金 秋，周宏杰，陳永平

（1.浙江省寧波市水文站，浙江 寧波 315020；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

1 問題的提出

寧波市位于東海之濱，大陸海岸帶中段，是一個水、旱、臺風、大潮多種災害頻繁交錯發(fā)生的地區(qū)，其中風暴潮作為最嚴重的災害之一，每年給寧波市沿海帶來巨大的經(jīng)濟損失。以“9711”臺風暴潮為例，在強風、低壓和天文大潮的共同作用下，寧波市各潮位站均出現(xiàn)有記錄以來的最高潮位，造成大批海塘決口，海水倒灌嚴重，直接經(jīng)濟損失數(shù)十億元。此外，臺風期間所帶來的強降水使江河水位猛漲，由于寧波特殊的地理形勢，下游受風暴潮的頂托，泄洪不暢，造成平原地區(qū)洪澇嚴重，水位居高不下，個別區(qū)域出現(xiàn)長時間受淹，給城市安全帶來巨大隱患。

寧波市水文站自20世紀80年代開始相繼采用回歸分析、回歸分析與經(jīng)驗相結(jié)合的方法開展潮位預報，而這些方法只能提供最高潮位值，不能得出各個時段的潮位，難以滿足風暴潮災害預警及城市防洪排澇科學調(diào)度對潮位預報提出的新需求[1]。本文通過對寧波市沿海地區(qū)風暴潮數(shù)值預報的研究，能及時、準確預報各個時段的潮位，為沿海城市防御臺風、防洪排澇方案的確定提供準確依據(jù)，從而顯著降低臺風災害所造成的人員和財產(chǎn)損失。

2 臺風風場的確立

沿海風暴潮數(shù)值計算主要是在給定的臺風風場和氣壓場強迫力的作用下、在適當?shù)倪吔鐥l件和初始條件下用數(shù)值求解風暴潮全流方程組，從而得出風暴潮位和風暴潮流的時空分布[2]。因此，首先需要確定臺風風場。

對影響寧波的歷史臺風數(shù)據(jù)進行整理分析，優(yōu)選出更加適合于寧波海域的臺風風場經(jīng)驗模型。針對臺風預報誤差的不確定性，采用超級集合方法，即將每個氣象預報中心的預報結(jié)果作為一種模式，并將臺風季節(jié)按先后順序分為訓練期和預報期。在訓練期，通過對訓練樣本中各氣象中心數(shù)值預報結(jié)果的誤差進行分析，以此確定參與各個預報臺站的權重系數(shù)；在預報期，使用上述權重系數(shù)將各個模式預報結(jié)果進行加權平均，獲得臺風的集合預報路徑[3-4]。通過動態(tài)訓練確定各個臺站的加權因子，得出臺風集合路徑和最大風速的預報成果，為風暴潮預報模型提供更為準確的風場條件。

（1）訓練期。為了使訓練期預報誤差越小的臺站在多模式集合預報中所占權重越大，權重系數(shù)取為訓練期內(nèi)各臺站預報值平均誤差的倒數(shù)：

（2）預報期。在預報期，集合化預報的臺風路徑FA，F(xiàn)i為第i個臺站的預報值：

3 增水預報模型

3.1 模型的范圍

臺風暴潮模型既要反映臺風的大尺度、大范圍運移的特性，又需關注寧波海域局部微地形的影響。因此，本研究采用多級嵌套網(wǎng)格離散，基于有限差分法進行數(shù)值計算。其計算范圍為南北間距17個緯距，東西橫跨14個經(jīng)距。大范圍覆蓋范圍：117° ～ 131°E，23.5° ～ 41°6′N，網(wǎng)格尺寸為 6′；近岸二級網(wǎng)格覆蓋范圍：117° ～ 123°40′E，23.4° ～41°6′ N，二級網(wǎng)格尺寸為 2′；三級網(wǎng)格覆蓋區(qū)域：121°12′ ～123°E，28°54 ～ 30°19′N，三級網(wǎng)格尺寸為 0.666 6′，約 400 m（見圖1）。各級網(wǎng)格的空間比為1∶3，大小網(wǎng)格間采用“小網(wǎng)格的水位提供給大網(wǎng)格，大網(wǎng)格的流量提供給小網(wǎng)格”的嵌套方法，使計算能夠在整個計算域的三級網(wǎng)格順序推進，且模型采用“干濕法”進行動邊界處理。

