]對(duì)舟山港臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的氣候特征已有分析，但選用的臺(tái)風(fēng)案例年代較早，使用的數(shù)據(jù)分析方法也不甚明確。

目前，國內(nèi)外已對(duì)沿海地區(qū)風(fēng)暴潮增水的數(shù)值模擬有了廣泛研究[2-4]，如國內(nèi)，胡仁飛 等[5]采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格有限體積海洋數(shù)值模型，模擬了寧波近海臺(tái)風(fēng)暴潮可能最大增水，為寧波近海重點(diǎn)工程海域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃提供了重要的參考；國外， BERTIN et al[6]結(jié)合無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格水動(dòng)力模型SELFE和波浪模型WaveWatch Ⅲ對(duì)比斯開灣的一次溫帶風(fēng)暴潮進(jìn)行了后報(bào)，結(jié)果表明這種新模型能較好地預(yù)報(bào)該地區(qū)的風(fēng)暴增水。本文選擇了20個(gè)對(duì)舟山海域影響較大的歷史臺(tái)風(fēng)，開展實(shí)測潮位數(shù)據(jù)的分析與歸納，總結(jié)舟山海域的風(fēng)暴潮類型特征；并基于三維斜壓無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格水動(dòng)力模型，建立適用于舟山海域的天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型；在模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，以歷史影響最大的臺(tái)風(fēng)為模板，通過平行路徑試驗(yàn)?zāi)M分析了定海站可能最大風(fēng)暴增水和可能最大風(fēng)暴潮高潮位。

1 資料分析和風(fēng)暴潮特征

1.1 資料及分析方法

本文按杭州灣以北沿海、浙北沿海、浙中沿海、浙閩沿海登陸(包括經(jīng)臺(tái)灣海峽二次登陸)及近海轉(zhuǎn)向5種臺(tái)風(fēng)路徑挑選了20個(gè)對(duì)舟山海域影響較大的臺(tái)風(fēng)(表1和圖1)，并收集了舟山定海站的逐時(shí)實(shí)測潮位資料。定海站附近主要是非正規(guī)半日潮，一個(gè)太陰日內(nèi)有2次漲潮和2次落潮，潮汐過程曲線表現(xiàn)為低高潮在先，高高潮在后。

風(fēng)暴潮過程增水通過實(shí)測潮位減去天文潮預(yù)報(bào)潮位的分析方法得到。因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)測資料連續(xù)時(shí)長有限，所以本文取定海站2013年1月至2014年1月13個(gè)月潮汐表數(shù)據(jù)計(jì)算了1次包含63個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，并以此調(diào)和常數(shù)推算這20個(gè)風(fēng)暴潮過程期間的天文潮值。

無臺(tái)風(fēng)期間，實(shí)測潮位值與調(diào)和常數(shù)分析得到的天文潮位值理論上應(yīng)相同[7]。因此我們分別利用2000年9月和2013年10月無臺(tái)風(fēng)影響的天文大潮期間實(shí)測潮位與天文潮預(yù)報(bào)值進(jìn)行比較，得到的天文潮預(yù)報(bào)誤差均較小，表明此分析方法得到的風(fēng)暴潮過程增水?dāng)?shù)據(jù)可信。

表1 20個(gè)歷史臺(tái)風(fēng)信息表(根據(jù)時(shí)間排序)Tab. 1 Information of 20 historical typhoons(sorting by time)

續(xù)表

圖1 20個(gè)臺(tái)風(fēng)路徑及最大增水時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心位置Fig.1 The paths of 20 typhoons and the positions of typhoon center at maximum storm surge moments

1.2 風(fēng)暴潮特征

1.2.1 風(fēng)暴潮過程增水特征

利用定海站的歷史逐時(shí)實(shí)測潮位資料和天文潮預(yù)報(bào)資料繪制了定海站風(fēng)暴潮過程增水曲線圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)20個(gè)歷史臺(tái)風(fēng)中大部分引起的定海站風(fēng)暴潮過程增水形態(tài)主要可分為標(biāo)準(zhǔn)型、波動(dòng)型和混合型3種[8]，其中波動(dòng)型增水占一半左右。

