泗礁島周邊海域風(fēng)暴潮增減水特征淺析
——以臺(tái)風(fēng)“燦鴻”為例

左常圣,黃清澤，林春霏，張建立 ，李文善

(1.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；2.寧德海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 寧德 352000；3.天津航海儀器研究所，天津 300131)

引 言

近年以來，全球氣候逐漸變暖，對(duì)我國(guó)沿海造成影響的風(fēng)暴潮的次數(shù)和強(qiáng)度較以前有所增加[1]。風(fēng)暴潮災(zāi)害在我國(guó)海洋災(zāi)害中影響最大，導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重[2-3]，成為我國(guó)海洋防災(zāi)減災(zāi)面臨的重大挑戰(zhàn)之一[4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)暴潮的研究方法主要有理論方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和數(shù)值模擬方法[5]。國(guó)外對(duì)風(fēng)暴潮理論和數(shù)值模擬開始于上世紀(jì)50年代[6]，上世紀(jì)90年代三維數(shù)值模型廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮研究[7-8]。我國(guó)對(duì)于風(fēng)暴潮的研究是從60年代開始[9]，80年代以來我國(guó)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬取得了長(zhǎng)足發(fā)展[10]，對(duì)我國(guó)各個(gè)海區(qū)的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬和應(yīng)用都取得了良好的效果[11-12]。

海島處在大陸的最前沿或是孤立于離大陸較遠(yuǎn)的外海區(qū)域，受全球氣候變化和海洋、氣象等各動(dòng)力作用的影響較大，易發(fā)生海洋災(zāi)害，產(chǎn)生較大損失。海島在地理空間、承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)等方面都具有一定的獨(dú)特性，與大陸海洋災(zāi)害相比存在明顯差異[13-14]。

嵊泗列島主島泗礁山位于嵊泗縣中部，是嵊泗縣中心城鎮(zhèn)所在地，與大中城市上海、杭州以及寧波等隔海相望，東側(cè)是太平洋，地緣優(yōu)勢(shì)明顯，屬于浙江舟山新區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。浙江舟山群島新區(qū)建立之后，在海洋海島開發(fā)過程中，關(guān)于海島的防災(zāi)減災(zāi)和保護(hù)受到了格外的重視[15]。

本文應(yīng)用FVCOM海洋模型及其STORM模塊[16-17]，添加臺(tái)風(fēng)模型的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，開展泗礁島海域的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，分析研究嵊泗海域風(fēng)暴潮增減水過程，為海島的海洋防災(zāi)減災(zāi)和保護(hù)等工作提供技術(shù)參考，同時(shí)對(duì)于科學(xué)預(yù)警預(yù)報(bào)海島區(qū)域的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增減水，精確優(yōu)化潮汐預(yù)報(bào)等工作有著一定的借鑒意義。

1 “燦鴻”臺(tái)風(fēng)特征及數(shù)據(jù)來源

1.1 “燦鴻”臺(tái)風(fēng)

圖1 驗(yàn)潮站位置分布圖

“燦鴻”臺(tái)風(fēng)于2015年6月25日在科斯雷以南海面上生成，6月30日發(fā)展為熱帶風(fēng)暴，并向偏西北方向移動(dòng)，7月10日影響中國(guó)東海海域，接近嵊泗列島時(shí)風(fēng)力為13級(jí)?！盃N鴻”臺(tái)風(fēng)核心區(qū)的直徑有1 000 km，強(qiáng)度強(qiáng)、體積龐大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)經(jīng)過海域造成顯著影響，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超10億元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文使用的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)為蘆潮港、馬跡山臨時(shí)站臺(tái)風(fēng)期間的潮位過程觀測(cè)資料以及小洋山、朱家尖兩個(gè)測(cè)站的增減水極值資料。臺(tái)風(fēng)“燦鴻”每小時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位置是中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集線性內(nèi)插獲得。

