梁連松，張釗，顧冬明，張福星，韓小燕

（國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江溫州325013）

1 引言

溫州海域是我國受臺風風暴潮影響最頻繁且嚴重的地區(qū)之一[1]。1990——2018 年間，鰲江站實測高潮位共計有18 次達到警戒潮位，其中8 次達到紅色警戒潮位。在所有影響溫州海域的臺風中，尤以浙南閩北登陸的臺風對溫州影響最大，其中1808號臺風“瑪莉亞”較為典型，其引發(fā)的風暴潮導致溫州多個岸段達到紅色警戒級別潮位。因此研究分析1808 號臺風風暴潮增水特征，對于今后預測浙南閩北登陸型臺風對溫州海域的增水具有重要意義。

眾多研究表明，臺風移動路徑、中心氣壓、環(huán)流大小、最大風圈半徑和當?shù)爻辈畛蔽坏纫蛩囟紩︼L暴潮增水產(chǎn)生影響[2-6]。然而臺風移速對風暴增水影響的分析研究較少，這些研究中或未考慮臺風的不對稱性[7]，或多集中于北上型臺風的影響[1,8]，尚未有研究分析西行登陸浙南閩北型臺風移速的調(diào)整對溫州海域增水的影響。

本文基于有限元海洋模式（ADvanced CIRCulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC），利用實測水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以藤田臺風風場模型為驅(qū)動風場，構(gòu)建溫州海域精細化風暴潮數(shù)值模型，較好地模擬了1808 號臺風“瑪莉亞”的風暴潮過程。在驗證合理的基礎(chǔ)上，分析了1808 號臺風的移速特征；并通過改變臺風移速進行多個敏感性實驗，研究了臺風移速對于鰲江站的最大增水值、高位增水時長等增水特征值的影響，以及不同區(qū)段的移速調(diào)整在鰲江站增水過程中的作用。

2 水動力和風場模型

2.1 水動力模型

ADCIRC二維模型在球坐標系下海水的連續(xù)方程為[9]：

在球坐標系下海水原始動量方程為：

式（1）、（2）、（3）中：t為時間；λ、?和R分別代表經(jīng)度、緯度和地球半徑；U、V為深度平均的水平流速；ζ、H分別為從平均海平面算起的自由表面高度和海水水柱總水深；τsλ、τs?分別是海表應(yīng)力在經(jīng)向、緯向的分量；τbλ、τb?分別是海表摩擦力在經(jīng)向、緯向的分量；Dλ、D?是動量方程的水平擴散項；η是牛頓引潮勢；f是科氏參數(shù)；ρ0是海水密度；ps是海表氣壓。

初始時刻t= 0 時，ζ=u=v= 0；陸地邊界條件：法向速度為0。

開邊界條件：由M2、S2、K2、N2、K1、O1、P1、Q1共8個分潮驅(qū)動計算。

2.2 臺風風場模型

臺風氣壓場采用藤田氣壓分布式[10]：

式（4）中：P0為臺風中心氣壓，P∞取1 010 hPa，r是計算點到臺風中心距離。

Rmax為最大風速半徑：

相應(yīng)的梯度風和移行風場公式分別為：

式（6）和（7）中：f為科氏參數(shù)；ρ0為空氣密度；vx、vy分別是臺風移速的東分量、北分量，移速由臺風中心距離對時間的中心差分求得。

臺風合成風場計算公式為：

式（8）中：?是計算點與臺風中心連線與正東方向的夾角；β是梯度風與海面風的夾角，取10°～20°；c1、c2是訂正系數(shù)。

3 模型設(shè)置及驗證

3.1 模型設(shè)置

模型區(qū)域包括渤海、黃海、東海和南海北部，東至133°E，南到巴士海峽，在溫州海域進行局部加密。網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)98 401，網(wǎng)格點數(shù)51 756（見圖1）。計算時間為7 月7——12 日，時間步長取1 s。甌江、飛云江和鰲江海域分別采用2010年和2016年的高精度水下地形資料，浙南海域采用最新海圖，其余水深來自于ETOPO1 全球地形數(shù)據(jù)集。臺風路徑和中心氣壓來源于溫州臺風網(wǎng)（網(wǎng)址：http://www.wztf121.com）。

3.2 模型驗證

為驗證模型的準確性，取7 月11 日鰲江、瑞安、龍灣、江心、洞頭、石砰各站的高潮位作為對比。各站高潮位計算絕對誤差為3～19 cm，其中瑞安、洞頭站稍大，其余潮位站均不超過10 cm。瑞安站計算潮位警戒級別為黃色，稍低于實測的橙色級別，其余潮位站警戒級別均與實測相符。

圖1 模型網(wǎng)格

圖2 驗證站位及臺風路徑

限于篇幅，本文僅列出受影響最嚴重的石砰和鰲江兩站的結(jié)果。兩站站位及1808 號臺風路徑見圖2，兩站潮位和增水對比過程線見圖3 和圖4。石砰、鰲江兩站高潮位絕對誤差不超過12 cm，潮位過程的平均絕對誤差為21 cm，增水極值絕對誤差不超過18 cm，增水過程的平均絕對誤差為25 cm。由此可見計算結(jié)果與實測吻合較好，模型能夠較好地模擬該海域的風暴潮過程。

