基于ADCIRC水動力模型構(gòu)建南海海域風(fēng)暴潮預(yù)報模型與典型臺風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

馬經(jīng)廣，張云博

(1.廣東省水文局，廣州 510150；2.廣東海啟星海洋科技有限公司，廣州 511400)

1 概述

廣東省是全國風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)，尤其是粵港澳大灣區(qū)，常住總?cè)丝诩s7 000萬，GDP總量超10萬億，未來將打造成國際一流灣區(qū)和世界級城市群；而聚集了大量產(chǎn)業(yè)與人口的海岸帶區(qū)域，也正是風(fēng)暴潮災(zāi)害可能影響最大的區(qū)域。全省沿海重要城市防潮標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到50年一遇以上，其中部分重要城市重點堤防防御標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50～200年一遇，其余大部分地區(qū)不足20年一遇。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對風(fēng)暴潮預(yù)警預(yù)報工作的需求也不斷提高，但目前我省仍難以開展精細(xì)化的漫灘漫堤等模擬預(yù)測，精細(xì)化風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)也有待提升。為了提高廣東省沿海風(fēng)暴潮預(yù)警能力，開展適用南海海域的精細(xì)化風(fēng)暴潮預(yù)報模型研究顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)多個學(xué)者采用當(dāng)前較為成熟、應(yīng)用廣泛的ADCIRC水動力模型，構(gòu)建了適用于西北太平洋海域和南海海域的風(fēng)暴潮預(yù)報模型，既有對該模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究[1-3]，也有對其合理性進(jìn)行基于天文潮和風(fēng)暴潮預(yù)報結(jié)果的驗證[3-4]。本文基于國際上比較常用的ADCIRC 模式，構(gòu)建了適用南海海域的精細(xì)化風(fēng)暴潮預(yù)報模型；選用Holland 模型提供強(qiáng)迫風(fēng)場和氣壓場，開邊界潮位采用OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)的全球潮汐數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 風(fēng)暴潮精細(xì)化預(yù)報模型的構(gòu)建

構(gòu)建的適用南海海域風(fēng)暴潮精細(xì)化預(yù)報模型為ADCIRC非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)二維全流風(fēng)暴潮模型。

2.1 控制方程

風(fēng)暴潮模型ADCIRC在非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格下，基于伽遼金(Galerkin)有限元方法求解淺水波動方程得到水位與流速。水位通過以下廣義連續(xù)方程(簡稱GWCE方程)來求解得到：

(1)

流速通過以下垂向平均的動量方程求解得到：

(2)

(3)

式中：

ζ——從海平面起算的自由表面高度，m；

U,V——兩個方向的垂向平均流速,m/s；

H——海水水柱的總水深,m；

f——科氏參數(shù),s-1；

Ps——海水自由表面的大氣壓強(qiáng),N/m2；

ρ0——海水密度，文中默認(rèn)為1 025 kg/m3；

g——重力加速度,m/s2；

τbx和τby——海底摩擦力的x和y方向分量,N；

τsx和τsy——海表面應(yīng)力的x和y方向分量,N；

Tx和Ty——波浪輻射應(yīng)力項,N；

Dx和Dy——動量方程的水平擴(kuò)散項。

2.2 底摩擦項

在ADCIRC中，復(fù)合形式底摩擦系數(shù)的表達(dá)式為：

(4)

曼寧系數(shù)與摩擦系數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系：

(5)

式中：

Hc——臨界水深，m，它是反映底摩擦在淺水區(qū)域增大的一個參數(shù)；

θ——決定底摩擦系數(shù)與漸近線接近的快慢，是常數(shù)，取值10；

λ——決定從深水到淺水底摩擦增大的快慢，是常數(shù)，取值1/3；

n——曼寧系數(shù)，其值的大小和水深、水底底質(zhì)狀況相關(guān)；

ζ——從海平面起算的水位高度，m；

d——相對于海平面的水深,m。

考慮地物對漫灘模擬的影響時，主要是地物的差異所產(chǎn)生的底摩擦變化，此變化直接影響水的流速與流向，進(jìn)而直接影響漫灘模擬；本文采用給定各節(jié)點曼寧系數(shù)n的方式來計算底摩擦。根據(jù)美國NLCD數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合廣東沿海地區(qū)的高分辨率地形、影像數(shù)據(jù)，對全省沿岸地物進(jìn)行分類。

