洪文淵，張火明，管衛(wèi)兵

（1.中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室 國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

風暴潮災害是集氣象、海洋、暴雨洪水災害為一體的綜合性災害，是海洋災害中最嚴重的，一次大的風暴潮災害的破壞及影響甚至超過地震和海嘯.我國東臨西太平洋，有廣闊的海岸線，并且地處臺風多發(fā)區(qū)，每年都要經(jīng)歷幾場甚至十幾場臺風，而沿海地區(qū)又是人口較為集中，經(jīng)濟發(fā)展較好的地帶，全國70%以上的大城市、55%的國民經(jīng)濟收入都分布在東部和南部沿海［1］.風暴潮的沖擊不僅會對居民的生命財產(chǎn)造成損失，還會導致河口海岸航道淤淺，船舶和海堤損毀，對沿海地區(qū)的養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、旅游業(yè)等都造成嚴重的影響，2001—2010年十年的經(jīng)濟損失總計超過了一千億.因此，對風暴潮及其預報方法的研究和警報系統(tǒng)的建立具有迫切的實際意義.

杭州灣，上接錢塘江，下臨東海，是一個典型的倒置喇叭口形海灣.灣口寬約95km，灣口向內(nèi)變窄，灣底起伏不大，河床較為平坦，由于杭州灣的這一地形特征，使其具有明顯的潮汐特性并經(jīng)常出現(xiàn)涌潮或暴漲潮.當潮波由于臺風影響進入杭州灣時，引起杭州灣水位的漲落，高潮位逐步被抬高，低潮位逐步被降低，使得潮差急劇增大，其中灣頂澉浦一帶潮差最為明顯，澉浦站曾出現(xiàn)了歷史最大潮差，達8.93m.

本文在靜壓條件下采用藤田和高橋的兩個氣壓場公式相嵌套來算出整個計算域的氣壓場分布情況，采用梯度風和經(jīng)典的Ueno移行風場公式給出整個計算域的合成風場分布情況，綜合考慮了天文潮和風應力對計算風暴潮產(chǎn)生的影響.程序以FBM二維風暴潮數(shù)值預報模式為基礎，同時加入了多線程技術，以氣象信息網(wǎng)提供的6h變化的臺風中心位置、臺風中心氣壓值和最大風速半徑作為輸入?yún)?shù)，以兩個臺風的杭州灣風暴潮實測資料為驗證依據(jù)，對浙江沿海杭州灣的風暴潮進行了研究.

1 模型建立

本文所采用的二維數(shù)值計算模式為王喜年等專家所建立的覆蓋中國海五個區(qū)塊的FBM模式［2-3］，該模式是在封閉海、半封閉海和開闊海模式試驗的基礎上建立起來的，適合中國曲折的海岸線，并在實時預報中發(fā)揮了很好的作用.然后通過諾模圖法［4-5］實現(xiàn)對臺風過程其最大風暴潮的預測.此處選取了覆蓋整個杭州灣的東海區(qū)塊作為計算域進行研究.

1.1 計算區(qū)域及網(wǎng)格配置

計算區(qū)域如圖1.計算域陸地部分包括整個杭州灣，江蘇、浙江大部分沿海城市以及部分福建地區(qū)，同時還包含韓國濟州島及小部分區(qū)域，海域為東海海域.

圖1 杭州灣計算區(qū)域Figure 1 Calculation area of Hangzhou Bay

圖2 粗網(wǎng)格格點分布Figure 2 Grid point distribution of big grid

圖2為采用粗網(wǎng)格進行計算域劃分的情況，其中深色部分表示陸地區(qū)域，淺色部分表示陸邊界，其余為海域.為了更好的擬合岸邊界，又將粗網(wǎng)格進行二分之一細分（圖3）和四分之一細分（圖4），得到精細化網(wǎng)格進行計算.

圖3 二分之一細網(wǎng)格格點分布Figure 3 Grid point distribution of 1／2smaller grid

如圖5，網(wǎng)格細分后的水深數(shù)據(jù)由粗網(wǎng)格節(jié)點四點加權平均求得，對于岸邊界的水深數(shù)據(jù)仍取為原來的水深.網(wǎng)格配置如表1，表中給出了粗細網(wǎng)格配置對照.

表1 網(wǎng)格配置Table 1 Grid configuration

1.2 計算區(qū)域驗潮站分布

本文選取了杭州灣附近的24個驗潮站作為潮位計算站點，24個驗潮站分別為：燕尾站、新洋港站、小羊口站、呂四站、吳淞站、高橋站、橫沙站、盧潮站、金沙站、乍浦站、澉浦站、海黃山站、鎮(zhèn)海站、長涂站、定海站、大萬山、健跳站、海門站、大成島站、坎門站、溫州站、瑞安站、熬江站和沙埕站，其具體位置分布如圖6.從圖中可以看出，這些站點的分布較為均勻，且分布于整個杭州灣沿岸計算域，因而具有較好的代表性.

