李雪，王智峰，武雙全，董勝，賈婧，張曉爽，吳昊

（1.國(guó)家海洋局?jǐn)?shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；4.國(guó)家海洋局海洋環(huán)境信息保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171）

近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型在天津沿海的應(yīng)用

李雪1，2，王智峰2，武雙全3，董勝2，賈婧2，張曉爽4，吳昊2

（1.國(guó)家海洋局?jǐn)?shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；3.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；4.國(guó)家海洋局海洋環(huán)境信息保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171）

為了精細(xì)化描述天津沿海臺(tái)風(fēng)天氣下近岸浪和風(fēng)暴潮特征，基于非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，建立近岸浪與風(fēng)暴潮的耦合模型，其中臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用藤田臺(tái)風(fēng)模型，近岸浪采用SWAN波浪模型，風(fēng)暴潮采用ADCIRC模型。通過(guò)對(duì)幾次典型臺(tái)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬的驗(yàn)證，耦合模型對(duì)風(fēng)速、有效波高和增水的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)資料符合性均較好，能夠很好地反映臺(tái)風(fēng)過(guò)程中天津沿海近岸浪和風(fēng)暴潮特征，可以為天津的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

臺(tái)風(fēng)浪；風(fēng)暴潮；SWAN；ADCIRC

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)及沿海地區(qū)人口的快速發(fā)展，建立和完善沿海地區(qū)的海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)顯得尤為重要，對(duì)海洋防災(zāi)減災(zāi)、保護(hù)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。天津地處中國(guó)北方黃金海岸的中部，是山東半島與遼東半島的交匯點(diǎn)，華北、西北廣大地區(qū)的重要出?？冢c世界上180多個(gè)國(guó)家、地區(qū)的400多個(gè)港口保持著貿(mào)易往來(lái)，發(fā)展?jié)摿薮?。然而，天津地?shì)低洼，臺(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害頻發(fā)，是沿海遭受災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)之一，其造成的經(jīng)濟(jì)損失從20世紀(jì)90年代后已有明顯增加的趨勢(shì)（葉鳳娟等，2012）。因此，在天津海域建立完整的海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)十分必要，也是天津防災(zāi)減災(zāi)的重要研究課題（傅賜福等，2013）。

臺(tái)風(fēng)是熱帶風(fēng)暴潮的主要驅(qū)動(dòng)力，臺(tái)風(fēng)的路徑、強(qiáng)弱、影響半徑等直接關(guān)系到風(fēng)暴潮災(zāi)害的強(qiáng)度。臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的大風(fēng)，往往在海面上掀起巨浪，進(jìn)一步升高水位。如果臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻，風(fēng)暴潮與天文大潮高潮位相遇，則危害性更大（馮士筰，1982）。因此，波浪和風(fēng)暴潮通過(guò)不同的機(jī)制相互影響和制約，只有全面考慮這兩者之間的相互作用，才能準(zhǔn)確地模擬出真實(shí)的水動(dòng)力和波浪條件，為其他研究提供基礎(chǔ)。

在實(shí)際海岸環(huán)境條件下，風(fēng)暴潮與近岸波浪演化之間復(fù)雜的相互作用，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是波浪傳播對(duì)水動(dòng)力產(chǎn)生影響，如波浪傳播變形所引起的增減水和波生近岸流 （Xie et al，1999，2001；鄭立松等，2010）；另一方面則是水動(dòng)力變化對(duì)波浪產(chǎn)生影響，如水位和流速、流向的變化引起波浪變形（白志剛等，2012）。這種相互作用在強(qiáng)風(fēng)過(guò)程中更為明顯。

關(guān)于風(fēng)暴潮對(duì)波浪影響的研究，主要通過(guò)采用考慮流速和潮位變化的波浪傳播變形方程來(lái)體現(xiàn)，但以往大部分的研究采用的是恒定流場(chǎng)或波浪場(chǎng)，沒(méi)有考慮實(shí)際海洋環(huán)境中波浪、水動(dòng)力均隨時(shí)間和空間變化而產(chǎn)生的耦合作用（夏波等，2006，2012），或是僅針對(duì)某一臺(tái)風(fēng)發(fā)生過(guò)程對(duì)天津沿海的影響進(jìn)行了研究，并未形成能夠綜合體現(xiàn)近岸浪和風(fēng)暴潮對(duì)天津沿海水動(dòng)力環(huán)境影響的模擬系統(tǒng)。

