杭州湾、浙江沿海一带风暴潮数值预报研究

洪文渊，张火明，管卫兵

（1.中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室 国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

风暴潮灾害是集气象、海洋、暴雨洪水灾害为一体的综合性灾害，是海洋灾害中最严重的，一次大的风暴潮灾害的破坏及影响甚至超过地震和海啸.我国东临西太平洋，有广阔的海岸线，并且地处台风多发区，每年都要经历几场甚至十几场台风，而沿海地区又是人口较为集中，经济发展较好的地带，全国70%以上的大城市、55%的国民经济收入都分布在东部和南部沿海［1］.风暴潮的冲击不仅会对居民的生命财产造成损失，还会导致河口海岸航道淤浅，船舶和海堤损毁，对沿海地区的养殖业、农业、工业、旅游业等都造成严重的影响，2001—2010年十年的经济损失总计超过了一千亿.因此，对风暴潮及其预报方法的研究和警报系统的建立具有迫切的实际意义.

杭州湾，上接钱塘江，下临东海，是一个典型的倒置喇叭口形海湾.湾口宽约95km，湾口向内变窄，湾底起伏不大，河床较为平坦，由于杭州湾的这一地形特征，使其具有明显的潮汐特性并经常出现涌潮或暴涨潮.当潮波由于台风影响进入杭州湾时，引起杭州湾水位的涨落，高潮位逐步被抬高，低潮位逐步被降低，使得潮差急剧增大，其中湾顶澉浦一带潮差最为明显，澉浦站曾出现了历史最大潮差，达8.93m.

本文在静压条件下采用藤田和高桥的两个气压场公式相嵌套来算出整个计算域的气压场分布情况，采用梯度风和经典的Ueno移行风场公式给出整个计算域的合成风场分布情况，综合考虑了天文潮和风应力对计算风暴潮产生的影响.程序以FBM二维风暴潮数值预报模式为基础，同时加入了多线程技术，以气象信息网提供的6h变化的台风中心位置、台风中心气压值和最大风速半径作为输入参数，以两个台风的杭州湾风暴潮实测资料为验证依据，对浙江沿海杭州湾的风暴潮进行了研究.

1 模型建立

本文所采用的二维数值计算模式为王喜年等专家所建立的覆盖中国海五个区块的FBM模式［2-3］，该模式是在封闭海、半封闭海和开阔海模式试验的基础上建立起来的，适合中国曲折的海岸线，并在实时预报中发挥了很好的作用.然后通过诺模图法［4-5］实现对台风过程其最大风暴潮的预测.此处选取了覆盖整个杭州湾的东海区块作为计算域进行研究.

1.1 计算区域及网格配置

计算区域如图1.计算域陆地部分包括整个杭州湾，江苏、浙江大部分沿海城市以及部分福建地区，同时还包含韩国济州岛及小部分区域，海域为东海海域.

图1 杭州湾计算区域Figure 1 Calculation area of Hangzhou Bay

图2 粗网格格点分布Figure 2 Grid point distribution of big grid

图2为采用粗网格进行计算域划分的情况，其中深色部分表示陆地区域，浅色部分表示陆边界，其余为海域.为了更好的拟合岸边界，又将粗网格进行二分之一细分（图3）和四分之一细分（图4），得到精细化网格进行计算.

图3 二分之一细网格格点分布Figure 3 Grid point distribution of 1／2smaller grid

如图5，网格细分后的水深数据由粗网格节点四点加权平均求得，对于岸边界的水深数据仍取为原来的水深.网格配置如表1，表中给出了粗细网格配置对照.

表1 网格配置Table 1 Grid configuration

1.2 计算区域验潮站分布

本文选取了杭州湾附近的24个验潮站作为潮位计算站点，24个验潮站分别为：燕尾站、新洋港站、小羊口站、吕四站、吴淞站、高桥站、横沙站、卢潮站、金沙站、乍浦站、澉浦站、海黄山站、镇海站、长涂站、定海站、大万山、健跳站、海门站、大成岛站、坎门站、温州站、瑞安站、熬江站和沙埕站，其具体位置分布如图6.从图中可以看出，这些站点的分布较为均匀，且分布于整个杭州湾沿岸计算域，因而具有较好的代表性.

