蔣昌波，趙兵兵，鄧 斌，伍志元

（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長沙 410004；2.水科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南長沙 410004）

北部灣臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬及重點區(qū)域風(fēng)險分析

蔣昌波1,2，趙兵兵1，鄧 斌1,2，伍志元1

（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長沙 410004；2.水科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南長沙 410004）

基于Delft3D模型建立了適用于北部灣海域的臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，同時根據(jù)進(jìn)入北部灣海域67 a（1949—2015年）歷史臺風(fēng)資料，采用蒙特卡羅方法隨機構(gòu)造55場臺風(fēng)進(jìn)行風(fēng)暴增水計算，并選取受風(fēng)暴潮影響最嚴(yán)重的鐵山港與最頻繁的潿洲島進(jìn)行了風(fēng)險分析。結(jié)果表明：（1）從鐵山灣下側(cè)進(jìn)入北部灣海域，中心氣壓為952 hPa的臺風(fēng)會造成石頭埠站風(fēng)暴增水為3.68 m，達(dá)到1 000 a一遇的級別；（2）廣西沿岸的風(fēng)暴增水對經(jīng)過北部灣海域的臺風(fēng)存在滯后效應(yīng)；（3）潿洲島風(fēng)暴增水普遍較低，但進(jìn)入北部灣的臺風(fēng)均會在潿洲島產(chǎn)生風(fēng)暴潮，因此要做好潿洲島的防護(hù)工程以防止海岸線繼續(xù)后退。

Delft3D；風(fēng)暴潮；蒙特卡羅；風(fēng)險分析

1 引言

臺風(fēng)是沿海地區(qū)主要的自然災(zāi)害，當(dāng)風(fēng)暴潮與天文大潮高潮疊加時可能產(chǎn)生極端高水位，導(dǎo)致海岸防御建筑物的破壞、局部地區(qū)出現(xiàn)沿岸洪水、岸灘侵蝕與海岸線后退，造成大量人員傷亡與財產(chǎn)損失。據(jù)1986—2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，北部灣廣西沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)94.70億元，受災(zāi)人數(shù)1053.73萬人，沖毀海岸工程476.57 km[1]。為使北部灣海域的經(jīng)濟(jì)得到可持續(xù)發(fā)展，開展數(shù)值模擬工作及重點地區(qū)的風(fēng)險分析顯得尤為重要。

國外風(fēng)暴潮數(shù)值模擬研究起始于20世紀(jì)50年代，主要通過對二維流體動力學(xué)方程積分計算出風(fēng)暴增水的極值。近年來，國外對風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬研究主要集中在臺風(fēng)特性對風(fēng)暴增水的影響[2-3]、風(fēng)暴潮與天文潮的耦合以及波浪與風(fēng)暴潮的耦合[4]3個方面，均取得了一定的進(jìn)展。國內(nèi)對風(fēng)暴潮的研究開始較晚，20世紀(jì)70年代，馮士筰[5]從封閉、半封閉海域以及開敞海域的風(fēng)暴潮問題出發(fā)，建立了我國風(fēng)暴潮研究的理論體系，為我國風(fēng)暴潮研究奠定了基礎(chǔ)。李樹華等[6-7]對廣西沿岸主要港口風(fēng)暴潮進(jìn)行了研究，初步建立了各港口臺風(fēng)風(fēng)暴潮的預(yù)報模型。陳波等[8-9]對北部灣海域風(fēng)暴潮進(jìn)行了整體性研究，包括風(fēng)暴潮的形成與地形、臺風(fēng)路徑的關(guān)系以及增減水的分布規(guī)律等。上述研究多關(guān)注于不同條件下風(fēng)暴增水的計算，對北部灣區(qū)域進(jìn)行極端情況的風(fēng)險分析相對較少。

