1409號“威馬遜”臺風對鐵山港海域的風暴潮增水研究

楊萬康，楊青瑩，尹寶樹，伊小飛，張峰，宋澤坤

（1.中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室，浙江杭州310012；3.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東湛江524088）

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1409號“威馬遜”臺風對鐵山港海域的風暴潮增水研究

楊萬康1,2，楊青瑩2，尹寶樹1，伊小飛3，張峰2，宋澤坤2

（1.中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室，浙江杭州310012；3.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東湛江524088）

摘要：1409號“威馬遜”臺風是1949年以來登陸我國華南地區的最強臺風。本文首先以鐵山港海域的潮位站和氣象站實測資料為基礎，對鐵山港海域的風暴增水特征進行了初步分析，結果表明：鐵山港灣內最大風暴增水值要大于灣口處，通過對歷史增水值進行重現期推算可知1409號臺風造成的最大增水強度達到了200年一遇。臺風登陸期間鐵山港海域發生先減水后增水的現象，是因為鐵山港海域的風向發生了轉變，先是吹離岸風，后改為向岸風。然后基于MIKE21和Holland臺風風場建立二維風暴潮數學模型分析了1409號臺風的最大增水空間分布規律，模型結果顯示地形與風暴潮增水的關系十分密切，鐵山港內部灣頂位置處最大風暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，因此需要格外重視鐵山港灣頂處的風暴潮防災減災工作。

關鍵詞：臺風路徑；風暴增水；重現期；風暴潮模型

1　引言

廣西北海市鐵山港一個狹長的半封閉型海灣，型似喇叭狀，呈南北走向，水域南北長約40 km，東西最寬處10 km，一般寬4 km，東鄰英羅灣，東南處毗鄰安鋪灣，港內主要有石頭埠、沙田等港口，具體位置如圖1所示。鐵山港是西南地區以及華南、中南部分地區最便捷的出海口，處于西南經濟圈、泛珠三角經濟圈和東盟經濟圈的中心樞紐位置，因此，對鐵山港海域風暴潮特征進行研究，不僅具有科學研究價值，也能對港口的防災減災有重要意義。

廣西海岸地形復雜，河口港灣眾多.獨特的海灣地形和港口形狀有利于風暴潮增水的形成[1-2]。鐵山港其地理形狀近似于口袋型，水體更加容易堆積。港灣地形與風暴潮增減水的關系十分密切，即使同一類臺風在不同的岸段所產生的增減水有著明顯的差別[3]，李巖等人[4]研究指出氣象氣旋的時效和精度決定了風暴潮增水的預報結果，隨著數值模擬技術的進步，許多學者對登陸廣西沿岸的臺風進行了數值模擬與預報，張保明利用數值模式成功的預報了9204號臺風風暴增水[5]，李希茜采用考慮了天文潮與風暴潮非線性相互作用耦合模型進行風暴潮潮位預報，提高了預報精度[6]。影響廣西沿海地區的臺風大體分如下3種類型[1]:一是斜穿雷州半島和海南島東北部進入北部灣，在廣西沿海或越南北部登陸，該類臺風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入北部灣，在越南北部沿海登陸，該類臺風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展，在廣西沿岸海岸登陸，該類臺風也會引起廣西沿海港灣的水位升降。影響廣西地區的具體臺風路徑類型如圖2所示。1409號“威馬遜”臺風為第一類臺風路徑，而且是最近幾十年來登陸華南地區的最強臺風，對廣西沿岸地區造成了嚴重的自然災害，本文以鐵山港實測潮位資料為依據，分析了1409號臺風期間鐵山港海域的風暴增水特征，并結合風暴潮模型分析了1409號“威馬遜”臺風期間鐵山港海域增水分布規律。

