典型路徑下臺(tái)風(fēng)移速調(diào)整對(duì)鰲江站增水的數(shù)值分析

梁連松，張釗，顧冬明，張福星，韓小燕

（國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江溫州325013）

1 引言

溫州海域是我國受臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮影響最頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。1990——2018 年間，鰲江站實(shí)測(cè)高潮位共計(jì)有18 次達(dá)到警戒潮位，其中8 次達(dá)到紅色警戒潮位。在所有影響溫州海域的臺(tái)風(fēng)中，尤以浙南閩北登陸的臺(tái)風(fēng)對(duì)溫州影響最大，其中1808號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”較為典型，其引發(fā)的風(fēng)暴潮導(dǎo)致溫州多個(gè)岸段達(dá)到紅色警戒級(jí)別潮位。因此研究分析1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水特征，對(duì)于今后預(yù)測(cè)浙南閩北登陸型臺(tái)風(fēng)對(duì)溫州海域的增水具有重要意義。

眾多研究表明，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑、中心氣壓、環(huán)流大小、最大風(fēng)圈半徑和當(dāng)?shù)爻辈畛蔽坏纫蛩囟紩?huì)對(duì)風(fēng)暴潮增水產(chǎn)生影響[2-6]。然而臺(tái)風(fēng)移速對(duì)風(fēng)暴增水影響的分析研究較少，這些研究中或未考慮臺(tái)風(fēng)的不對(duì)稱性[7]，或多集中于北上型臺(tái)風(fēng)的影響[1,8]，尚未有研究分析西行登陸浙南閩北型臺(tái)風(fēng)移速的調(diào)整對(duì)溫州海域增水的影響。

本文基于有限元海洋模式（ADvanced CIRCulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC），利用實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以藤田臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，構(gòu)建溫州海域精細(xì)化風(fēng)暴潮數(shù)值模型，較好地模擬了1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”的風(fēng)暴潮過程。在驗(yàn)證合理的基礎(chǔ)上，分析了1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)的移速特征；并通過改變臺(tái)風(fēng)移速進(jìn)行多個(gè)敏感性實(shí)驗(yàn)，研究了臺(tái)風(fēng)移速對(duì)于鰲江站的最大增水值、高位增水時(shí)長等增水特征值的影響，以及不同區(qū)段的移速調(diào)整在鰲江站增水過程中的作用。

2 水動(dòng)力和風(fēng)場(chǎng)模型

2.1 水動(dòng)力模型

ADCIRC二維模型在球坐標(biāo)系下海水的連續(xù)方程為[9]：

在球坐標(biāo)系下海水原始動(dòng)量方程為：

式（1）、（2）、（3）中：t為時(shí)間；λ、?和R分別代表經(jīng)度、緯度和地球半徑；U、V為深度平均的水平流速；ζ、H分別為從平均海平面算起的自由表面高度和海水水柱總水深；τsλ、τs?分別是海表應(yīng)力在經(jīng)向、緯向的分量；τbλ、τb?分別是海表摩擦力在經(jīng)向、緯向的分量；Dλ、D?是動(dòng)量方程的水平擴(kuò)散項(xiàng)；η是牛頓引潮勢(shì)；f是科氏參數(shù)；ρ0是海水密度；ps是海表氣壓。

初始時(shí)刻t= 0 時(shí)，ζ=u=v= 0；陸地邊界條件：法向速度為0。

開邊界條件：由M2、S2、K2、N2、K1、O1、P1、Q1共8個(gè)分潮驅(qū)動(dòng)計(jì)算。

2.2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型

臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)采用藤田氣壓分布式[10]：

式（4）中：P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，P∞取1 010 hPa，r是計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心距離。

Rmax為最大風(fēng)速半徑：

相應(yīng)的梯度風(fēng)和移行風(fēng)場(chǎng)公式分別為：

式（6）和（7）中：f為科氏參數(shù)；ρ0為空氣密度；vx、vy分別是臺(tái)風(fēng)移速的東分量、北分量，移速由臺(tái)風(fēng)中心距離對(duì)時(shí)間的中心差分求得。

臺(tái)風(fēng)合成風(fēng)場(chǎng)計(jì)算公式為：

式（8）中：?是計(jì)算點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心連線與正東方向的夾角；β是梯度風(fēng)與海面風(fēng)的夾角，取10°～20°；c1、c2是訂正系數(shù)。