本文將采用第三代波浪模擬的SWAN模型和近岸風(fēng)暴潮ADCIRC模型，建立精細(xì)化的近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型，并利用該系統(tǒng)對(duì)天津沿海的臺(tái)風(fēng)浪和風(fēng)暴潮進(jìn)行模擬計(jì)算，從而為天津的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型的建立

1.1藤田臺(tái)風(fēng)模型

風(fēng)場(chǎng)作為引發(fā)臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮的主要因子，對(duì)臺(tái)風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)和研究起到至關(guān)重要的作用。風(fēng)場(chǎng)決定波浪場(chǎng)，表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)近岸區(qū)流場(chǎng)的影響更大，通常近岸區(qū)的風(fēng)增水和風(fēng)生流現(xiàn)象尤為明顯。迄今，有關(guān)臺(tái)風(fēng)暴潮的研究中通常采用各種經(jīng)驗(yàn)的或半經(jīng)驗(yàn)半理論的臺(tái)風(fēng)模型，其方法主要有三大類：第一類是圓對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型（高橋，1939；藤田，1952；Jelesnianski，1965；Holland，1980）；第二類為改進(jìn)的非對(duì)稱風(fēng)場(chǎng)模型，如非對(duì)稱結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)模型（章家彬等，1986），橢圓形對(duì)稱的風(fēng)壓模型（陳孔沫，1994），特征等壓線風(fēng)場(chǎng)模型（朱首賢等，2003）；第三類為氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模型，如MM5，WRF。

本文采用便于描述計(jì)算的藤田模型進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)計(jì)算。風(fēng)場(chǎng)由氣壓梯度和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)導(dǎo)致的風(fēng)速合成而成，其中梯度風(fēng)公式為：

式中，f為科氏力系數(shù)，ρα為空氣密度，r是離開臺(tái)風(fēng)中心的距離，P是離開臺(tái)風(fēng)中心距離為r處的氣壓；而臺(tái)風(fēng)移動(dòng)引起的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)由Ueno公式給出：

式中，Vtx和Vty表示臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度的x和y分量，R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑，因此合成風(fēng)場(chǎng)為：

其中，Wx和Wy表示合成風(fēng)速的x和y分量，C1和C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，θ為考慮大氣邊界層影響之后梯度風(fēng)的偏角（稱為入流角），P0是臺(tái)風(fēng)中心氣壓，P∞是距離臺(tái)風(fēng)中心無(wú)限遠(yuǎn)處的氣壓。

1.2 SWAN波浪模型

波浪模擬采用第三代波浪模型的SWAN（Simulating Waves Nearshore）模型，該模型通過(guò)采用波作用量平衡方程，在源項(xiàng)中計(jì)入能量輸入和損耗項(xiàng)（底摩擦、破碎、白浪）、波與波之間非線性相互作用等（Booij et al，1999），從而比較全面合理地描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過(guò)程。

在直角坐標(biāo)系下，波作用量平衡方程（Ris et al，1999）可表示為：

式中：N=E（σ，θ，x，y，t）/σ為波作用密度譜；x，y為地理坐標(biāo)，t為時(shí)間，θ為傳播方向，σ為相對(duì)頻率，cxy、cσ、cθ分別為波能量在地理空間和譜空間上的傳播速度。方程左側(cè)第一項(xiàng)為N隨時(shí)間的變化率；第二項(xiàng)為N在地理空間方向上的傳輸，第三項(xiàng)是由于流場(chǎng)和水深所引起的N在波浪相對(duì)頻率σ空間的變化；第四項(xiàng)為N以傳播速度Cθ在譜分布空間θ（譜分量中垂直于波峰線的方向）上的傳播；方程右端項(xiàng)的S為以譜密度表示的源匯項(xiàng)，具體描述為：

