熊夢婕，章衛(wèi)勝，張金善，殷成團

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京210024；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇南京210024）

1522號臺風“彩虹”在雷州半島東部海域的風暴潮研究

熊夢婕1,2，章衛(wèi)勝1,2，張金善1,2，殷成團1,2

（1.南京水利科學研究院，江蘇南京210024；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇南京210024）

建立了三重嵌套的高分辨率二維風暴潮與天文潮耦合數(shù)值模型，研究了雷州半島東部海域風暴增水的時空分布規(guī)律及其產(chǎn)生原因。模擬結(jié)果表明：1522號強臺風“彩虹”在雷州半島東部海域引起的風暴增水呈現(xiàn)由南向北逐漸增加的趨勢，分布大致以臺風路徑為界：臺風路徑右側(cè)的南三水道、鑒江等地發(fā)生2.8 m以上的強烈增水，向岸東南風的持續(xù)影響與向西凹進的海灣地形是引起當?shù)仫L暴增水的兩個主要因素；臺風路徑左側(cè)的雷州灣西岸則發(fā)生了顯著的減水現(xiàn)象，南渡站的實測最大減水值達到2.11 m，與臺風登陸前后當?shù)厥茈x岸風的作用有關(guān)。

臺風；雷州半島；數(shù)值模擬；風暴增水；風暴減水

1 引言

雷州半島地處中國大陸最南端，西臨北部灣，南與海南島隔瓊州海峽相望，夏秋季熱帶氣旋活動頻繁，是我國遭受臺風暴潮災害最嚴重的岸段之一。其特殊的地理位置以及向西凹進的彎曲型海岸形態(tài)十分有利于風暴增水的發(fā)展。

據(jù)統(tǒng)計，1949—2005年間，粵西地區(qū)共發(fā)生風暴潮災害27次，其中特大潮災9次，而廣東省其他岸段的特大潮災發(fā)生次數(shù)之和也僅有6次[1]。從歷史最大增水上看，南渡站在8007號強臺風中測得585 cm的風暴增水，是我國有驗潮記錄以來的最大值，居世界第三；湛江港的歷史最大增水也達到497 cm，居廣東省第二[2]。從災害程度上看，20世紀70年代以來廣東省死亡人數(shù)最多（8007號強臺風，共造成455人死亡）和經(jīng)濟損失最嚴重（9615號強臺風，直接經(jīng)濟損失201.25億元）的兩次風暴潮災害均發(fā)生在湛江地區(qū)。

影響雷州半島的臺風大體可分為3種類型。一是在湛江以南登陸的西北方向行進的臺風，雷州半島處于這類臺風行進路徑的右側(cè)風場，常遭受強烈增水[3-4]；二是在湛江或湛江以東登陸并北上的臺風，這類臺風引起的增水通常要小于第一類路徑[5-6]，但由于雷州半島部分地區(qū)處于臺風行進路徑的左側(cè)，可能發(fā)生一定程度的減水；三是在海南島以南或繞過海南島在廣西沿海北上登陸的臺風，這類臺風的發(fā)生頻次較少，對湛江的影響程度弱于第一類和第二類臺風路徑。1522號臺風“彩虹”屬于第二類臺風路徑?！安屎纭痹谡拷衅骂^區(qū)沿海登陸，致使廣東、廣西和海南三地因災直接經(jīng)濟損失27.02億元、死亡7人、受災369.11萬人，是造成2015年中國經(jīng)濟損失最嚴重的臺風。

本文以雷州半島東部的實測氣象和潮位數(shù)據(jù)為驗證資料，建立了大-中-小三層嵌套、局部高分辨率的二維風暴潮與天文潮耦合數(shù)值模型。大模型覆蓋了整個南中國海和東中國海，與傳統(tǒng)的中尺度模擬區(qū)域相比，這種利用大模型提供邊界條件、局部模型精細計算的方法有利于提高局部模型邊界上的風暴潮位精度，并加快計算效率。本文應用該模型計算并分析了在1522號強臺風“彩虹”作用下，雷州半島東部海域風暴潮的時空分布規(guī)律，并研究了當?shù)氐娘L暴潮特征及產(chǎn)生原因。

2 臺風特征分析

1522號臺風“彩虹”生成于菲律賓以東洋面，于2015年10月2日02時（北京時，下同）由熱帶低壓加強為熱帶風暴，10時左右進入南海并不斷向西北方向行進。3日下午14時增強為臺風，晚上23時增強為強臺風，并于4日14時10分以強臺風級別在廣東湛江市坡頭區(qū)登陸，登陸時近中心最大風力達到15級（50 m/s），中心最低氣壓為935 hPa，是廣東省有氣象記錄以來10月份登陸的最強臺風?！安屎纭钡顷懞罄^續(xù)向西北方向移動，受下墊面摩擦的影響，強度不斷減弱，于5日11時在廣西省境內(nèi)減弱為熱帶低壓。圖1為臺風“彩虹”的路徑示意圖。此次臺風具有移動速度快、登陸強度強等特點，臺風中心在大洋中的最大移動速度約為25 m/s，并在登陸后造成兩廣多地發(fā)生暴雨[7]和龍卷風[8]災害。