標(biāo)準(zhǔn)型增水形態(tài)具有明顯的階段性，分為前兆增水、暴潮主體(激振)和余振三部分。前兆增水時(shí)期臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離測站，水位呈緩慢、逐漸升高狀；此后水位急劇上漲，形成單峰狀的主體增水；峰值過后水位很快下降，并有振幅較小的余振產(chǎn)生。圖2a中，定海站5612號(hào)臺(tái)風(fēng)的增水曲線呈單峰狀，過程中無明顯波動(dòng)，增水峰值為20個(gè)案例中最大(207.1 cm)。

波動(dòng)型增水形態(tài)有明顯的波動(dòng)過程，周期在12 h左右，具有多個(gè)相似峰值，影響時(shí)間較長。圖2b中，7413號(hào)臺(tái)風(fēng)增水形態(tài)即為多峰值的波動(dòng)型增水。

混合型增水形態(tài)介于標(biāo)準(zhǔn)型和波動(dòng)型之間，與標(biāo)準(zhǔn)型增水的區(qū)別在于增水曲線上疊加了較明顯的小幅波動(dòng)，其形成主要由臺(tái)風(fēng)登陸前移速變慢、停滯時(shí)間較長所致。圖2c中，0014號(hào)臺(tái)風(fēng)的增水曲線前兆增水較為平緩，增水主體具有明顯的小幅波動(dòng)性且無突出峰值。

在這20個(gè)歷史臺(tái)風(fēng)期間，定海站風(fēng)暴潮過程增水形態(tài)與臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、天文潮汛及潮汐時(shí)段密切相關(guān)(表1和表2)。總體上看，臺(tái)風(fēng)中心登陸或轉(zhuǎn)向的位置越靠近定海站，則其產(chǎn)生的風(fēng)暴最大增水越大，但最大增水時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心的位置并不一定出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸或轉(zhuǎn)向的位置上(圖1)。增水形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)型的臺(tái)風(fēng)一般具有以下3個(gè)特征：(1)臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)或轉(zhuǎn)向點(diǎn)距離定海站較近(200 km以內(nèi))，且增水值較大；(2)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)(最大增水出現(xiàn)時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心氣壓基本低于960 hPa)；(3)最大增水出現(xiàn)在漲潮至天文高潮過程中。增水形態(tài)為波動(dòng)型的臺(tái)風(fēng)一般具有以下3個(gè)特征：(1)增水值大小與臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)或轉(zhuǎn)向點(diǎn)到定海站的距離有關(guān)，距離越近增水值越大；(2)臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓較標(biāo)準(zhǔn)型的臺(tái)風(fēng)弱；(3)最大增水出現(xiàn)月令為天文潮大潮期，且最大增水出現(xiàn)在天文低潮時(shí)至漲潮過程中。而混合型的風(fēng)暴增水通常具有較長的增水峰值歷時(shí)，一般約為1～2 d，此時(shí)期內(nèi)風(fēng)暴過程增水值在峰值略低水平處小幅波動(dòng)。

1.2.2 風(fēng)暴潮高潮位特征

由于天文潮和風(fēng)暴潮的非線性耦合效應(yīng)，當(dāng)風(fēng)暴潮過程增水達(dá)到最大時(shí)，其高潮位不一定達(dá)到最大值，而風(fēng)暴潮高潮位對(duì)于預(yù)防風(fēng)暴潮災(zāi)害具有實(shí)際意義。

圖2 定海站3種風(fēng)暴潮增水形態(tài)Fig.2 3 types of storm surge morphology at Dinghai station

從圖2和表2中可以看到：(1)具有顯著過程增水(90 cm以上)的風(fēng)暴潮，其風(fēng)暴潮高潮位值也基本較大，其中9711號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮高潮位值最大為283.7 cm，但個(gè)別最大增水值較大的風(fēng)暴潮，其高潮位值并不十分突出(如5612號(hào)和7910號(hào)臺(tái)風(fēng))；(2)同時(shí)存在最大增水值較小的風(fēng)暴潮可能有較高的風(fēng)暴潮高潮位的現(xiàn)象(如0012號(hào)臺(tái)風(fēng))；(3)風(fēng)暴潮高潮位出現(xiàn)時(shí)刻一般在天文高潮時(shí)或天文高潮前夕(漲潮后4 h左右)；(4)所有標(biāo)準(zhǔn)型和大部分波動(dòng)型增水形態(tài)的風(fēng)暴潮，其高潮位發(fā)生時(shí)刻在最大增水時(shí)刻前后2～4 h左右，小部分波動(dòng)型和混合型增水形態(tài)的風(fēng)暴潮，其高潮位出現(xiàn)時(shí)刻比最大增水時(shí)刻早，提前時(shí)間約為6～24 h。