模型計(jì)算采用的岸線來源于美國(guó)地球物理中心(NOAA)發(fā)布的高精度岸線數(shù)據(jù)，并結(jié)合工程區(qū)海圖資料對(duì)相關(guān)區(qū)域岸線進(jìn)行調(diào)整，以確保重點(diǎn)研究區(qū)域岸線準(zhǔn)確性。模型的水深資料來源于海圖資料(1:250 000)以及NOAA發(fā)布的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)。

2 模型設(shè)置與驗(yàn)證

2.1 模型介紹

2.1.1 FVCOM模型簡(jiǎn)介

本文應(yīng)用的海洋模式FVCOM (Finite Volume Coast and Ocean Model)是由馬薩諸大學(xué)(University of Massachusetts)與伍茲霍爾海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution)聯(lián)合開發(fā)，數(shù)值模型的基本方程為三維原始方程，空間離散采用有限體積法，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，能更好地?cái)M合大陸及泗礁島等較為復(fù)雜曲折的岸線，并對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行逐層加密處理，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)提高計(jì)算效率與精度； FVCOM海洋模型在解決復(fù)雜曲折的岸線擬合以及計(jì)算的有效性等方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，在美國(guó)的五大湖、眾多河口以及我國(guó)海洋、河流等研究中廣泛應(yīng)用[18-19]。

2.1.2 模型基本控制方程組

本模式采用坐標(biāo)變換：

(1)

FVCOM模式在坐標(biāo)系下的控制方程組為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ρ=ρ(T,S)

(7)

式中，u、v是水平流速分量；w是垂向流速；ρ為海水密度，S為鹽度，T是溫度;f是科氏參數(shù)；ζ是水位。

2.1.3 臺(tái)風(fēng)模型

本模型采用高橋公式和藤田公式嵌套計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的氣壓場(chǎng)：

(8)

(9)

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用梯度風(fēng)和移行風(fēng)疊加而成：

(10)

梯度風(fēng)風(fēng)速由氣壓場(chǎng)通過梯度風(fēng)關(guān)系得到：

(11)

臺(tái)風(fēng)移行風(fēng)場(chǎng)采用宮崎正衛(wèi)公式計(jì)算：

(12)

上式中，r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離；R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；P∞為外圍氣壓；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；f為科氏參數(shù)；θ為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的連線與正東方向的夾角；β為梯度風(fēng)和海面風(fēng)的夾角；Vx、Vy分別為臺(tái)風(fēng)中心移速在正東和正北方向的分量；c1、c2為訂正系數(shù)。

2.2 模型設(shè)置

2.2.1 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格

應(yīng)用FVCOM三維海洋數(shù)值模式，建立泗礁島周邊海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，分析泗礁島周邊海域風(fēng)暴潮增減水分布特征，為更好的模擬臺(tái)風(fēng)過程對(duì)研究海域的影響，提高計(jì)算精度，本次計(jì)算范圍含蓋黃海以及東海的大部分區(qū)域(圖2)。

考慮到三角網(wǎng)格能較好的適應(yīng)復(fù)雜邊界與地形的優(yōu)點(diǎn)，可以較好的擬合泗礁島及舟山群島等的復(fù)雜岸線和地形特征，應(yīng)用Surface Water Model System(SMS)軟件生成無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，對(duì)岸線變化劇烈和研究海域進(jìn)行逐層加密，泗礁島網(wǎng)格步長(zhǎng)在100～300m之間，保證了模擬精度，同時(shí)提高計(jì)算速度。

2.2.2 模式初始條件和邊界條件

模型開邊界水位是通過TMD(Tide Model Driver)同化衛(wèi)星高度計(jì)資料得到各主要分潮調(diào)和常數(shù)后再預(yù)報(bào)得到的，本文采用了八個(gè)主要分潮，分別為M2、S2、K2、N2、O1、K1、P1、Q1。

