丁駿，王晶，趙鑫

（1.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，浙江杭州310012；2.浙江大學(xué)，浙江杭州310058；3.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

1323號“菲特”臺風(fēng)過程鰲江站歷史最高潮位的數(shù)值模擬

丁駿1,2，王晶1,2，趙鑫2,3

（1.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，浙江杭州310012；2.浙江大學(xué)，浙江杭州310058；3.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

采用丹麥DHI的Mike21水動力計算模塊建立浙江沿海二維潮位數(shù)學(xué)模型，結(jié)合全球天文潮位預(yù)報模型，根據(jù)1323號臺風(fēng)“菲特”的氣象資料，模擬了該強臺風(fēng)在浙江省的風(fēng)暴潮過程，并特別對造成歷史最高水位的鰲江站的風(fēng)暴潮位和增水過程進行了分析。計算結(jié)果表明：該站最高潮位和最大增水的模擬精度在10 cm左右，時間誤差約10 min，模型在本海域的數(shù)值計算能夠滿足預(yù)報要求。

1323號臺風(fēng)；鰲江；最高潮位；風(fēng)暴增水

1 引言

2013年第23號熱帶風(fēng)暴“菲特”于2013年9月30日20時在菲律賓以東洋面生成，1日20時增強為強熱帶風(fēng)暴，3日08時增強為臺風(fēng)，4日17時增強為強臺風(fēng)，7日01時15分在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心最低氣壓為955 hPa，近中心最大風(fēng)力14級（42 m/s），強度為強臺風(fēng)，“菲特”是建國以來10月份登陸我國大陸強度最強的秋季臺風(fēng)，登陸強度排名第二的是1961年10月4日在三門縣登陸的6126號臺風(fēng)，登陸時強度13級（40 m/s）。臺風(fēng)路徑見圖1。

2 “菲特”臺風(fēng)過程浙江沿海風(fēng)暴增水分析

1323號“菲特”臺風(fēng)影響期間，我省沿海岸段的風(fēng)暴增水普遍在100 cm以上，最大增水乍浦站119 cm，澉浦站206 cm，鎮(zhèn)海站61 cm，健跳站127 cm，海門站166 cm，坎門站186 cm，溫州站260 cm，瑞安站298 cm，鰲江站383 cm。乍浦、澉浦、鎮(zhèn)海、健跳、海門潮位站出現(xiàn)略超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽唬S色），坎門、溫州、瑞安、鰲江潮位站出現(xiàn)超過當(dāng)?shù)鼐渌?0 cm以上的高潮位（紅色），見圖2。

此次臺風(fēng)過程鰲江站實測高潮位522 cm，超過歷史最高潮位42 cm（歷史最高潮位480 cm，出現(xiàn)時間為1992年8月30日，是由“9216”號臺風(fēng)引起）。

3 鰲江站出現(xiàn)歷史最高潮位的初步分析

3.1 降水

1323號“菲特”臺風(fēng)呈現(xiàn)了秋臺風(fēng)的特性，雨量大、范圍廣。6—7日浙江全省出現(xiàn)暴雨和大暴雨天氣，局部特大暴雨。7日全省面雨量149 mm，為浙江省有記錄以來的最大日面雨量。

溫州平陽全縣從10月6日8時到7日20時普降大到暴雨，全縣平均面雨量275.9 mm，單站最大過程雨量羅垟水庫501.5 mm，共有2個站點雨量超過400 mm，11個站點雨量在300—400 mm，27個站點雨量在200—300 mm，5個站點雨量在100—200 mm。全縣多個鎮(zhèn)鄉(xiāng)受淹，其中鰲江鎮(zhèn)6日9點30分左右開始滿水，幾乎全鎮(zhèn)受淹，最深處達1 m多；蕭江鎮(zhèn)6日10點40分左右開始滿水，多處水深達2 m以上，淹沒時間達30 h；水頭鎮(zhèn)7日凌晨開始滿水，最深處達2 m多，淹沒時間近32 h；昆陽鎮(zhèn)7日凌晨3時開始滿水，淹沒時間長達55 h；萬全鎮(zhèn)在7日早上5時多開始滿水，淹沒時長53 h。

