渤海風暴潮過程的數值模擬研究

丁玉梅，丁 磊

(1. 天津科技大學理學院，天津 300457；2. 天津科技大學海洋與環境學院，天津 300457)

我國是世界上海洋災害最嚴重的國家之一，海洋災害給沿海經濟發展和人民生命財產帶來巨大威脅，其中風暴潮災害是各種海洋災害之首．我國海岸線漫長，南北縱跨溫帶和熱帶．在夏秋季節，東南沿海由于頻繁遭受臺風的襲擊，容易發生臺風風暴潮，對黃渤海也會造成影響．8509號臺風、9216號臺風、9711號臺風和 0509號臺風，都引發了渤海風暴潮，并對渤海沿岸經濟造成一定的損失．在春秋過渡季節，渤海和黃海北部是冷暖空氣交匯的地方，冬季容易受冷空氣和寒潮大風的襲擊，有利于溫帶風暴潮的發展[1-3]．近年來我國風暴潮的發生頻率和強度都有所增加，每年由于風暴潮災害引起的經濟損失高達上百億元[4-5]．

為減少風暴潮災害可能造成的損失，國內外學者對風暴潮過程進行了大量研究．Zheng等[6]應用FVCOM模型模擬了墨西哥灣颶風 Ike風暴潮，指出風暴潮主要是由于海面颶風和低氣壓引起，也受大陸架的幾何形狀和水深的影響．傅賜福等[7]利用改進的風場數據合成實驗，采用一套基于非結構網格的高分辨率風暴潮模式(ADCIRC)和溫帶風暴潮模式(CES)分別對幾次典型溫帶風暴潮過程進行了數值模擬，模擬結果在增水趨勢、峰值和峰值時間上與實測結果基本一致．Feng等[8]模擬了各種典型臺風過程，利用ADCIRC模型，研究了不同臺風路徑對天津港風暴潮的影響．

在渤海風暴潮研究中，對于溫帶和寒潮風暴潮研究較多，多數關注站位增水的研究，很少考慮增水分布和流場的分布．目前多數風暴潮模擬過程局限于二維空間，研究風暴潮增水的變化，模擬岸線基于矩形網格或者正交網格，對岸線的擬合存在較大的誤差，對臺風風暴潮增水分布和流場變化研究不多，針對岸線變化對風暴潮影響的研究也較少．本文基于FVCOM 近岸海洋模型，建立了渤海風暴潮三維數值模型．模型使用非結構化三角網格，能夠更好地實現對復雜岸線的擬合．采用大小網格嵌套模型，克服了由于計算區域的擴大帶來的對空間步長的限制，對目標海域進行局部加密，提高了模型的分辨率．利用該模型，研究了渤海臺風風暴潮增水和流場的變化特征，以及岸線變化對風暴潮的響應．

1 計算區域及模型設置

FVCOM 模型是基于三角網格和有限體積法的三維近海海洋模式，目前廣泛用于河口和復雜岸線的模擬．模型所使用的有限體積法能夠從通量的角度考慮水體的運動，保證水體動量、質量和能量的守恒．模型的控制方程組參見文獻[9]．文中大區模型的計算區域包括黃渤海，開邊界設在長江口北岸到韓國濟州島連線．小區模型的計算區域為整個渤海海域，開邊界設在渤海海峽的東部．研究區域的地形、水深及Winnie臺風路徑如圖1所示．

模型中水深數據采用 Choi等[10](Laboratory for Coastal and Ocean Dynamics Studies Sungkyunkwan University)提供的 1′×1′的東中國海的水深數據插值到網格點上．渤海灣地區的岸線數據是通過衛星反演獲得2000年高分辨率岸線[11]，分辨率為0.001°．

采用 2000年的渤海岸線，對渤海潮汐和風暴潮過程進行模擬．大區模型在渤海近岸的分辨率為1,000,m，逐漸向外增加到開邊界30,000,m．網格節點數是 14,633個，三角形單元個數是 28,236個，開邊界節點個數是 18個．對小區模型進行了精細網格劃分，在渤海灣沿岸附近分辨率為 300,m，隨著離岸距離的增加，分辨率依次變化為 1,000,m、2,000,m、4,000,m 和 8,000,m，到渤海海峽開邊界區域，達到10,000,m．網格節點數為 66,040個，三角形單元個數為129,710個，開邊界節點個數為27個．單元模型采用正壓模型，溫度和鹽度分別為 10,℃和 30．外模時間步長為 3,s，內外模時間步長之比為 10∶1．采用OTPS(the Oregon State University Tidal Prediction Software)潮預報模式預報的實時水位進行驅動，選取 8 個主要分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1合成大區模型開邊界潮位，大區模型的計算結果為小區模型提供開邊界水位條件．大小區模型使用的風場均為中尺度氣象預報模型(WRF)模擬的風場數據，時間分辨率是每3,h一次，空間分辨率是0.1°×0.1°．

