張露，傅賜福，董劍希,2，于福江,2

( 1. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2. 國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 引言

我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)海洋災(zāi)害十分嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其以風(fēng)暴潮災(zāi)害為主，約占總災(zāi)害損失的90%以上，風(fēng)暴潮不僅會(huì)對(duì)碼頭、港口和堤岸造成破壞，還會(huì)在洪水沖毀堤壩后，漫灘淹沒(méi)和損壞沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)田和房屋[1]。21世紀(jì)以來(lái)，每年因風(fēng)暴潮所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，都高達(dá)人民幣數(shù)百億元，我國(guó)沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害影響出現(xiàn)日益嚴(yán)重的趨勢(shì)[2–3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)暴潮漫灘進(jìn)行數(shù)值模擬模型的網(wǎng)格分辨率，最高可達(dá)到50 m左右。鄭國(guó)誕等[4]利用MIKE21FM模塊建立了適用于臺(tái)州溫嶺市的高分辨率風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式，臺(tái)州近海及陸上網(wǎng)格邊長(zhǎng)約50 m。傅賜福等[5]利用ADCIRC模型建立了一套非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，適用于濱海新區(qū)的高分辨率風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式，陸地區(qū)域分辨率達(dá)到50～80 m，對(duì)兩次典型的溫帶風(fēng)暴潮進(jìn)行模擬。李勇等[6]對(duì)渤海灣西部風(fēng)暴潮漫灘進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算區(qū)域覆蓋了整個(gè)東海海域，對(duì)普陀海域進(jìn)行重點(diǎn)加密，其分辨率為30～200 m。Yang等[7]利用臺(tái)風(fēng)“天鴿”（2017年）和臺(tái)風(fēng)“山竹”（2018年）臺(tái)風(fēng)對(duì)澳門(mén)的淹沒(méi)圖，結(jié)合實(shí)測(cè)氣象和波浪資料驗(yàn)證了一套完整的模擬臺(tái)風(fēng)期間潮波場(chǎng)耦合的數(shù)值模型，網(wǎng)格最高分辨率為20～100 m。

國(guó)內(nèi)尚未有在地形復(fù)雜、街區(qū)密集情況下，基于街區(qū)尺度5～10 m分辨率的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模擬。但是隨著城市建設(shè)步伐的加快，建筑建設(shè)鱗次櫛比，街巷阡陌縱橫緊密，在近岸和復(fù)雜的海岸地形區(qū)域中使用高分辨率網(wǎng)格，對(duì)于精細(xì)化的模擬和預(yù)報(bào)風(fēng)暴潮漫灘都十分必要。這將是未來(lái)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)精細(xì)化的趨勢(shì)，對(duì)于制定城市的防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略和完善風(fēng)暴潮預(yù)警機(jī)制有著重要意義。

本文將利用ADCIRC模型，依據(jù)寧波市北侖區(qū)街區(qū)尺度的高分辨率高程數(shù)據(jù)，建立街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型，北侖區(qū)陸地分辨率達(dá)到5～10 m。利用1211號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？焙?612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”對(duì)街區(qū)尺度風(fēng)暴潮模型進(jìn)行風(fēng)暴潮模擬驗(yàn)證。以5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”為例，在北侖區(qū)開(kāi)展基于街區(qū)尺度5～10 m分辨率的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模擬，并考慮下墊面底摩擦的變化對(duì)風(fēng)暴潮漫灘的影響。

2 街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型的建立

2.1 ADCIRC模型介紹和參數(shù)設(shè)置

本文風(fēng)暴潮模擬采用的是ADCIRC二維模型。其在球坐標(biāo)系下通過(guò)基于垂直平均的原始連續(xù)方程和海水動(dòng)量方程來(lái)求解自由表面起伏、二維流速等3個(gè)變量，即 ζ ,u,v。在球坐標(biāo)系下海水的連續(xù)方程和海水原始動(dòng)量方程為

式中，λ和φ為經(jīng)度和緯度；ζ為從平均海平面起算的自由表面高度；H為海水水柱的總水深；U和V為深度平均的海水水平流速；R為地球的半徑；η為牛頓引潮勢(shì)；g為重力加速度；f為科氏參數(shù)；Ps為海水自由表面的大氣壓強(qiáng)；ρ0為海水密度；Dλ，Dφ為動(dòng)量方程的水平擴(kuò)散項(xiàng)；τbλ,τbφ為海底摩擦力分量；τsλ,τsφ海表面應(yīng)力分量。