圖6 驗潮站位置分布Figure 6 Distribution of the tide gauge stations

1.3 氣壓場模型

FBM模式氣壓場的計算是由下面的藤田公式和高橋公式（公式1和2）［6-7］相嵌套來實現(xiàn)的.

式（1）（2）中：p0為臺風中心氣壓；p∞為臺風外圍氣壓（正常氣壓）；R為臺風最大風速半徑；pr為距臺風中心距離r處的氣壓；r為計算點與臺風中心的距離.

1.4 風場模型

臺風域中的風場計算由兩個矢量場疊加而成［8］，分別是相對于臺風中心對稱的圓形風場和基本風場.相對于臺風中心對稱的圓形風場梯度風公式為：

式（3）中：Vg為梯度風；f為科氏力系數(shù)；ρa為空氣密度.基本風場采用 Veno Takeo（1981）的公式［9］為：

式（4）中，Vx、Vy為臺風移速在x、y方向上的分量.

1.5 多線程技術

線程是操作系統(tǒng)分時調(diào)度CPU時間的基本實體，一個線程可以執(zhí)行程序的任意部分的代碼，即這部分代碼被另一個線程并發(fā)地執(zhí)行.為了使一個程序中能夠同時執(zhí)行不同的任務，就可以通過運行多個不同的線程來實現(xiàn).它通過提高資源利用效率來提高系統(tǒng)的效率［10］.本文的程序所要實現(xiàn)的功能是在界面進行計算的時候，系統(tǒng)可以同時處理別的任務，如點擊計算區(qū)域以外或者執(zhí)行別的應用程序，而不影響計算的進行，這就用到了多線程技術.

多進程結(jié)構示意圖如圖7，多線程結(jié)構示意圖如圖8.

2 可視化界面

模式預報可視化界面如圖9.界面由一個窗口組成，標題為“SurgeFW”，在菜單欄中添加了“風暴潮預報”、“驗潮站”、“網(wǎng)格”菜單，單擊后執(zhí)行相應操作.工具欄區(qū)添加了風暴潮預報的快捷按鈕，分別為“開始計算”、“暫?！?、“繼續(xù)計算”、“停止計算”、“打開輸出文件”.整個工作區(qū)域分左右兩塊顯示，左邊為風暴潮過程顯示區(qū)，顯示計算過程中的風暴增水時歷過程以及臺風路徑，同時計算臺風所進行的時間；右邊為數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)，顯示計算過程所對應的風暴增水時歷曲線和臺風中心移動風速大小、方向曲線.

圖9 風暴潮數(shù)值預報可視化界面Figure 9 Storm surge numerical forecasting visual interface

風暴潮預報通過菜單列表對計算程序進行控制，可以編輯臺風參數(shù)、水深參數(shù)，執(zhí)行計算操作和瀏覽計算結(jié)果.驗潮站子菜單列表中共有24個驗潮站名稱，對應計算區(qū)域內(nèi)的24個驗潮站，選擇不同的驗潮站，則曲線繪制部分也繪制出對應驗潮站的時歷曲線.網(wǎng)格子菜單列表可以選擇在風暴潮增水和風速時歷曲線坐標軸上添加粗網(wǎng)格、添加細網(wǎng)格、刪除網(wǎng)格三種操作.計算區(qū)域以杭州灣一帶的海域為背景，其覆蓋面積為1027.86×763.95km2，土色部分表示杭州灣的陸地，藍色部分表示海洋，其交界為沿海陸地的邊界輪廓線.右側(cè)給出水深圖例，分別給出“＜0cm”、“0～50cm”、“50～100cm”、“100～150cm”、“150～200cm”、“200～250cm”、“250～300cm”、“300～350cm”、“＞350cm”九個顏色區(qū)塊.右下角的時間標記框表示風暴潮發(fā)生的過程時間.隨著計算的進行，不同水域呈現(xiàn)不同的水深顏色.陸地區(qū)域上的小圖標為臺風圖標，標記臺風移動到的位置.增水曲線和臺風移速大小方向曲線過程同步進行.

程序運行完成后的界面也如圖9，圖中顯示了臺風移動的路徑，隨著臺風的移行，海面水位有相應的變化，風暴增水的區(qū)域與臺風移動情況相符，增水發(fā)生在風暴周圍，隨著風暴潮增強增水情況也加劇.右側(cè)時歷曲線部分以新洋港站為例繪制了風暴潮增水與風速大小方向時歷曲線，由曲線可以直觀的看到最大增水發(fā)生的時間與最大增水值.

3 臺風實例

用本文中介紹的數(shù)值預報模式對5612號和7708臺風進行計算，這兩個臺風在整個臺風預報研究歷史上都有著極其重要的意義.分別選取乍浦站、鎮(zhèn)海站和高橋站、吳淞站四個驗潮站進行實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)比對.然后再對2012年第1210和1211號臺風進行計算，取三種網(wǎng)格的計算結(jié)果進行對比，驗證網(wǎng)格大小對計算結(jié)果的影響.