式中，分項(xiàng)Sin為風(fēng)能輸入，Snl3、Snl4分別為三波和四波相互作用的非線性波能傳播，Sds，w為白帽耗散，Sds，b為底摩擦耗散，Sds，br為水深變淺引起的波能破碎耗散。

由于近岸區(qū)的波浪場(chǎng)對(duì)近岸區(qū)流場(chǎng)的改變主要體現(xiàn)于波浪淺水變形產(chǎn)生的波浪輻射應(yīng)力，SWAN模型中波浪輻射應(yīng)力張量的計(jì)算公式為：

式中，ρ0為水密度；g為重力加速度；n為群速度與相速度之比。

1.3 ADCIRC風(fēng)暴潮模型

本文采用的風(fēng)暴潮模型 ADCIRC（Advanced Circulation Model），是基于有限元方法的跨尺度（大洋、近岸、河口）水動(dòng)力計(jì)算模型（Luettich et al，1990）。ADCIRC模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以使模型在水深變化劇烈、岸線復(fù)雜的地方有較高的分辨率，而在地形變化緩慢的地方分辨率相對(duì)低一些，這樣既可以滿足計(jì)算的要求，又可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。同時(shí)該模型在空間上采用有限元方法進(jìn)行求解，時(shí)間上采用有限差分方法，計(jì)算效率高且穩(wěn)定。

在直角坐標(biāo)系下，模型的控制方程為：

式中，ζ為從平均海平面算起的水位高度，H=ζ+h為總水深；U和V分別表示坐標(biāo)軸x和y方向的垂向平均流速，f為科氏力系數(shù)，Ps為表面大氣壓力，η表示牛頓潮勢(shì)作用，α為有效彈性系數(shù)；τs,wind和τs,wave表示表面風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)和波浪輻射應(yīng)力項(xiàng)，τb、D、M分別代表底部切應(yīng)力項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)以及側(cè)向應(yīng)力項(xiàng)。

為了避免或減小Galerkin有限元離散所帶來(lái)的振蕩、不守恒等數(shù)值問(wèn)題，ADCIRC模型采用對(duì)短波具有阻尼作用的通用波動(dòng)連續(xù)性方程GWCE（Generalized Wave Continuity Equation）來(lái)代替原有的連續(xù)性方程（Blain et al，2004），其優(yōu)越性體現(xiàn)于在沒(méi)有對(duì)流加速度的情況下，對(duì)長(zhǎng)波的計(jì)算更加精確；且方程對(duì)水位和速度的求解是自然解耦的，即先求得水位，后解得流速。

其中

式中，Qx=UH，Qy=VH表示流量分量，τ0為優(yōu)化相位傳播特性的數(shù)學(xué)參數(shù)。臺(tái)風(fēng)施加于海面的切應(yīng)力用以下公式計(jì)算：

式中，拖曳系數(shù)Cd=10-3×（0.75+0.067），如果Cd>0.003，則取Cd=0.003。

波浪輻射應(yīng)力τs,wave由公式（19）和公式（20）計(jì)算得到。通過(guò)對(duì)SWAN模型計(jì)算所得輻射應(yīng)力張量的計(jì)算，τs,wave將波浪淺水變形代入風(fēng)暴潮計(jì)算模型中，以體現(xiàn)波浪對(duì)風(fēng)暴潮的影響（Hedges et al，2004；Liu et al，2008，2009；Dietrich et al，2012）。同時(shí)，近岸區(qū)的水深和流速隨水位的漲落而不斷變化，ADCIRC計(jì)算所得各節(jié)點(diǎn)水深和流速的時(shí)間序列作為SWAN模型的輸入條件，可模擬出流場(chǎng)對(duì)波浪場(chǎng)的影響，從而實(shí)現(xiàn)天津近岸波浪-風(fēng)暴潮的耦合計(jì)算（Sebastian et al，2014；Li et al，2014）。