2.3 模型范圍和網(wǎng)格精度

本模型的計算范圍選擇覆蓋了南海中北部和部分菲律賓以東洋面，覆蓋范圍為105.6°E～127°E和13°N～27°N。模式使用三角網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散，網(wǎng)格大小主要取決于當(dāng)?shù)夭ㄩL的大小，開邊界處網(wǎng)格分辨率約為0.5～110 km，岸線區(qū)域分辨率基本為0.5～1 km。采用局部截斷誤差分析技術(shù)對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，網(wǎng)格最小分辨率控制在100 m左右。廣東近海地區(qū)的水深數(shù)據(jù)采用海圖數(shù)據(jù)，外海地區(qū)水深采用GEBCO全球海陸地形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。風(fēng)暴潮模型計算區(qū)域網(wǎng)格劃分及水深見圖1所示。

圖1 風(fēng)暴潮模型計算區(qū)域網(wǎng)格劃分及水深示意

本文對于陸地、島嶼等陸邊界，在邊界上滿足不可入射條件，即取法向流速為零，Vn=0。模型選取珠江三角洲網(wǎng)河主要匯入江河的水文站所在位置作為上邊界起算點，并以高要、石角、博羅、太平場和麒麟嘴等5個水文站的實測水位作為模型上邊界驅(qū)動條件；粵東粵西入海河流則假設(shè)為陸地，珠三角河網(wǎng)區(qū)兩側(cè)海岸沿線看作閉合陸邊界。模型開邊界有東、南、北3條，采用潮位作為開邊界驅(qū)動力。開邊界潮位采用OTIS的全球潮汐數(shù)據(jù)結(jié)果，并結(jié)合南海當(dāng)?shù)仳灣闭镜臄?shù)據(jù)作為驅(qū)動，主要考慮能充分并準(zhǔn)確反映選取海域范圍潮位變化的M2、S2、N2、K2、O1、P1、Q1、K1、M4、MS4、MN4、MN、MF等13個天文分潮。

2.4 臺風(fēng)風(fēng)場模式

本文采用常用的Holland臺風(fēng)風(fēng)場模型，臺風(fēng)氣壓場分布公式為：

P(r,θ) =Pc+ (Pn-Pc)e[-(Rmax(θ)/r)]B

(6)

式中：

P(r,θ)——距離臺風(fēng)中心r的海表面氣壓值，它是徑向距離r、方位角θ的函數(shù)；

Pc——臺風(fēng)以外不受干擾的背景氣壓；

Rmax——臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑；

B——臺風(fēng)輪廓參數(shù)[5]，決定了臺風(fēng)的峰度和強(qiáng)度。

臺風(fēng)風(fēng)場分布公式為：

(7)

式中：

f——科式力系數(shù)；

ρA——空氣密度。

風(fēng)拖曳系數(shù)Cd采用Garratt公式：

(8)

3 模型驗證

由于篇幅有限，同時根據(jù)臺風(fēng)對廣東海域影響的嚴(yán)重程度，本文從2008年以來造成廣東省沿海汕尾至饒平岸段、深圳至陽江岸段和茂名至湛江徐聞岸段產(chǎn)生嚴(yán)重風(fēng)暴潮的臺風(fēng)中，選取了200814號“黑格比”、201213號“啟德”、201319號“天兔”、201415號“海鷗”和201713號“天鴿”等5個典型臺風(fēng)(見圖2)，對構(gòu)建好的風(fēng)暴潮精細(xì)化預(yù)報模型進(jìn)行驗證，驗證數(shù)據(jù)采用各岸段主要潮位站的逐時實測潮位數(shù)據(jù)。具體潮位站為：汕尾至饒平岸段的東溪口、媽嶼和海門潮位站，深圳至陽江岸段的赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港潮位站，茂名至湛江徐聞岸段的湛江港和南渡潮位站。

圖2 典型臺風(fēng)路徑示意

3.1 汕尾至饒平岸段典型臺風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

本岸段選取了201319號臺風(fēng)“天兔”對模型進(jìn)行驗證。201319號臺風(fēng)“天兔”于2013年9月22日在粵東汕尾市沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力45 m/s，中心最低氣壓935 hPa，造成粵東沿海出現(xiàn)166～207 cm的風(fēng)暴增水，出現(xiàn)超警戒105～139 cm的高潮位。其中海門站于9月22日下午出現(xiàn)269 cm的高潮位，超警戒139 cm，超歷史最高7 cm，最大增水為207 cm。以下比較“天兔”登陸期間潮位過程預(yù)報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2013年9月21日0:00至9月24日0:00。該岸段的東溪口、媽嶼和海門潮位站的風(fēng)暴潮模擬與實測對比如圖3所示，模擬水位與實測水位比較結(jié)果見表1所示。