初始條件為： ζ =u=v=0；海岸邊界條件為：Vn=0這里Vn為 岸邊界的法向深度平均流速。在求解所需物理變量的過(guò)程中，空間采用有限元法離散，時(shí)間采用有限差分法，將連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程通過(guò)引入了一個(gè)時(shí)空加權(quán)參數(shù)進(jìn)行結(jié)合求解[8–9]，提高了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。參數(shù)設(shè)置采用冷啟動(dòng)、球坐標(biāo)、二維模式、混合底摩擦形式、考慮有限振幅項(xiàng)并采用干濕法、科氏參數(shù)基于β平面近似、考慮潮汐、時(shí)間步長(zhǎng)為 0.02 s，滿(mǎn)足計(jì)算穩(wěn)定和收斂要求。由 K1、O1、P1Q1、N2、M2、S2、K2等 8 個(gè)分潮驅(qū)動(dòng)計(jì)算。

2.1.1 氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)模型

本文選用的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型為Holland（1980）[10]臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)分布公式為

式中，P(r,θ)為徑向距離r和方位角 θ的函數(shù)，是距臺(tái)風(fēng)中心r的海表面氣壓值；Rmax是臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；臺(tái)風(fēng)中心氣壓為Pc；臺(tái)風(fēng)以外不受干擾的背景氣壓為Pn，設(shè)為 1 012 hPa。

風(fēng)應(yīng)力在ADCIRC中的表達(dá)式為

式中，ρa(bǔ)為空氣密度；Cd為拖曳系數(shù)采用Garratt[11]公式

若Cd超過(guò)了0.003，則Cd=0.003。式（5）中第1個(gè)是代表海面上10 m處風(fēng)速，第2個(gè)是海面上10 m處風(fēng)速的大小。

2.1.2 底摩擦設(shè)置

底摩擦的混合形式與二次形式表達(dá)式相同，均為

Cf作為底摩擦系數(shù)是變化的?；旌闲问綖?/p>

式中，Cfmin和Hbreak都是常數(shù)；λ和θ也是常數(shù)，λ =1/3，θ=10，因此Cf只隨總水深H的變化而變化。二次形式為

式中，g為重力加速度；n為曼寧系數(shù)；H0為臨界水深，即H0=Hbreak；λ=1/3。

2.1.3 干濕網(wǎng)格處理

風(fēng)暴潮漫灘采用干濕網(wǎng)格法進(jìn)行計(jì)算。此算法在連續(xù)方程之后和動(dòng)量方程之前進(jìn)行計(jì)算，位于一次時(shí)間步長(zhǎng)的中間部分。

首先，在模式中設(shè)定一個(gè)為較小正數(shù)的最小水深Hmin，計(jì)算范圍中總水深大于Hmin的某個(gè)格點(diǎn)，模式將該點(diǎn)判斷為濕點(diǎn)。第二，當(dāng)干點(diǎn)變?yōu)闈顸c(diǎn)后，底摩擦力和水位梯度相平衡產(chǎn)生定態(tài)速度U，模式要求設(shè)定的參數(shù)Umin（濕點(diǎn)最小速度）需小于它，為了約束鄰近格點(diǎn)的水位，設(shè)定Umin的值。

2.1.4 風(fēng)暴潮漫灘溢流的計(jì)算

水位高度超過(guò)堤壩的頂部時(shí)，水流將流過(guò)堤壩。單位時(shí)間內(nèi)的流量表達(dá)式為

流量系數(shù)Cd的表達(dá)式為

式中，v1為前進(jìn)流速；g為重力加速度；h1為高于堰頂?shù)乃桓叨取?/p>

2.2 街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型

寧波市北侖區(qū)地處浙江最東岸，受風(fēng)暴潮和海浪等海洋災(zāi)害影響較大。在歷史上受到臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害影響次數(shù)較多，臺(tái)風(fēng)路徑也有詳細(xì)歷史資料，并且在北侖區(qū)有高分辨率的高程數(shù)據(jù)支撐，因此我們選取北侖區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。

2.2.1 岸線、水深以及高程數(shù)據(jù)

