汕頭南澳海域典型臺風過程水動力數值分析

陶英佳，張璐，何倩倩

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海200062)

潮汐和潮流是陸架海域最顯著、最持久的動力學現象[1]，潮位漲落和周期性潮流運動對海岸及近海工程總體布置和安全性都有著極其重要的影響,尤其是臺風等極端天氣下潮汐潮流的特性具有重要意義[2]。南澳海域屬于廣東省汕頭市，廣東地區臺風暴潮災害的特點是：發生次數多、強度大、連續性明顯，影響范圍廣，突發性強，災害損失大[3]。

針對臺風風暴潮的研究開展得比較早，相對也比較成熟，但針對汕頭海域的風暴潮研究不多，董劍希、蔡文恬等對廣東省沿岸包括汕頭沿海風暴潮的特征做了系統的分析和描述[4-5]。風暴潮的預報主要分為經驗預報和數值模式預報，針對本文研究海域丁千龍等采用經驗預報的方法對風暴潮進行分析[6-7]。黃平、羅家海等針對汕頭海域采用三維數值模型對潮汐潮流進行數值模擬，并分析污染物擴散特征[8-9]；劉娟、侯京明等采用數值模擬的方式對汕頭海域風暴潮漫灘進行過分析預報[10-11]。

本文基于MIKE 21數值模式，采用無結構三角形網格，對南澳海域的潮汐潮流的變化情況進行高分辨率的數值模擬，在率定驗證較好的基礎上，選取2016年直接影響該海域的2場典型臺風過程(1614號臺風“莫蘭蒂”、1622號臺風“海馬”)，分析臺風過程對該海域潮流場影響。

1 數值模型及計算設置

1.1 MIKE 21模型簡介

MIKE 21平面二維潮流模型基于連續方程和動量方程(1)—(3)，通過無結構三角形網格進行空間離散，數值計算上采用有限元法對控制方程進行離散求解，由于該模型在對數值處理方法和岸線地形擬合上的優勢使其在河口海岸地帶有著廣泛的應用。故對于汕頭南澳這樣一個海岸線曲折、海底地形復雜、島嶼暗礁較多的海域，采用MIKE 21模式進行模擬是非常適合的。

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1.2 模型計算區域網格和設置

本次研究計算范圍見圖1。計算域剖分采用無結構三角形網格，既可以較好地擬合陸地、方案邊界條件，又可以對近岸及關注海域局部加密，從而保證計算精度。計算區域岸線最北端位于福建漳浦縣附近，岸線最南端位于廣東惠來縣附近，東南側開邊界離岸約150 km，開邊界處網格分辨率最低，約為3 km，此外，整個模型網格由20 807個三角形頂點和38 283個三角形元素構成。水深數據采用海圖數據以及局部實測地形資料。高分辨率區域網格見圖2。

模型采用內外模分離的方法，最小時間步長0.01 s，最大時間步長30 s，能夠滿足模型的穩定運行的CFL條件。模型的曼寧系數按照分區給定，按照離岸的遠近給出不同的數值。模式采用冷啟動方式，流速和水位的初始場設為零。

研究海域距離徑流入海口40 km，水深在30 m左右，受徑流影響較小，上游徑流主要考慮韓江水系下游支流外砂河和蓮陽河的徑流量，外砂河徑流量設定為250 m3/s，蓮陽河徑流量設定為300 m3/s[13]。

模型率定驗證所使用的歷史風場數據由歐洲中期天氣預報中心(簡稱ECMWF，http://apps.ecmwf.int/)提供，該數據按月份提供下載，空間分辨率達到0.125°×0.125°，時間分辨率為3～6 h，能夠滿足模型的需求。該數據是基于實測歷史資料同化后的再分析數據，比WRF模式計算出的風場數據精度更高，因此模型在率定驗證及后續臺風期間的水動力計算時候均使用該數據。

外海開邊界通過給出13個主要天文分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4、MS4、MF、MM和MN4)的調和常數計算的水位進行驅動，水位計算公式如下：