初始條件包含水位和流速，因初始水位和流速對(duì)外界動(dòng)力響應(yīng)較快，模型計(jì)算采用冷啟動(dòng)，即模型中初始時(shí)刻計(jì)算區(qū)域內(nèi)海水是靜止的，所有三角網(wǎng)格點(diǎn)上的速度u、v均為零，水位也為零。溫鹽初始場(chǎng)采用常值，底應(yīng)力牽引系數(shù)設(shè)為0.001。另本文根據(jù)計(jì)算網(wǎng)格大小，水深條件以及滿足計(jì)算穩(wěn)定的要求，時(shí)間步長(zhǎng)外模設(shè)為0.3 s，內(nèi)模設(shè)為3 s。

2.3 模型驗(yàn)證

圖3為潮位驗(yàn)證，驗(yàn)證資料取自2015年7月1日—2015年7月3日蘆潮港、馬跡山臨時(shí)潮位站潮位數(shù)據(jù)，從驗(yàn)證曲線來看，潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，能較好的反應(yīng)研究區(qū)域潮位變化特征。

圖3 潮位過程驗(yàn)證曲線

圖4為風(fēng)暴潮增減水驗(yàn)證曲線，驗(yàn)證資料取自2015年7月10日—2015年7月12日蘆潮港、馬跡山臨時(shí)潮位站風(fēng)暴潮增減水?dāng)?shù)據(jù)。從驗(yàn)證結(jié)果來看，臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)的曲線大致符合，但某些時(shí)間段內(nèi)也存在一定的偏差，經(jīng)過處理的風(fēng)場(chǎng)和實(shí)際風(fēng)場(chǎng)仍有一定的差異，導(dǎo)致了模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。總的說來本文建立的風(fēng)暴潮數(shù)值模型對(duì)“燦鴻”臺(tái)風(fēng)過程的模擬較好，基本可以反應(yīng)增水過程特征。

圖4 風(fēng)暴潮增水模擬結(jié)果驗(yàn)證曲線圖

3 “燦鴻”臺(tái)風(fēng)暴潮增減水特征淺析

3.1 風(fēng)暴潮增減水過程分析

圖5為7月9日至7月13日蘆潮港、馬跡山臨時(shí)潮位站實(shí)測(cè)增減水(實(shí)測(cè)風(fēng)暴潮潮位減去調(diào)和分析計(jì)算的天文潮潮位)，圖中包含實(shí)測(cè)風(fēng)暴潮潮位，調(diào)和分析計(jì)算的天文潮潮位及增減水三要素。

圖5 實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)期間潮位變化曲線

通過泗礁島附近海域在天文潮與風(fēng)暴潮共同作用下的潮位變化可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果較明顯的反應(yīng)出兩者的部分特征：既有周期性，同時(shí)還有風(fēng)場(chǎng)作用。在7月10日之前，風(fēng)場(chǎng)的作用較小，水位變化基本呈周期性，而當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入東海海區(qū)時(shí)，就體現(xiàn)出風(fēng)應(yīng)力對(duì)水位波動(dòng)的影響，先表現(xiàn)為持續(xù)的高水位，后又出現(xiàn)低水位。

“燦鴻”臺(tái)風(fēng)進(jìn)入舟山群島南部海域(7月11日)，泗礁島附近海域首先出現(xiàn)一個(gè)明顯增水過程，馬跡山臨時(shí)潮位站最大增水為0.6 m左右，小洋山最大增水為0.65 m左右，同期蘆潮港和朱家尖最大增水為 1.0 m左右，在“燦鴻”穿過舟山群島東部海域?qū)⑦M(jìn)入黃海時(shí)(7月12日)，泗礁島附近海域繼而出現(xiàn)減水現(xiàn)象，最大減水為0.4 m左右，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殂艚笉u海域的風(fēng)向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，“燦鴻”臺(tái)風(fēng)剛進(jìn)入東海時(shí)吹的是向岸風(fēng)，而當(dāng)臺(tái)風(fēng)離開東海進(jìn)入黃海時(shí)吹的是離岸風(fēng)(圖6)。