圖1 “菲特”臺風(fēng)路徑示意圖

圖2 “菲特”臺風(fēng)期間浙江潮位站最大增水及最高潮位情況

圖3 “菲特”臺風(fēng)期間石砰站風(fēng)測及鰲江站增水過程圖

3.2 風(fēng)速

“菲特”靠近浙江省沿海時，強度為強臺風(fēng)，致使浙江省東南沿海局部地區(qū)出現(xiàn)15級的極端大風(fēng)，風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重。受“菲特”影響，我省東部沿海5日夜里開始出現(xiàn)8級以上大風(fēng)，6日中午起增強到10級以上，并維持19 h；東南沿海風(fēng)力更強，普遍有12—14級，持續(xù)11 h左右，10—12級大風(fēng)由沿海向內(nèi)陸縱深約40 km，持續(xù)9 h左右；局部海島和山區(qū)觀測站瞬時極大風(fēng)速達15—17級，海拔略高的蒼南石砰山、蒼南望洲山分別錄得76.1 m/s和73.1 m/s（均＞17級）的大風(fēng)，破我省瞬時大風(fēng)紀(jì)錄（“桑美”帶給霞關(guān)的68 m/s），另還有蒼南馬站63.0 m/s、平陽南麂島60.0 m/s，平陽上頭嶼55.8 m/s、瑞安北龍55.6 m/s、瑞安銅盤島55.3 m/s、蒼南龍沙53.1 m/s、蒼南赤溪53.0 m/s等10個測站觀測到16級以上大風(fēng)。7日杭州、紹興、麗水等內(nèi)陸部分地區(qū)也出現(xiàn)了8—9級大風(fēng)。

圖3是“菲特”臺風(fēng)過程蒼南石砰海洋站實測平均風(fēng)與鰲江水文站的風(fēng)暴增水過程圖。鰲江站最大風(fēng)暴增水與石砰站最大平均風(fēng)時間非常吻合，臺風(fēng)登陸前連續(xù)3個小時12—13級的平均風(fēng)，風(fēng)向從偏東轉(zhuǎn)為東南。鰲江站天文高潮位在22時04分，隨著“菲特”的靠近，12—13級的大風(fēng)使鰲江河口大范圍的水體堆積，高潮位沒有降低，實測最高潮位出現(xiàn)在23時40分，比天文高潮位延遲了1個小時30多分鐘，這在以前鰲江站的臺風(fēng)增水過程中是很少見的。

3.3 潮汐

“菲特”臺風(fēng)影響期間，適逢農(nóng)歷九月初一、初二、初三天文大潮期。臺風(fēng)登陸前又趕上九月初二晚高潮，鰲江6日晚高潮的天文高潮時為22時04分，天文高潮位369 cm，警戒潮位370 cm，天文高潮位已接近當(dāng)?shù)鼐涑蔽?，距離年極值天文潮位也只有13 cm。圖4是我們用潮汐調(diào)和分析方法計算出的菲特臺風(fēng)期間鰲江站天文潮位過程。

3.4 河口地形

鰲江為浙江省八條主要水系之一，又是我國僅有的三大涌潮江之一，發(fā)源于溫州市文成縣桂山鄉(xiāng)桂庫村的吳地山南面，主峰海拔1124 m，河源以下有十多條主要支流和眾多的溪澗溝壑匯入，全長92.47 km，河源至平陽縣順溪鎮(zhèn)長19.1 km為上游段，順溪至詹家埠長24.7 km為中游段，詹家埠至獅子口長38.67 km為下游段，獅子口外10 km為河口段（見圖5）。

鰲江口內(nèi)河段縱向沖淤變化在20世紀(jì)60年代以后，由于上游及支流南港橋墩水庫等攔蓄引水工程的建設(shè)，使徑流量減少，導(dǎo)致落潮減弱，河床呈全線抬高趨勢，鰲江鎮(zhèn)以上尤為顯著，至80年代河床平均普遍抬高約1 m，最大達2 m，主槽深槽淤淺縮短，河口上游淤積最劇，向下游漸減。沖淤變化總的特點是汛期沖，枯水期淤，洪水年沖，枯水年淤，縱向沖淤交替發(fā)生。鰲江河口朝向東南，口門從平陽縣西灣鄉(xiāng)到蒼南縣舥艚鎮(zhèn)，寬度14 km。從口門往里到鰲江測站的江面寬度只有200—300 m。當(dāng)大量潮水從鰲江河口涌進時，由于江面急劇縮小，造成海水迅速雍高。