4 案例實驗

4.1 臺風過程分析

經(jīng)統(tǒng)計分析，1990——2018 年間造成鰲江站潮位超過藍色警戒潮位（385 cm，1985 國家高程）的臺風過程共計18 次，其中15 次過程為西北行路徑，其余為近海轉(zhuǎn)向或近海北上等（見圖5）。西北行路徑中浙南閩北登陸型占14次，同時所有達到紅色警戒潮位的臺風過程均為浙南閩北登陸的臺風。從圖5中可以看出，1808 號臺風“瑪莉亞”處于所有浙南閩北登陸型路徑的中部，較有代表性；且1808 號臺風期間溫州近岸各岸段出現(xiàn)160～240 cm 的風暴增水，平陽縣和蒼南縣岸段潮位均達到紅色警戒級別，鰲江站過程最大增水230 cm，高潮位增水198 cm。因此，無論從路徑類型還是影響程度上看，1808 號臺風“瑪莉亞”是影響鰲江站較為典型的臺風路徑。

圖3 石砰、鰲江潮位驗證（北京時，下同）

圖4 石砰、鰲江增水驗證

圖5 1990——2018年鰲江站潮位超警路徑

臺風移動速度：1808 號臺風“瑪莉亞”在124°～119°E 之間的臺風中心移速變化可以分為3 個階段（見圖6、7）。第一階段：124°～121.9°E 西北偏西加速段，即10 日21 時——11 日03 時從27 km/h 加速到45 km /h，繞過臺灣島北側(cè)。第二階段：121.9°～121.0°E 西行前段，即11 日03——05 時，臺風移速較大，介于40～50 km/h。第三階段：121.0°～119.9°E西行后段，即11 日05——09 時，臺風移速較小，介于20～38 km/h。

臺風移動方向：加速段移動方向大致為WNW，11 日03 時起轉(zhuǎn)為W 向；臺風中心維持在26.3°N，僅11日08時、09時北移0.1°。

臺風中心強度：臺風中心氣壓于加速段的10日23 時加強到945 hPa；10 日23 時——臺風登陸前的08時，中心氣壓均為945 hPa；臺風登陸后迅速減小。

4.2 案例設(shè)置

為了體現(xiàn)西行段移速變化對鰲江站增水的影響，同時最大程度地反映1808號臺風的實際增水過程，文中在1808號臺風的基礎(chǔ)上設(shè)計臺風。選取對溫州海域增水變化最大、最明顯的時段即臺風中心經(jīng)度位于121.9°～119.9°E 時（西行段）進行研究。設(shè)計臺風中心到達西行段后緯度于26.3°N 保持不變朝西移動，與實際路徑相比僅在11 日08 時、09 時南移0.1°；同時臺風中心在西行段氣壓保持945 hPa，與實際相比，僅11 日09 時稍有降低。設(shè)計臺風其余區(qū)段與1808號臺風一致（見圖7）。

圖6 臺風移速與臺風中心經(jīng)度關(guān)系以及各案例移速

圖7 1808號臺風“瑪莉亞”路徑和設(shè)計臺風路徑

表1 案例設(shè)置（單位：km/h）

在設(shè)計臺風的基礎(chǔ)上，設(shè)計勻速案例Y1——Y7，其臺風中心運行到西行段時勻速運行，移動速度為20～50 km/h不等。變速案例則按前段、后段設(shè)置移速，T1（含T1a、T1b）移速與1808 號臺風實際移速一致。T2（含T2a、T2b）前段以20 km/h 西行，后段與原移速一致。T3（含T3a、T3b）前段與原移速一致，后段以50 km/h西行。

Y1——Y7 案例計算風暴增水時分別采用合成風風場和梯度風風場驅(qū)動水動力模型，變速案例僅用合成風場驅(qū)動。為比較移速對于增水的影響，Y1——Y7、T1a——T3a 均不耦合天文潮。第5 部分中的增水指不耦合天文潮增水（T1a——T3a），潮位為耦合天文潮后的潮位（T1b——T3b）。具體方案見表1和圖6。

5 案例分析

5.1 勻速案例分析

5.1.1 移速與過程最大風速

圖8a 為Y1——Y7 案例鰲江站梯度風、移行風和合成風的過程最大風速。圖中可以看出，移速變化對于梯度風最大風速沒有影響，移行風和合成風的最大風速則隨著移速的增加而增加。由于梯度風風場為圓對稱風場，受中心氣壓和最大風速半徑等參數(shù)控制，與臺風移速無關(guān)。移行風和合成風則不同，當臺風移速從20 km/h 增加到50 km/h，臺風不對稱性變強，位于臺風右側(cè)的鰲江站移行風速和合成風速增大了2～3 m/s。

圖8 Y1——Y7過程對比

5.1.2 移速與過程最大增水

圖8b繪制了Y1——Y7下合成風場和梯度風場在鰲江站造成的過程最大增水。圖中可以看出移速變化對最大增水值有顯著影響。無論是梯度風場還是合成風場，最大增水值隨著臺風移速增加而變大。臺風移速從20 km/h增加到50 km/h，合成風和梯度風作用下的鰲江站最大增水值增幅分別為86 cm和30 cm。