圖6 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)示意圖

3.2 泗礁島海域風(fēng)暴潮增減水時(shí)空分布特征分析

為了刻畫泗礁島附近海域風(fēng)暴潮增水過程，分析其增水特點(diǎn)，取風(fēng)暴潮期間幾個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)的增減水的時(shí)空分布圖(圖7)。通過風(fēng)暴潮增、減水過程來看：“燦鴻”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過期間，泗礁海域的整體增減水幅度不大。

圖7 嵊泗海域風(fēng)暴潮增減水分布圖

從模擬結(jié)果來看，此次臺(tái)風(fēng)在7月9日22時(shí)左右開始影響泗礁島附近海域的風(fēng)暴潮增水，從南部區(qū)域逐漸影響到北部，經(jīng)過充分發(fā)展之后，增水幅度逐漸增大，7月11日2時(shí)左右達(dá)到最大，增水約為0.6 m左右。約在7月11日16時(shí)之后增水逐漸減小，增水幅度約在0.2m～0.4 m之間。

臺(tái)風(fēng)穿過泗礁東部海域的繼續(xù)向北偏東移動(dòng)，在離岸風(fēng)作用下，嵊泗海域開始出現(xiàn)減水現(xiàn)象，7月12日上午最大減水在0.4 m左右，隨著臺(tái)風(fēng)的減弱以及離泗礁海域越來越遠(yuǎn)，12日下午減水幅度減小，水位逐漸回復(fù)正常。

同時(shí)期上海蘆潮港以及舟山朱家尖附近海域最大增水均在1.0 m左右，明顯高于泗礁附近海域增水，表明沿海島嶼海域的海底地形、水深條件和地理位置條件與風(fēng)暴增水幅度的大小有著密切的關(guān)系。在相同程度的天氣系統(tǒng)影響下，海島處于較開闊海區(qū), 水流通暢，不利于海水的輻聚，風(fēng)暴潮增水相對(duì)較小。

4 結(jié)論

本文以泗礁島為研究應(yīng)用案例，從海島地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害的獨(dú)特性出發(fā)，分析泗礁島風(fēng)暴增水的空間分布規(guī)律，提出泗礁島應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)暴潮的建議和對(duì)策。

臺(tái)風(fēng)“燦鴻”經(jīng)過期間，泗礁島周邊海域潮位變化既有周期性，同時(shí)還受風(fēng)場(chǎng)作用，泗礁島海域首先出現(xiàn)一個(gè)明顯增水過程，而后又發(fā)生減水現(xiàn)象；泗礁島周邊海域最大增水約為0.6 m，同時(shí)期上海蘆潮港以及舟山朱家尖附近海域最大增水均在1.0 m左右，明顯高于泗礁附近海域增水；在相同程度的天氣系統(tǒng)條件下，一般大陸沿岸以及接近大陸沿岸的海島增水幅度較大, 如蘆潮港和舟山朱家尖周邊海域風(fēng)暴潮增水幅度較大;而處于較開闊海區(qū)的海島，水流通暢，不利于發(fā)生海水輻聚，風(fēng)暴潮增水相對(duì)較??；但由于如泗礁島等重要島嶼的人口密度大，港口航道等重大涉海工程較多，需做好風(fēng)暴潮災(zāi)害的科學(xué)應(yīng)對(duì)。

海島地區(qū)防御風(fēng)暴潮災(zāi)害，首先應(yīng)完善風(fēng)暴潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)體系能力建設(shè)，健全風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)對(duì)體制機(jī)制，加強(qiáng)島嶼周邊海域水波運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，科學(xué)分析風(fēng)暴潮增減水特征，做好風(fēng)暴潮災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)，同時(shí)需進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)暴潮災(zāi)害的教育與宣傳，動(dòng)員社會(huì)力量共同應(yīng)對(duì)，做好防災(zāi)減災(zāi)。