表2 定海站風(fēng)暴潮最大增水和高潮位統(tǒng)計(jì)表(根據(jù)時(shí)間排序，基面采用85高程)Tab. 2 Statistics of the maximum storm surge and storm high tidal level at Dinghai station (sorting by time, using 85 height system as the basal plane)

2 模型的建立和驗(yàn)證

本研究是在ZHANG et al[9]2008年發(fā)展的SELFE(Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite Element)水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，通過添加臺(tái)風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模塊來建立舟山海域天文潮-風(fēng)暴潮耦合數(shù)值模型。

SELFE水動(dòng)力模型基于半隱式方法的有限元和有限體積格式求解微分方程，用歐拉-拉格朗日法(ELM)、有限體積迎風(fēng)方法(FVUM)或TVD(Total Variation Diminishing)格式處理輸運(yùn)方程中的平流項(xiàng)，數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定高效[10]。開源的SELFE模型系統(tǒng)不含臺(tái)風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模塊。

2.1 水動(dòng)力模型控制方程

在靜力近似和Boussinesq近似下，三維斜壓原始控制方程組可表達(dá)如下：

連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

鹽量輸運(yùn)方程為

(3)

狀態(tài)方程為

ρ=ρ(S,T,p)

(4)

在自由表面和海底的動(dòng)力邊界條件為

(5)

(6)

Cd使用Wujin公式計(jì)算[11]

(7)

2.2 臺(tái)風(fēng)氣壓場的選取及風(fēng)場的計(jì)算

臺(tái)風(fēng)區(qū)域中心氣壓場選用FUJITA和TAKAHASHI嵌套公式[11]來計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)域中的氣壓場分布：

FUJITA(1952)：

(8)

TAKAHASHI(1939)：

(9)

式中：P(r)為距臺(tái)風(fēng)中心r距離處的氣壓；P∞為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓，取1 013.25hPa；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；R為最大風(fēng)速半徑。

臺(tái)風(fēng)區(qū)域中的風(fēng)場由2個(gè)矢量場疊加而成，分別是相對(duì)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[12]：

(10)

式中：Vg為梯度風(fēng)。

基本風(fēng)場采用UENO(1964)的公式[13]為：

綜上得到模型風(fēng)場公式[11]，如下：

0≤r<2R

(12)

0≤r<2R

(13)

2R≤r<∞

(14)

2R≤r<∞

(15)

式中：Wx和Wy為模型風(fēng)在經(jīng)向和緯向的分量；x、y為格點(diǎn)位置；x0、y0為臺(tái)風(fēng)中心位置；ΔP為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓與中心氣壓差；θ為流入角；C1、C2為修正系數(shù)，一般經(jīng)過大量實(shí)測驗(yàn)證分析后確定。

2.3 模型設(shè)置

考慮到提高風(fēng)暴潮數(shù)值模擬的計(jì)算精度及為了盡量減小水邊界對(duì)計(jì)算域內(nèi)的影響，研究區(qū)域選定在25.5°～33.8°N，119.5°～125.7°E之間。水平方向使用SMS(Surface-waterModelingSystem)建立高精度非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，共計(jì)21 118個(gè)節(jié)點(diǎn)，39 406個(gè)單元。并對(duì)舟山海域附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)距基本在1 000m左右，外海網(wǎng)距均勻變化至2.5×104m左右(圖3)。外海水位開邊界考慮Q1、O1、P1、K1、M2、N2、K2和S2等8個(gè)分潮，各個(gè)分潮的振幅和遲角由大范圍數(shù)值模擬結(jié)果(OTPS)[10,14]插值得到。臺(tái)風(fēng)資料數(shù)據(jù)使用1951—2013年日本氣象廳(東京區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心)的最佳路徑數(shù)據(jù)(http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack.html)。模式時(shí)間步長設(shè)置為45s。

