張博文 朱良生

摘? ? 要：2014年第15號(hào)“海鷗”臺(tái)風(fēng)，對(duì)海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失，近海最大增水、波高分布特征對(duì)減災(zāi)防災(zāi)有指導(dǎo)意義。采用波浪與水動(dòng)力模塊的耦合模型，模擬了風(fēng)暴潮與潮汐、波浪的過(guò)程，分析了“海鷗”臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)風(fēng)暴潮作用下的最大增水、波高分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，雷州半島東部海域最大增水大于瓊州海峽海域內(nèi)的最大增水值，雷州半島東部海域出現(xiàn)3 m以上增水，最大增水在5.5 m以上，雷州半島西部海域出現(xiàn)超過(guò)2 m的減水。受雷州半島東部近岸水深較淺影響，瓊州海峽海域最大有效波高高于雷州半島東部近岸海域，但低于雷州半島東部外海海域，雷州半島東部外海海域有效波高達(dá)12 m，瓊州海峽有效波也高達(dá)6.5～7.5 m。

關(guān)鍵詞：風(fēng)暴潮;增水分布;有效波高分布;耦合模型

中圖分類號(hào)：P71? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The strong typhoon “Seagull” No. 15 in 2014 caused huge economic losses to the coastal areas of Hainan， Guangdong and Guangxi. The maximum water set-up and wave height distribution characteristics in the offshore areas have guiding significance for disaster reduction and prevention. The coupling model of wave and hydrodynamic modules is used to simulate the process of storm surge， tide and wave， and the distribution characteristics of maximum water set-up and significant wave height under the storm surge during the typhoon. The results show that the maximum water set-up in the eastern part of Leizhou Peninsula is greater than that in the Qiongzhou Strait sea area. The maximum water set-up in the eastern sea area of Leizhou Peninsula is more than 3 m. The maximum water set-up is in the Leizhou Bay， and the maximum water set-up is above 5.5 m. More than 2 m of water set-down is in the western waters of Leizhou Peninsula. Influenced by the shallow water depth in the east coast of Leizhou Peninsula， the maximum significant wave height in the sea area of the Qiongzhou Strait is higher than that in the east coast of Leizhou Peninsula， but lower than that in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula. The significant wave height in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula can be up to 12 m and that in the Qiongzhou Strait can be up to 6.5～7.5 m.

Key words： Storm Surge; Water set-up distribution; Significant wave height distribution; Coupling model

2014年第15號(hào)“海鷗”臺(tái)風(fēng)于9月16日在海南省文昌市登陸，由于該臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)、風(fēng)圈范圍大，同時(shí)恰逢天文大潮，在登陸時(shí)產(chǎn)生了巨大的風(fēng)暴增水，給海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大破壞和經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)暴潮若與天文潮高潮疊加，往往會(huì)使海域潮位暴漲，造成巨大災(zāi)害。波浪也是近岸海域重要的動(dòng)力要素，在風(fēng)暴潮過(guò)程中，波浪、潮汐、風(fēng)暴潮三者相互作用相互影響，只有全面考慮三者的綜合作用，才能準(zhǔn)確地模擬出風(fēng)暴潮期間的水動(dòng)力特點(diǎn)和波浪過(guò)程。

過(guò)去在風(fēng)暴潮增水研究方面，大多是分析臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)和風(fēng)暴潮、潮位特點(diǎn)[1][2]以及增水分布規(guī)律[3];在波浪、潮汐風(fēng)暴潮耦合模型研究方面，則主要探討了耦合作用的機(jī)制[4] [5]以及模擬臺(tái)風(fēng)下的高潮位[6]或波高過(guò)程[7]等方面。在對(duì)“海鷗”臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的研究中，更多的是針對(duì)其臺(tái)風(fēng)路徑[8]、最大風(fēng)速半徑[9]等特征參數(shù)變化對(duì)風(fēng)暴增水產(chǎn)生的影響，或是單純進(jìn)行波浪特征的數(shù)值分析[10]，而綜合考慮波浪、潮汐、風(fēng)暴潮三者耦合模擬與最大增水、波高分布特征分析的研究卻很有限。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮波浪、潮汐、風(fēng)暴潮三者耦合模擬的適用性，采用波浪與水動(dòng)力模塊的耦合模型（MIKE），建立適用于南海水域的潮汐、風(fēng)暴潮、波浪耦合模型，在模型驗(yàn)證基礎(chǔ)上，分析了“海鷗”臺(tái)風(fēng)作用下近海最大增水、波高的分布特征。