3 模型設(shè)置及驗(yàn)證

3.1 模型設(shè)置

模型區(qū)域包括渤海、黃海、東海和南海北部，東至133°E，南到巴士海峽，在溫州海域進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)98 401，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)51 756（見圖1）。計(jì)算時(shí)間為7 月7——12 日，時(shí)間步長取1 s。甌江、飛云江和鰲江海域分別采用2010年和2016年的高精度水下地形資料，浙南海域采用最新海圖，其余水深來自于ETOPO1 全球地形數(shù)據(jù)集。臺(tái)風(fēng)路徑和中心氣壓來源于溫州臺(tái)風(fēng)網(wǎng)（網(wǎng)址：http://www.wztf121.com）。

3.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，取7 月11 日鰲江、瑞安、龍灣、江心、洞頭、石砰各站的高潮位作為對(duì)比。各站高潮位計(jì)算絕對(duì)誤差為3～19 cm，其中瑞安、洞頭站稍大，其余潮位站均不超過10 cm。瑞安站計(jì)算潮位警戒級(jí)別為黃色，稍低于實(shí)測(cè)的橙色級(jí)別，其余潮位站警戒級(jí)別均與實(shí)測(cè)相符。

圖1 模型網(wǎng)格

圖2 驗(yàn)證站位及臺(tái)風(fēng)路徑

限于篇幅，本文僅列出受影響最嚴(yán)重的石砰和鰲江兩站的結(jié)果。兩站站位及1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑見圖2，兩站潮位和增水對(duì)比過程線見圖3 和圖4。石砰、鰲江兩站高潮位絕對(duì)誤差不超過12 cm，潮位過程的平均絕對(duì)誤差為21 cm，增水極值絕對(duì)誤差不超過18 cm，增水過程的平均絕對(duì)誤差為25 cm。由此可見計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)吻合較好，模型能夠較好地模擬該海域的風(fēng)暴潮過程。

4 案例實(shí)驗(yàn)

4.1 臺(tái)風(fēng)過程分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，1990——2018 年間造成鰲江站潮位超過藍(lán)色警戒潮位（385 cm，1985 國家高程）的臺(tái)風(fēng)過程共計(jì)18 次，其中15 次過程為西北行路徑，其余為近海轉(zhuǎn)向或近海北上等（見圖5）。西北行路徑中浙南閩北登陸型占14次，同時(shí)所有達(dá)到紅色警戒潮位的臺(tái)風(fēng)過程均為浙南閩北登陸的臺(tái)風(fēng)。從圖5中可以看出，1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”處于所有浙南閩北登陸型路徑的中部，較有代表性；且1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間溫州近岸各岸段出現(xiàn)160～240 cm 的風(fēng)暴增水，平陽縣和蒼南縣岸段潮位均達(dá)到紅色警戒級(jí)別，鰲江站過程最大增水230 cm，高潮位增水198 cm。因此，無論從路徑類型還是影響程度上看，1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”是影響鰲江站較為典型的臺(tái)風(fēng)路徑。

圖3 石砰、鰲江潮位驗(yàn)證（北京時(shí)，下同）

圖4 石砰、鰲江增水驗(yàn)證

圖5 1990——2018年鰲江站潮位超警路徑

臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度：1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”在124°～119°E 之間的臺(tái)風(fēng)中心移速變化可以分為3 個(gè)階段（見圖6、7）。第一階段：124°～121.9°E 西北偏西加速段，即10 日21 時(shí)——11 日03 時(shí)從27 km/h 加速到45 km /h，繞過臺(tái)灣島北側(cè)。第二階段：121.9°～121.0°E 西行前段，即11 日03——05 時(shí)，臺(tái)風(fēng)移速較大，介于40～50 km/h。第三階段：121.0°～119.9°E西行后段，即11 日05——09 時(shí)，臺(tái)風(fēng)移速較小，介于20～38 km/h。

臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向：加速段移動(dòng)方向大致為WNW，11 日03 時(shí)起轉(zhuǎn)為W 向；臺(tái)風(fēng)中心維持在26.3°N，僅11日08時(shí)、09時(shí)北移0.1°。

臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度：臺(tái)風(fēng)中心氣壓于加速段的10日23 時(shí)加強(qiáng)到945 hPa；10 日23 時(shí)——臺(tái)風(fēng)登陸前的08時(shí)，中心氣壓均為945 hPa；臺(tái)風(fēng)登陸后迅速減小。

4.2 案例設(shè)置

為了體現(xiàn)西行段移速變化對(duì)鰲江站增水的影響，同時(shí)最大程度地反映1808號(hào)臺(tái)風(fēng)的實(shí)際增水過程，文中在1808號(hào)臺(tái)風(fēng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)。選取對(duì)溫州海域增水變化最大、最明顯的時(shí)段即臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)度位于121.9°～119.9°E 時(shí)（西行段）進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)中心到達(dá)西行段后緯度于26.3°N 保持不變朝西移動(dòng)，與實(shí)際路徑相比僅在11 日08 時(shí)、09 時(shí)南移0.1°；同時(shí)臺(tái)風(fēng)中心在西行段氣壓保持945 hPa，與實(shí)際相比，僅11 日09 時(shí)稍有降低。設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)其余區(qū)段與1808號(hào)臺(tái)風(fēng)一致（見圖7）。