4 數(shù)值模擬

風(fēng)暴潮數(shù)值模式計算開始于50年代，70年代美國建立的SPLASH模式，在實時風(fēng)暴潮預(yù)報中發(fā)揮了重要作用；80年代美國建立的SLOSH[1]模式能預(yù)報海上、陸上以及湖上的臺風(fēng)風(fēng)暴潮，在防災(zāi)預(yù)報中發(fā)揮了很好的作用。我國的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬研究也在80年代得到了迅速的發(fā)展，目前已對渤海、黃海、東海和南海的風(fēng)暴潮進行了大量的數(shù)值模擬實驗，以此來研究各動力因子的效應(yīng)[2-3]。模式實驗取得了許多有意義的結(jié)果并且部分模式已經(jīng)在實時預(yù)報中使用[4]，成為風(fēng)暴潮預(yù)報的重要手段之一。

MIKE21數(shù)學(xué)模型是丹麥DHI公司開發(fā)的屬于平面二維表面流數(shù)學(xué)模型，可廣泛地應(yīng)用于潮汐、水流，風(fēng)暴潮等二維水力學(xué)現(xiàn)象的研究；相關(guān)研究表明，Mike21軟件水動力計算模塊是一種較好的風(fēng)暴潮計算程序[5]，該模塊具有可嵌套計算、采用穩(wěn)定性較好的ADI格式和干濕網(wǎng)格法處理動邊界等優(yōu)點，適合于浙江省沿海多灘涂和曲折岸線的海岸特征。模型計算介紹如下：

4.1 水動力模型

DHI水動力模塊計算的控制方程包括一個連續(xù)性方程和二個動量方程，基本方程為：

式中，?為潮位（包括天文潮和臺風(fēng)增水）；p、q分別為x、y方向上的垂線平均單寬流量；h為水深；Ω為柯氏力參數(shù)；ρw為水密度；C為謝才系數(shù)；Pa為大氣壓力；f為風(fēng)摩擦系數(shù)；V，Vx，Vy分別為風(fēng)速及其在x、y方向的分量；E為渦動粘性系數(shù)。

初始條件：

邊界條件：

陸邊界：取法向流量為零，即Qn＝0

水邊界：由全球天文潮預(yù)報模型給出，取靜壓水位疊加由10個分潮推算的天文潮位，包含8個主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1以及兩個長周期分潮Mf、Mm。

4.2 陸地徑流

注意睡姿：身睡如弓效果好，向右側(cè)臥負(fù)擔(dān)輕。由于人體的心臟多在身體左側(cè)，向右側(cè)臥可以減輕心臟承受的壓力，同時雙手盡量不要放在心臟附近，避免因為噩夢而驚醒。此外不要蒙頭大睡或張大嘴巴，睡覺時用被子捂住面部會使人呼吸困難，導(dǎo)致身體缺氧；而張嘴吸入的冷空氣和灰塵入會傷及肺部，胃部也會受涼。

由于“菲特”影響期間，風(fēng)暴潮過程受上游洪水影響。水動力計算時，上游河道邊界條件采用流量邊界，鰲江上游為“菲特”期間溫州平陽埭頭水文站實測流量過程，見圖6。

圖4 “菲特”臺風(fēng)期間鰲江站天文潮位過程圖

圖5 鰲江流域高分辨率影像圖

圖6 “菲特”期間鰲江上游埭頭水文站實測流量過程（起始時間為10月6日18:00）

圖7 模型計算范圍圖

4.3 臺風(fēng)場計算

目前國際通用的風(fēng)場計算模式主要有高橋和藤田模式、Jelesnianski模式等[6]，此外，還有NCEP和QSCAT混合風(fēng)場等[7]，根據(jù)對一些超強臺風(fēng)風(fēng)速模擬的研究[8]，Jelesnianski模型較優(yōu)，因此選用Jelesnianski模型風(fēng)場和氣壓場，其式如下：