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式中ζ——潮位；ζ0——余水位(此處設為零)；fi——交點因子；Hi——振幅；σi——角頻率；ui——交點訂正角；Vi+ui——初相角；gi——遲角[12]。調和常數，即Hi和gi的數值來源于中國海大區域的模型計算的結果，經過實測數據的率定檢驗，比較可靠[14]。

2 模型的率定驗證

南澳海域屬于不正規半日潮海域，根據云澳站多年波浪統計資料，海域波浪主要集中在ENE、SSE和S 3個方向，強浪向為NNE向。南澳島東側、東山島南側海域水深達到了20 m以上，靠近外海側水深在30 m以上，海域距離徑流入海口約40 km，受徑流影響較小。模型采用2016年8月云澳站和海門站實測潮位、C1、C2站點夏季全潮水文觀測流速數據對模型進行率定驗證，站點分布見圖3。C1、C2站點夏季全潮水文觀測時間為2017年9月。

圖4給出了海門站和云澳站的潮位驗證成果，圖5分別給出了C1、C2站點夏季大中小潮期間的流速和流向驗證曲線，圖中黑線表示模型計算值，紅點表示實測值。通過比較分析，海門站位于河流入?？谖恢?，受河口等徑流影響較大，云澳站位于南澳島海域，具有較強的潮汐代表性，模型均能較好地驗證2個站點的潮汐特性，各測站的計算潮位、流速、流向在連續變化過程中均與實測值吻合較好，最高、最低潮位值偏差在±0.1 m以內；流速驗證總體效果較好，最大偏差在0.15 m/s以內。流向整體效果較好，模型能很好地反映出工程海域的往復流特性，流速、流向總體上滿足要求，與原型達到很好的相似性，可用于對當地潮流平面運動規律的模擬中，所預測結果具有良好的可信度。

圖4海門站和云澳站潮位驗證

3 典型臺風過程分析

3.1 典型臺風過程選取

選取2016年對研究海域影響較大的臺風進行分析，2016年在中國近岸登陸的臺風中無直接在研究海域途徑并登陸的臺風，因此選取2個對海域影響較大、強度較大、登陸路徑距離海域較近的臺風進行分析，選取1614號臺風“莫蘭蒂”和1622號臺風“海馬”，這2個臺風分別在場址區域北、南側登陸，且路徑距離工程海域最近，近岸登陸過程中均以強臺風過程登陸，具有較好的代表性。

2016年9月10日14時，“莫蘭蒂”在西北太平洋洋面上生成；9月11日14時加強為強熱帶風暴；9月12日02時加強為臺風，08時加強為強臺風，11時繼續加強為超強臺風級；9月13日晚間加強到頂峰強度70 m/s；9月15日以強臺風級在廈門市登陸，登陸時中心最大風力48 m/s，17時減弱為熱帶低壓；9月16日凌晨在中國黃海海域消散。

“海馬”于2016年10月15日8時生成，當日9時25分升格為熱帶風暴并命名；10月16日14時，升格為臺風級；10月17日8時升格為強臺風級，當日17時升格為超強臺風級；10月18日晚至19日日間達到巔峰強度，其強度達到薩菲爾-辛普森颶風等級下的五級標準；10月19日23時40分前后，在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸；10月21日12時40分前后，其中心在廣東省汕尾市海豐縣鲘門鎮登陸，登陸時中心附近最大風力有14級(42 m/s)[15]。

根據ECMWF風場數據南澳海域的特征點分析臺風過程風速變化，圖7給出了“莫蘭蒂”臺風過程和“海馬”臺風過程中海域代表點的風速變化情況。南澳海域在受“莫蘭蒂”臺風影響之前，風向主要以西南偏西向為主，風速大小逐漸降低，臺風影響過程

中，由于臺風中心位于研究海域東北側，因此工程海域受到明顯的東北方向的風影響，最大風速達到了10 m/s，臺風過后風速逐漸降低。在受臺風“海馬”影響之前，由于受到季風的影響，風向以東北向為主，在臺風影響過程中，風向逐漸成順時針旋轉趨勢，臺風過境后風向重新呈東北向。受臺風的影響，工程海域于10月12日便有超過10 m/s的風速，臺風影響最大造成風速超過了18 m/s，臺風過后風速逐漸回到正常范圍內。

