颶風(fēng)“桑迪”登陸期間紐約長(zhǎng)島附近海域風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

任成才，沈瑞杰，屠澤杰，宿殿鵬，陽(yáng)凡林

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590； 2.自然資源部 海洋測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

風(fēng)暴潮指由強(qiáng)烈大氣擾動(dòng)，如熱帶氣旋(臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng))、溫帶氣旋(寒潮)等引起的海面異常升降現(xiàn)象[1]。21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著紐約人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)以及全球海平面的上升，颶風(fēng)(如“IRENE”、“SANDY”和“FAY”)引起的風(fēng)暴潮在該地區(qū)造成的損失日益嚴(yán)重[2]。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)根據(jù)驗(yàn)潮站監(jiān)測(cè)水位對(duì)紐約附近風(fēng)暴潮洪水淹沒情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，當(dāng)水位超過平均低-低潮位(mean lower-low water，MLLW)2.977 m時(shí)會(huì)出現(xiàn)洪水，2000年共有5天出現(xiàn)了洪水淹沒現(xiàn)象，2020年增加到13天，預(yù)計(jì)2050年產(chǎn)生洪水的天數(shù)將增加至40～110天。因此，建立精細(xì)化風(fēng)暴潮數(shù)值模型對(duì)該地區(qū)風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)預(yù)警、河口規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前，基于數(shù)值模擬建立高精度風(fēng)暴潮模型依然是研究風(fēng)暴潮最有效的手段，常用的數(shù)值模擬系統(tǒng)有：風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式(sea, lake and over land surges from hurricanes，SLOSH)[3]，海洋、沿海和河口水域的先進(jìn)環(huán)流模式(an advanced circulation model for oceanic，coastal and estuarine waters，ADCRIC)[4]，有限體積海岸和海洋模型(finite volume coast and ocean model，F(xiàn)VCOM )[5-6]、MIKE[7]等。通過歷史數(shù)據(jù)分析，美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心(National Hurricane Center，NHC)列出了影響風(fēng)暴潮增水的幾個(gè)因素，包括颶風(fēng)強(qiáng)度、表面壓力、前進(jìn)速度、路徑、登陸時(shí)的位置和角度以及附近海域的水深等。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)上述因素進(jìn)行了研究，Du等[8]利用同化風(fēng)壓模式和ADCIRC+SWAN(simulating wave nearshore)[9]模型，建立了浙江沿海風(fēng)暴潮模擬系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)研究了23條新建臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)溫州市風(fēng)暴潮的敏感性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴潮最大增水往往發(fā)生在最大風(fēng)速半徑處。韓樹宗等[10]基于FVCOM模式對(duì)杭州灣附近海域進(jìn)行了風(fēng)暴潮模擬，分析了1995—2010年間16個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸期間該區(qū)域增水變化情況，結(jié)果表明，颶風(fēng)以不同的方向登陸時(shí)作用效果不同。另外，海岸線的形狀對(duì)風(fēng)暴潮增水也會(huì)產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)颶風(fēng)在向內(nèi)彎曲的凹形海岸線(如佛羅里達(dá)州的阿巴拉契灣)登陸時(shí)，風(fēng)暴潮增水更高；相反，在向外彎曲的凸形海岸線(如北卡羅來(lái)納州的外河岸)登陸時(shí)，風(fēng)暴潮增水更低[11-12]。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域及驗(yàn)潮站位置

