覆盖中国沿海地区的精细化台风风暴潮模型的研究及适用

刘秋兴，董剑希，于福江，傅赐福，李明杰

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081，2.河海大学，江苏南京 210098）

覆盖中国沿海地区的精细化台风风暴潮模型的研究及适用

刘秋兴1，2，董剑希1，于福江1，傅赐福1，李明杰1

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081，2.河海大学，江苏南京 210098）

精细化风暴潮预报是目前风暴潮预报重点发展方向之一，本文首次建立起了一个覆盖整个中国沿海地区的精细化台风风暴潮数值模型，克服了以往分区域数值模型的不足，该模型在中国沿海地区的分辨率达到300 m左右。模型采用了并行计算，并对2012年和2013年灾害性台风风暴潮过程进行了数值检验，计算精度和计算所用时间都能够满足业务化运行的要求。本文同时还根据中国气象局、美国国家气象局等5家主要台风预报机构给出的24 h台风预报，对2013年度灾害性台风风暴潮过程进行了24 h数值预报检验，检验结果表明：根据中国气象局台风登陆前24 h预报可以得到更准确的风暴潮预报结果，其预报结果优于其他各家预报结果。该结论可以为今后的台风风暴潮预报中台风路径的选取提供重要的参考。

精细化预报；中国沿海地区；风暴潮

1 引言

我国沿海地区历来都是整个西北太平洋沿岸台风风暴潮灾害的重灾区，近5年来（2009－2013年）平均每年台风风暴潮灾害损失超过94亿元［1］，仅2013年发生在我国东南沿海的台风风暴潮过程就多达14次，其中3次灾害性台风风暴潮过程达到红色预警级别，全年因台风风暴潮造成灾害损失超过150亿元，占到全部海洋灾害损失的90%以上，全国沿海7省市均不同程度的遭受损失，其中尤以浙江、福建和广东受灾最为严重。由此可见，准确而及时的台风风暴潮预报对保护沿海地区人民生命财产安全至关重要。

为了刻画台风风暴潮过程，准确的给出台风风暴潮预报，不断满足沿海地区海洋防灾减灾工作对精细化预报的要求，研究人员对不同海区开始了台风风暴潮预报模型的研究和开发工作［2—4］。特别是近年来，由于非结构网格在精细化刻画水深、地形信息，分辨率设置灵活等方面的优势，研究人员开始把目光更多的投向基于非结构网格的精细化风暴潮模型的开发和研究工作中去［5—7］，实现了海域的精细化风暴潮预报。

然而，目前分区域的台风风暴潮数值预报模型对风暴潮预报表现出一定的局限性，特别是当一个台风跨越几个海区，任何区域台风风暴潮数值模型均无法完整刻画整个风暴潮过程。受计算条件等各方面因素的制约，目前尚未开展针对于全国沿海地区的精细化台风风暴潮数值预报研究，本文利用现有的技术和计算条件，建立了一个覆盖整个中国沿海地区的精细化台风风暴潮数值预报模型，该模型首次实现了对整个中国沿海地区的风暴潮精细化预报，并对2012年和2013年典型台风风暴潮过程进行了数值检验。

此外，目前台风风暴潮预报精度仍然主要受限于台风预报的准确性，本文还选用了当前西北太平洋区域的5家主要台风预报机构的预报结果，利用已经建立的覆盖整个中国沿海的精细化台风风暴潮数值预报模型对2013年台风风暴潮过程进行了预报检验，初步弄清了2013年各家台风预报机构预报结果对风暴潮预报精度的影响。

2 精细化台风风暴潮数值模型的建立

我国海岸线蜿蜒曲折，沿海地区岛屿众多，河口港湾分布密集，特别是随着近年来，沿海地区的不断开发开放，沿岸的水深地形发生了很大变化，而水深地形的变化对台风风暴潮的模拟精度也有着较大的影响。

本文采用最新获得的水深和地形信息，如图1a，首次建立起了覆盖整个中国沿海的精细化台风风暴潮数值预报模型，模型在整个中国沿海地区的分辨率在300 m左右，能实现对重要地形、岛屿和岸线的刻画。

由于该台风风暴潮数值预报模型覆盖整个中国沿海地区，如图1b，模型实现了对所有影响我国沿海地区不同源地的台风过程的精细化台风风暴潮预报。

图1 模型覆盖区域水深岸线分布（a）和网格分布（b）Fig.1 Contour plots of water depth and distribution of coastal lines（a）and schematic of computational grids（b）