本文首先基于Delft3D水動力模型以及Holland風(fēng)場模型建立了適用于北部灣海域的風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，隨后依據(jù)1949—2015年間北部灣海域的臺風(fēng)發(fā)展規(guī)律建立了臺風(fēng)數(shù)學(xué)模型，最后，對模擬臺風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮進(jìn)行計算，并對鐵山港與潿洲島風(fēng)暴增水情況進(jìn)行風(fēng)險分析，為廣西沿岸的風(fēng)暴潮預(yù)報及防災(zāi)減災(zāi)工作提供幫助。

2 風(fēng)暴增水?dāng)?shù)值模擬計算

2.1 水動力模型

水動力模型采用Delft3D，數(shù)值方式采用ADI法。Delft3D模型計算臺風(fēng)風(fēng)暴潮在國際上得到廣泛認(rèn)可[10-11]。

在球坐標(biāo)系中，連續(xù)性方程為：

式中：ζ是參考平面以上自由水面，d是參考平面以下水深，λ是經(jīng)度，?是緯度，R是地球半徑（6 378.137 km，WGS84），U、V是水深平均流速，Q代表源和匯的作用，如降水、蒸發(fā)等：

式中：H=d+ζ，P是降雨，E是蒸發(fā)，qin是水的來源，qout是水的滲流。

λ、?方向動量守恒方程為：

式中：Pλ、P?是壓強梯度，F(xiàn)λ、F?是雷諾應(yīng)力項，f是科氏力系數(shù)，Mλ、M?分別是外部源和匯的分量。

2.2 風(fēng)場和氣壓場

風(fēng)場和氣壓場采用Holland臺風(fēng)模型[12]：

距離臺風(fēng)中心r處的風(fēng)速V(r)：

式中：Pn是外圍表面氣壓，Pc是臺風(fēng)中心氣壓，Rmax是最大風(fēng)速半徑，ρa是空氣密度，B是臺風(fēng)形狀參數(shù)。

2.3 天文潮與風(fēng)暴潮的耦合

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格

對天文潮和風(fēng)暴潮的耦合，是在計算區(qū)域內(nèi)和深水開邊界處，即要考慮天文潮的作用，又要考慮臺風(fēng)的作用。天文潮的作用是通過在開邊界上提供M2、N2、S2、K2、K1、O1、P1、Q1等8個主要分潮作為驅(qū)動力。臺風(fēng)的作用是通過上述的風(fēng)場和氣壓場提供計算區(qū)域內(nèi)和開邊界上的風(fēng)和氣壓，按照靜壓假設(shè)和自由表面邊界條件作用在水體上。

2.4 模型設(shè)置與驗證

為提高模型精度，本研究采用嵌套網(wǎng)格進(jìn)行計算。網(wǎng)格一的計算范圍為：105.5°～117.8°E，16.0°～23.9°N；網(wǎng)格二的計算范圍為北部灣廣西沿海。兩套網(wǎng)格均為正交曲線網(wǎng)格（見圖1）。鐵山港海域水深由數(shù)字化航海保證部海圖得到，其他位置采用GEBCO_14的30"水深數(shù)據(jù)。外海潮汐調(diào)和常數(shù)由全球潮流模型TPXO7.2提供。驗證模型采用1409號“威馬遜”臺風(fēng)，計算時間為2014年7月10日00時（世界時，下同）—2014年7月20日18時。

石頭埠站、臨時站風(fēng)暴增水驗證見圖2。石頭埠站最大增水比實測小19.1 cm，最大減水比實測大43.1 cm；臨時測站最大增水比實測小21.1 cm，最大減水比實測大28.5 cm，兩測站的風(fēng)暴增減水趨勢與實測較為一致，證明該風(fēng)暴潮數(shù)值模型準(zhǔn)確合理。

