北部灣臺風風暴潮數值模擬及重點區域風險分析

蔣昌波，趙兵兵，鄧 斌，伍志元

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

北部灣臺風風暴潮數值模擬及重點區域風險分析

蔣昌波1,2，趙兵兵1，鄧 斌1,2，伍志元1

（1.長沙理工大學水利工程學院，湖南長沙 410004；2.水科學與水災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風暴潮數學模型，同時根據進入北部灣海域67 a（1949—2015年）歷史臺風資料，采用蒙特卡羅方法隨機構造55場臺風進行風暴增水計算，并選取受風暴潮影響最嚴重的鐵山港與最頻繁的潿洲島進行了風險分析。結果表明：（1）從鐵山灣下側進入北部灣海域，中心氣壓為952 hPa的臺風會造成石頭埠站風暴增水為3.68 m，達到1 000 a一遇的級別；（2）廣西沿岸的風暴增水對經過北部灣海域的臺風存在滯后效應；（3）潿洲島風暴增水普遍較低，但進入北部灣的臺風均會在潿洲島產生風暴潮，因此要做好潿洲島的防護工程以防止海岸線繼續后退。

Delft3D；風暴潮；蒙特卡羅；風險分析

1 引言

臺風是沿海地區主要的自然災害，當風暴潮與天文大潮高潮疊加時可能產生極端高水位，導致海岸防御建筑物的破壞、局部地區出現沿岸洪水、岸灘侵蝕與海岸線后退，造成大量人員傷亡與財產損失。據1986—2010年數據統計，北部灣廣西沿海風暴潮災害造成的直接經濟損失達94.70億元，受災人數1053.73萬人，沖毀海岸工程476.57 km[1]。為使北部灣海域的經濟得到可持續發展，開展數值模擬工作及重點地區的風險分析顯得尤為重要。

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

本文首先基于Delft3D水動力模型以及Holland風場模型建立了適用于北部灣海域的風暴潮數學模型，隨后依據1949—2015年間北部灣海域的臺風發展規律建立了臺風數學模型，最后，對模擬臺風產生的風暴潮進行計算，并對鐵山港與潿洲島風暴增水情況進行風險分析，為廣西沿岸的風暴潮預報及防災減災工作提供幫助。

2 風暴增水數值模擬計算

2.1 水動力模型

水動力模型采用Delft3D，數值方式采用ADI法。Delft3D模型計算臺風風暴潮在國際上得到廣泛認可[10-11]。

在球坐標系中，連續性方程為：

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、蒸發等：

式中：H=d+ζ，P是降雨，E是蒸發，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，Fλ、F?是雷諾應力項，f是科氏力系數，Mλ、M?分別是外部源和匯的分量。

2.2 風場和氣壓場

風場和氣壓場采用Holland臺風模型[12]：

距離臺風中心r處的風速V(r)：

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

2.3 天文潮與風暴潮的耦合

圖1 計算區域及網格

對天文潮和風暴潮的耦合，是在計算區域內和深水開邊界處，即要考慮天文潮的作用，又要考慮臺風的作用。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個主要分潮作為驅動力。臺風的作用是通過上述的風場和氣壓場提供計算區域內和開邊界上的風和氣壓，按照靜壓假設和自由表面邊界條件作用在水體上。

2.4 模型設置與驗證

為提高模型精度，本研究采用嵌套網格進行計算。網格一的計算范圍為：105.5°～117.8°E，16.0°～23.9°N；網格二的計算范圍為北部灣廣西沿海。兩套網格均為正交曲線網格（見圖1）。鐵山港海域水深由數字化航海保證部海圖得到，其他位置采用GEBCO_14的30"水深數據。外海潮汐調和常數由全球潮流模型TPXO7.2提供。驗證模型采用1409號“威馬遜”臺風，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，兩測站的風暴增減水趨勢與實測較為一致，證明該風暴潮數值模型準確合理。

3 臺風模型的建立

3.1 北部灣海域臺風統計

進入北部灣海域的臺風分3種類型[9]：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，在廣西沿岸登陸，該類臺風也會引起廣西沿海港灣的水位變化。進入北部灣海域的臺風路徑類型如圖3所示。本文統計了1949—2015年進入北部灣海域的共100場臺風（見表1）。

由于Ⅰ類臺風進入北部灣的頻率最高，并且Ⅰ類臺風在北部灣海域內會產生大于Ⅱ、Ⅲ類臺風增水，因此下面對Ⅰ類臺風進行模擬。

3.2 Ⅰ類臺風生成方法

文中對62場Ⅰ類臺風的臺風路徑（經緯度）、最大風速以及臺風中心氣壓資料進行統計整理，臺風資料來源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心，隨后依據蒙特卡羅方法隨機構造進入北部灣海域的臺風。蒙特卡羅方法是一種純概率統計方法，依據此方法構造臺風的真實性與歷史臺風樣本的大小相關，同時，此方法生成的臺風不能反映出地形對臺風強度的影響，如臺風經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方案等優點，在增加路徑轉折點、風速/氣壓轉折點以及風速/氣壓最大值等限定條件后，可較好的反應進入北部灣海域臺風的特征，因此本文采用蒙特卡羅方法構造臺風。

表1 進入北部灣臺風類型統計

圖2 風暴潮增、減水驗證

3.2.1 臺風起點的生成

臺風經度起點在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 臺風路徑的生成

統計歷史數據，Ⅰ類臺風到達路徑轉折點（120°～125°E）會發生轉折，偏向西方前進（見圖3）。轉折前、后臺風單位統計時間（6 h）經、緯度前進距離分布見圖4和5。