计算模型采用目前国际上使用较为广泛的水动力模型Advanced Circulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，该模型基于有限元方法采用非结构网格技术可以实现对沿岸水深地形的精细化处理，该模型的并行版本可以大幅度的提高计算能力，有效的节省计算时间。此外该模型还有一维海堤处理等能力，是目前国际上被广泛采用的水动力计算模型。

在球坐标系下，连续方程和运动方程可表示为式：

初始条件为：ζ＝u＝v＝0；海岸边界条件为：边界的法向速度为0。

该模型的驱动风场为目前被广为采用的Holland模型风场［8］。模型风场中未融入背景场，台风气压场分布如式（4）：

式中，P（r，θ）是距台风中心r处的海表面气压值，为径向距离r、方位角θ的函数；Pc为台风中心气压，Pn为台风以外不受干扰的背景气压，取为1 012 hPa；Rmax是台风最大风速半径，为方位角θ的函数。

在Holland台风风场的计算中，假设梯度风平衡，即气压梯度力、离心力与科氏力的平衡所得到切向风速，见公式（5）：

式中，V（r）为距离台风中心r的切向风速，ρa为空气密度，f为科氏参数；Vmax是最大风速；B是台风轮廓参数，表征台风眼区直径和切向速度梯度，一般取值1.0～2.5。该模型计算得到的风场是轴对称的，在台风移动方向的右半圆科氏力作用使得切向风速加强，左半圆切向风速减弱。

覆盖整个中国沿海的精细化风暴潮数值预报模型计算区域涵盖了包括渤海、黄海、东海、台湾海峡及南海大部分区域在内的整个中国沿海海域，包含了约1 179 499个计算格点，2 305 840个计算单元。计算区域网格分辨率由外海的10多千米依次提高到沿岸的300 m左右，这样既保证模型能够准确地刻画出台风进入该区域后风暴潮的变化情况，又减小了相应的计算量。为了保证计算的稳定性，计算的时间步长设定为12 s。

3 数值模型在渤、黄海和南海沿岸的后报检验

由于模型覆盖了整个中国沿海地区，为了验证模型对全国沿海地区的适用性，本文分别选取2012年影响渤、黄海和南海的两次典型台风风暴潮过程进行了后报检验（后报台风路径和强度均来源于中央气象台台风网，下同）。影响东海的台风风暴潮过程的后报检验在下一章节有阐述。两次过程分别为登陆江苏沿海并继续影响渤海的1210号台风“达维”和登陆雷州半岛沿海的1213号台风“启德”。从模拟的过程的最大增水统计分析来看，各站最大增水误差不超过15 cm，仅1210号台风风暴潮过程期间，烟台站最大增水相对误差为17.3%，其余各站相对误差均不超过15%，如图2、图3所示，表明该模型对影响渤黄海及南海的台风风暴潮过程也有较好的模拟能力。

图2 1210号台风增水模拟（计算起始时间为2012年8月1日08时）Fig.2 Comparision of storm surge between observed data and model results（since 0800 UTC 1 Aug 2012）

4 2013年台风风暴潮特征及预报模型的检验和适用

本文选取了2013年3次典型的达到红色预警级别的灾害性台风风暴潮过程，用台风实况分别驱动该预报模型，检验了模型的准确性。还选取了包括中国气象局（CMA）、美国联合台风警报中心（PTWC）、日本气象厅（JMA）、中国台湾中央气象局（CWB）、香港天文台（HKO）（以下简称中央台、美国台、日本台、台湾台、香港台）家机构的24 h台风预报结论进行风暴潮计算并与实况做出对比分析。

图3 1213号台风增水模拟（计算起始时间为2012年8月15日20时）Fig.3 Comparision of storm surge between observed data and model results（since 1200 UTC 15 Aug 2012）

4.1 2013年台风风暴潮过程特征

2013年全年共有14次台风风暴潮过程影响我国沿海地区，主要影响区域为长江口以南沿海，如图4所示，红色代表3次达到红色预警级别台风风暴潮过程，包括“潭美”台风风暴潮、“天兔”台风风暴潮和“菲特”台风风暴潮。