3 臺風(fēng)模型的建立

3.1 北部灣海域臺風(fēng)統(tǒng)計

進(jìn)入北部灣海域的臺風(fēng)分3種類型[9]：一是斜穿雷州半島和海南島東北部進(jìn)入北部灣，在廣西沿?；蛟侥媳辈康顷?，該類臺風(fēng)引起廣西沿海港灣強烈的增水；二是橫穿海南島或雷州半島進(jìn)入北部灣，在越南北部沿海登陸，該類臺風(fēng)引起的港灣增水程度和范圍要小于一類路徑；三是繞過海南島向北發(fā)展，在廣西沿岸登陸，該類臺風(fēng)也會引起廣西沿海港灣的水位變化。進(jìn)入北部灣海域的臺風(fēng)路徑類型如圖3所示。本文統(tǒng)計了1949—2015年進(jìn)入北部灣海域的共100場臺風(fēng)（見表1）。

由于Ⅰ類臺風(fēng)進(jìn)入北部灣的頻率最高，并且Ⅰ類臺風(fēng)在北部灣海域內(nèi)會產(chǎn)生大于Ⅱ、Ⅲ類臺風(fēng)增水，因此下面對Ⅰ類臺風(fēng)進(jìn)行模擬。

3.2 Ⅰ類臺風(fēng)生成方法

文中對62場Ⅰ類臺風(fēng)的臺風(fēng)路徑（經(jīng)緯度）、最大風(fēng)速以及臺風(fēng)中心氣壓資料進(jìn)行統(tǒng)計整理，臺風(fēng)資料來源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心，隨后依據(jù)蒙特卡羅方法隨機構(gòu)造進(jìn)入北部灣海域的臺風(fēng)。蒙特卡羅方法是一種純概率統(tǒng)計方法，依據(jù)此方法構(gòu)造臺風(fēng)的真實性與歷史臺風(fēng)樣本的大小相關(guān)，同時，此方法生成的臺風(fēng)不能反映出地形對臺風(fēng)強度的影響，如臺風(fēng)經(jīng)過雷州半島或海南島時強度會有所減弱。但蒙塔卡羅方法具有計算快，可同時計算多個臺風(fēng)方案等優(yōu)點，在增加路徑轉(zhuǎn)折點、風(fēng)速/氣壓轉(zhuǎn)折點以及風(fēng)速/氣壓最大值等限定條件后，可較好的反應(yīng)進(jìn)入北部灣海域臺風(fēng)的特征，因此本文采用蒙特卡羅方法構(gòu)造臺風(fēng)。

表1 進(jìn)入北部灣臺風(fēng)類型統(tǒng)計

圖2 風(fēng)暴潮增、減水驗證

3.2.1 臺風(fēng)起點的生成

臺風(fēng)經(jīng)度起點在127.5°～145.5°E間隨機生成，緯度起點在8°～10°N間隨機生成。

3.2.2 臺風(fēng)路徑的生成

統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)，Ⅰ類臺風(fēng)到達(dá)路徑轉(zhuǎn)折點（120°～125°E）會發(fā)生轉(zhuǎn)折，偏向西方前進(jìn)（見圖3）。轉(zhuǎn)折前、后臺風(fēng)單位統(tǒng)計時間（6 h）經(jīng)、緯度前進(jìn)距離分布見圖4和5。

圖3 進(jìn)入北部灣海域的臺風(fēng)路徑分類示意圖

轉(zhuǎn)折前經(jīng)度前進(jìn)距離分布：

轉(zhuǎn)折后經(jīng)度前進(jìn)距離分布：

轉(zhuǎn)折前緯度前進(jìn)距離分布：

轉(zhuǎn)折后緯度前進(jìn)距離分布：

圖4 單位統(tǒng)計時間內(nèi)臺風(fēng)前進(jìn)經(jīng)度分布擬合

圖5 單位統(tǒng)計時間內(nèi)臺風(fēng)前進(jìn)緯度分布擬合（——為高斯分布擬合曲線）

在路徑轉(zhuǎn)折點前，由式（7）、（9）分別生成單位統(tǒng)計時間的經(jīng)、緯度前進(jìn)距離；一旦到達(dá)路徑轉(zhuǎn)折點，由式（8）、（10）分別生成單位統(tǒng)計時間的經(jīng)、緯度前進(jìn)距離。