東溪口站1319號臺風(fēng)

媽嶼站1319號臺風(fēng)

海門站1319號臺風(fēng)

表1 汕尾至饒平岸段風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201319號臺風(fēng))

從表1、圖3可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值為0.3 h；東溪口、媽嶼和海門3個潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為22～34 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差為11～22 cm。

3.2 深圳至陽江岸段典型臺風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

本岸段選取了200814號臺風(fēng)“黑格比”和201713號臺風(fēng)“天鴿”對模型進(jìn)行驗證。

1) “黑格比”于2008年9月24日在粵西的電白市陳村鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力為48 m/s，中心最低氣壓為950 hPa，造成珠江口一帶沿海出現(xiàn)166～207 cm的風(fēng)暴增水，超警戒65～171 cm的高潮位，黃埔、南沙、橫門、官沖、三灶、北津港等潮位站超過歷史實測最高潮位。其中北津港站于9月24日凌晨出現(xiàn)356 cm的高潮位，超警戒171 cm，超歷史最高42 cm，最大增水為262 cm。以下比較“黑格比”登陸期間潮位過程預(yù)報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2008年9月22日0:00至9月25日0:00。該岸段赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港潮位站的風(fēng)暴潮模擬與實測對比見圖4，模擬水位與實測水位比較見表2。

北津港站0814號臺風(fēng)

官沖站0814號臺風(fēng)

三灶站0814號臺風(fēng)

橫門站0814號臺風(fēng)

南沙站0814號臺風(fēng)

黃埔站0814號臺風(fēng)

泗盛圍站0814號臺風(fēng)

赤灣站0814號臺風(fēng)圖4 深圳至陽江岸段風(fēng)暴潮模擬與實測對比示意(200814號臺風(fēng))

表2 深圳至陽江岸段風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)計表(200814號臺風(fēng))

從圖4、表2可見，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值為0.3 h；赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門、三灶、官沖和北津港等8個潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差在0～39 cm之間，模型計算與實測的高潮位絕對誤差在4～81 cm之間。

2) “天鴿”于2017年8月23日中午在珠海市金灣區(qū)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力為45 m/s，中心最低氣壓為945 hPa，造成珠江口一帶沿海出現(xiàn)125～240 cm的風(fēng)暴增水，出現(xiàn)超警戒88～123 cm的高潮位，赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門等潮位站超過歷史實測最高潮位。其中泗盛圍站于8月23日下午出現(xiàn)308 cm的高潮位，超警戒118 cm，超歷史最高53 cm，最大增水為240 cm。以下比較“天鴿”登陸期間潮位過程預(yù)報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2017年8月22日0：00至8月25日0：00。該岸段的赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門和三灶潮位站的風(fēng)暴潮模擬與實測對比見圖5，模擬水位與實測水位比較見表3。

赤灣站1713號臺風(fēng)

泗盛圍站1713號臺風(fēng)

黃埔站1713號臺風(fēng)

南沙站1713號臺風(fēng)

橫門站1713號臺風(fēng)

三灶站1713號臺風(fēng)圖5 深圳至陽江岸段風(fēng)暴潮模擬與實測對比示意(201713號臺風(fēng))

表3 深圳至陽江岸段風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201713號臺風(fēng))

從圖5、表3可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值為0.2 h；赤灣、泗盛圍、黃埔、南沙、橫門和三灶等6個潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差在20～39 cm之間，模型計算與實測的高潮位絕對誤差在4～80 cm之間。

3.3 茂名至湛江徐聞岸段典型臺風(fēng)暴潮數(shù)值模擬

本岸段選取了201213號臺風(fēng)“啟德”和201415號臺風(fēng)“海鷗”對模型進(jìn)行驗證。

1) “啟德”于2012年8月17日中午在粵西的湛江市麻章區(qū)湖光鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力為38 m/s，中心最低氣壓為968 hPa，造成茂名至湛江徐聞一帶沿海出現(xiàn)101～238 cm的風(fēng)暴增水，其中湛江港站于17日11：45出現(xiàn)390 cm的高潮位，超警戒125 cm，最大增水為238 cm。以下比較“啟德”登陸期間潮位過程預(yù)報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2012年8月15日0：00至8月18日0：00。該岸段的湛江港和南渡潮位站的風(fēng)暴潮模擬與實測對比見圖6，模擬水位與實測水位比較見表4。