3.1 臺風5612和臺風7708

5612號臺風［11］，俗稱“八一大臺風”，于1956年登陸我國浙江舟山專區(qū)象山縣南莊.其登陸時臺風中心氣壓為923hPa，風速60～65m／s，整場臺風造成的各種氣象災害導致超過5000人遇難，僅僅浙江就造成4000多人死亡，超過1.7萬人不同程度受傷，200多萬房屋損毀，經(jīng)濟損失難以估量.

7708號臺風又名“寶佩”、“Babe”，于北京時間1977年8月31日14時，于北緯5°，東經(jīng)155°海域生成，生成時的中心風速為10m／s，中心氣壓為1004hPa，在其生命期間，最大風速達到70m／s，最低氣壓達到906hPa.期間導致市區(qū)房屋損毀700余間，發(fā)生6000多起供電斷線事故，黃浦江中沉沒2條船，共死亡2人，重傷9人.

從圖10和圖11兩張對比圖來看，兩個臺風的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的總體趨勢是一致的，實測數(shù)據(jù)的某些位置潮位的波動性較大，而計算值相對較為平滑，沒有體現(xiàn)出波動較大的部分.這是因為在實際情況下，潮位值h與很多復雜的因素有關系，包括海流、浪，甚至水中的物體，海水密度的改變，都會對實際測得的潮位有影響，而在計算中，為了確保計算能夠進行并盡快收斂，忽略了一些影響相對較小的非線性因素，因而無法避免這樣的誤差.相比之下，粗網(wǎng)格比兩種細網(wǎng)格與實測值有著更好的吻合性，由此看來，細網(wǎng)格并非一定能很好地吻合實際情況.

3.2 臺風1210和臺風1211

1210號Damrey臺風于2012年8月2日在江蘇省沿海登陸.登陸后先后經(jīng)過山東和河北，4日在渤海北部消失.Damrey是1949年以后登陸我國長江以北地區(qū)最強的臺風，但由于它生成時緯度較高，且一路向西北方向移動，因此攜帶的熱帶能量和水汽就相對較小.到了高緯度地區(qū)海溫較低，又受到陸地摩擦的作用，因此強度減弱得較快.

1211號Haikui臺風于2012年8月5日進入我國東部海面，為強熱帶風暴.8日于浙江省象山縣登陸，中央氣象臺發(fā)布臺風紅色預警，中國氣象局也五年來首次啟動了重大氣象災害一級應急響應.臺風結(jié)束后，各省經(jīng)濟損失慘重，并有不同人次的死亡.

圖12 1210號燕尾站（a）和瑞安站（b）三種網(wǎng)格對比Figure 12 Three grids contrast of No.1210Yanwei station and Ruian station

圖13 1211號高橋站（a）和沙埕站（b）三種網(wǎng)格對比Figure 13 Three grids contrast of No.1211Gaoqiao station and Shacheng station

圖12和圖13為兩個臺風的不同網(wǎng)格對比圖，相比之下可以看出網(wǎng)格的粗細對計算結(jié)果沒有太大的影響，在風暴剛開始的時候，三種網(wǎng)格的結(jié)果基本是一致的，而在風暴充分發(fā)展的情況下計算值會出現(xiàn)少許的差別.總的來說，三種網(wǎng)格的計算結(jié)果十分接近，驗證了網(wǎng)格大小對計算結(jié)果的影響是很小的.由于缺少驗潮站的實測數(shù)據(jù)，所以這里只對網(wǎng)格大小的影響進行分析.

4 結(jié) 語

通過與實際測量值比較，可以看出程序能夠較直觀地預報出隨時間變化的風暴潮增水高度，顯示出臺風路徑，其計算結(jié)果也基本與實際觀測水位吻合.同時，本文還存在一些不足和需要改進的地方，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，結(jié)果將會更加精確.主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）本文中將原來的粗網(wǎng)格進行二分之一和四分之一細分，并結(jié)合杭州灣實際地形對海岸進行了修正，但由于采用結(jié)構化正方形網(wǎng)格劃分，對于岸邊界變化劇烈的岸段無法很好的擬合出其形狀，針對這一點，在接下去的研究中可以在靠近岸邊界的部分，將網(wǎng)格進一步細化，對于局部靠近岸段區(qū)域，采用非結(jié)構化網(wǎng)格擬合岸邊界；

2）風場的預報精度對風暴潮的準確預報起決定作用，本文中采用了圓形風場，計算相對簡便，實際風場分布情況復雜，接下去的研究可以考慮使用其他非對稱的風場進行模擬.

總的來說，風暴潮位的準確預報與氣象部門提供的臺風參數(shù)預報、數(shù)值模型和各參數(shù)的選取都息息相關，風暴潮預報技術仍然需要繼續(xù)發(fā)展以期獲得更加精準、時效更高的預報結(jié)果，使風暴潮災害所造成的影響盡量減到最小.

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