图6 验潮站位置分布Figure 6 Distribution of the tide gauge stations

1.3 气压场模型

FBM模式气压场的计算是由下面的藤田公式和高桥公式（公式1和2）［6-7］相嵌套来实现的.

式（1）（2）中：p0为台风中心气压；p∞为台风外围气压（正常气压）；R为台风最大风速半径；pr为距台风中心距离r处的气压；r为计算点与台风中心的距离.

1.4 风场模型

台风域中的风场计算由两个矢量场叠加而成［8］，分别是相对于台风中心对称的圆形风场和基本风场.相对于台风中心对称的圆形风场梯度风公式为：

式（3）中：Vg为梯度风；f为科氏力系数；ρa为空气密度.基本风场采用 Veno Takeo（1981）的公式［9］为：

式（4）中，Vx、Vy为台风移速在x、y方向上的分量.

1.5 多线程技术

线程是操作系统分时调度CPU时间的基本实体，一个线程可以执行程序的任意部分的代码，即这部分代码被另一个线程并发地执行.为了使一个程序中能够同时执行不同的任务，就可以通过运行多个不同的线程来实现.它通过提高资源利用效率来提高系统的效率［10］.本文的程序所要实现的功能是在界面进行计算的时候，系统可以同时处理别的任务，如点击计算区域以外或者执行别的应用程序，而不影响计算的进行，这就用到了多线程技术.

多进程结构示意图如图7，多线程结构示意图如图8.

2 可视化界面

模式预报可视化界面如图9.界面由一个窗口组成，标题为“SurgeFW”，在菜单栏中添加了“风暴潮预报”、“验潮站”、“网格”菜单，单击后执行相应操作.工具栏区添加了风暴潮预报的快捷按钮，分别为“开始计算”、“暂停”、“继续计算”、“停止计算”、“打开输出文件”.整个工作区域分左右两块显示，左边为风暴潮过程显示区，显示计算过程中的风暴增水时历过程以及台风路径，同时计算台风所进行的时间；右边为数据曲线显示区，显示计算过程所对应的风暴增水时历曲线和台风中心移动风速大小、方向曲线.

图9 风暴潮数值预报可视化界面Figure 9 Storm surge numerical forecasting visual interface

风暴潮预报通过菜单列表对计算程序进行控制，可以编辑台风参数、水深参数，执行计算操作和浏览计算结果.验潮站子菜单列表中共有24个验潮站名称，对应计算区域内的24个验潮站，选择不同的验潮站，则曲线绘制部分也绘制出对应验潮站的时历曲线.网格子菜单列表可以选择在风暴潮增水和风速时历曲线坐标轴上添加粗网格、添加细网格、删除网格三种操作.计算区域以杭州湾一带的海域为背景，其覆盖面积为1027.86×763.95km2，土色部分表示杭州湾的陆地，蓝色部分表示海洋，其交界为沿海陆地的边界轮廓线.右侧给出水深图例，分别给出“＜0cm”、“0～50cm”、“50～100cm”、“100～150cm”、“150～200cm”、“200～250cm”、“250～300cm”、“300～350cm”、“＞350cm”九个颜色区块.右下角的时间标记框表示风暴潮发生的过程时间.随着计算的进行，不同水域呈现不同的水深颜色.陆地区域上的小图标为台风图标，标记台风移动到的位置.增水曲线和台风移速大小方向曲线过程同步进行.

程序运行完成后的界面也如图9，图中显示了台风移动的路径，随着台风的移行，海面水位有相应的变化，风暴增水的区域与台风移动情况相符，增水发生在风暴周围，随着风暴潮增强增水情况也加剧.右侧时历曲线部分以新洋港站为例绘制了风暴潮增水与风速大小方向时历曲线，由曲线可以直观的看到最大增水发生的时间与最大增水值.

3 台风实例

用本文中介绍的数值预报模式对5612号和7708台风进行计算，这两个台风在整个台风预报研究历史上都有着极其重要的意义.分别选取乍浦站、镇海站和高桥站、吴淞站四个验潮站进行实测数据与计算数据比对.然后再对2012年第1210和1211号台风进行计算，取三种网格的计算结果进行对比，验证网格大小对计算结果的影响.