采用的岸線數(shù)據(jù)為1997–2001年經(jīng)國(guó)家測(cè)繪局海岸線資料訂正后，比例尺為1∶250 000的海岸線數(shù)據(jù)。寧波市北侖區(qū)以外的水深數(shù)據(jù)是通過(guò)范圍5°S～52°N，99°～157°E 之間，分辨率為 2′×2′的水深數(shù)據(jù)，插值得到的。北侖區(qū)近海以及甬江口的水深數(shù)據(jù)采用海圖及實(shí)測(cè)水深。本文使用的北侖地區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)空間分辨率為5 m，比例尺為1∶10 000，這對(duì)于高分辨率的風(fēng)暴潮漫灘模擬提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取范圍為29.891°～ 29.962°N，121.811°～121.905°E，如圖1所示。

圖1 所選區(qū)域Fig. 1 Selected area

在選取的區(qū)域中，低層建筑多為二層樓房，高程高于5 m的不做處理，低于5 m的高程統(tǒng)一賦值為5 m。高層建筑物所在地高程高于10 m的不做處理，低于10 m的高程統(tǒng)一賦值為10 m。對(duì)高層和低層建筑進(jìn)行劃分如圖2左圖所示，右圖為處理后的效果。

圖2 高低層建筑的劃分示意圖Fig. 2 Division diagram of high and low buildings

2.2.2 網(wǎng)格的建立

本文所選區(qū)域選用SMS v8.1生成街區(qū)尺度非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格?？紤]到為了較好地模擬大洋潮波、風(fēng)暴潮的傳播過(guò)程，減小開(kāi)邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，選取的計(jì)算范圍包括東海、黃海和南海部分海域，經(jīng)緯度為 20°～34°N 和 115°～131°E。所選的北侖區(qū)街區(qū)分布密集，城市建筑錯(cuò)綜復(fù)雜，為達(dá)到街區(qū)尺度的分辨率，將北侖區(qū)網(wǎng)格分辨率設(shè)置為5～10 m，沿岸分辨率逐漸向外海增大，能夠滿(mǎn)足對(duì)重點(diǎn)地物的刻畫(huà)。整套街區(qū)尺度網(wǎng)格包括978 783個(gè)三角形網(wǎng)格，共計(jì)502 063個(gè)節(jié)點(diǎn)，北侖區(qū)陸地占據(jù)了668 162個(gè)三角形網(wǎng)格?？紤]到所選臺(tái)風(fēng)以及漫灘模擬的要求，不考慮堤壩。

圖3為所選網(wǎng)格區(qū)域、北侖區(qū)附近海域以及北侖區(qū)局部放大的陸地網(wǎng)格示意圖。由于陸地網(wǎng)格分辨率過(guò)高，為了滿(mǎn)足CFL條件，時(shí)間步長(zhǎng)定為0.02 s，但是這樣使計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此將部分陸地高低層建筑的邊界設(shè)置為固體邊界，即圖3中北侖區(qū)陸地網(wǎng)格的空白區(qū)域，減少網(wǎng)格數(shù)量以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。

圖3 大洋所選網(wǎng)格區(qū)域（a）、北侖區(qū)附近海域（b）以及北侖區(qū)局部放大的陸地網(wǎng)格（c）Fig. 3 The selected grid of ocean (a),the sea area near the Beilun District (b),and the land grid magnified locally in the Beilun District (c)

圖4展示了所選區(qū)域、北侖區(qū)附近海域水深分布。圖5為北侖區(qū)高程圖，采用分辨率為5 m的北侖區(qū)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，能進(jìn)一步細(xì)致刻畫(huà)北侖區(qū)的城市建筑和街區(qū)分布，清晰的分辨高低層建筑。

圖4 大洋（a）和北侖區(qū)附近海域（b）水深分布Fig. 4 The distribution of water depth in the ocean (a) and nearby seas of Beilun District (b)

圖5 陸地高程插值圖Fig. 5 Interpolation map of land elevation

3 街區(qū)尺度風(fēng)暴潮模擬驗(yàn)證

3.1 1211號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？憋L(fēng)暴潮過(guò)程驗(yàn)證