圖1　鐵山港海區地理位置示意圖

2　臺風特征分析

1409號“威馬遜”臺風于2014年7月9日在楚克東部的西北太平洋海面上生成，并向西移動。16日上午穿越菲律賓中部進入南海，并由強臺風減弱為臺風。18日15時30分（北京時，下同）左右，超強臺風威馬遜在海南省文昌市翁田鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力達17級，中心最低氣壓為910 hPa。18日19時威馬遜在廣東省徐聞縣龍塘鎮沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力仍有17級，中心最低氣壓仍為910 hPa。隨后威馬遜臺風強度有所減弱，并以西北偏西的移動路徑，掠過雷州半島，穿越北部灣，于19日07時在廣西防城港市沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力15級，中心最低氣壓950 hPa，登陸時其強度降為強臺風（臺風路徑見圖3）。隨后受地形摩擦等影響，開始急劇減弱，并繼續向偏西方向移動，最后消失在云南境內。1409號臺風主要特點如下：

（1）登陸強度大，“威馬遜”登陸時臺風中心氣壓創1949年以來登陸我國華南沿海最低記錄，登陸時中心附近最大風力17級（60 m/s），中心氣壓910 hPa；

（2）登陸次數多，先后3次登陸我國，分別在海南文昌翁田鎮（7月18日15時30分）、廣東湛江徐聞縣沿海（7月18日19時30分）、廣西防城港光坡鎮沿海（7月19日07時10分）登陸；

（3）災害嚴重：根據廣西省民政廳統計，臺風登陸時給廣西境內帶來了暴雨和狂風，災害造成150.26萬人受災，農作物受災面積3萬多公頃，直接經濟損失3.98億元。

圖2　影響廣西地區的臺風路徑分類示意圖

圖3　1409號臺風路徑示意圖

3　鐵山港海域風暴增水特征分析

為了分析鐵山港海域在1409號臺風期間的風暴潮增水特征，我們選取了石頭埠水文站和W1臨時潮位站的潮位資料進行增減水分離，兩個潮位站的具體位置如圖1所示，增水統計結果如表1所示。

表1　1409號“威馬遜”臺風風暴增水結果統計

圖4　石頭埠潮位站增減水示意圖

圖5　W1潮位站增減水示意圖

圖6　英羅灣氣象站風速風向示意圖

根據增水統計結果可知，鐵山港內部的石頭埠站最大增水為271 cm，港口外部的W1測站最大增水為179 cm，鐵山港灣內部的增水要遠大于灣外口門處，這是因為鐵山港海灣為半封閉型海灣，風暴潮發生時大量的海水涌入灣內，由于岸線地形的特殊形狀，海水不斷聚集而且不容易消散，所以增水值較大。

根據兩個站臺風過程期間的增減水曲線（見圖4、圖5）可知：在臺風沒有穿越雷州半島之前，兩個站的風暴增水都不明顯，在威馬遜臺風穿越雷州半島進入北部灣海域時（7月19日00時后），鐵山港海域首先出現了一個較強的減水過程，7月19日02時風暴減水達到極值，石頭埠站最大減水位-127 cm，灣口處的W1測站為-152 cm，減水極值發生在天文潮的高潮時刻。在風暴減水達到極值后，風暴增水開始急劇增加，迅速達到了風暴增水峰值，風暴增水發生時正好對應于天文潮的低潮位，增水曲線達到峰值后，開始迅速下降，進入風暴潮后期余振階段，余振階段增水值主要來源于海面起伏的慣性震蕩。鐵山港海域兩個潮位站的最大增水都發生在臺風中心經過鐵山港海域之后的2—3 h，主要是因為鐵山港海域的灣口地形特征和處于臺風右半圓有關。

為進一步討論鐵山港海域先減水后增水這一現象，本文利用英羅灣附近氣象觀測站的資料來加以分析（氣象站位置如圖1所示），圖6為T1氣象站風速、風向隨時間變化曲線圖。由圖可知隨著臺風穿越雷州半島后，鐵山港附近風速迅速增大，在7月19日04時左右，風速達到最大值，最大風速達到了26.5 m/s，而后隨著臺風強度減弱，風速逐漸減小。結合潮位站增減水曲線分析，鐵山港海域兩個潮位站的增減水與風速變化趨勢基本一致，由威馬遜臺風移動路徑可知，鐵山港海域位于臺風前進路線的右半圓，處于臺風風力最強的第一象限，但是在7月19日02時之前，鐵山港海域位于移動臺風的前沿，鐵山港海域風向為西南風即離岸風，不斷增強的離岸風造成鐵山港海域較為嚴重的減水。7月19日02時之后，臺風中心離開鐵山港海域，風向變為西北風，即向岸風，海水在強風的作用下涌入鐵山港，造成比較嚴重的增水。臺風風向改變的根本原因是臺風中心沿路徑的不斷前進以及北半球臺風風場的逆時針旋轉特性。