圖1 寧波風暴潮增水模型多級嵌套網(wǎng)格計算域圖

3.2 模型的建立

在近海水域的水深一般較淺，無論是外海潮波在河口區(qū)誘發(fā)的諧振動，還是在臺風強勁風力作用下所產(chǎn)生的水體大范圍輸移，都可以近似假定為上下層均勻一致，因此模型采用沿深積分（或平均）的二維模式[5]。

完整的沿深積分二維全流型基本方程：

3.3 模型的初始和邊界條件

在岸邊界上，取法向全流為零，即M = N = 0。

在水邊界上，取靜壓水位。由于計算域足夠大，不會發(fā)生因臺風移速等于長波波速出現(xiàn)的共振現(xiàn)象。

3.4 模型的驗證

寧波市沿海潮位站多位于地形復雜的岸邊和河口地區(qū)[6]，潮波變形顯著，潮汐變化復雜，選用306個自動分潮方法對沿?；A資料較好的11個站點（見表1）對進行天文潮的預報[7]。風暴潮增水模型疊加天文潮可以實現(xiàn)潮位站點在風暴期間的綜合水位和增水預報。寧波沿海潮位站點示意見圖2。

選取近20年來對寧波影響較大的10場臺風，即“9711溫妮”“0608桑美”“0716羅莎”“0908莫拉克”“1211?？薄?323菲特”“1416鳳凰”“1419黃蜂”“1509燦鴻”“1521杜鵑”作為歷史重要臺風，根據(jù)實測資料對模型進行率定和驗證[8]。

圖2 寧波沿海潮位站點示意圖

表1 寧波市歷史重要臺風期各站風暴高潮位預報合格次數(shù)表

從表1中可以得出，合格次數(shù)為320，總次數(shù)為419，合格率為76.0%。此研究所建立的風暴潮模型可以對寧波市沿海臺風期間的最高潮位進行準確后報，其后報合格率達到76.0%，滿足潮位預報的技術要求。

4 預報結(jié)果驗證

通過2016 — 2017年對寧波市有影響的5場臺風，即“1601尼伯特”“1614莫蘭蒂”“1616馬勒卡”“1617鲇魚”“1718泰利”，進行實時預報，再根據(jù)實測資料對增水模型進行后報精度檢驗。圖3 ～ 7為鎮(zhèn)海站在5場臺風的綜合水位和增水過程模型計算與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果圖。2016 — 2017年各站風暴高潮位后報合格次數(shù)見表2。

圖3 “1601尼伯特”臺風預報水位和增水過程后報結(jié)果圖

圖4 “1614莫蘭蒂”臺風預報水位和增水過程后報結(jié)果圖

圖5 “1616馬勒卡”臺風預報水位和增水過程后報結(jié)果圖

圖6 “1617鲇魚”臺風預報水位和增水過程后報結(jié)果圖

表2 2016—2017年各站風暴高潮位后報合格次數(shù)表

從表2統(tǒng)計的5場臺風風暴潮高潮位預報合格次數(shù)可以得出，合格次數(shù)為140，總次數(shù)為183，合格率為76.5%。此研究所建立的風暴潮模型可以對寧波市沿海2016 — 2017年臺風期間的最高潮位進行準確后報，其合格率達到76.5%，滿足預報精度的要求。

5 結(jié) 語

（1）用超級集合方法，通過動態(tài)訓練確定各個臺站的加權因子，得出臺風集合路徑和最大風速的預報成果。結(jié)合優(yōu)選的臺風風場模型，為風暴潮預報模型提供更為準確的風場條件，為今后臺風風暴潮預報實踐中，臺風路徑的選取提供重要參考。

（2）建立適合寧波市海域的三級嵌套網(wǎng)格，各級網(wǎng)格的空間比為1∶3，大小網(wǎng)格間采用“小網(wǎng)格的水位提供給大網(wǎng)格，大網(wǎng)格的流量提供給小網(wǎng)格”的嵌套方法，使計算在整個計算域的三級網(wǎng)格順序推進。

（3）研究首次建立適合寧波地區(qū)的精細化臺風風暴潮數(shù)值模型，使寧波市沿海各潮位站點有了逐時的潮位預報，且滿足臺風風暴潮預報精度的要求，為沿海潮位預警和市區(qū)內(nèi)澇排水提供精準預報，減少洪澇災害。

模型只計算增水預報，最終各潮位站潮位預報值需要疊加于基礎天文潮數(shù)值，因此需要對天文潮進行高精度的制作，否則應用受限；其次，模型只預報測站的潮位數(shù)值，但寧波海岸線漫長，而潮位站點的建設有限，對于沒有站點區(qū)域的海塘段不適用。