為分析紐約長(zhǎng)島海峽的特殊地形和不同颶風(fēng)路徑對(duì)風(fēng)暴潮增水的影響，本研究通過Holland[13]颶風(fēng)模型與MIKE21FM(Flow Model)水動(dòng)力模型的耦合，構(gòu)建了紐約長(zhǎng)島及其周圍海域的風(fēng)暴潮模型。并從風(fēng)暴潮預(yù)警等級(jí)出發(fā)，對(duì)比分析水位對(duì)歷史颶風(fēng)的響應(yīng)，從而定性評(píng)估不同颶風(fēng)路徑的風(fēng)暴潮危害。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于北美東海岸邊，包括紐約長(zhǎng)島及其附近海域(39.5°～42°N，70°～74.5°W)。長(zhǎng)島北面與海岸間隔著長(zhǎng)島海峽，南面和東面則是北大西洋海域。沿岸從西至東分布有4個(gè)驗(yàn)潮站(圖1)，水位數(shù)據(jù)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局。圖2展示了在颶風(fēng)到來(lái)之前(10月17日—27日)4個(gè)驗(yàn)潮站同期水位變化情況，可以看出正常情況下長(zhǎng)島海峽西側(cè)的水位明顯高于東側(cè)。

圖2 正常情況下各驗(yàn)潮站的水位變化

美國(guó)國(guó)家環(huán)境信息中心(National Centers for Environmental Information, NCEI)提供的GEODAS-NG軟件可提取較精細(xì)的岸線數(shù)據(jù)，模型的水深數(shù)據(jù)[14]源于NOAA提供的ETOPO1全球水深模型(1′×1′)。為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，融合了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European centre for medium-range weather forecasts,ECMWF)提供的降水?dāng)?shù)據(jù)集(15′×15′)。開邊界水位由FES2014(finite element solution)潮汐模型中的8個(gè)分潮組合水位驅(qū)動(dòng)。颶風(fēng)風(fēng)場(chǎng)資料(包括颶風(fēng)位置、風(fēng)速、中心氣壓、最大風(fēng)速半徑等信息)由IBTrACS(international best track archive for climate steward ship)數(shù)據(jù)集提供，該數(shù)據(jù)集將多個(gè)單位和個(gè)人的風(fēng)暴數(shù)據(jù)合并到一個(gè)產(chǎn)品中，形成全球最完整的熱帶歷史氣旋數(shù)據(jù)集，并將數(shù)據(jù)存檔供公眾使用。

圖3 風(fēng)暴潮模型構(gòu)建流程圖

2 模型構(gòu)建方法

在風(fēng)暴潮登陸過程中，海面的總水位由天文潮和風(fēng)暴增水(颶風(fēng)因素強(qiáng)迫)兩部分組成。首先，采用Holland經(jīng)驗(yàn)氣旋模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)模型；然后根據(jù)水深數(shù)據(jù)和岸線數(shù)據(jù)生成區(qū)域水深模型；最后，將得到的水深模型和風(fēng)場(chǎng)模型輸入MIKE21 Flow模型中，并設(shè)置邊界條件及模型參數(shù)，從而構(gòu)建風(fēng)暴潮模型，具體技術(shù)路線如圖3所示。

在構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)模型時(shí)，首先根據(jù)Young等[15]提出的熱帶氣旋數(shù)值預(yù)測(cè)模型，計(jì)算距離氣旋中心r處的颶風(fēng)梯度風(fēng)速Vg：

(1)

(2)

式中，Vmax為最大風(fēng)速，RMW為最大風(fēng)速半徑。

壓力p由Holland[13]模型給出的公式計(jì)算：

(3)

式中：r表示到颶風(fēng)中心的距離，p(r)表示距離颶風(fēng)中心r處的壓力，pc為颶風(fēng)中心處的壓力，pn為颶風(fēng)風(fēng)場(chǎng)邊緣區(qū)域的壓力(或中性壓力)，B為確定颶風(fēng)氣壓剖面和風(fēng)速剖面的關(guān)系的參數(shù)。

B參數(shù)與颶風(fēng)的中心氣壓、外圍氣壓、最大風(fēng)速半徑甚至颶風(fēng)路徑均有關(guān)系。林偉等[16]研究了多種B參數(shù)計(jì)算方法對(duì)風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果的影響，總結(jié)了不同海域B參數(shù)的計(jì)算公式，本研究采用式(4)計(jì)算該參數(shù)。

B=1.881-0.005 57RMW-0.010 97ψ。

(4)