3.2.3 臺風(fēng)風(fēng)速與中心氣壓的統(tǒng)計與生成

臺風(fēng)起點風(fēng)速在10～20 m/s之間，起點中心氣壓在990～1 005 hPa之間。去除掉極端情況，在臺風(fēng)到達(dá)風(fēng)速/氣壓轉(zhuǎn)折點（108.5°～111.5°E）前，最大風(fēng)速在0～5 m/s之間增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到70 m/s時，則會維持在70 m/s不變；臺風(fēng)中心氣壓在0～5 hPa之間減小，當(dāng)中心氣壓達(dá)到920 hPa時，則維持在920 hPa不變。在臺風(fēng)行進(jìn)至風(fēng)速/氣壓轉(zhuǎn)折點后，臺風(fēng)強度降低，最大風(fēng)速在0～10 m/s之間減小，中心氣壓在0～10 hPa之間增大。最大風(fēng)速變化統(tǒng)計見表2，中心氣壓變化統(tǒng)計見表3。

3.2.4 臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑

由于缺乏實測資料，臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑是最難確定的參數(shù)。而臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑與臺風(fēng)中心最大風(fēng)速有密切關(guān)系，因此本文在計算過程中，采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[13]：

式中：Rmax是最大風(fēng)速半徑；Vmax是近中心最大風(fēng)速；?為緯度。

3.2.5 臺風(fēng)終點的生成

為避免臺風(fēng)不切實際的深入內(nèi)陸，規(guī)定當(dāng)臺風(fēng)風(fēng)速小于15 m/s或路徑經(jīng)度小于經(jīng)度終止點（102°～106°E）時，臺風(fēng)終止。

表2 最大風(fēng)速變化統(tǒng)計

3.3 模擬臺風(fēng)結(jié)果

I類臺風(fēng)多發(fā)生于7月、8月，規(guī)定本文中的臺風(fēng)起點在7月15日00時生成，運行程序，生成的55場臺風(fēng)見圖6，通過與實測臺風(fēng)資料對比，排除掉5場風(fēng)速與氣壓擬合效果不佳的臺風(fēng)，模擬結(jié)果能夠反應(yīng)進(jìn)入北部灣海域的臺風(fēng)特征。

4 結(jié)果與分析

歷史上北部灣海域各個測站的增水最大值中，鐵山港內(nèi)石頭埠站的值最大，為2.71 m（1409號臺風(fēng)“威馬遜”），潿洲站的值最小，為1.78 m（0312號臺風(fēng)“科羅旺”）。因此，本文對石頭埠站與潿洲站的風(fēng)暴增水情況進(jìn)行分析，模擬臺風(fēng)風(fēng)暴增水頻次見圖7。

與歷史資料相比，石頭埠站產(chǎn)生2 m以上風(fēng)暴增水的頻率較大，這是由于模擬臺風(fēng)均為I類臺風(fēng)。其中增水在0～1 m之間發(fā)生28次，1～2 m之間發(fā)生15次，2～3 m之間發(fā)生6次，增水在3 m以上的發(fā)生1次。石頭埠站產(chǎn)生增水在2 m以上的7場臺風(fēng)均斜穿雷州半島，最大風(fēng)速在40 m/s以上，中心氣壓在945～960 hPa之間。產(chǎn)生增水在1.5～2 m之間的臺風(fēng)有兩種類型，第一種類型臺風(fēng)，路徑與產(chǎn)生2 m以上增水臺風(fēng)路徑類似，最大風(fēng)速在30～40 m/s之間，中心氣壓在965～980 hPa之間；第二種類型臺風(fēng)，路徑在潿洲島至瓊州海峽之間，最大風(fēng)速在50 m/s以上，中心氣壓在935 hPa以下，此類強臺風(fēng)在歷史上并未發(fā)生過，但鐵山港海域?qū)Υ祟惻_風(fēng)仍應(yīng)加強防范。產(chǎn)生增水在1～1.5 m之間的臺風(fēng)多數(shù)經(jīng)過海南島中部，最大風(fēng)速達(dá)40 m/s，中心氣壓低于965 hPa。歷史上此路徑臺風(fēng)，風(fēng)速多在18～30 m/s之間，達(dá)到40 m/s的較少，僅有3場臺風(fēng)（9106號“Zeke”、6403號“Winnie”、5513號“Kate”）。因此通過對臺風(fēng)特征參數(shù)的分析，可以初步判斷進(jìn)入北部灣的臺風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮對鐵山港的危險性。