湛江港站1213號臺風(fēng)

南渡站1213號臺風(fēng)圖6 茂名至湛江徐聞岸段風(fēng)暴潮模擬與實測對比示意(201213號臺風(fēng))

表4 茂名至湛江徐聞岸段風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201213號臺風(fēng))

從表4、圖6可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值為0.5 h；湛江港和南渡等2個潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為15～26 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差均為62 cm。

2) “海鷗”于2014年9月16日上午在海南文昌翁田鎮(zhèn)登陸，并在中午再次登陸廣東徐聞縣南部沿海地區(qū)，登陸時中心附近最大風(fēng)力為40 m/s，中心最低氣壓為960 hPa，造成茂名至湛江徐聞一帶沿海出現(xiàn)250～515 cm的風(fēng)暴增水，出現(xiàn)超警戒121～175 cm的高潮位。其中南渡站于16日中午出現(xiàn)475 cm的高潮位，超警戒175 cm，最大增水為515 cm(歷史實測排名第2)；湛江港16日中午出現(xiàn)386 cm的高潮位，超警戒121 cm，最大增水為432 cm(歷史實測排名第2)。以下比較“海鷗”登陸期間潮位過程預(yù)報平均絕對誤差以及最高潮位的相對誤差，潮位驗證時間取2014年7月16日0:00至7月20日0:00。該岸段的湛江港和南渡潮位站的風(fēng)暴潮模擬與實測對比如圖7所示，模擬水位與實測水位比較結(jié)果見表5所示。

湛江港站1415號臺風(fēng)

南渡站1415號臺風(fēng)圖7 茂名至湛江徐聞岸段風(fēng)暴潮模擬與實測對比示意(201415號臺風(fēng))

表5 茂名至湛江徐聞岸段風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)計(201415號臺風(fēng))

從表5、圖7可知，計算和實測的過程線與高、低潮位的相位均較為相符，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值為2 h；湛江港和南渡等2個潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為33～46 cm，模型計算與實測的高潮位絕對誤差為72～78 cm。

3.4 各典型岸段風(fēng)暴潮數(shù)值模擬效果評價

本文依據(jù)規(guī)范對各岸段的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬效果進(jìn)行了評價，上文典型臺風(fēng)的驗證結(jié)果顯示：汕尾至饒平岸段潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為28 cm，風(fēng)暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為17 cm；深圳至陽江岸段潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為18 cm，風(fēng)暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為45 cm；茂名至湛江徐聞岸段潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差為30 cm，風(fēng)暴潮模型計算與實測的高潮位相對誤差為69 cm；各岸段最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實測值相位差平均值少于1 h。部分潮位站計算高潮位與實測高潮位的絕對誤差超過50 cm，但均在許可誤差范圍并符合規(guī)范不得超過100 cm的要求，主要原因是實測最高潮位時增水較大，上文5個典型臺風(fēng)造成部分潮位站最大增水均超過200 cm、甚至達(dá)到515 cm，另外可能是因為所使用的風(fēng)場模型不足以概括復(fù)雜的天氣系統(tǒng)，使得部分潮位站的計算誤差較大。但從整體上看典型岸段潮位過程預(yù)報平均絕對誤差在30 cm以內(nèi)，計算與實測的高潮位絕對誤差基本滿足規(guī)范許可誤差要求，證明模型基本滿足全省沿海潮位驗證要求。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建的精細(xì)化風(fēng)暴潮預(yù)報模型分別計算了汕尾至饒平、深圳至陽江和茂名至湛江徐聞3個典型岸段在典型臺風(fēng)登陸期間的風(fēng)暴潮潮位，驗證結(jié)果表明：① 模型計算和實測的高、低潮位及過程線相位吻合度較好；② 典型岸段部分潮位站的計算高潮位與實測高潮位的絕對誤差超過50 cm，除了因為實測最高潮位時增水較大外，還可能是因為所使用的風(fēng)場模型不足以概括復(fù)雜的天氣系統(tǒng)，使得部分潮位站的計算誤差較大;③ 預(yù)報模型從整體模擬效果看，潮位站的潮位過程預(yù)報平均絕對誤差在30 cm以內(nèi)，計算與實測的高潮位絕對誤差基本滿足規(guī)范許可誤差要求，可以滿足廣東省的風(fēng)暴潮預(yù)警預(yù)報需要。