2 耦合模型的驗(yàn)證

2.1耦合模型參數(shù)設(shè)置

為了更好地模擬強(qiáng)風(fēng)過(guò)程中風(fēng)浪及流場(chǎng)的變化，減小邊界條件誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算區(qū)域應(yīng)該選擇得足夠大。但是，波浪與流場(chǎng)之間的非線性相互作用在近岸地區(qū)最為明顯，要較為準(zhǔn)確地描述這種相互作用，需要有足夠精確的地形測(cè)量數(shù)據(jù)和采取足夠小的空間和時(shí)間步長(zhǎng)。因此，為了快速、準(zhǔn)確地模擬風(fēng)浪之間的相互作用，本文使用由NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的全球陸地海洋GEODAS高程數(shù)據(jù)ETOPO1和渤海近海海圖提取的水深數(shù)據(jù)拼接而成的水深數(shù)據(jù)，水深分布見圖1；計(jì)算區(qū)域在包括本文所研究區(qū)域的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展至整個(gè)渤海和部分黃海海域；模型采用三角網(wǎng)格，并在天津海域進(jìn)行加密處理，如圖2所示；計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為133 136個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為68 094個(gè)。

近岸波浪模式的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為20 min；方向步長(zhǎng)為10°；頻率計(jì)算范圍為0.05～1.0 Hz；底摩阻公式采用認(rèn)為底摩擦系數(shù)是底床粗糙度與實(shí)際波浪條件函數(shù)的Madsen公式進(jìn)行計(jì)算，粗糙度取為0.05；白帽采用Komen公式；其他參數(shù)均取默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算。

風(fēng)暴潮模型的邊界條件設(shè)為初始條件為t=0時(shí)，ζ=U=V=0；海岸邊界條件為邊界的法向速度為0；潮汐開邊界由M2，S2，K1，O1共4個(gè)分潮驅(qū)動(dòng)計(jì)算。為滿足CFL條件為要求，時(shí)間步長(zhǎng)取為30 s；底摩擦系數(shù)采用適用于大洋與近海的線性與二次律混合形式；海面風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)速呈二次平方律關(guān)系，風(fēng)拖曳系數(shù)采用Garratt公式（Luettich et al，2000），模型通過(guò)設(shè)定最小水深判斷網(wǎng)格的干濕狀態(tài)。

圖1 計(jì)算區(qū)域水深分布圖

圖2 計(jì)算區(qū)域局部加密網(wǎng)格圖

2.2典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程

將上述過(guò)程建立的近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型應(yīng)用于天津海域，為了驗(yàn)證耦合系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)針對(duì)4次典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算。這4次臺(tái)風(fēng)過(guò)程分別為：1972年“7203”號(hào)臺(tái)風(fēng)Rita、1985年“8509”號(hào)臺(tái)風(fēng)Mimie、2005年“0509”號(hào)臺(tái)風(fēng)Matsa和2012年“1201”號(hào)臺(tái)風(fēng)Damrey，其對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)發(fā)生過(guò)程時(shí)間及塘沽站實(shí)測(cè)信息如表1所示，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑見圖3。

為檢驗(yàn)計(jì)算所用風(fēng)場(chǎng)的精度，將由藤田臺(tái)風(fēng)模型計(jì)算所得塘沽站的計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ热缦隆膱D中可以看出，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模式對(duì)各次臺(tái)風(fēng)暴潮過(guò)程中最大風(fēng)速的計(jì)算是較為準(zhǔn)確的，對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)過(guò)程的描述也是基本成功的，可以作為耦合模型的輸入條件。

表1 臺(tái)風(fēng)發(fā)生過(guò)程及塘沽站實(shí)測(cè)值

圖3 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑圖

2.3近岸浪計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

圖5分別給出了4次臺(tái)風(fēng)過(guò)程中塘沽站的波高模擬值與實(shí)際觀測(cè)值隨時(shí)間變化的對(duì)比圖，其中紅色實(shí)心點(diǎn)表示實(shí)測(cè)值，藍(lán)色虛線表示模型不進(jìn)行耦合的計(jì)算值，黑色實(shí)線表示耦合模型計(jì)算值。