3 風暴潮模型的建立與驗證

3.1 臺風模型

臺風氣壓場由Holland模型給出：

式中：p(r)是距離臺風中心r處的氣壓；pc是臺風中心最低氣壓；?p是外圍氣壓與中心最低氣壓的差值。該模型包含兩個可調(diào)參數(shù)Rmax和B：Rmax為最大風速半徑，指臺風水平結(jié)構(gòu)內(nèi)部風速最大處到臺風中心的距離；B為Holland引入的用來描述氣壓剖面形狀的參數(shù)，根據(jù)臺風實況選擇不同的參數(shù)B，可以增強模型的適用性。本文應用林偉等[9]根據(jù)2001—2009年美國聯(lián)合臺風警報中心整編的6 426條熱帶氣旋參數(shù)資料建立的最大風速半徑與中心氣壓差的回歸方程作為經(jīng)驗公式計算Rmax。

圖1 1522號臺風“彩虹”路徑圖（世界時）

B系數(shù)選用Vickery等根據(jù)大西洋海域的數(shù)據(jù)提出的計算公式給出：

式中：φ為臺風中心所在緯度。

風暴潮模型中的風場采用背景風場與臺風經(jīng)驗模型的合成。在臺風中心附近約幾百公里的范圍以內(nèi)，經(jīng)驗模型可以較好地反映臺風大風區(qū)的風場特征。模型風場為梯度風風場Vg與移行風場Vt的疊加。

式中：c1和c2是訂正系數(shù)，c1=1.0，c2=0.8；θ是計算點與臺風中心的連線與正東方向的夾角；β為流入角修正。梯度風風場Vg可表示為：

式中：ρa為空氣密度，取1.15 kg/m3；f=2ωsinφ為科氏力系數(shù)，ω=7.272×10-5rad/s為地球自轉(zhuǎn)角速度。移行風場Vt采用宮崎正衛(wèi)公式，其分布形式為：

圖2 研究區(qū)域地形及測站位置

式中：Vx和Vy分別是臺風中心移動速度的正東和正北分量。而在臺風外圍，由于同時受到其他天氣系統(tǒng)的影響，風場與經(jīng)驗模型差別較大，需考慮疊加背景風場。本文采用日本氣象廳提供的第二代全球氣候再分析數(shù)據(jù)庫JRA-55給出的風速場作為背景風場。背景風場與臺風經(jīng)驗模型的合成方法為：

式中：VQ為背景風場；經(jīng)驗風場VM由式給出；e為權(quán)重系數(shù)，e=c4/(1+c4)，c=r/(10×Rmax)。

3.2 風暴潮模型

本文的風暴潮模型采用大、中、小三層嵌套的方法。大模型范圍包括東中國海和南中國海，模型采用球面坐標系下方程，網(wǎng)格尺度為2'×2'，離散采用DSI法，邊界采用8個主要調(diào)和常數(shù)（M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1）預報潮位[10]。中模型范圍包括北部灣和粵西海岸，北邊界取在黃茅島（E113°02'03″，N21°56'52″）附近，南邊界取在越南會安（E108°24'08″，N15°52'07″）附近。模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸在0.8～3 km之間，利用大模型提供邊界條件。小模型計算范圍包括湛江灣和雷州灣，采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，開邊界處的網(wǎng)格大小約為1 km，雷州灣的岸邊界、島嶼附近的網(wǎng)格分辨率約為400 m，湛江灣及以北區(qū)域的分辨率約為150 m，海域地形如圖2所示，網(wǎng)格剖分見圖3。小范圍模型的潮位邊界條件由中模型給出。大、中、小模型的計算均同時考慮風場、氣壓場作用。直角坐標系下的二維潮流運動控制方程：

式中：ζ水面高度；H=ζ+h為總水深；U、V為x、y方向的垂線平均流速；f為科氏系數(shù)；pa為大氣壓強；ρ為海水密度；g為重力加速度；εx、εy為x、y方向紊動粘性系數(shù)，按Smagorinsky公式計算；τsx、τsy為海面風應力在x、y方向的分量，表示為：