其中，ψ為颶風(fēng)所在位置的緯度。將颶風(fēng)參數(shù)輸入Holland模型后，即可生成颶風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。

隨著企業(yè)離退休人員增多，管理服務(wù)內(nèi)容的細(xì)化，為解決專職工作人員不足的矛盾，由老同志組成的“自管會(huì)”組織，自我管理、自我服務(wù)，取得了很好的效果。在支部、“自管會(huì)”的組織帶領(lǐng)下，老黨員、老同志到活動(dòng)站從事義務(wù)服務(wù)工作。如打掃活動(dòng)中心衛(wèi)生、整理資料、收發(fā)報(bào)紙、社區(qū)巡邏、發(fā)送信件包裹等。出現(xiàn)了60歲人服務(wù)70歲、70歲幫助80歲老同志的動(dòng)人場(chǎng)面，老同志在自我服務(wù)、相互幫助中，充分體現(xiàn)自身社會(huì)價(jià)值。

3 風(fēng)暴潮模型的構(gòu)建與率定

結(jié)合岸線數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域生成非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，并在沿岸進(jìn)行加密，然后將水深數(shù)據(jù)內(nèi)插到網(wǎng)格中生成實(shí)驗(yàn)區(qū)域的水深模型，如圖4所示。

在進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)之前，首先應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行率定。為此，使用歷史颶風(fēng)“桑迪”(1級(jí))來(lái)模擬水位變化。颶風(fēng)“桑迪”形成于加勒比海西南部并在平行于美國(guó)東南部海岸向東北方向移動(dòng)時(shí)獲得加強(qiáng)[17]，同時(shí)異常的天氣條件使得風(fēng)暴向西轉(zhuǎn)向，最終于2012年10月29日23:30在新澤西州登陸，最大持續(xù)地表風(fēng)速達(dá)6 m/s，最大風(fēng)速半徑可達(dá)150 km，在新澤西州和紐約州海岸引起了高強(qiáng)度風(fēng)暴潮。在率定時(shí)，以沿岸驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)水位為基準(zhǔn)，通過不斷調(diào)節(jié)模型參數(shù)，以達(dá)到模擬水位與實(shí)測(cè)水位的最佳匹配效果。最終，模型的Smagorinsky常數(shù)設(shè)置為0.28，河床糙率值(曼寧系數(shù))設(shè)置為35 m1/3/s，邊界初始水位流速均為0，模型開邊界水位通過8個(gè)主要天文分潮(K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2)調(diào)和分析獲得。

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)域水深模型

率定結(jié)果表明(圖5)，實(shí)驗(yàn)區(qū)域西側(cè)驗(yàn)潮站處模擬水位與實(shí)測(cè)水位基本吻合，相比之下，東側(cè)驗(yàn)潮站處的模擬水位在高低潮處存在一定偏差，同時(shí)對(duì)比圖5中未受風(fēng)暴潮影響的水位(水位的預(yù)報(bào)值)可以看出，在颶風(fēng)登陸過程中，4個(gè)驗(yàn)潮站均出現(xiàn)了明顯的增水。表1對(duì)4個(gè)驗(yàn)潮站風(fēng)暴潮模擬結(jié)果進(jìn)行了更為精細(xì)的精度評(píng)估。從表1中可以看出模擬最大風(fēng)暴潮的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均較小，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差最大值均發(fā)生在Kings Point站，分別為0.23 m和5.01%。另外，模擬最大風(fēng)暴潮與實(shí)際觀測(cè)值之間存在一定的相位誤差，最大相位誤差發(fā)生在Woods Hole站，比實(shí)測(cè)值晚了近3 h。從計(jì)算結(jié)果可以看出，模擬風(fēng)暴潮的均方根誤差整體較小，且誤差很大程度上是由相位誤差引起的。Woods Hole站風(fēng)暴潮模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性最低，相關(guān)系數(shù)為0.87(大于0.8即可認(rèn)為具有強(qiáng)相關(guān)性)，可能是由于IBTrACS數(shù)據(jù)集在颶風(fēng)消散時(shí)的參數(shù)精度不高所致。整體而言，構(gòu)建的風(fēng)暴潮模型參數(shù)可以準(zhǔn)確模擬颶風(fēng)期間的水位變化情況。