圖6 臺(tái)風(fēng)移速與臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)度關(guān)系以及各案例移速

圖7 1808號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”路徑和設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)路徑

表1 案例設(shè)置（單位：km/h）

在設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)勻速案例Y1——Y7，其臺(tái)風(fēng)中心運(yùn)行到西行段時(shí)勻速運(yùn)行，移動(dòng)速度為20～50 km/h不等。變速案例則按前段、后段設(shè)置移速，T1（含T1a、T1b）移速與1808 號(hào)臺(tái)風(fēng)實(shí)際移速一致。T2（含T2a、T2b）前段以20 km/h 西行，后段與原移速一致。T3（含T3a、T3b）前段與原移速一致，后段以50 km/h西行。

Y1——Y7 案例計(jì)算風(fēng)暴增水時(shí)分別采用合成風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和梯度風(fēng)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)水動(dòng)力模型，變速案例僅用合成風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。為比較移速對(duì)于增水的影響，Y1——Y7、T1a——T3a 均不耦合天文潮。第5 部分中的增水指不耦合天文潮增水（T1a——T3a），潮位為耦合天文潮后的潮位（T1b——T3b）。具體方案見表1和圖6。

5 案例分析

5.1 勻速案例分析

5.1.1 移速與過程最大風(fēng)速

圖8a 為Y1——Y7 案例鰲江站梯度風(fēng)、移行風(fēng)和合成風(fēng)的過程最大風(fēng)速。圖中可以看出，移速變化對(duì)于梯度風(fēng)最大風(fēng)速?zèng)]有影響，移行風(fēng)和合成風(fēng)的最大風(fēng)速則隨著移速的增加而增加。由于梯度風(fēng)風(fēng)場(chǎng)為圓對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)，受中心氣壓和最大風(fēng)速半徑等參數(shù)控制，與臺(tái)風(fēng)移速無關(guān)。移行風(fēng)和合成風(fēng)則不同，當(dāng)臺(tái)風(fēng)移速從20 km/h 增加到50 km/h，臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱性變強(qiáng)，位于臺(tái)風(fēng)右側(cè)的鰲江站移行風(fēng)速和合成風(fēng)速增大了2～3 m/s。

圖8 Y1——Y7過程對(duì)比

5.1.2 移速與過程最大增水

圖8b繪制了Y1——Y7下合成風(fēng)場(chǎng)和梯度風(fēng)場(chǎng)在鰲江站造成的過程最大增水。圖中可以看出移速變化對(duì)最大增水值有顯著影響。無論是梯度風(fēng)場(chǎng)還是合成風(fēng)場(chǎng)，最大增水值隨著臺(tái)風(fēng)移速增加而變大。臺(tái)風(fēng)移速從20 km/h增加到50 km/h，合成風(fēng)和梯度風(fēng)作用下的鰲江站最大增水值增幅分別為86 cm和30 cm。

梯度風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下，鰲江站的最大風(fēng)速始終保持在27.2 m/s，然而臺(tái)風(fēng)移速為50 km/h 時(shí)鰲江站最大增水值較20 km/h有30 cm 的增幅，可見臺(tái)風(fēng)移速增加本身就對(duì)于鰲江站的增水有促進(jìn)作用。這與劉鳳樹等[7]指出的“當(dāng)風(fēng)暴移速小于長波速度時(shí)，風(fēng)暴潮隨風(fēng)暴移速的增加而增加”的結(jié)論一致。

由于合成風(fēng)場(chǎng)考慮了移行風(fēng)場(chǎng)的作用，臺(tái)風(fēng)的不對(duì)稱性加劇了臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)區(qū)域增水極值變大的程度，移速增加對(duì)合成風(fēng)場(chǎng)最大增水值產(chǎn)生的增幅明顯強(qiáng)于梯度風(fēng)場(chǎng)。合成風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下鰲江站最大增水值較梯度風(fēng)場(chǎng)上升約18～74 cm，占合成風(fēng)場(chǎng)最大增水值的8%～25%。綜上，臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱性和高移速均對(duì)鰲江站的最大增水有明顯促進(jìn)作用。