圖4 （a） 7203號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ葓D

圖4 （b） 8509號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ葓D

圖4 （c） 0509號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ葓D

圖4 （d） 1210號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站風(fēng)速對(duì)比圖

結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑圖和風(fēng)速圖可以看出，7203號(hào)臺(tái)風(fēng)于7月27日左右登陸渤海灣，SWAN模型很好的模擬出了27日的波高峰值，峰值誤差僅為0.6cm，但在峰值過(guò)后模擬值下落得比觀測(cè)值快，其原因可能在于對(duì)應(yīng)時(shí)間的風(fēng)速模擬值衰減得較快。8509號(hào)臺(tái)風(fēng)雖然未直接襲擊天津海域，但其觀測(cè)波高在19日高達(dá)近2 m，模型模擬出的波高峰值與觀測(cè)值相差1.5 cm，相對(duì)誤差為0.72%，峰值模擬十分準(zhǔn)確。1210號(hào)臺(tái)風(fēng)于2012年8月2日登陸江蘇與山東省，而后于8月3日12時(shí)轉(zhuǎn)入天津海域，其威力原本在陸地登陸期間有所減弱，但塘沽站觀測(cè)得最大波高仍高達(dá)3.17 m，模擬得波高峰值為3.41 m，相對(duì)誤差為7.27%，波高時(shí)變過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.95，模擬結(jié)果良好。而0509號(hào)臺(tái)風(fēng)無(wú)塘沽站的波高觀測(cè)數(shù)據(jù)，故本文采用有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的山東石島站進(jìn)行替代驗(yàn)證，由圖可以看出耦合模型對(duì)此次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的波高變化趨勢(shì)模擬較為準(zhǔn)確。

圖5 （a） 7203號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站波高模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖5 （b） 8509號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站波高模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖5 （c） 1210號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站波高模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖6 0509號(hào)臺(tái)風(fēng)石島站波高模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

由于塘沽測(cè)站只進(jìn)行波高的測(cè)量，而無(wú)波向的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故無(wú)法進(jìn)行波向的結(jié)果對(duì)比。由以上4次臺(tái)風(fēng)過(guò)程波高觀測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比分析可以看出，本耦合模型的風(fēng)浪模塊能夠有效模擬出天津海域近岸風(fēng)浪的峰值及時(shí)變過(guò)程，可以作為后續(xù)防災(zāi)減災(zāi)工作的依據(jù)。

2.4風(fēng)暴潮增水計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證耦合模型對(duì)風(fēng)暴潮增水的模擬效果，圖7（a）、（b）、（c）、（d）分別給出了4次臺(tái)風(fēng)過(guò)程模擬的增減水與實(shí)際觀測(cè)值時(shí)間序列的對(duì)比圖，其中紅色實(shí)心點(diǎn)表示實(shí)測(cè)值，藍(lán)色虛線為風(fēng)暴潮模型不進(jìn)行耦合的計(jì)算值，黑色實(shí)線表示耦合模型計(jì)算結(jié)果。此外，由于渤海是我國(guó)最北部海域，除在夏季遭受臺(tái)風(fēng)暴潮影響外，冬半年的氣象活動(dòng)也十分劇烈，溫帶氣旋、寒潮等天氣過(guò)程所伴隨的大風(fēng)也是天津海域風(fēng)暴潮的誘因之一，其影響也需受到重視。故在此對(duì)2009年4月的溫帶氣旋的增減水過(guò)程進(jìn)行了模擬，模型所用驅(qū)動(dòng)條件為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的再分析數(shù)據(jù)。圖8為模擬增減水過(guò)程與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。

圖7、圖8的對(duì)比結(jié)果表明，耦合模型對(duì)增減水過(guò)程模擬結(jié)果良好，5次風(fēng)暴潮過(guò)程的峰值相對(duì)誤差均不超過(guò)15%，相關(guān)系數(shù)均在0.85以上。