3.1 台风5612和台风7708

5612号台风［11］，俗称“八一大台风”，于1956年登陆我国浙江舟山专区象山县南庄.其登陆时台风中心气压为923hPa，风速60～65m／s，整场台风造成的各种气象灾害导致超过5000人遇难，仅仅浙江就造成4000多人死亡，超过1.7万人不同程度受伤，200多万房屋损毁，经济损失难以估量.

7708号台风又名“宝佩”、“Babe”，于北京时间1977年8月31日14时，于北纬5°，东经155°海域生成，生成时的中心风速为10m／s，中心气压为1004hPa，在其生命期间，最大风速达到70m／s，最低气压达到906hPa.期间导致市区房屋损毁700余间，发生6000多起供电断线事故，黄浦江中沉没2条船，共死亡2人，重伤9人.

从图10和图11两张对比图来看，两个台风的计算结果与实测数据的总体趋势是一致的，实测数据的某些位置潮位的波动性较大，而计算值相对较为平滑，没有体现出波动较大的部分.这是因为在实际情况下，潮位值h与很多复杂的因素有关系，包括海流、浪，甚至水中的物体，海水密度的改变，都会对实际测得的潮位有影响，而在计算中，为了确保计算能够进行并尽快收敛，忽略了一些影响相对较小的非线性因素，因而无法避免这样的误差.相比之下，粗网格比两种细网格与实测值有着更好的吻合性，由此看来，细网格并非一定能很好地吻合实际情况.

3.2 台风1210和台风1211

1210号Damrey台风于2012年8月2日在江苏省沿海登陆.登陆后先后经过山东和河北，4日在渤海北部消失.Damrey是1949年以后登陆我国长江以北地区最强的台风，但由于它生成时纬度较高，且一路向西北方向移动，因此携带的热带能量和水汽就相对较小.到了高纬度地区海温较低，又受到陆地摩擦的作用，因此强度减弱得较快.

1211号Haikui台风于2012年8月5日进入我国东部海面，为强热带风暴.8日于浙江省象山县登陆，中央气象台发布台风红色预警，中国气象局也五年来首次启动了重大气象灾害一级应急响应.台风结束后，各省经济损失惨重，并有不同人次的死亡.

图12 1210号燕尾站（a）和瑞安站（b）三种网格对比Figure 12 Three grids contrast of No.1210Yanwei station and Ruian station

图13 1211号高桥站（a）和沙埕站（b）三种网格对比Figure 13 Three grids contrast of No.1211Gaoqiao station and Shacheng station

图12和图13为两个台风的不同网格对比图，相比之下可以看出网格的粗细对计算结果没有太大的影响，在风暴刚开始的时候，三种网格的结果基本是一致的，而在风暴充分发展的情况下计算值会出现少许的差别.总的来说，三种网格的计算结果十分接近，验证了网格大小对计算结果的影响是很小的.由于缺少验潮站的实测数据，所以这里只对网格大小的影响进行分析.

4 结 语

通过与实际测量值比较，可以看出程序能够较直观地预报出随时间变化的风暴潮增水高度，显示出台风路径，其计算结果也基本与实际观测水位吻合.同时，本文还存在一些不足和需要改进的地方，如果能够实现，结果将会更加精确.主要体现在以下几个方面：

1）本文中将原来的粗网格进行二分之一和四分之一细分，并结合杭州湾实际地形对海岸进行了修正，但由于采用结构化正方形网格划分，对于岸边界变化剧烈的岸段无法很好的拟合出其形状，针对这一点，在接下去的研究中可以在靠近岸边界的部分，将网格进一步细化，对于局部靠近岸段区域，采用非结构化网格拟合岸边界；

2）风场的预报精度对风暴潮的准确预报起决定作用，本文中采用了圆形风场，计算相对简便，实际风场分布情况复杂，接下去的研究可以考虑使用其他非对称的风场进行模拟.

总的来说，风暴潮位的准确预报与气象部门提供的台风参数预报、数值模型和各参数的选取都息息相关，风暴潮预报技术仍然需要继续发展以期获得更加精准、时效更高的预报结果，使风暴潮灾害所造成的影响尽量减到最小.

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