1211號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“?？庇?012年8月3日在西北太平洋上生成，5日17時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，6日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，8日凌晨03時(shí)20分在浙江省象山縣鶴浦鎮(zhèn)登陸，登陸時(shí)中心氣壓為965 hPa，近中心風(fēng)力為14級(jí)。8日16時(shí)在浙江省杭州市境內(nèi)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。分別選取鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和定海4個(gè)驗(yàn)潮站。臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)資料來(lái)自臺(tái)風(fēng)年鑒，臺(tái)風(fēng)路徑和驗(yàn)潮站分布如圖6所示。

圖6 1211號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？甭窂剑╝）和驗(yàn)潮站分布（b）Fig. 6 Track of No. 1211 Typhoon Haikui (a) and distribution of tide gauge stations (b)

采用臺(tái)風(fēng)與天文潮的非線性耦合，模擬1211號(hào)臺(tái)風(fēng)“?？憋L(fēng)暴潮過(guò)程。選取時(shí)間8月6日0時(shí)至8月8日20時(shí)，將4個(gè)驗(yàn)潮站風(fēng)暴增水的實(shí)測(cè)值（藍(lán)色散點(diǎn)）與模擬值（紅色曲線）對(duì)比（圖7）。表1為4個(gè)驗(yàn)潮站最大增水模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差分析。

圖7 鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和定海站風(fēng)暴潮實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比Fig. 7 Comparison of measured and simulated storm surge values at Zhenhai,Wusong,Zhapu and Dinghai stations

表1 4個(gè)驗(yàn)潮站最大增水實(shí)測(cè)值和模擬值相對(duì)誤差分析統(tǒng)計(jì)（單位：m）Table 1 Statistical table of relative error analysis of the measured and simulated values of the maximum water increasing at 4 tide gauge stations (unit: m)

由圖7可以看出，4個(gè)測(cè)站的增水趨勢(shì)大體一致，對(duì)比最大增水的發(fā)生時(shí)刻，鎮(zhèn)海站模擬與實(shí)測(cè)值的最大增水發(fā)生時(shí)刻基本一致，定海站模擬的最大增水推后1 h，乍浦站模擬值的最大增水時(shí)刻提前6 h，吳淞站提前7 h。結(jié)合表1來(lái)看，鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和定海4個(gè)驗(yàn)潮站的相對(duì)誤差都較小，說(shuō)明模型較好地重現(xiàn)了此次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的發(fā)生過(guò)程。

3.2 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”風(fēng)暴潮過(guò)程驗(yàn)證

1956年5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”生成于菲律賓以東洋面，7月28日02時(shí)達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，30日14時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)（臺(tái)風(fēng)中心氣壓905 hPa，近中心最大風(fēng)速90 m/s）。8月1日由石垣島和沖繩之間進(jìn)入東海，8月2日00時(shí)登陸浙江象山，臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)力達(dá)到16級(jí)，登陸時(shí)中心氣壓達(dá)到923 hPa，登陸后繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，8月5日消失于陜西境內(nèi)。選取鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和高橋4個(gè)驗(yàn)潮站，驗(yàn)潮站都位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)。臺(tái)風(fēng)路徑和驗(yàn)潮站分布如圖8所示。

圖8 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”路徑（a）和驗(yàn)潮站位置分布（b）Fig. 8 Track of No. 5612 Typhoon Wanda (a) and location distribution of tide gauge stations (b)

采用臺(tái)風(fēng)與天文潮的非線性耦合，模擬5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”風(fēng)暴潮過(guò)程（圖9）。將4個(gè)驗(yàn)潮站的最大增水實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行相對(duì)誤差分析，如表2所示。從圖9和表2可以看出，各驗(yàn)潮站增水變化趨勢(shì)基本一致，增水峰值時(shí)間基本同步。最大增水時(shí)間對(duì)比，鎮(zhèn)海站提前2.5 h，乍浦站提前0.67 h，吳淞站推后1.75 h，高橋站推后1.17 h。結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑分析，鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和高橋站位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)，離臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)位置較近，模擬值偏大一點(diǎn)，相對(duì)誤差分別為9.13%、12.96%、5.6%和5.44%，平均誤差為8.28%，模擬效果較好?？傮w來(lái)說(shuō)，街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型能較準(zhǔn)確模擬5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”風(fēng)暴潮情況。