圖1 研究區域的地形及水深和Winnie臺風路徑Fig. 1 The terrain and water depth of the studied region and the tracks of Typhoon Winnie(Blue line)

2 模型驗證

首先對渤海潮汐過程進行模擬，利用 T-tide軟件，對渤海各個主要分潮進行了調和分析，與海圖和驗潮站潮汐實測數據進行對比，對模型進行校正，使模型能夠較好反映渤海潮汐過程．調和分析得到的調和常數與海圖對比基本一致，與實測數據也基本一致．圖2分別為模擬的渤海海域M2、K1分潮的等振幅和等遲角圖．潮汐模擬及誤差分析參見文獻[12-13]．

建立了渤海風暴潮模型，對 1997年 8月渤海Winnie臺風風暴潮進行數值模擬，對天津港的風暴潮增水模擬和實測數據時間序列進行對比分析(圖3)．在風暴潮增水前期，模擬與實測數據增水趨勢基本一致；在風暴潮中期，模擬天津港最大增水是2.04,m，實測最大增水 1.99,m，相對誤差為 0.025；在增水的后期，誤差較大，相關系數為 0.78．其原因可能是風場模擬或者底摩擦系數的影響．模擬結果表明，建立的渤海風暴潮模型對風暴潮增水極值及趨勢的模擬結果與實測結果基本一致，可以用來研究渤海海域的風暴潮過程．

圖2 模擬的渤海海域 M2和 K1分潮的等振幅和等遲角圖Fig. 2 Simulated co-amplitude(in meters)and cophase (in degrees)maps of M2 and K1 tidal elevations in Bohai Sea

圖3 天津港1997年8月Winnie臺風風暴潮增水模擬與實測數據對比Fig. 3 Simulated and observed storm surge heights at Tianjin Port in August 1997

3 模擬結果分析

3.1 渤海海域風暴潮增水變化

東北方向大風容易引發渤海風暴潮．渤海風暴潮影響最大的區域為渤海灣，其次是萊州灣(圖4)．風暴潮初期，由于受 Winnie臺風的影響，黃海中部和北部的水體經渤海海峽進入渤海中西部．初始階段，在東北風的作用下，1997年8月19日23時，萊州灣出現少量增水．在激振階段，萊州灣增水逐漸增大，隨后，渤海灣出現明顯增水，并逐漸增強．增水幅度達到高峰，維持在 2.0～2.5,m，持續時間約6,h．余振階段，渤海灣和萊州灣的增水幅度下降，受風向的影響，萊州灣增水持續時間較長，遼東灣呈現顯著減水趨勢．此次臺風風暴潮，渤海灣和萊州灣呈現較大增水，增水較大的是天津港、黃驊港和羊角溝港海域，遼東灣減水明顯(圖4)．

圖4 渤海3個典型時刻的風暴潮增水和風場圖Fig. 4 Simulated surge level and wind field at three typical times in Bohai Sea

3.2 渤海灣三大海域風暴潮增水變化

1997年 8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風暴潮增水分布如圖5所示．

圖5 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風暴潮增水分布Fig. 5 Simulated maximum storm surge level in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

曹妃甸港海域位于渤海灣灣口北側，風暴潮期間，自東北向西南方向，最大增水逐漸增加，從 1.1,m到 1.4,m．但是，考慮到曹妃甸港海域整體水位不高，因此，危害程度不大．天津港海域位于渤海灣的最西端，受風時、風區的影響，港區自西向東風暴潮增水逐漸增加，近岸海域最大增水達到 2.1,m．在海域北部和西南部局部最大增水達到 2.2,m．由于天津港海域的最高水位平均在 5.0,m，達到或者超過警戒水位(警戒水位 4.8,m)，因此，風暴潮災害的危害程度較大．黃驊港海域位于古黃河沖積區，與上述兩個海域不同，該港口附近海域水淺坡緩．風暴潮期間，在港區的西北部和東南部，風暴潮最大增水逐漸增加，北部近岸達到 2.3,m 左右．考慮到黃驊港水位較高，平均水位達到 5.0,m，超過了警戒水位，因此，風暴潮災害的危害程度較大．

3.3 渤海灣三大海域風暴潮流場的變化

利用模擬結果，將潮汐和風生流總流場減去僅有潮流驅動的流場，研究了 Winnie臺風風暴潮過程中風暴潮流場的分布．其中，流場分布選取的是風暴潮期間漲潮時的瞬時流場，流速選取的是風暴潮期間72,h的平均流速(圖6、圖7)．