表3 中心氣壓變化統(tǒng)計

圖6 模擬臺風(fēng)路徑

圖7 模擬臺風(fēng)最大增水頻次

紀(jì)燕新[14]采用耿貝爾方法，推算出石頭埠站重現(xiàn)期是1 000 a的增水為3.49 m。本次模擬中石頭埠站的天文潮歷時曲線和36號臺風(fēng)引起的風(fēng)暴增減水曲線見圖8，最大增水為3.68 m，達(dá)到了千年一遇的級別。此次臺風(fēng)路徑斜穿雷州半島，于2014年7月21日00時登陸雷州半島，臺風(fēng)風(fēng)速達(dá)到45 m/s，中心氣壓為952 hPa，于7月21日06時進(jìn)入鐵山灣，最大風(fēng)速及中心氣壓不變，按照《熱帶氣旋等級》[15]中的劃分，達(dá)到了強臺風(fēng)級別。

從圖9可以看出，路徑在北部灣海域的臺風(fēng)（以36號臺風(fēng)為例）產(chǎn)生的風(fēng)暴增水在廣西沿岸存在滯后效應(yīng)。以鐵山港為例，當(dāng)臺風(fēng)中心未到達(dá)鐵山港時，鐵山港海域最大風(fēng)速的風(fēng)向從港內(nèi)指向外海，即離岸風(fēng)，所以首先出現(xiàn)一個較強的減水過程；當(dāng)臺風(fēng)中心行進(jìn)至鐵山港時，最大風(fēng)速的風(fēng)向與港灣方向垂直，產(chǎn)生的增水與減水較小；當(dāng)臺風(fēng)中心穿越鐵山港、行進(jìn)至廉州灣海域時，鐵山港海域處于臺風(fēng)的右半圓區(qū)域，最大風(fēng)速的風(fēng)向徑直指向港內(nèi)，即向岸風(fēng)，海水在強風(fēng)作用下進(jìn)入港區(qū)內(nèi)，所以產(chǎn)生較強的風(fēng)暴增水。因此，應(yīng)注意這類臺風(fēng)過境后的港區(qū)內(nèi)增水情況，做好災(zāi)害防護(hù)工作。

圖8 石頭埠站天文潮位及風(fēng)暴增減水示意圖

鐵山港由于其地理形狀近似口袋型，水體容易堆積且不易流出，從而產(chǎn)生較大的增水，而潿洲島是一個孤島，四周相對開闊，因此產(chǎn)生的風(fēng)暴增水高度較低。據(jù)統(tǒng)計，1956—2014年，潿洲站增水＞0.5 m的風(fēng)暴潮共發(fā)生83次，＞1 m的風(fēng)暴潮共發(fā)生3次[16]。