3.2 典型臺風過程下云澳站增減水的變化

風暴潮增水是指實測潮位過程減去天文潮過程[16]，本文對2個臺風引起的風暴潮增減水進行驗證，采用云澳站的實測數據。云澳站增水計算方法采用實測潮位減去周年數據調和分析成果的天文潮過程，模型的增水計算采用臺風影響下的水位過程減去未加風場的水位過程，最終得到2個臺風過程的風暴潮增減水變化，見圖7。結果表明模型能夠較好地反映云澳站臺風過程的增減水變化，“莫蘭蒂”臺風期間實測最高增水達到了53 cm，模型模擬達到了50 cm；“海馬”臺風期間實測最高增水達到了74 cm，對應的模擬最高增水達到了69 cm。

3.3 典型臺風過程海域水動力的變化

圖8分別給出了“莫蘭蒂”和“海馬”臺風過程下C2站點的增減水變化和流速流向的變化過程。可以看到，C2站點最大增水在50 cm左右，流速流向變化差異不大，說明“莫蘭蒂”臺風對風電場的水動力影響較弱。相比“莫蘭蒂”臺風，“海馬”臺風增減水變化過程更明顯，最大增水在70 cm左右，“海馬”臺風對流速流向的影響比較大，主要體現在落潮時間段對流速增長和漲潮時間段流速的相對減小，落急時刻流速最大漲幅達到了20 cm/s，漲急時刻流速相應的減幅也達到了20 cm/s。從流向的對比來看，“海馬”臺風主要對落潮時間區間長度有一個顯著增長的影響。影響風暴增水的因子主要是風和氣壓，而在北半球，風從所有方向螺旋式地向臺風中心吹，形成繞臺風中心的逆時針方向的總環流，最大風速出現在沿著臺風前進路徑方向的右邊。由于本文研究的海域位于“海馬”臺風前進路徑方向的右邊、“莫蘭蒂”臺風前進路徑方向的左側，在這2個臺風強度差別不大的情況下，“海馬”臺風對南澳海域水動力的影響更明顯。

由于“海馬”臺風對工程場區的水動力影響相對較大，重點分析在“海馬”臺風影響下，南澳海域的水動力場變化。圖9a、9b分別給出了南澳海域在無、有“海馬”臺風情況下，場區海域落急時刻的流場分布?？梢钥吹胶ｑR臺風對于落急時刻的流速有一個顯著的增大作用，流向上影響不大，有一個小角度的順時針旋轉的影響，主要由于在臺風影響過程中，風向逐漸成順時針旋轉趨勢。圖9c、9d分別給出了工程場區在無、有“海馬”臺風境情況下，場區海域漲急時刻的流場分布?！昂ｑR”對漲急時刻的流速有一個顯著的減小作用，流向變化不大，這主要由于漲潮潮流方向與風生海流方向不一致，且風生海流對潮流具有一定的抑制作用，因此在漲潮時段，流速有明顯的減小。

南澳海域代表點在無、有臺風影響下余流情況見表1?！昂ｑR”臺風對本海域的余流影響較大，在“海馬”的影響下，海域余流的流向基本無變化，流速則從2～3 cm/s增加到了14 cm/s以上；相對而言，“莫蘭蒂”對海域余流的影響較小，余流流速流向并未有很大的變化。

表1 不同工況下海域代表點余流

4 結論

從兩場典型臺風過程對南澳海域水動力(主要是增水和潮流)影響分析結果可知，影響程度與臺風路徑、臺風強度以及影響時間等密切相關，由于在北半球風從所有方向螺旋式地向臺風中心吹，形成繞臺風中心的逆時針方向的總環流，最大風速出現在沿著臺風前進路徑方向的右邊，因此“海馬”相對于臺風“莫蘭蒂”對海域水動力影響更顯著一些，“海馬”臺風期間實測最高增水達到了74 cm，對應的模擬最高增水達到了69 cm，“海馬”臺風對流速流向的影響主要體現在對落潮時間段的增長作用和對漲潮時間段流速的抑制作用，這主要與風生海流流向與漲落潮流流向的變化有關。