式中：ρa為空氣密度為海上10 m處的風速大??；wx、wy為x、y方向的風速分量；cd為風拖曳力系數(shù)。

圖3 中尺度模型和局地模型網(wǎng)格剖分示意圖

式中：τbx、τby為底摩擦應力分量，表達式為：

3.3 模型驗證

圖4 風場模型驗證結(jié)果

水值與實測相比誤差較小，模擬得到的增水發(fā)生時刻也對應較好。表明數(shù)值模型對真實風暴潮過程的模擬具有較高精度。

4 風暴潮特征分析

4.1 特征站點的風暴潮位和增水分析

在此次強臺風過程中，湛江站出現(xiàn)較大的增水，而南渡則出現(xiàn)明顯的減水現(xiàn)象。湛江站的最高潮位為2.72 m（珠江基面），出現(xiàn)在4日03時，與潮汐表顯示的該站當日最高天文潮位的發(fā)生時刻一致。湛江站的最大增水為2.12 m，發(fā)生在登陸時刻4日14時。盡管增水值較大，但由于臺風登陸時刻恰為天文潮平潮期，較大的增水并未引發(fā)超高水位。從增水過程上看，湛江站為標準型增水，曲線的先兆波、主振和余振3個階段十分明顯，主振有明顯的大突起峰值，發(fā)生在臺風登陸前后1 h內(nèi)。

南渡站的最高潮位為2.66 m（珠江基面），也出現(xiàn)在4日03時。南渡站的增水過程與湛江站不同，為波動型增水，最大增水值較小，僅有1.48 m，發(fā)生在臺風登陸前的4日12時；而在4日15時，即臺風登陸后一個小時，南渡站出現(xiàn)了2.11 m左右的減水。

4.2 風暴增水空間分布特征

圖6和圖7分別為1522臺風在雷州半島東部海域引起的最大風暴增水與風暴減水的分布圖。對比兩幅圖可知，受臺風移動方向和海灣地形的影響，1522號臺風期間，雷州半島東部海域的風暴潮增水分布情況大致以臺風路徑為界，臺風前進路徑的右側(cè)以增水為主，左側(cè)則以減水現(xiàn)象較為顯著。這與臺風登陸前后的風向關(guān)系較為密切。當臺風中心登陸湛江灣時，位于臺風路徑右側(cè)的南三島、南三水道、鑒江等地受向岸的東南風控制，海水易堆積于海灣和河道內(nèi)；而位于臺風路徑左側(cè)的雷州灣、南渡等地則受強烈的西風作用，離岸的風拖曳力使岸邊水位急劇下降；而在臺風中心經(jīng)過的湛江灣內(nèi)，受到登陸前向岸風的吹刮以及登陸時氣壓降低的雙重作用，也發(fā)生了較大增水。

圖5 計算風暴潮過程與實測對比圖

雷州半島東部海域的最大風暴增水呈現(xiàn)由南向北逐漸增加的趨勢。由圖6可知，南部雷州灣內(nèi)的最大增水僅為1～1.6 m；湛江灣內(nèi)的增水在2～2.2 m之間，灣頂略有增加；全海域的最大增水發(fā)生在北部的南三水道和鑒江，鑒江內(nèi)有2.8 m以上的增水，而南三水道內(nèi)則有局部超過3.2 m的增水。

圖6 1522號臺風增水分布圖

臺風風場與當?shù)氐匦问怯绊戯L暴增水分布的兩個重要因素。臺風風場很大程度上依賴于最大風速半徑Rmax的值，該參數(shù)能夠在一定程度上反映了風速高值區(qū)的影響范圍。由于臺風氣旋結(jié)構(gòu)具有顯著的差異性，Rmax的值與中心氣壓差、緯度等許多因素有關(guān)，需要根據(jù)臺風氣象資料進行擬合才可給定。在臺風“彩虹”中，由Holland模型擬合湛江、陽江、電白等多個氣象站資料得到的臺風登陸時的最大風速半徑約為20 km，從圖8中可以看出：北部的南三水道和鑒江恰位于臺風路徑右側(cè)最大風速半徑處，向岸風作用最為強烈。且南三水道是向內(nèi)束窄的地形，向岸風的作用使能量在水道內(nèi)集中、水體發(fā)生堆積并雍高?？梢?，南三水道和鑒江內(nèi)的劇烈增水反映了風場和地形的雙重影響。