為了評估此次臺風增水強度，我們通過搜集石頭埠站1968—2014年期間臺風增水資料，按照海港水文規范要求[7]進行了耿貝爾重現期極值推算，重現期推算結果如表2所示。根據風暴增水重現期推算結果可知，1409號臺風對鐵山港海域所造成的增水強度達到了200 a一遇。

表2　石頭埠站重現期風暴增水推算結果（單位：cm）

4　風暴增水數值模擬計算

為了分析鐵山港海區增水的空間分布規律，本研究應用MIKE水動力模型[8]，添加臺風模型氣壓場和風場并作為輸入條件，建立了一個適用于鐵山港海域的風暴潮數值預報模式對鐵山港海域的最大風暴增水進行了回報。

4.1臺風模型

本次研究采用Holland[9]臺風氣壓模型如下:

B參數決定了臺風的強度和氣壓輪廓線，常用的估計公式為：

B=1.1-(980-PC)/120（2）

最大風速半徑計算公式為：RMW=51.6×EXP(-0.022 3×Vmax+0.028 1×lat)（3）

式中：pc為中心氣壓，pn為外圍氣壓，RMW為最大風速半徑，r為距離臺風中心的距離，lat為臺風中心緯度。

當確定了氣壓場之后，根據梯度風公式可以得到理論臺風風場：

在北半球臺風為逆時針旋轉，因此臺風風場會出現不對稱性，臺風運動路徑右側風速會更強，左側會減弱，計算公式如下：

式中：Vfm為臺風移動速度，θ臺風移動方向角度，都可以由移動路徑可以求得，這里θmax取為115°（考慮到入射角為25°）。

4.2水動力模型

水動力模型采用MIKE21二維水動力模塊方程來計算臺風風暴潮，MIKE21軟件[10]在國際上被廣泛應用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水質環境等要素。

在笛卡兒直角坐標系中，MIKE21連續方程和運動方程可表示為：

式中：t為時間，（x，y）分別表示向東為正和向北為正的坐標系；（U，V）為相應于（x，y）方向的從海底到海面的平均流速，η為水位，h=η+h為總水深，h則為未擾動海洋之水深，即平均海平面至海底的距離，f=2ωsinφ為Coriolis參量，ρ0為海水密度，pa為大氣壓力，A為水平渦粘系數，τbx,τby為x，y方向底應力，τsx,τsy為x，y方向海面風應力。

4.3模型設置與驗證

為了提高風暴潮數值模式的計算精度，本次計算區域覆蓋了北部灣，南海等廣大區域，在陸架區、鐵山港海灣等區域，海岸形狀和水深對風暴潮會產生一定的影響，因此在該區域對網格進行了加密，網格分辨率最高可達50 m（見圖7）。鐵山港海域水深由航保部海圖數據數字化得到，外海水深采用ETOP1數據。模型采用冷啟動，初始水位和初始流場設為0，淺灘采用動邊界干濕網格技術。然后模型驗證結果如圖8、圖9所示，兩個站的模擬結果與實測較為一致，增水峰值和發生時間誤差較小，說明建立的風暴潮數值模型準確合理，較好的反映了1409號臺風增水過程。