圖9 鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和高橋站風(fēng)暴潮實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig. 9 Comparison of measured and simulated storm surge values at Zhenhai,Wusong,Zhapu and Gaoqiao stations

表2 4個(gè)驗(yàn)潮站最大增水實(shí)測(cè)值與模擬值相對(duì)誤差分析統(tǒng)計(jì)表（單位：m）Table 2 Statistical table of relative error analysis between the measured and simulated values of the maximum water increasing at 4 tide gauge stations (unit: m)

4 街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模擬

5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”登陸強(qiáng)度大，深入內(nèi)陸深，浙江遭受臺(tái)風(fēng)損失最為嚴(yán)重。全省共有75個(gè)縣（市）和不同程度受災(zāi)作物735萬(wàn)畝。此次風(fēng)暴潮過(guò)程破壞了85萬(wàn)間房屋，超過(guò)4 900人被砸死、淹沒(méi)或者觸電身亡，超過(guò)15 000人受傷[12]。產(chǎn)生的嚴(yán)重風(fēng)暴潮災(zāi)害影響是近幾十年來(lái)罕見(jiàn)的，因此選取5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”進(jìn)行漫灘數(shù)值模擬。

4.1 徑流的設(shè)置

甬江位于浙江東部，4 518 km2的流域面積，橫貫寧波市區(qū)，在寧波市區(qū)東北部由奉化江、姚江兩條江匯合后入海，中下游主要為平原河流。由于姚江下游建成姚江大閘，如圖10所示，本文選取了澄浪堰和姚江大閘所處位置為姚江和奉化江集中入流的徑流邊界。

圖10 甬江澄浪堰和姚江大閘徑流邊界位置分布Fig. 10 Runoff boundary location distribution of Chenglang Weir on Yongjiang River and Yaojiang Gate

根據(jù)李文杰和邵學(xué)強(qiáng)[13]關(guān)于甬江徑流流量的資料整理，采用1983?2003年21年間年均尺度徑流流量作為姚江大閘和澄浪堰邊界的徑流輸入數(shù)據(jù)。澄浪堰和姚江大閘的年均流量分別為16.475×108m3和12.321×108m3，本文選用這兩個(gè)數(shù)據(jù)作為徑流邊界流量，并把徑流流量當(dāng)作為常數(shù)。

4.2 總潮位數(shù)值模擬

利用已建立的街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型模擬5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”影響下，北侖區(qū)附近驗(yàn)潮站總潮位的情況，并以此來(lái)驗(yàn)證5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”過(guò)程中，所建立的街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型對(duì)北侖區(qū)風(fēng)暴潮漫灘模擬的準(zhǔn)確性。

將鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和高橋4個(gè)驗(yàn)潮站總潮位實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比（圖11）。由圖11可以看出，對(duì)于各站總潮位的模擬，趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大體一致，最高潮位時(shí)間稍有偏差。將鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦、高橋4個(gè)驗(yàn)潮站模擬的最高潮位和實(shí)測(cè)最高潮位進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各站絕對(duì)誤差為0.03 m、0.34 m、0.79 m、0.36 m，各站相對(duì)誤差為1.6%、14.5%、17.97%、15.28%。從模擬結(jié)果以及誤差分析看，鎮(zhèn)海站模擬的誤差較小，吳淞、乍浦和高橋的誤差稍大，是由于吳淞、乍浦和高橋3個(gè)站位于臺(tái)風(fēng)的右側(cè)，模擬的最高潮位相對(duì)于實(shí)測(cè)值偏大一點(diǎn)。因此從總潮位的趨勢(shì)看，建立的街區(qū)尺度模型可以較好地模擬北侖區(qū)的最高潮位。

圖11 鎮(zhèn)海、吳淞、乍浦和高橋站總潮位實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig. 11 Comparison of measured and simulated total tide level at Zhenhai,Wusong,Zhapu and Gaoqiao stations

4.3 漫灘數(shù)值模擬

在5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”影響期間，浙江沿海產(chǎn)生特大海潮，象山縣的最高潮位為4.7 m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，浙江、上海、安徽和河南省共影響作物6 946萬(wàn)畝，摧毀220萬(wàn)戶(hù)房屋。但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有對(duì)漫灘淹沒(méi)范圍和水深進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，缺乏當(dāng)年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比。所以在風(fēng)暴增水和總潮位模擬較好的效果下，認(rèn)為此漫灘模擬結(jié)果有一定合理性。