1? ? 模型與方法

1.1? 氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)模型

臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)與海面風(fēng)場(chǎng)選用Holland模型[12]構(gòu)造，氣壓場(chǎng)P（r）和風(fēng)場(chǎng)Vg（r）分別表示為：

1.2? 水動(dòng)力模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下，二維淺水方程[14]為：

1.3? 波浪模型

波浪作用守恒方程[15]為：

相對(duì)角頻率與絕對(duì)角頻率的關(guān)系為：

波譜的演化由動(dòng)譜密度守恒方程來(lái)描述：

1.4? 波浪與水動(dòng)力耦合模式

在風(fēng)暴潮過(guò)程中，波浪對(duì)風(fēng)暴潮的影響主要通過(guò)以下三種方式：（1）波浪成長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)表面風(fēng)應(yīng)力的影響;（2）波流相互作用對(duì)底部應(yīng)力的影響;（3）波浪輻射應(yīng)力導(dǎo)致近岸流對(duì)增水和流場(chǎng)的影響。

其中，表面風(fēng)應(yīng)力的相互影響通過(guò)Komen et al.提出的模型進(jìn)行耦合[16];底部應(yīng)力的相互影響通過(guò)WAMDIG Group提出的WAM Cycle 4 wave model模型進(jìn)行耦合;輻射應(yīng)力指的是作用在垂直于底面的單位水柱體四個(gè)側(cè)面上的由于動(dòng)量交換而產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)均值。

水動(dòng)力模塊通過(guò)計(jì)算獲得水位和流場(chǎng)，傳遞給波浪模塊作為輸入條件，波浪模塊計(jì)算出輻射應(yīng)力傳遞給水動(dòng)力模塊作為驅(qū)動(dòng)力繼續(xù)計(jì)算水位和流場(chǎng)傳遞，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都傳遞一次。波浪模塊將輻射應(yīng)力Sxx、Sxy和Syx 、Syy計(jì)算出來(lái)后帶入淺水方程（5）和（6），則構(gòu)成了波浪與水動(dòng)力的耦合模式。

2? ?區(qū)域概況與模型設(shè)置

2.1? 區(qū)域概況

模擬范圍為東經(jīng)105°～ 118°、北緯15°～25°;水深數(shù)據(jù)為NGDC分辨率為1'×1' 的ETOPO1地形數(shù)據(jù);水位邊界條件：模型在邊界上給定分潮調(diào)和常數(shù)構(gòu)成水位邊界條件，陸地邊界條件初始水位與流速為0作為閉邊界;波浪邊界條件：以模型外近海波要素為開(kāi)邊界水域波浪條件，通過(guò)淺海波浪模型嵌套網(wǎng)格計(jì)算得到模擬區(qū)域內(nèi)部波要素條件;在模型海域波浪計(jì)算中，開(kāi)邊界條件由上一層較粗網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果得到。

2.2? 網(wǎng)格設(shè)置

模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域包括南海區(qū)域、瓊州海峽區(qū)域。外層嵌套網(wǎng)格分辨率為50 km，最內(nèi)層海峽和海灣地形網(wǎng)格分辨率為100～500 m，中間嵌套區(qū)域網(wǎng)格分辨率為1 000～10 000 m。網(wǎng)格共包括88524個(gè)三角形單元、48 273個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

2.3 “海鷗”臺(tái)風(fēng)概況

“海鷗”臺(tái)風(fēng)于2014年9月12日下午在西北太平洋洋面上生成;16日9時(shí)在海南省文昌市登陸，中心氣壓960 hPa、最大風(fēng)速40 m/s;16日中午12時(shí)45分在廣東湛江市登陸;下午23：00在越南北部登陸后逐漸減弱。

“海鷗”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)、影響范圍廣和風(fēng)圈范圍大，給海南、廣東、廣西三省區(qū)沿海造成了巨大破壞和損失。

在風(fēng)暴潮和波浪的共同影響下，雷州半島東北部出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴潮過(guò)程，增水超過(guò)200 cm的有湛江（433 cm）、硇洲島（388 cm）、北津（236 cm）、秀英站（199 cm）、南渡站最大增水（493 cm），其中秀英站出現(xiàn)破記錄的高潮位（超過(guò)警戒潮位147 cm）。

3? ?模型計(jì)算與驗(yàn)證

3.1? 天文潮驗(yàn)證

模擬了2014年9月1日～9月30日的天文潮，并取9月14～18日的數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型。

提取秀英站和硇洲島2個(gè)驗(yàn)潮站的結(jié)果，與2014年潮汐表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型對(duì)天文潮模擬的準(zhǔn)確性。圖1（a）（b）分別為秀英站和硇洲島的潮位過(guò)程對(duì)比，模擬結(jié)果擬合較好，可用于進(jìn)一步的風(fēng)暴潮增水分析。