圖5 “桑迪”颶風(fēng)登陸期間模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比

表1 風(fēng)暴潮模擬結(jié)果精度評(píng)估

圖6 颶風(fēng)桑迪登陸期間各驗(yàn)潮站處增水值變化

4 結(jié)果與討論

4.1 長(zhǎng)島海峽增水時(shí)空變化規(guī)律

為深入分析颶風(fēng)“桑迪”登陸過程中長(zhǎng)島海峽特殊地形對(duì)風(fēng)暴潮增水分布的影響，從風(fēng)暴潮模型得到的模擬水位中去除水位預(yù)報(bào)值，得到僅由颶風(fēng)引發(fā)的增水?dāng)?shù)據(jù)。圖6和圖7分別顯示了颶風(fēng)登陸期間不同驗(yàn)潮站增水值變化情況以及颶風(fēng)登陸時(shí)刻實(shí)驗(yàn)區(qū)域增水分布情況?？梢钥闯觯陲Z風(fēng)登陸前后，長(zhǎng)島海峽西側(cè)區(qū)域的增水始終高于東側(cè)。不同驗(yàn)潮站最大增水時(shí)刻相近，均在颶風(fēng)登陸約1 h后，但增水最大值相差較大，且最大值由東往西遞增，最大增水發(fā)生在Kings Point站，為2.71 m。圖8是最大增水時(shí)刻實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)分布情況，從圖8中可以看出，在颶風(fēng)登陸時(shí)測(cè)區(qū)內(nèi)主要為東南向岸風(fēng)，持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)將海水吹向海峽西側(cè)，同時(shí)由于長(zhǎng)島海峽兩側(cè)通道口東寬西窄的特征，西側(cè)短時(shí)間內(nèi)水流量小，致使海水迅速累積，最終形成較高水位。紐約長(zhǎng)島東部和南部海域距離岸邊較遠(yuǎn)，颶風(fēng)引起的最大增水在0.5 m左右，所受影響較小。

圖7 颶風(fēng)登陸時(shí)刻實(shí)驗(yàn)區(qū)增水值大小分布

4.2 不同颶風(fēng)路徑下的水位預(yù)警

為探究颶風(fēng)不同路徑可能對(duì)長(zhǎng)島造成的災(zāi)害，將10月29日18時(shí)之后(18時(shí)之后颶風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水位的影響較為強(qiáng)烈)的原始路徑每隔10°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一次從而得到4條不同的颶風(fēng)路徑，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)中，只改變颶風(fēng)的移動(dòng)軌跡，最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑、中心氣壓等其他參數(shù)保持不變[18]。

美國(guó)國(guó)家氣象局(National Weather Service，NWS)按照不同淹沒程度和范圍設(shè)定了低、中、高三種等級(jí)的水位警戒線。圖10顯示了4個(gè)驗(yàn)潮站不同路徑下的水位值，可以看出颶風(fēng)以不同路徑登陸時(shí)，水位最高點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間沒有明顯變化，但對(duì)水位值的大小有較為明顯的影響。觀察各驗(yàn)潮站的水位變化可以看出，颶風(fēng)由西側(cè)登陸時(shí)各驗(yàn)潮站水位明顯較高，在Kings Point和New Haven站，水位最高點(diǎn)超過高級(jí)水位預(yù)警線，而颶風(fēng)由東側(cè)登陸時(shí)水位值不會(huì)超過高級(jí)水位預(yù)警線。相比之下，長(zhǎng)島海峽東側(cè)Woods Hole站在不同路徑颶風(fēng)登陸期間水位均不會(huì)超過警戒線。

圖8 實(shí)驗(yàn)區(qū)最大增水時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)分布