長江徑流量由2001年至2007年泥沙公報(bào)中大通站的月平均資料插值而得，錢塘江徑流量取為925m3/s。河流上游鹽度取0，其他開邊界鹽度值及溫、鹽初始值由分辨率為(1/24)°的東中國海模型的月平均計(jì)算結(jié)果提供[14]。

模型零水位、零流速啟動(dòng)。外海水位開邊界在8個(gè)分潮預(yù)報(bào)水位的基礎(chǔ)上，附加靜壓邊界增量[15]：

(16)

式中：Δζ為以海平面起算的潮位高度(m)。

圖3 模式網(wǎng)格Fig. 3 Model grid

2.4 模型驗(yàn)證及分析

定海站的位置接近長江和錢塘江入?？?，兩江徑流及其造成的流體斜壓效應(yīng)可能對(duì)定海站潮位有一定的影響；另一方面，采用風(fēng)暴潮單因子作用模擬得到的風(fēng)暴增水不能體現(xiàn)天文潮和風(fēng)暴潮的非線性耦合效應(yīng)。本文在驗(yàn)證了天文潮模擬值的基礎(chǔ)上，將正壓、斜壓兩種條件下獲得的風(fēng)暴潮單因子增水?dāng)?shù)據(jù)和兩潮耦合增水?dāng)?shù)據(jù)，與實(shí)際風(fēng)暴潮過程增水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖4)。

以5612號(hào)臺(tái)風(fēng)為例，從圖4中可以看到風(fēng)暴潮單因子增水值在斜壓條件下比正壓條件下平均高出近6cm，在峰值處更為明顯，約為10cm；而同為斜壓條件下時(shí)，因定海站為潮差較小的海島站，天文潮和風(fēng)暴潮的非線性耦合作用并不十分明顯[8,15]，但兩潮耦合增水?dāng)?shù)據(jù)在峰值處和后期余振部分比風(fēng)暴潮單因子增水?dāng)?shù)據(jù)更接近實(shí)際增水值。因此，本文采用斜壓條件下的兩潮耦合增水?dāng)?shù)據(jù)作為風(fēng)暴潮過程增水的模擬結(jié)果。

圖4 定海站5612號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水模式驗(yàn)證Fig. 4 Model validation of the storm surge of the Typhoon 5612 at Dinghai station

3 定海站可能最大風(fēng)暴潮增水模擬

從上文表1和表2中看到，5612號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑為浙北沿海登陸型，增水形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)型，具有明顯的增水階段性，且風(fēng)暴潮過程增水值為207.1cm，大于其他臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的最大增水值。

因此，選取5612號(hào)臺(tái)風(fēng)的參數(shù)為樣本，以最大風(fēng)速半徑的經(jīng)驗(yàn)取值25km[16]為每條路徑間隔，在原路徑的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了南、北各2條平行路徑[17-18](圖5)，模擬每條路徑的兩潮耦合增水情況，得到定海站可能最大風(fēng)暴潮增水。

3.1 平均海平面條件下的可能最大風(fēng)暴潮增水

從圖6中可以看到，4條模擬路徑得到的兩潮耦合增水峰值從大到小依次為S1、S2、N2和N1，其值分別為243.9、192.0、187.7和176.0cm；并且，S1路徑的兩潮耦合增水模擬峰值比5612號(hào)臺(tái)風(fēng)實(shí)際增水峰值高出36.8cm。因此在臺(tái)風(fēng)參數(shù)相同時(shí)，可推斷沿S1平行路徑運(yùn)動(dòng)的5612號(hào)臺(tái)風(fēng)參數(shù)將引起定海站的可能最大風(fēng)暴潮增水。同時(shí)也表明，對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)參數(shù)而言，并非登陸或轉(zhuǎn)向位置越靠近站位，風(fēng)暴潮增水值就越大。

圖5 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)原路徑及4條模擬路徑Fig. 5 The original and 4 simulative paths of the Typhoon 5612

3.2 各天文潮位時(shí)的可能最大風(fēng)暴潮高潮位

在實(shí)際工作中，天文潮和風(fēng)暴潮耦合得到的風(fēng)暴

潮高潮位值較風(fēng)暴潮增水值更具工程意義。在上述模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在S1路徑下模擬可能最大風(fēng)暴潮增水分別遭遇天文高潮位、天文中潮位和天文低潮位時(shí)的風(fēng)暴潮高潮位值。