圖7 1522號臺風減水分布圖

圖8 臺風登陸前（4日11時）和登陸時（4日14時）的風場示意圖

“彩虹”引起的風暴減水現(xiàn)象則集中發(fā)生在雷州灣西岸和北岸。雷州灣西岸南渡附近的減水值較大，達到2.1 m以上，北岸的減水稍小，普遍在1 m以內(nèi)。造成這些岸段減水的原因與強臺風登陸前和登陸時的離岸風有關(guān)。圖8顯示，臺風登陸前，偏北風的作用造成雷州灣北側(cè)岸段減水；隨著臺風中心靠近，當?shù)仫L向轉(zhuǎn)而向西，造成西岸的南渡附近發(fā)生減水，且由于靠近臺風中心，該海域的減水現(xiàn)象更為嚴重。陳奕德等[11]曾統(tǒng)計了湛江港在1953—1982年期間117場風暴潮增水資料，其中減水超過0.7 m的共12場，占資料總數(shù)的10.3%；尤其在6706、7220等在湛江以東登陸并北上的臺風中，湛江港出現(xiàn)了大于1 m的風暴減水[12]。風暴減水會使大片海灘露出，嚴重影響艦船和大型油輪、貨輪的航行和錨泊[13]。需要指出的是，在統(tǒng)計熱帶氣旋在雷州半島引起的風暴潮時，尤其是對于臺風中心在湛江附近及其以東登陸的情況，應當注意對風暴減水值的統(tǒng)計。

5 結(jié)論

本文建立了三重嵌套的高分辨率二維風暴潮與天文潮耦合數(shù)值模型，對1522號臺風“彩虹”在雷州半島東部海域引起的風暴增水特征進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）臺風中心正面登陸于湛江灣，湛江港出現(xiàn)較大增水，最大增水值為2.12 m，發(fā)生在臺風登陸時刻；南渡則出現(xiàn)了較大減水，最大減水值為-2.11 m，發(fā)生在臺風登陸后一個小時。由于臺風登陸時刻恰為天文潮平潮期，較大的增水未引發(fā)超高水位；

（2）臺風期間，雷州半島東部海域的風暴潮增水大致以臺風路徑為界：位于臺風前進路徑右側(cè)的南三水道、鑒江等地，受向岸的東南風控制，以增水為主；而位于臺風前進路徑左側(cè)的雷州灣內(nèi)，受離岸西風的控制，出現(xiàn)了顯著的減水現(xiàn)象；

（3）研究海域的最大風暴增水呈現(xiàn)由南向北逐漸增加的趨勢，全海域的最大增水發(fā)生在南三水道內(nèi)。臺風風場與海灣地形是影響風暴潮增水的兩個主要因素。對于向內(nèi)束窄的河道地形，向岸風的吹刮使水體易于流入水道并雍高，造成嚴重的增水；

（4）研究海域的風暴減水主要發(fā)生在雷州灣的西岸和北岸，西岸的南渡河附近尤為嚴重。今后在統(tǒng)計熱帶氣旋經(jīng)過雷州半島引起的風暴潮時，尤其是對于臺風中心恰好在湛江灣或其以東登陸的情況，應當注意對風暴減水值的統(tǒng)計；

雷州半島是我國受臺風影響最頻繁的地區(qū)之一，受北半球右旋風場作用和南海開闊陸架地形的影響，臺風路徑東側(cè)的海岸地區(qū)在遭受風暴潮災害的同時，也易遭受嚴重的臺風浪災害，危及沿岸堤壩安全。今后需要重視對臺風浪的模擬預報，在本模型的基礎上進一步發(fā)展風-浪-流全耦合模型，提高湛江灣海洋災害安全預警的研究及應用水平。

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Study on strom surge of the Typhoon“Mujigae”(1522)in the East Leizhou Peninsula

XIONG Meng-jie1,2，ZHANG Wei-sheng1,2，ZHANG Jin-shan1,2，YIN Cheng-tuan1,2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024 China;2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024 China;3.Department of the PLA navy military facilities construction,Southern Theater,Zhanjiang China)

A two-dimensional numerical model coupled with storm surge and astronomical tide,with a high resolution and three domain nested grid,is established to study the temporal and spatial distribution characteristic of the strom surge in typhoon Mujigae(1522).The simulation results show that the strom surge pattern in the east of Leizhou Peninsula is divided by the typhoon track.The right-side regions of the typhoon track,such as the Nansan Channel and the Jian River,are characterized by intense surge.The surge depends on the special topography of westward-curved bay shape and the sustained onshore wind before landing.While,the left-side regions of the typhoon track,such as the west coast of the Leizhou Bay,where suffered offshore west wind around the landfall of typhoon,are characterized by significant set-down.The maximum set-down reaches-2.11 m at Nandu.

typhoon；Leizhou Peninsula；numerical simulation；strom surge；set-down

P731.23

A

1003-0239（2017）06-0057-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.007

2017-02-04；

2017-03-29。

國家重點研發(fā)計劃（2016FYC1402000）。

熊夢婕（1990-），女，助理工程師，碩士，從事河口海岸動力學及海岸災害數(shù)值模擬方面的研究。E-mail：mjxiong@nhri.cn