圖9 36號臺風(fēng)經(jīng)過北部灣時的風(fēng)場及水位分布

本文模擬的臺風(fēng)造成潿洲站最大增水為1.40 m，其路徑與0312號臺風(fēng)“科羅旺”類似，均為從潿洲島下側(cè)穿越北部灣，最后在越南登陸并消失。增水在0.4～0.9 m的臺風(fēng)共發(fā)生41次，占本次模擬的82%。雖然風(fēng)暴增水較低，但經(jīng)過北部灣海域的臺風(fēng)均會在潿洲島產(chǎn)生風(fēng)暴增水。潿洲島的潮間帶為沙質(zhì)岸灘，臺風(fēng)過境產(chǎn)生的風(fēng)暴潮及近岸浪會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的岸灘侵蝕與海岸線后退，2006—2013年間，潿洲島西南部岸灘年均下蝕達(dá)0.18 m，在2013年6月風(fēng)暴潮過后，北部岸灘最大下蝕達(dá)0.4 m[17]。因此需在島上易受侵蝕區(qū)域種植固沙植被，建造防護(hù)性工程以阻止沙灘的后退。

5 結(jié)論

本文的臺風(fēng)模型是在統(tǒng)計北部灣海域歷史臺風(fēng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的，目的是為了生成產(chǎn)生潛在性災(zāi)難的臺風(fēng)，而并不是歷史上真實的臺風(fēng)。通過對該臺風(fēng)模型與風(fēng)暴潮模型的結(jié)合應(yīng)用，對鐵山港與潿洲島的風(fēng)暴增水情況進(jìn)行了風(fēng)險分析，得出了以下結(jié)論：

（1）基于Delft3D水動力模型和Holland臺風(fēng)模型建立的二維數(shù)學(xué)模型可以較好的模擬北部灣海域的天文潮與風(fēng)暴潮耦合的情況；

（2）通過對臺風(fēng)特征參數(shù)的分析，可以初步判斷鐵山港海域風(fēng)暴潮的危險性，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供幫助；

（3）廣西沿岸風(fēng)暴增水對北部灣海域的臺風(fēng)存在滯后效應(yīng)，即臺風(fēng)過境前會在沿岸產(chǎn)生減水，臺風(fēng)過境后產(chǎn)生增水；

（4）潿洲島風(fēng)暴增水較低，但為防止海岸線繼續(xù)后退，需要采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)工程，如人工補沙、栽種固沙植被等。

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Numerical simulation of typhoon storm surge in the Beibu Gulf and hazardous analysis at key areas

JIANG Chang-bo1,2，ZHAO Bing-bing1，DENG Bin1,2，WU Zhi-yuan1
（1.School of Hydraulic Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410004 China;2.Hu nan Province Key Laboratory of Water,Sediment Sciences&Flood Hazard Prevention,Changsha 410004 China）

A mathematic model of typhoon storm surge for the Beibu Gulf was established based on Delft3D hydrodynamic models,and the Monte Carlo method was used to generate 55 typhoons randomly according to the historical typhoon data of 67 a(1949—2015)in the Beibu Gulf.A study on hazard research of the most severe area(Tieshan Bay)and the most frequent area(Weizhou Island)affected by storm surge has been carried out by storm surge calculation with the generated typhoons.The result showed that(1)the surge at Shitoubu station affected by a typhoon with central pressure of 952 hPa is 3.68 m which return period is 1 000 a.(2)The storm surge at the coast of Guangxi has lagged effect on the typhoon passing through the Beibu Gulf.(3)The storm surge at Weizhou Island is generally low,but the typhoon into the Beibu Gulf will generate a storm surge here. Hence,the protection project at Weizhou Island should be prepared to prevent the coastline continues to retreat.

Delft3D;storm surge;Monte Carlo;hazard research

P731.23

A

1003-0239（2017）03-0032-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.005

2016-12-11；

2017-02-10。

國家自然科學(xué)基金資助項目（51239001）；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2015319825080）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2015B348）。

蔣昌波（1970-），男，教授，博士，主要從事河流、海岸動力過程及其模擬技術(shù)研究。E-mail:jcb36@vip.163.com