圖3 進入北部灣海域的臺風路徑分類示意圖

轉折前經度前進距離分布：

轉折后經度前進距離分布：

轉折前緯度前進距離分布：

轉折后緯度前進距離分布：

圖4 單位統計時間內臺風前進經度分布擬合

圖5 單位統計時間內臺風前進緯度分布擬合（——為高斯分布擬合曲線）

在路徑轉折點前，由式（7）、（9）分別生成單位統計時間的經、緯度前進距離；一旦到達路徑轉折點，由式（8）、（10）分別生成單位統計時間的經、緯度前進距離。

3.2.3 臺風風速與中心氣壓的統計與生成

臺風起點風速在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，在臺風到達風速/氣壓轉折點（108.5°～111.5°E）前，最大風速在0～5 m/s之間增大，當風速達到70 m/s時，則會維持在70 m/s不變；臺風中心氣壓在0～5 hPa之間減小，當中心氣壓達到920 hPa時，則維持在920 hPa不變。在臺風行進至風速/氣壓轉折點后，臺風強度降低，最大風速在0～10 m/s之間減小，中心氣壓在0～10 hPa之間增大。最大風速變化統計見表2，中心氣壓變化統計見表3。

3.2.4 臺風最大風速半徑

由于缺乏實測資料，臺風最大風速半徑是最難確定的參數。而臺風最大風速半徑與臺風中心最大風速有密切關系，因此本文在計算過程中，采用經驗公式進行計算[13]：

式中：Rmax是最大風速半徑；Vmax是近中心最大風速；?為緯度。

3.2.5 臺風終點的生成

為避免臺風不切實際的深入內陸，規定當臺風風速小于15 m/s或路徑經度小于經度終止點（102°～106°E）時，臺風終止。

表2 最大風速變化統計

3.3 模擬臺風結果

I類臺風多發生于7月、8月，規定本文中的臺風起點在7月15日00時生成，運行程序，生成的55場臺風見圖6，通過與實測臺風資料對比，排除掉5場風速與氣壓擬合效果不佳的臺風，模擬結果能夠反應進入北部灣海域的臺風特征。

4 結果與分析

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

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

表3 中心氣壓變化統計

圖6 模擬臺風路徑

圖7 模擬臺風最大增水頻次

紀燕新[14]采用耿貝爾方法，推算出石頭埠站重現期是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號臺風引起的風暴增減水曲線見圖8，最大增水為3.68 m，達到了千年一遇的級別。此次臺風路徑斜穿雷州半島，于2014年7月21日00時登陸雷州半島，臺風風速達到45 m/s，中心氣壓為952 hPa，于7月21日06時進入鐵山灣，最大風速及中心氣壓不變，按照《熱帶氣旋等級》[15]中的劃分，達到了強臺風級別。

從圖9可以看出，路徑在北部灣海域的臺風（以36號臺風為例）產生的風暴增水在廣西沿岸存在滯后效應。以鐵山港為例，當臺風中心未到達鐵山港時，鐵山港海域最大風速的風向從港內指向外海，即離岸風，所以首先出現一個較強的減水過程；當臺風中心行進至鐵山港時，最大風速的風向與港灣方向垂直，產生的增水與減水較??；當臺風中心穿越鐵山港、行進至廉州灣海域時，鐵山港海域處于臺風的右半圓區域，最大風速的風向徑直指向港內，即向岸風，海水在強風作用下進入港區內，所以產生較強的風暴增水。因此，應注意這類臺風過境后的港區內增水情況，做好災害防護工作。

圖8 石頭埠站天文潮位及風暴增減水示意圖

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，從而產生較大的增水，而潿洲島是一個孤島，四周相對開闊，因此產生的風暴增水高度較低。據統計，1956—2014年，潿洲站增水＞0.5 m的風暴潮共發生83次，＞1 m的風暴潮共發生3次[16]。

圖9 36號臺風經過北部灣時的風場及水位分布

本文模擬的臺風造成潿洲站最大增水為1.40 m，其路徑與0312號臺風“科羅旺”類似，均為從潿洲島下側穿越北部灣，最后在越南登陸并消失。增水在0.4～0.9 m的臺風共發生41次，占本次模擬的82%。雖然風暴增水較低，但經過北部灣海域的臺風均會在潿洲島產生風暴增水。潿洲島的潮間帶為沙質岸灘，臺風過境產生的風暴潮及近岸浪會導致較為嚴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0.18 m，在2013年6月風暴潮過后，北部岸灘最大下蝕達0.4 m[17]。因此需在島上易受侵蝕區域種植固沙植被，建造防護性工程以阻止沙灘的后退。

5 結論

本文的臺風模型是在統計北部灣海域歷史臺風數據基礎上建立的，目的是為了生成產生潛在性災難的臺風，而并不是歷史上真實的臺風。通過對該臺風模型與風暴潮模型的結合應用，對鐵山港與潿洲島的風暴增水情況進行了風險分析，得出了以下結論：

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

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

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

（4）潿洲島風暴增水較低，但為防止海岸線繼續后退，需要采用適當的防護工程，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。

國家自然科學基金資助項目（51239001）；交通運輸部應用基礎研究項目（2015319825080）；湖南省研究生科研創新項目（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研究。E-mail:jcb36@vip.163.com