式中，R為最大風(fēng)速半徑；r為計算點到臺風(fēng)中心的距離；V0為臺風(fēng)移動速度；WR為臺風(fēng)最大風(fēng)速；A=-[(x-xc)sinθ+(y-yc)cosθ]；B=(x-xc)cosθ-(y-yc) sinθ；(x,y)、(xc,yc)分別為計算點坐標(biāo)和臺風(fēng)中心坐標(biāo)；θ為流入角；P0為臺風(fēng)中心氣壓，P∞為無窮遠(yuǎn)處的大氣壓。β為臺風(fēng)風(fēng)速距離衰減系數(shù)。風(fēng)－壓關(guān)系使用ATKINSON－HOLLIDY提出的關(guān)系式來計算最大風(fēng)速[9]。

對于R，由以上資料可構(gòu)造求得：R=Rk-0．4(P0-900)+0．01(P0-900)2，P0為中心氣壓（hPa），R為最大風(fēng)速半徑（km），Rk為經(jīng)驗常數(shù)，推薦值為40，也可由氣壓或風(fēng)速的擬合精度預(yù)以調(diào)節(jié)。

圖8 鰲江站天文潮驗證圖

圖9 瑞安站天文潮驗證圖

圖10 “菲特”臺風(fēng)過程鰲江站潮位驗證圖

圖11 “菲特”臺風(fēng)過程鰲江站增水驗證圖

4.4 模型范圍

數(shù)值模擬的計算域見圖7，模型采用直角平面坐標(biāo)，計算邊界與經(jīng)線、緯線并不重合，模型大致范圍為21.5°—41°N、116.5°—127°E，整個計算域面積為2.2×106 km2。采用五層嵌套的方法逐步加密網(wǎng)格，其中大范圍的網(wǎng)格尺寸為8100 m，其后每一層網(wǎng)格逐層縮小3倍，鰲江海域的網(wǎng)格尺度為10 m。

根據(jù)以上模型，得到計算結(jié)果見圖8—12。其中圖8和圖9為鰲江和瑞安兩個潮位站的潮位過程計算值與調(diào)和分析推算結(jié)果的比較。由圖可見，無論潮位過程還是高、低潮位值，高、低潮位出現(xiàn)的時間，計算與調(diào)和分析推算結(jié)果均符合良好。說明模型計算的精度是比較高的，可用于兩潮耦合計算。

表1 鰲江站最高潮位及最大增水驗證對比表

4.5 其它各站模擬情況

圖12是“菲特”臺風(fēng)過程其它各站的模擬情況，從圖來看模擬結(jié)果比較令人滿意，從潮位的平均模擬絕對值誤差來看，瑞安站37 cm，溫州站42 cm，坎門站37 cm，健跳站16 cm，石浦站23 cm，鎮(zhèn)海站15 cm。模擬誤差主要體現(xiàn)在低潮位的模擬上。

圖12 “菲特”臺風(fēng)過程浙江沿海各站潮位驗證圖

5 結(jié)論及分析

作為1949年以來10月份登陸我國的最強臺風(fēng)，“菲特”臺風(fēng)及其造成的影響是巨大而獨特的，經(jīng)總結(jié)，主要有以下結(jié)論：

（1）“菲特”臺風(fēng)盡管在福建登陸，但其主要的海洋水文的影響集中在浙江，臺風(fēng)登陸前后，溫州沿海全線超警戒潮位，其中鰲江站超歷史最高潮位42 cm，創(chuàng)造了新的歷史潮位記錄；

（2）鰲江超高潮位的形成，與“菲特”臺風(fēng)的強勁風(fēng)場有關(guān)，也與鰲江口特殊的河口地形和高強度的降雨有關(guān)，天文潮在大范圍的風(fēng)場作用下，形成風(fēng)暴潮由外海向海岸線傳播，由于鰲江口的喇叭口形態(tài)，造成了風(fēng)暴潮能的集中，從而使水位抬升，此時上游高強度降水形成的洪水下泄造成水位壅高，即在鰲江口附近造成了俗稱的“三碰頭”現(xiàn)象，水位在極端氣象條件下形成異常超高現(xiàn)象；