5.1.3 移速與高位增水時(shí)長

圖8c繪制了Y1——Y7下合成風(fēng)場(chǎng)和梯度風(fēng)場(chǎng)在鰲江站造成的增水達(dá)到90% 增水最大值以上時(shí)長（以下簡(jiǎn)稱“高位增水時(shí)長”）。在梯度風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下，臺(tái)風(fēng)移速從20 km/h 增大到50 km/h 時(shí)，鰲江站高位增水時(shí)長由最初的3.8 h逐漸減小1.8 h；合成風(fēng)場(chǎng)作用下則略有不同，30 km/h移速的高位時(shí)長反而大于25 km/h 移速的高位時(shí)長，但總體上移速加大不利于高位增水的維持。由此可見，臺(tái)風(fēng)移速越慢，越有利于增水維持在極值附近的高位狀態(tài)；反之臺(tái)風(fēng)移速過高導(dǎo)致風(fēng)速變化過快，不利于增水在高位的維持。

5.2 變速案例分析

5.2.1 前段高移速對(duì)增水的助長

T1和T2處于西行前段的時(shí)間分別是11日03——05 時(shí)和03——08 時(shí)。T1 在前段的風(fēng)速較T2 大2.0～4.0 m/s（見圖9a）。T1在前段以40～50 km/h的高速朝西運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的不對(duì)稱性較強(qiáng)，加大了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向右側(cè)的風(fēng)速。

圖9 T1——T3過程對(duì)比（7月11日）

前段高速西行有利于短時(shí)間內(nèi)鰲江站的增水快速升高，進(jìn)而加大了整個(gè)過程的最大增水值。當(dāng)臺(tái)風(fēng)結(jié)束西行前段運(yùn)行時(shí)，T1鰲江站增水達(dá)到258 cm（見圖9b），較T2高出60 cm。整個(gè)過程最大增水T1為259 cm，較T2高出43 cm。當(dāng)考慮天文潮強(qiáng)迫后，T1最高潮位為464 cm（見圖9c），較T2高出51 cm。

5.2.2 后段移速與高位增水時(shí)長

T1和T3處于西行后段的時(shí)間分別是11日05——09 時(shí)和05——07 時(shí)。T1 案例臺(tái)風(fēng)在后段的長期滯留（見圖9b），導(dǎo)致鰲江站增水居高不下，有利于潮位突破或維持各級(jí)警戒潮位。這也同樣反映在鰲江站各級(jí)警戒潮位時(shí)長上：T1 維持在紅、橙、黃、藍(lán)色警戒潮位以上時(shí)長分別是1 h 10 min、2 h 44 min、2 h 50 min、3 h 24 min，與T3 相比，僅紅色警戒潮位時(shí)間少12 min，其余橙色、黃色、藍(lán)色警戒潮位時(shí)間則多出54 min、32 min、42 min。

5.2.3 后段移速與高潮時(shí)的配合

從圖9b、9c中可以看出，T1增水在11日05——08時(shí)保持在228～259 cm，與此同時(shí)天文潮位迅速上升，鰲江站潮位于11 日06——07 時(shí)突破紅色警戒級(jí)別潮位450 cm。T1 案例220 cm 以上增水時(shí)長為4 h 4 min，較T3 長40 min。延長的時(shí)段位于11 日07——08 時(shí)，該時(shí)段與天文潮高潮時(shí)7 h 19 min 恰好碰頭，促使鰲江站在07——08時(shí)維持了紅色警戒級(jí)別潮位。T3 增水值在11 日05——08 時(shí)則處于快速下落階段，天文高潮位出現(xiàn)時(shí)其對(duì)應(yīng)增水小于190 cm，可見T3案例的增水與高潮位配合稍差。

6 結(jié)論

本文以1808號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮為例，采用藤田臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)ADCIRC 模型，建立了溫州海域風(fēng)暴潮數(shù)值模型。在閩北海域登陸前，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速經(jīng)歷了先高速后低速過程。文中基于該路徑設(shè)計(jì)了不同區(qū)段、不同移速下的敏感性實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)以鰲江站為例，分析了臺(tái)風(fēng)移速與最大增水、最大風(fēng)速和高位增水時(shí)長的關(guān)系，探討了臺(tái)風(fēng)移速調(diào)整對(duì)于增水的影響。結(jié)論如下：

（1）西行前段（121.9°～121.0°E）的高移速有利于鰲江站增水快速增大，后段（121.0°～119.9°E）的低速西行有利于增水長時(shí)間居高不下，從而與天文潮高潮位碰頭，二者互相配合導(dǎo)致鰲江站突破紅色警戒潮位。

（2）臺(tái)風(fēng)移速處于20～50 km/h 時(shí)，臺(tái)風(fēng)移速越快，鰲江站的最大風(fēng)速和最大增水值越大，增水維持高位時(shí)間越短。

（3）臺(tái)風(fēng)的高移速加劇了臺(tái)風(fēng)不對(duì)稱性?？紤]臺(tái)風(fēng)移行風(fēng)場(chǎng)后，鰲江站最大增水值增加了8%～25%。