在不考慮海堤的情況下，利用已建立的街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型對(duì)5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”作用下北侖區(qū)的漫灘情況進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖12所示。

圖12 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”漫灘模擬的最大淹沒(méi)范圍Fig. 12 Maximum inundation area simulated by No. 5612 Typhoon Wanda

從圖12中可以看出，在5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”作用下，北侖區(qū)選定區(qū)域漫灘面積約為628.9 km2，淹沒(méi)了近岸大部分區(qū)域，淹沒(méi)水深大部分在0.1～0.4 m，最大水深在2.0 m左右。水流繞過(guò)高低層建筑，淹沒(méi)了建筑周?chē)慕值?，更加清晰地看到淹沒(méi)區(qū)域的具體情形。在邊界處淹沒(méi)水深較大，是因?yàn)榇颂帪殛懙剡吔纾瑥亩鴮?dǎo)致水流在這附近區(qū)域堆積。在街區(qū)尺度網(wǎng)格下，可以直觀清晰地看到水勢(shì)漫延趨勢(shì)，以及在高低層建筑物的阻擋下水勢(shì)的走向，體現(xiàn)出街區(qū)尺度網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)。

為了更直觀地體現(xiàn)5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”漫灘過(guò)程對(duì)北侖區(qū)街區(qū)和建筑的淹沒(méi)情況，利用GIS三維可視化工具，在數(shù)字地面模型基礎(chǔ)上疊加高分辨率遙感影像制作了此次漫灘過(guò)程的三維立體圖。選取時(shí)間是8月1日14時(shí)至8月2日10時(shí)，時(shí)間間隔為4 h。從圖13可以看出此次漫灘過(guò)程水深逐漸加深和降低的細(xì)致變化，對(duì)北侖區(qū)沿海街道和建筑的淹沒(méi)比以往的漫灘模擬更加精細(xì)?？梢钥闯鏊髟诮謪^(qū)和建筑錯(cuò)綜復(fù)雜分布時(shí)的流動(dòng)情況，以及不同建筑物附近水深的變化情況，體現(xiàn)了街區(qū)尺度漫灘模擬的顯著特點(diǎn)。

圖13 5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”漫灘過(guò)程三維圖Fig. 13 Three-dimensional diagram of the inundation process of No. 5612 Typhoon Wanda

5 下墊面底摩擦變化對(duì)風(fēng)暴潮漫灘的影響

不同下墊面具有不同的底摩擦系數(shù)，在海水的流動(dòng)過(guò)程中影響著海水的流速和流向，這都直接影響漫灘模擬的結(jié)果[14–16]。

將下墊面的不同地物分類(lèi)，修改控制方程中底摩擦系數(shù)的表達(dá)形式。此次采用二次形式的底摩擦，將下墊面底摩擦的變化考慮在ADCIRC模型中，底摩擦項(xiàng)為

式中，g為重力加速度；n為曼寧系數(shù)；H0為臨界水深，即H0=Hbreak。

利用北侖區(qū)遙感圖像對(duì)北侖區(qū)地物進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)美國(guó)NLCD數(shù)據(jù)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，我們選取21、22、23、31、43、51、83等 7類(lèi)地物，不同地物的曼寧系數(shù)

如表3所示。即高、低密度居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、裸露的巖石和沙地、四季常青和隨季節(jié)變化的兩種森林的混合、灌木叢和農(nóng)作物稀少地，圖14為所選區(qū)域曼寧系數(shù)n的分布示意圖。

圖14 北侖區(qū)曼寧系數(shù)n示意圖Fig. 14 Schematic diagram of Manning-n in the Beilun District

表3 7類(lèi)地物的曼寧系數(shù)（n）設(shè)置Table 3 Manning-n settings for seven types of features

在考慮下墊面底摩擦變化的條件下，模擬北侖區(qū)在5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”作用下最大水深淹沒(méi)范圍，如圖15所示。淹沒(méi)面積達(dá)到494.37 km2，對(duì)比未考慮下墊面底摩擦情況的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，淹沒(méi)面積減少了21.4%。沿岸大部分區(qū)域，最大淹沒(méi)水深在0.2 m左右，部分區(qū)域達(dá)到0.5 m，沿岸淹沒(méi)較深的局部區(qū)域可以達(dá)到1 m以上。