（3）從建立的數(shù)學(xué)模型結(jié)果看，準(zhǔn)確的模擬了風(fēng)暴潮過程和增水過程，特別是高潮位和最大增水，模擬的精度在10 cm左右，時間在10 min左右，鑒于本次臺風(fēng)受風(fēng)、洪影響及特殊地形，達到這一精度殊為不易，充分說明了模型在本海域風(fēng)暴潮計算中的可靠性；

（4）數(shù)學(xué)模型對低潮位的模擬精度較低，這主要是由于河口區(qū)地形特殊，同時高、低潮位時實際的海床糙率有所不同，在模型中難以準(zhǔn)確反映和概化，還需要進一步改進；

（5）本次數(shù)學(xué)模型在得到臺風(fēng)路徑和相關(guān)臺風(fēng)參數(shù)的情況下的計算時間約為45 min，已經(jīng)達到了預(yù)報所需要的時間要求，因此，在需要進行本海域的臺風(fēng)暴潮預(yù)報時，可以使用該模型計算。

[1]Jelesnianski C P,Chen J,Shaffer W A.SLOSH:Sea,Lake,and Overland Surge from Hurricanes[R].NOAA Technical Report NWS48,1992:71.

[2]端義宏,秦曾灝.上海沿岸天文潮與風(fēng)暴潮非線性相互作用的數(shù)值研究[J].海洋與湖沼,1997,28(1):80-87.

[3]秦曾灝,馮士筰.淺海風(fēng)暴潮動力機制的初步研究[J].中國科學(xué)數(shù)學(xué),1957,18(1):64-78.

[4]Wang X N,Yu F J,Yin Q J.Research of Application of Numerical Model of Typhoon Surges in China Seas[Z].The Special Issue of MAUSAM,1997:595-608.

[5]趙鑫,姚炎明,黃世昌,等.超強臺風(fēng)“桑美”及“韋帕”風(fēng)暴潮預(yù)報分析[J].海洋預(yù)報,2009,26(1):19-28.

[6]尹慶江,吳少華,王喜年.美國SLOSH模式在我國的應(yīng)用－杭州灣臺風(fēng)風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬[J].海洋預(yù)報,1997,14(1):70-74.

[7]徐艷清,尹寶樹,楊德周,等.東中國海海浪數(shù)值模式的研究[J].海洋科學(xué),2008,29(6):42-47.

[8]黃世昌,李玉成,趙鑫,等.浙江沿海超強臺風(fēng)作用下的風(fēng)暴潮流[J].海洋通報,2008,27(5):8-17.

[9]Atkinson G D,Holliday C R.Tropical cyclone minimum sea level pressure/maximum sustained wind relationship for the western North Pacific[J].MonthlyWeatherReview,1977,105(4):421-427.

Simulation of the highest tidal level in history of typhoon 1323“Fitow”

DING Jun1,2，WANG Jing1,2，ZHAO Xin3,2
（1.Marine monitoring and forecasting center of Zhejiang,Hangzhou 310007 China；2.Zhejiang University,Hangzhou 310058 China；3.Zhejiang institute of Hydraulics&Estuary,Hangzhou 310020 China）

Based on the meteorological data of Typhoon 1323“Fitow”,a two-dimensional MIKE21 model of Zhejiang coastal tidal level with global astronomical tidal level forecasting model is established to simulate the storm surge and water level variation in Aojiang station during this strong typhoon.The calculation results show that the accuracy of the highest tide level and the largest water increase is about 10 cm,and the time error is about 10 min,which indicate that the model calculation is satisfied with the requirement of numerical forecasts in this area.

typhoon“1323”；Aojiang Station；the highest tide level；storm surge

P444

：A

：1003-0239（2014）05-0030-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.005

2014-04-16

浙江省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2010R50035）

丁駿（1978-），男，工程師，主要從事海洋預(yù)報工作。E-mail：ddjj7888@sina.com