3.2? 風(fēng)暴潮水位驗(yàn)證

圖2為“海鷗”臺(tái)風(fēng)期間海口秀英站風(fēng)暴潮水位模擬值與實(shí)測(cè)值比較。從圖2可以看到，模型潮水位變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)過(guò)程一致，但在臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，15日12時(shí)與16日12時(shí)兩次高水位時(shí)模擬值略偏小。總體來(lái)說(shuō)，在臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間該模型能較準(zhǔn)確地模擬本次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程。

3.3? 波浪計(jì)算與驗(yàn)證

圖3給出了2014年9月15日0：00時(shí)至18日0：00時(shí)耦合模型秀英站的有效波高和最大波高實(shí)測(cè)值與模擬值的比較曲線。從模擬過(guò)程可以看出，當(dāng)臺(tái)風(fēng)距離海峽相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，有效波高的值在2 m以下;而當(dāng)臺(tái)風(fēng)逐漸靠近瓊州海峽區(qū)域時(shí)，波高開(kāi)始逐漸增加，于9月16日10：00左右時(shí)達(dá)到峰值，最大有效波高為4 m、最大波高為5.87 m，與實(shí)測(cè)出現(xiàn)時(shí)間一致。

圖3? 秀英站有效波高和最大波高實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

4? ?模擬結(jié)果分析

4.1? 增水特點(diǎn)分析

4.1.1 增水過(guò)程

根據(jù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間增水過(guò)程分析可知，海峽東部海域的增水范圍和幅度與臺(tái)風(fēng)路徑和臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑有關(guān)，“海鷗”臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向接近自東南向西北，對(duì)瓊州海峽東部海域作用時(shí)間長(zhǎng)，引起的水體隆起、水位抬升顯著，雖然“海鷗”臺(tái)風(fēng)等級(jí)不高，但在雷州半島東部海域引起的增水卻很高，這與臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)恰逢天文高潮有關(guān)。圖4為臺(tái)風(fēng)期間秀英站水位、天文潮和增水的關(guān)系圖。

4.1.2極值風(fēng)暴潮水位

計(jì)算模擬區(qū)域的極值風(fēng)暴潮水位，取臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)間段內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的增水最大值和減水最大值，分別得到“海鷗”臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間的最大增水和最大減水分布，如圖5所示。

從整個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間的最大增水分布（圖5（a））可以看出，臺(tái)風(fēng)中心路徑形成了帶狀的增水分布，最大增水位于雷州半島東岸的雷州灣，由于是大尺度彎曲海岸，非常有利于海水堆積壅高，沿岸最大增水普遍達(dá)到了5 m以上;北部灣區(qū)域由于臺(tái)風(fēng)受到雷州半島和海南島阻隔的影響，最大增水普遍為1～2 m，靠近岸邊增水有所增加但并不明顯;在瓊州海峽范圍內(nèi)，最大增水普遍在2 m左右，分布規(guī)律沿著海峽自東向西減小、海峽內(nèi)部越靠近南北兩岸增水值越大。

在臺(tái)風(fēng)過(guò)境的時(shí)間段內(nèi)，模擬區(qū)域同樣出現(xiàn)最大減水，圖5（b）反映了沿岸各點(diǎn)出現(xiàn)的最大減水值。北部灣區(qū)域由于在臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間受到離岸風(fēng)的影響，在烏石港附近出現(xiàn)了超過(guò)1 m的減水值，而在北部灣附近海域則出現(xiàn)了超過(guò)2 m的減水值。

4.2? 波浪特征分析

4.2.1波浪變化過(guò)程

從模型的模擬結(jié)果來(lái)看，臺(tái)風(fēng)中心影響半徑內(nèi)的波高最大，距離臺(tái)風(fēng)半徑越遠(yuǎn)則波高越小;整個(gè)波浪場(chǎng)的中心，處在臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線的右前側(cè);當(dāng)臺(tái)風(fēng)逐漸向陸地靠近時(shí)，波高中心逐漸向臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線的右側(cè)移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)離開(kāi)后波高迅速降低;在開(kāi)闊海域，波高分布呈較規(guī)則的圓形，而臺(tái)風(fēng)在由東南向西北而上的過(guò)程中，由于陸地的影響波高分布不再是相對(duì)規(guī)則的圓形;臺(tái)風(fēng)穿過(guò)瓊州海峽進(jìn)入北部灣后，由于右側(cè)受地形影響波高中心轉(zhuǎn)移到臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線的左側(cè)。