圖9 不同路徑下颶風(fēng)移動(dòng)示意圖

值得注意的是，由于潮汐現(xiàn)象，增水時(shí)長(zhǎng)并不連續(xù)。從圖10中可以看出，在10月28日3時(shí)和15時(shí)左右，長(zhǎng)島海峽內(nèi)水位兩次躍過低級(jí)水位預(yù)警線，持續(xù)時(shí)間約為2～3 h，均發(fā)生在高潮時(shí)，隨后由于受落潮的影響，水位持續(xù)下降，主要是由于該段時(shí)間內(nèi)颶風(fēng)距離實(shí)驗(yàn)區(qū)域較遠(yuǎn)，水位變化仍主要受潮汐的影響。而10月29日23時(shí)起(即颶風(fēng)登陸后)，水位出現(xiàn)了明顯的上升，超過低級(jí)水位預(yù)警線的持續(xù)時(shí)間增加到7～8 h，該段時(shí)間內(nèi)颶風(fēng)對(duì)水位的變化起主導(dǎo)作用。

圖11顯示了各實(shí)驗(yàn)區(qū)域發(fā)生低級(jí)和高級(jí)風(fēng)暴潮淹沒時(shí)颶風(fēng)位置。當(dāng)颶風(fēng)移動(dòng)至橙色軌跡和區(qū)域時(shí)，沿岸水位會(huì)超過低級(jí)水位預(yù)警線，淹沒深度0.3～0.6 m。當(dāng)颶風(fēng)位于紅色區(qū)域時(shí)將超過高級(jí)水位預(yù)警線，此時(shí)淹沒深度將達(dá)0.9 m以上。因此，颶風(fēng)到達(dá)不同的“淹

圖10 颶風(fēng)不同移動(dòng)路徑下的水位變化

沒預(yù)警區(qū)域”(圖11中的紅色和橙色區(qū)域)時(shí)，會(huì)在沿岸造成不同程度的洪水災(zāi)害。之后，颶風(fēng)將以不同方向登陸長(zhǎng)島，東部沿岸率先產(chǎn)生洪水，且淹沒持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但水位不會(huì)超過高級(jí)水位預(yù)警線，而西部區(qū)域洪水持續(xù)時(shí)間雖短，但淹沒情況更為嚴(yán)重。另外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)同一位置，颶風(fēng)由西側(cè)登陸時(shí)，洪水到來(lái)時(shí)間會(huì)更早且持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，颶風(fēng)由東側(cè)登陸時(shí)，情況正好相反。

圖11 不同水位警戒等級(jí)下颶風(fēng)所處位置

5 結(jié)論

本研究利用MIKE21水動(dòng)力模型實(shí)現(xiàn)了紐約長(zhǎng)島地區(qū)的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，通過兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 颶風(fēng)“桑迪”登陸期間長(zhǎng)島海峽西側(cè)增水始終高于東側(cè)，表明海峽地形對(duì)海水流動(dòng)起著重要作用，是影響風(fēng)暴潮增水分布的關(guān)鍵因素。

2) 颶風(fēng)由長(zhǎng)島西部登陸時(shí)在長(zhǎng)島海峽內(nèi)引起的增水較高，水位將超過高級(jí)水位預(yù)警線，在沿岸造成嚴(yán)重的淹沒現(xiàn)象，而由東部登陸時(shí)對(duì)風(fēng)暴潮增水影響較小，只會(huì)引發(fā)輕微洪水。

3) 長(zhǎng)島海峽西側(cè)容易產(chǎn)生潮水淹沒現(xiàn)象。通過風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，計(jì)算得到紐約沿岸不同等級(jí)潮水淹沒發(fā)生的時(shí)間，進(jìn)而劃分出不同路徑颶風(fēng)的“淹沒預(yù)警區(qū)域”，實(shí)現(xiàn)沿岸不同位置風(fēng)暴潮預(yù)警，為人口和物資的轉(zhuǎn)移提供依據(jù)。