趙鑫的研究中提到研究海域歷史最高天文潮發(fā)生在2002年8月[16]，故本文將天文潮周期選擇在2002年8月6日至2002年8月12日之間，其中天文高潮時(shí)為2002年8月11日00時(shí)30分，低潮時(shí)為8月10日18時(shí)42分，中潮期取兩者中間時(shí)為8月10日21時(shí)36分。

模擬結(jié)果表明(圖7)：當(dāng)可能最大風(fēng)暴潮增水遭遇天文高潮位時(shí)，模擬得到的風(fēng)暴潮高潮位最大約為400cm，遭遇中潮位時(shí)次之為280cm；天文潮和風(fēng)暴潮的非線性耦合作用使風(fēng)暴潮高潮位模擬值在天文高潮時(shí)比天文潮和風(fēng)暴潮增水二者的模擬值(即圖7中綠實(shí)線值與藍(lán)實(shí)線值)之和偏低20cm左右，天文中潮位時(shí)耦合效應(yīng)使風(fēng)暴潮高潮位模擬值較天文潮和風(fēng)暴潮增水模擬之和偏高近20cm，而在天文低潮時(shí)兩者幾乎相同。另外，非線性耦合作用使得風(fēng)暴潮高潮位的發(fā)生時(shí)刻稍慢于最大增水發(fā)生時(shí)刻，滯后約8～50min。

圖6 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)4條模擬路徑的可能最大風(fēng)暴潮增水以及實(shí)測風(fēng)暴潮增水Fig. 6 Probable maximum storm surge of the 4 simulative paths and measured storm surge of the Typhoon 5612

圖7 S1平行路徑下5612號(hào)臺(tái)風(fēng)在各天文潮時(shí)的風(fēng)暴潮高潮位Fig. 7 Storm high tidal level of the Typhoon 5612 at each astronomical tide under the S1 parallel path

4 結(jié)語

本研究選擇了20個(gè)對(duì)舟山海域影響較大的歷史臺(tái)風(fēng)案例，開展了風(fēng)暴潮時(shí)期定海站實(shí)測潮位的分析與歸納；在SELFE模型的基礎(chǔ)上通過添加臺(tái)風(fēng)氣壓場和風(fēng)場模塊建立了適用于舟山海域的三維斜壓天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，并模擬了定海站可能最大風(fēng)暴潮增水和可能最大風(fēng)暴潮高潮位，得到以下結(jié)論：

(1)從歷史臺(tái)風(fēng)資料分析來看，定海站的風(fēng)暴潮過程增水形態(tài)可分為標(biāo)準(zhǔn)型、波動(dòng)型和混合型3種，其中標(biāo)準(zhǔn)型增水形態(tài)的臺(tái)風(fēng)登陸或轉(zhuǎn)向位置一般距離定海站較近(200km以內(nèi))，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)，并且風(fēng)暴最大增水值較大。有8個(gè)案例的最大增水超過90cm，其中5612號(hào)風(fēng)暴潮過程增水最大為207.1cm?？傮w上看，臺(tái)風(fēng)中心位置越靠近潮位站，則最大增水值越大，但最大增水時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心的位置并不一定出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸或轉(zhuǎn)向的位置上。

(2)具有顯著最大增水的風(fēng)暴潮其高潮位值一般也較大，其中9711號(hào)風(fēng)暴潮高潮位值最大為283.7cm；大部分風(fēng)暴潮高潮位出現(xiàn)在天文高潮時(shí)；部分波動(dòng)型和混合型增水形態(tài)的風(fēng)暴潮其高潮位發(fā)生可能早于最大增水發(fā)生時(shí)刻，提前時(shí)間約為6～24h，需加強(qiáng)關(guān)注。

(3)雖然定海站是潮差較小的海島站，天文潮和風(fēng)暴潮的非線性耦合作用較弱，但斜壓條件和耦合效應(yīng)對(duì)于模擬驗(yàn)證定海站風(fēng)暴潮增水仍具有一定的作用，斜壓下兩潮耦合增水模擬結(jié)果優(yōu)于正壓和斜壓下的風(fēng)暴潮單因子增水模擬結(jié)果，與實(shí)際增水符合程度更好。