梯度風風場作用下，鰲江站的最大風速始終保持在27.2 m/s，然而臺風移速為50 km/h 時鰲江站最大增水值較20 km/h有30 cm 的增幅，可見臺風移速增加本身就對于鰲江站的增水有促進作用。這與劉鳳樹等[7]指出的“當風暴移速小于長波速度時，風暴潮隨風暴移速的增加而增加”的結(jié)論一致。

由于合成風場考慮了移行風場的作用，臺風的不對稱性加劇了臺風路徑右側(cè)區(qū)域增水極值變大的程度，移速增加對合成風場最大增水值產(chǎn)生的增幅明顯強于梯度風場。合成風場驅(qū)動下鰲江站最大增水值較梯度風場上升約18～74 cm，占合成風場最大增水值的8%～25%。綜上，臺風不對稱性和高移速均對鰲江站的最大增水有明顯促進作用。

5.1.3 移速與高位增水時長

圖8c繪制了Y1——Y7下合成風場和梯度風場在鰲江站造成的增水達到90% 增水最大值以上時長（以下簡稱“高位增水時長”）。在梯度風風場作用下，臺風移速從20 km/h 增大到50 km/h 時，鰲江站高位增水時長由最初的3.8 h逐漸減小1.8 h；合成風場作用下則略有不同，30 km/h移速的高位時長反而大于25 km/h 移速的高位時長，但總體上移速加大不利于高位增水的維持。由此可見，臺風移速越慢，越有利于增水維持在極值附近的高位狀態(tài)；反之臺風移速過高導致風速變化過快，不利于增水在高位的維持。

5.2 變速案例分析

5.2.1 前段高移速對增水的助長

T1和T2處于西行前段的時間分別是11日03——05 時和03——08 時。T1 在前段的風速較T2 大2.0～4.0 m/s（見圖9a）。T1在前段以40～50 km/h的高速朝西運動，臺風風場的不對稱性較強，加大了臺風移動方向右側(cè)的風速。

圖9 T1——T3過程對比（7月11日）

前段高速西行有利于短時間內(nèi)鰲江站的增水快速升高，進而加大了整個過程的最大增水值。當臺風結(jié)束西行前段運行時，T1鰲江站增水達到258 cm（見圖9b），較T2高出60 cm。整個過程最大增水T1為259 cm，較T2高出43 cm。當考慮天文潮強迫后，T1最高潮位為464 cm（見圖9c），較T2高出51 cm。

5.2.2 后段移速與高位增水時長

T1和T3處于西行后段的時間分別是11日05——09 時和05——07 時。T1 案例臺風在后段的長期滯留（見圖9b），導致鰲江站增水居高不下，有利于潮位突破或維持各級警戒潮位。這也同樣反映在鰲江站各級警戒潮位時長上：T1 維持在紅、橙、黃、藍色警戒潮位以上時長分別是1 h 10 min、2 h 44 min、2 h 50 min、3 h 24 min，與T3 相比，僅紅色警戒潮位時間少12 min，其余橙色、黃色、藍色警戒潮位時間則多出54 min、32 min、42 min。

5.2.3 后段移速與高潮時的配合

從圖9b、9c中可以看出，T1增水在11日05——08時保持在228～259 cm，與此同時天文潮位迅速上升，鰲江站潮位于11 日06——07 時突破紅色警戒級別潮位450 cm。T1 案例220 cm 以上增水時長為4 h 4 min，較T3 長40 min。延長的時段位于11 日07——08 時，該時段與天文潮高潮時7 h 19 min 恰好碰頭，促使鰲江站在07——08時維持了紅色警戒級別潮位。T3 增水值在11 日05——08 時則處于快速下落階段，天文高潮位出現(xiàn)時其對應(yīng)增水小于190 cm，可見T3案例的增水與高潮位配合稍差。

6 結(jié)論

本文以1808號臺風風暴潮為例，采用藤田臺風風場，驅(qū)動ADCIRC 模型，建立了溫州海域風暴潮數(shù)值模型。在閩北海域登陸前，臺風風速經(jīng)歷了先高速后低速過程。文中基于該路徑設(shè)計了不同區(qū)段、不同移速下的敏感性實驗方案。同時以鰲江站為例，分析了臺風移速與最大增水、最大風速和高位增水時長的關(guān)系，探討了臺風移速調(diào)整對于增水的影響。結(jié)論如下：

（1）西行前段（121.9°～121.0°E）的高移速有利于鰲江站增水快速增大，后段（121.0°～119.9°E）的低速西行有利于增水長時間居高不下，從而與天文潮高潮位碰頭，二者互相配合導致鰲江站突破紅色警戒潮位。

（2）臺風移速處于20～50 km/h 時，臺風移速越快，鰲江站的最大風速和最大增水值越大，增水維持高位時間越短。

（3）臺風的高移速加劇了臺風不對稱性。考慮臺風移行風場后，鰲江站最大增水值增加了8%～25%。