圖15 考慮下墊面底摩擦變化后，北侖區(qū)最大淹沒(méi)范圍Fig. 15 The maximum submerged area of Beilun District after considering the change of the underlying surface friction

圖16為對(duì)比了考慮下墊面底摩擦變化前后，北侖區(qū)淹沒(méi)水深的變化，即考慮下墊面變化后的最大淹沒(méi)水深減去未考慮下墊面變化時(shí)模擬的最大淹沒(méi)水深的差值。可以看出在考慮下墊面底摩擦變化之后，大部分區(qū)域水深降低0.1～0.2 m。其中大部分水深降低區(qū)域集中在沿岸的低密度居民區(qū)，降低0.1 m左右。在農(nóng)作物、商業(yè)區(qū)局部區(qū)域，水深降低了0.5 m左右。其中水深降低最大的區(qū)域是在北侖區(qū)內(nèi)的兩條河流兩側(cè)。因此可以看出，在考慮下墊面的底摩擦變化之后，其對(duì)最大淹沒(méi)水深有降低作用，在不同的區(qū)域水深降低程度不同。

圖16 考慮下墊面底摩擦變化前后，北侖區(qū)最大淹沒(méi)水深差值Fig. 16 Maximum submerged depth difference in the Beilun District before and after considering the underlying surface friction

圖17為對(duì)比考慮底摩擦前后，漫灘面積的變化。藍(lán)色為面積減少區(qū)域，約減少138.76 km2，該區(qū)域多為低密度居民區(qū)。紅色為面積增加區(qū)域，約增加15.61 km2，該區(qū)域?yàn)閹r石區(qū)和低密度居民區(qū)?？傮w而言，淹沒(méi)面積減少。極小的面積增加區(qū)域可能是由于在考慮下墊面底摩擦變化之后，街區(qū)細(xì)致刻畫(huà)使得水流流速變化，致使部分區(qū)域漫灘面積增加。因此在考慮底摩擦情況后，淹沒(méi)面積總體減少，下墊面的底摩擦變化對(duì)淹沒(méi)面積有減少作用。

圖17 考慮下墊面底摩擦變化前后，淹沒(méi)區(qū)域變化Fig. 17 The change of the submerged area before and after considering the change of the underlying surface friction

6 結(jié)論

本文采用5～10 m的街區(qū)尺度網(wǎng)格，依據(jù)寧波市北侖區(qū)高分辨率的街區(qū)尺度高程數(shù)據(jù)，細(xì)致刻畫(huà)街區(qū)道路和建筑分布，建立街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型，開(kāi)展基于街區(qū)尺度的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模擬，并考慮下墊面底摩擦的變化對(duì)漫灘的影響。結(jié)論如下：

（1）選取對(duì)北侖區(qū)影響嚴(yán)重的5612號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫黛”，在考慮甬江徑流和不考慮堤壩的條件下，街區(qū)尺度風(fēng)暴潮漫灘模型可以較好地模擬風(fēng)暴潮和總潮位。依托街區(qū)尺度網(wǎng)格，可以看到水流沿著街道向城市內(nèi)部漫延的情況以及在高低層建筑物的阻擋下水勢(shì)的走向，體現(xiàn)出高分辨率街區(qū)尺度網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)。

（2）考慮下墊面底摩擦變化對(duì)漫灘的影響，漫灘淹沒(méi)面積達(dá)到494.37 km2，對(duì)比未考慮底摩擦情況的模擬結(jié)果，淹沒(méi)面積減少了21.4%。在街區(qū)尺度網(wǎng)格下，細(xì)致展示了淹沒(méi)水深和淹沒(méi)面積在不同地物分布情況下的變化。大部分水深降低區(qū)域集中在沿岸的低密度居民區(qū)，降低0.1 m左右。在農(nóng)作物、商業(yè)區(qū)局部區(qū)域，水深降低了0.5 m左右。其中水深降低最大的區(qū)域集中在北侖區(qū)內(nèi)的兩條河流兩側(cè)。淹沒(méi)面積減少的區(qū)域多為低密度居民區(qū)?？傮w而言，考慮下墊面底摩擦變化后，淹沒(méi)水深降低，淹沒(méi)面積減少。