(4)平行路徑數(shù)值試驗(yàn)表明，對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)參數(shù)而言，并非登陸或轉(zhuǎn)向位置越靠近站位，風(fēng)暴增水值就越大。5612號(hào)臺(tái)風(fēng)參數(shù)沿其原路徑偏南1個(gè)最大風(fēng)速半徑距離(25km)的S1路徑運(yùn)動(dòng)可模擬得到定海站可能最大風(fēng)暴潮增水為243.9cm，比原路徑的峰值高出36.8cm。

(5)5612號(hào)臺(tái)風(fēng)參數(shù)在S1路徑下，模擬可能最大風(fēng)暴潮增水分別遭遇天文高、中、低潮位，可得到天文高潮時(shí)有可能最大風(fēng)暴潮高潮位約為400cm，天文中潮時(shí)次之，而天文低潮時(shí)風(fēng)暴潮高潮位最低。

綜上，本文建立的天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，對(duì)于模擬舟山海域風(fēng)暴潮耦合增水和風(fēng)暴潮高潮位具有較好的效果?？紤]到一般臺(tái)風(fēng)登陸前的風(fēng)場可能已為非對(duì)稱圓形風(fēng)場，所以今后的研究可嘗試采用大氣模式直接模擬風(fēng)場，同時(shí)應(yīng)不斷增加臺(tái)風(fēng)樣本個(gè)數(shù)，進(jìn)一步提高舟山海域風(fēng)暴潮的特征統(tǒng)計(jì)和潮位模擬精度。

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Study on characteristics and numerical simulation of storm surge around the Zhoushan Island

YANG Yun1,2, WANG Hui-qun1,2, GUAN Wei-bing*1,2,3, CAO Zhen-yi1,2, CHEN Qi1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China; 2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China；3.DepartmentofOceanScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Twenty historical typhoons which had a great impact on the Zhoushan sea area, were selected to perform analyses and inductions of the measured tidal level data at Dinghai station. It was found that in these twenty typhoons, the maximum storm surge was 207.1 cm under the Typhoon 5612, and the maximum storm high tidal level was 283.7 cm under the Typhoon 9711. Further, a 3D baroclinic hydrodynamics model, SELFE, was used to establish an unstructured triangular grid astronomical tide-storm surge coupled model, through adding the typhoon pressure field and wind field modules. The numerical results show that the baroclinic effect is more obvious while the nonlinear coupling is relatively weaker. But the two-tides-coupled storm surge data are still better than the single-factor data and closer to the measured data. On this basis, in the north and south of the original path of the Typhoon 5612, two parallel paths at certain intervals were designed respectively. The corresponding results show that the supposed typhoon which adopts the parameters of the Typhoon 5612 and moves along the S1 parallel path in the south of the original typhoon path at a distance interval of a maximum wind radius, can induce the probable maximum storm surge of approximately 243.9 cm. Finally, supposing that the probable maximum storm surge separately encounters the astronomical high, middle or low tidal level, it is found that there appears a probable maximum storm high tidal level of about 400 cm when encountering the astronomical high tide.

storm surge；baroclinic；nonlinear coupling；probable maximum storm surge；numerical model；Zhoushan Island

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.002.

2015-04-10

2015-05-04

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)專題資助(XDA1102030404);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41276083);國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助(2013418009);“全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)資助(GASI-IPOVAI-04)

楊昀(1989-)，女，浙江湖州市人，主要從事海洋環(huán)境數(shù)值模擬方面的研究。E-mail:yuriyy@126.com

*通訊作者:管衛(wèi)兵(1968-)，男，研究員，主要從事海洋動(dòng)力學(xué)方面的研究。E-mail:gwb@sio.org.cn

P731.23

A

1001-909X(2015)03-0007-10

10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.002

楊昀，王惠群，管衛(wèi)兵，等. 舟山海域風(fēng)暴潮特征及數(shù)值模擬研究[J]. 海洋學(xué)研究,2015,33(3):7-16,

YANG Yun, WANG Hui-qun, GUAN Wei-bing, et al. Study on characteristics and numerical simulation of storm surge around the Zhoushan Island[J]. Journal of Marine Sciences, 2015, 33(3):7-16, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.03.002.