結(jié)合波高與水位的對(duì)比圖可以看出，在波高出現(xiàn)峰值的時(shí)刻，水位也相應(yīng)得以升高。且8509號(hào)臺(tái)風(fēng)并未直面登陸天津海域，其增水卻高達(dá)1.5 m，有風(fēng)暴潮與天文大潮高潮位相遇的可能性，這也進(jìn)一步驗(yàn)證近岸水動(dòng)力與波浪之間復(fù)雜的相互作用與影響。而從波高及增水的未耦合值與耦合值的對(duì)比可以看出，耦合模型在一定程度上模擬出了這種相互作用，使得模型的計(jì)算值更為接近實(shí)測(cè)值。故耦合模型的波浪模塊對(duì)風(fēng)暴潮波高的模擬，以及風(fēng)暴潮模塊對(duì)風(fēng)暴潮增水的模擬更為準(zhǔn)確，本文建立的近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型是科學(xué)且可靠的。

圖7 （a） 7203號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站增水模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖7 （b） 8509號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站增水模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖7 （c） 0509號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站增水模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖7 （d） 1210號(hào)臺(tái)風(fēng)塘沽站增水模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

圖8 2009年4月溫帶氣旋風(fēng)暴潮塘沽站增水模擬值與觀測(cè)值對(duì)比圖

3 結(jié)論

考慮到風(fēng)暴潮與近岸浪之間的相互作用機(jī)制，本文構(gòu)建了近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型，并對(duì)發(fā)生在天津海域的3次典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。其中臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用藤田臺(tái)風(fēng)模型，近岸浪模型采用SWAN模型，風(fēng)暴潮模型采用ADCIRC模型。通過(guò)近岸浪和風(fēng)暴潮的驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論：

（1）耦合模型能夠較好地模擬風(fēng)浪的成長(zhǎng)演變過(guò)程以及風(fēng)暴潮對(duì)風(fēng)浪傳播的影響，采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，能有效模擬出近岸風(fēng)浪的變化情況；

（2）耦合模型能夠較好的模擬風(fēng)暴潮過(guò)程中的實(shí)際增減水過(guò)程以及風(fēng)浪對(duì)水位的影響；

（3）本文構(gòu)建的近岸浪-風(fēng)暴潮耦合模型能夠?yàn)榕_(tái)風(fēng)暴潮災(zāi)害及其預(yù)警報(bào)提供技術(shù)支撐；為政府和國(guó)家管理部門制定沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃提供有力的支撐，為制定防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急預(yù)案、補(bǔ)償、救濟(jì)措施和政策提供參考依據(jù)。

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（本文編輯：袁澤軼）

Application of the surface wave and storm surge coupled model in Tianjin coastal areas

LI Xue1,2,WANG Zhi-feng2,WU Shuang-quan3,DONG Sheng2, JIA Jing2,ZHANG Xiao-shuang4,WU Hao2
(1.Key Laboratory of Digital Ocean,State OceanicAdministration,Tianjin 300171,China;2.College of Engineering,OceanUniversity of China,Qingdao266100,China;3.National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China;4.KeyLaboratoryof Marine Environmental Information Technology,National MarineData and Information Service,Tianjin300171,China)

In order to reasonably describe the coastal wave and the characteristics of storm surge in Tianjin coastal area, based on an unstructured triangular grid,this paper established a refined coastal wave-storm coupled simulation model. Fujita typhoon wind model was adopted as the wind field,and coastal wave selected SWAN wave model,and storm surge by ADCIRC model.By verifications with numerical simulations of three typical typhoon storms,the computational results of wind speed,significant wave height and storm surge were agreeable with measured data,approving that this coupled model can reflect the coastal wave and the characteristics of storm during a typhoon process in Tianjin coastal area,so as to provide a scientific basis for disaster prevention and reduction in Tianjin.

typhoon wave;storm surge;SWAN;ADCIRC

P731.22

A

1001-6932（2016）06-0657-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.008

2015-04-24；

2015-09-14

國(guó)家海洋局?jǐn)?shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（KLDO201406）；山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（201362045）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51279186；51479813；51509226）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（201513040）。

李雪（1990-），女，在讀博士，主要從事海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)研究。電子郵箱：lixueouc@gmail.com。

王智峰，博士，講師。電子郵箱：wzf1984@ouc.edu.cn。