4.4最大風暴增水空間分布

根據風暴潮模型計算結果鐵山港海域最大風暴增水的空間分布如圖9所示，鐵山港外開闊海域風暴增水為0.8—1.2 m左右，然后灣外向鐵山港內部增水不斷增大，鐵山港內部灣頂位置最大風暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，鐵山港口門東側的安鋪灣和英羅灣最大增水也超過了2 m。通過1409號臺風的增水空間分布規律可知：地形變化與風暴潮增減水的關系十分密切，此外灣口的幾何形狀對風暴潮增水的分布特征同樣具有重要的貢獻，同一類臺風在不同的岸段所產生的增水有明顯差別，尤其是鐵山港海灣地理形狀近似于一個口袋型，水體易進不易出，灣頂處增水會顯著增大，造成的危害也更加嚴重。

圖7　計算區域及網格

圖8　兩潮位站模擬結果驗證比較

圖9　鐵山港海域最大風暴增水示意圖

5　結論

本文通過對1409號威馬遜臺風對鐵山港海域的風暴增水特征進行分析，初步得到了以下結論：

（1）鐵山港內部最大風暴增水要大于灣口處，這是因為鐵山港海灣為半封閉型海灣，風暴潮發生時大量的海水涌入灣內，由于地形的影響，海水不斷聚集而且不容易消散，所以增水值較大。通過對鐵山港海域歷史增水值進行重現期推算可知1409號臺風造成的最大增水強度達到了200 a一遇；

（2）1409號臺風期間，鐵山港海域先減水后增水，主要與臺風期間鐵山港海域的風向轉變有關，鐵山港海域先吹西南離岸風造成嚴重的減水，然后風向發生改變，改吹西北向岸風，造成海水向港灣內堆積，造成嚴重的增水。臺風風向改變的根本原因是臺風中心沿路徑的不斷前進以及北半球臺風風場的逆時針旋轉特性；

（3）基于MIKE21水動力和Holland臺風模型，建立了二維風暴潮數學模型，模型較好的反映了1409號臺風增水過程，通過分析1409號臺風的最大增水空間分布規律可知：地形與風暴潮增減水的關系十分密切，同一類臺風在不同的岸段所產生的增水有明顯差別，鐵山港內部灣頂位置處最大風暴增水超過了3.2 m，比鐵山港口門處增加了1.2 m，因此需要格外重視鐵山港灣頂處的風暴潮防災減災工作。

參考文獻：

[1]陳波,邱紹芳.廣西沿海港灣風暴潮增減水與臺風路徑和地形效應的關系[J].廣西科學, 2000, 7(4): 282-285.

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Study on the storm surge characteristics of NO.1409 typhoon“Rammasun”along Tieshan Bay

YANG Wan-kang1, 2, YANG Qing-ying2, YI Bao-shu1, YI Xiao-fei3, ZHANG Feng2, SONG Ze-kun2
（1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanography, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071 China; 2. Key Laboratory of Engineering Oceanography, the Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012 China; 3. College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 China）

Abstract：NO.1409 typhoon“Rammasun”is the most powerful landing typhoon in Southern China since 1949. Based on the measured data from tidal stations and weather stations in Tieshan Bay, the storm surge characteristics of Tieshan Bay were studied. The results showed that the peak storm surge inside the bay was greater than that outside the bay, and the intensity of peak surge caused by 1409 typhoon reached 200 year return period. The surge in Tieshan Bay first decreased and then increased because wind direction changed. Firstly the offshore wind blew and later changed to onshore wind. Based on MIKE21 and Holland typhoon wind field, two-dimensional storm surge model was established to analyze spatial distribution of maximum storm surge. The model results showed storm surge greatly depended on terrain, and storm surge at the top of the bay was more than 3.2 m and 1.3 m higher than Tieshan bay mouth. More attention should be paid to storm surge disaster prevention and mitigation work at the top of the bay.

Key words：Typhoon path; storm surge; return period; storm surge model

作者簡介：楊萬康（1987-），男，工程師，碩士，主要從事海洋預報和數值模擬工作。E-mail:yangwankang@126.com

基金項目：廣東海洋大學近海海洋變化與災害重點實驗室開放基金（GLOD1405）；中科院海洋環流與波動實驗室開放基金（KLOCAW1406）；海洋二所基本科研業務費專項資金（JG1408）。

收稿日期：2015-07-06

中圖分類號：P731.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）01-0080-06