4.2.2最大波高分布

圖7為計(jì)算模擬區(qū)域的最大有效波高分布。隨著臺(tái)風(fēng)逐漸向瓊州海峽靠近，海域水深不斷減小，由于近岸波浪發(fā)生破碎，最大波高也不斷減小，瓊州海峽內(nèi)部最大波高多分布在8 m以內(nèi);臺(tái)風(fēng)進(jìn)入北部灣之后，由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不斷減弱，加上臺(tái)風(fēng)進(jìn)入內(nèi)陸風(fēng)區(qū)變短，波高大幅降低，但海南島西部外海海域波高仍可達(dá)9.0 m;從瓊州海峽內(nèi)部的最大有效波高分布可以看出，海峽中心、臺(tái)風(fēng)行進(jìn)路線上往東西兩側(cè)波高值逐漸減小;海峽內(nèi)部從中軸線往南北兩岸，中心區(qū)域波高在6 m以上，往南北兩岸波高減小;雷州半島東部海域，最大有效波高自東南開(kāi)闊海域向西北雷州灣內(nèi)部海域逐漸變小，雷州半島東部外海海域有效波可高達(dá)12 m。

4.3? 瓊州海峽與雷州半島海域增水與波高分析

為了進(jìn)一步分析“海鷗”臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間增水與波高分布的特征，選取受臺(tái)風(fēng)影響顯著的雷州半島東部海域及瓊州海峽區(qū)域作對(duì)比分析，分別選取位于瓊州海峽離岸10～15 km及位于雷州半島東部海域離岸10～15 km的各5個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)比分析各自區(qū)域的最大增水與最大有效波高分布差異。

根據(jù)分析資料，瓊州海峽內(nèi)的5個(gè)控制點(diǎn)水深較深（在20～80 m之間），而雷州半島東部海域的5個(gè)控制點(diǎn)水深都在10 m附近，說(shuō)明瓊州海峽水域水深較大且水深變化幅度大，而雷州半島東部海域近岸水深較淺且變化幅度較小。

在最大增水值和最大有效波高值對(duì)比方面，在“海鷗”臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，瓊州海峽海域內(nèi)的5個(gè)控制點(diǎn)最大增水值要顯著低于雷州半島東部海域內(nèi)5個(gè)控制點(diǎn);而最大有效波高值卻要高于雷州半島東部近岸海域。

雷州半島東部海域增水較大的原因一是由于位于臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑處，增水效果顯著，二是該區(qū)域位水深較淺，同時(shí)區(qū)域位于向岸風(fēng)區(qū)，受海灣地形影響海水壅積堆高顯著。

瓊州海峽內(nèi)部有效波高較高的原因，一是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)中心路徑穿過(guò)該區(qū)域;二是海峽內(nèi)水深較深，海峽海域利于波浪形成。而雷州半島東部近岸海域，水深逐漸變淺，區(qū)域地形復(fù)雜，由此引起淺化、折射、繞射以及波波相互作用等復(fù)雜的波浪變形和淺水波浪破碎，而使得波高較小。

5? ? 結(jié)論

（1） 建立了潮汐、波浪與風(fēng)暴潮耦合模型，對(duì)“海鷗”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行波浪、風(fēng)暴潮耦合模擬，通過(guò)天文潮、風(fēng)暴潮水位以及有效波高最大波高的驗(yàn)證，耦合模型整體模擬情況與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好。該模型具有較好的潮汐、波浪和風(fēng)暴潮耦合計(jì)算適應(yīng)性，能夠很好地模擬出臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)增水變化和波浪分布特征;

（2） 分析了耦合模型下“海鷗”臺(tái)風(fēng)引起的增水特點(diǎn)，討論了臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)間段內(nèi)最大增水與最大減水的分布。臺(tái)風(fēng)眼處出現(xiàn)水體隆起，雷州半島東部海域和瓊州海峽東部增水較為顯著;雷州半島東部海域最大增水值大于瓊州海峽海域內(nèi)的最大增水值，最大增水位置在雷州灣海域?yàn)?.5 m以上，而雷州半島西部海域出現(xiàn)了超過(guò)2 m的減水值;

（3） 探討了臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)波浪的分布特點(diǎn)，分析了近海海域最大有效波高分布。臺(tái)風(fēng)行進(jìn)的過(guò)程中，較大的有效波高區(qū)域隨“海鷗”臺(tái)風(fēng)眼移動(dòng)而移動(dòng)，靠近瓊州海峽和雷州半島波高逐漸減小;瓊州海峽海域最大有效波高高于雷州半島東部近岸海域，但低于雷州半島東部外海海域，雷州半島東部外海海域有效波可高達(dá)12 m，瓊州海峽有效波高也高達(dá)6.5～7.5 m。

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