圖6 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風暴潮期間增水時的風暴潮流場分布(總流場減去潮流)Fig. 6 Simulated stormy current field caused by typhoon in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

大風作用使海區潮流動力失衡，流場變化較大，同時增加了水流沿堤、沿岸流動的趨勢[14-16]．臺風對風暴潮流場的影響主要集中在海堤前沿附近，流場受風場、地形及岸線的影響很大，在海堤附近，流速較大，流場分布和平均流速的變化一致(圖 6和圖7)．風暴潮平均流速沿著等深線呈帶狀分布，與岸線和等深線基本平行，影響范圍主要集中在近岸附近．在靠近岸線的附近，流速減少；在距離岸線一定距離的小范圍內，特別是在圍堤附近，流速增大；隨著離岸距離的增大，流速逐漸減弱，灣內開闊的海域，流速的變化比較平緩[17-19]．渤海灣水動力條件的變化將會導致近岸海域產生相應的沖淤變化，導致工程海域附近的泥沙、污染物的運移規律發生變化．

圖7 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風暴潮期間風暴潮平均流速分布Fig. 7 Simulated mean stormy velocity(color shading，in meters per second)of typhoon in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

在曹妃甸港海域，大風對近岸影響較大，水體基本呈自東向西流動．在近岸南部，近岸流速呈增加趨勢，平均流速在 0.1～0.2,m/s．在北部近岸由于建筑物的阻水效應，風暴潮潮流明顯減弱．

在天津港海域，水流呈現出沿建筑物邊緣流動的特點．由于黃海水體的作用以及港口建筑物的阻水效應，對港口附近的流場要強于近岸流場．港口附近流場平均流速在0.1～0.15,m/s．港口附近多為西向流和偏西南方向的沿岸流．近岸流速基本表現為減少趨勢.

黃驊港海域地形較為平坦，受渤海西支逆時針旋轉的潮波運動控制，海域潮流為明顯的逆時針旋轉流，東北方向大風作用下尤其突出．港堤兩側的潮流呈現沿堤流特性，流向幾乎垂直岸線，南北兩側近岸流速逐漸減少，在門口處形成橫流，在北側靠近門口處，流速較大，平均流速0.15～0.2,m/s．

3.4 岸線變化對渤海灣風暴潮增水的影響

近年來，渤海地區大力發展海洋經濟，興起圍填海的熱潮．從 2000年到 2010年的 10年間，渤海灣圍填海面積多達 600,km2，岸線增加 331.6,km[11]．海堤建設改變局地海岸岸線、地形，改變不同深度的海域面積和岸線長度，會影響到海域的水動力環境，并對風暴潮過程造成一定的影響[20-21]．利用該模型，研究了2000年和2010年岸線變化后，渤海灣風暴潮增水的變化．圍填海工程后，水深較淺的天津港和黃驊港東北部和西南部的風暴潮災害風險在增加，在水深較大的曹妃甸港海域，受岸線變化的影響，風暴潮增水明顯．曹妃甸港和天津港海域，由原來的一般強度風暴潮災害，改變為較大強度的風暴潮災害．黃驊港海域，由原來的較大強度的風暴潮災害增加為大強度的風暴潮災害[22-23](表1)．這需要在圍填海工程設計和堤防設計中引起重視．

表1 岸線變化前后對渤海灣臺風風暴潮災害強度級別的影響Tab. 1 Effect of coastal engineering on the intensity of the storm surge disaster in Bohai Bay

4 結 語

基于 FVCOM 海洋動力學模型，建立了渤海三維風暴潮模型．采用大小網格嵌套的方法，對渤海近岸區域進行加細模擬，提高了模型的模擬分辨率和準確性．對渤海 Winnie臺風風暴潮過程進行數值模擬，分析了渤海風暴潮增水及流場的分布特征，并研究了海岸工程對渤海灣臺風風暴潮的影響．

東北向的大風容易引發渤海風暴潮增水．風暴潮期間，渤海灣增水明顯，萊州灣次之，遼東灣出現顯著減水．在渤海灣，曹妃甸港、天津港和黃驊港等近岸海域風暴潮增水較大，流場發生較大改變，沿岸流、沿堤流增強．海岸工程的建設改變了岸線形態，渤海灣海域近岸工程后風暴潮最大增水在增加．特別是在風暴潮的中期，海岸工程使渤海灣風暴潮水位增加，曹妃甸港、天津港和黃驊港海域的風暴潮災害強度都有不同程度的增大．

岸線變化對渤海灣海域風暴潮增水影響明顯，在海岸工程和堤防設計中，需要考慮風暴潮增水對海堤防護的不利影響．本文僅局限于個例進行了研究，模擬結果也有待于改進．今后將會深入研究風暴潮增水的動力學機制以及岸線變化對渤海風暴潮增水及流場變化的響應．

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