纵观全年风暴潮过程，可以归纳为以下几个特点：

（1）风暴增水幅度大。“菲特”台风风暴潮在浙江鳌江潮位站引起的最大风暴增水达到3.75 m。

（2）多个潮位站高潮位破该站历史最高潮位记录。“天兔”台风风暴潮过程期间，福建东山潮位站出现了超过当地红色警戒潮位14 cm的高潮位，为该站历史最高潮位，广东海门潮位站出现了超过当地警戒潮位139 cm的高潮位，为该站历史最高潮位，汕头潮位站出现了超过当地警戒潮位105 cm的高潮位，为该站历史第二高潮位。“菲特”台风风暴潮过程在浙江鳌江站观测到了超过当地警戒潮位148 cm的历史最高潮位。

4.2 2013年台风风暴潮过程检验及适用

4.2.1 1312号台风风暴潮过程

1312号热带气旋“潭美”于2013年8月18日11时生成于菲律宾以东洋面，生成后沿西北方向移动，强度继续加强，并于8月20日20时加强为台风并维持，22日凌晨“潭美”在福建省福清市沿海登陆。“潭美”登陆前后由于沿岸天文大潮期，浙江瑞安、鳌江等潮位站出现了超过当地警戒潮位80 cm以上的高潮位，福建三沙、沙埕等潮位站出现超过当地橙色警戒潮位的高潮位。图5再现了“潭美”过程期间瑞安、鳌江、三沙、沙埕等潮位站实测增水与各家台风机构预报增水的对比。

图4 2013年影响我国沿海地区的台风路径Fig.4 Typhoon tracks influencing China's coastal areas in 2013

4.2.2 1319“天兔”台风风暴潮过程

1319号热带气旋“天兔”于2013年9月17日生成于菲律宾以东洋面，生成后沿西北方向移动，强度继续加强，并于9月19日17时加强为超强台风并维持至9月21日19时，随后强度逐渐减弱，22日傍晚“天兔”在汕尾沿海地区登陆。“天兔”登陆前后由于沿岸正处于沿岸天文高潮位，广东海门、汕头等潮位站出现了超过当地警戒潮位80 cm以上的高潮位。图6再现了“天兔”过程期间汕头、海门、东山、汕尾潮位站实测增水与各家台风机构预报增水的对比。

图5 1312号台风增水模拟（计算起始时间为2013年8月20日14时）Fig.5 Comparision of storm surge between observed data and simulated results using typhoon from different agencies during typhoon Trami（since 0600 UTC 20 Aug.2013）

4.2.3 1323“菲特”台风风暴潮过程

1323号热带气旋“菲特”于2013年9月30日生成于菲律宾以东洋面，生成后沿西北方向移动，强度继续加强，并于10月4日07时加强为强台风，7日凌晨“菲特”在闽浙沿海地区登陆。“菲特”影响期间由于沿岸正处于沿岸天文大潮期，浙江瑞安、鳌江等潮位站出现了超过当地警戒潮位80 cm以上的高潮位。图7再现了“菲特”过程期间瑞安、鳌江、洞头潮位站实测增水与各家台风机构预报增水的对比。

4.2.4 3次过程的统计检验

由图5～7以及表1中，我们可以看到：在台风路径和强度相对准确（即后报）的条件下，风暴潮数值模型计算增水误差仅为14%，位相也与实况吻合较好。模型比较准确的反映了风暴潮过程；而采用了中央气象局等5家预报机构的24 h台风预报驱动风暴潮模式后，可以发现各预报增水值与实况误差均在30%以上，各家预报结果无论是在增水量值和位相上都逊于后报结果。而在5家预报机构的台风预报中，中央台预报的台风驱动风暴潮模型得出的效果最好，尽管不是每一次过程预报效果都能达到最好，但在3次预报中综合来看，24 h的台风风暴潮预报相对误差仅为30.3%，达到了较高的预报精度。中国香港台次之，相对误差也仅为32.3%，他们都优于美国、日本、台湾等预报机构台风预报计算得到的40%以上的风暴潮预报误差。究其原因：就台风路径预报的准确率来看，登陆前24 h香港台台风路径预报准确率最高，误差在80 km左右；中央台和美国台的台风路径预报误差均在90 km左右；台湾台的路径预报误差为100 km左右，而日本台的台风路径预报误差达到了120 km，各家预报机构台风路径的预报误差直接反应到风暴潮的预报误差，是风暴潮预报误差的主要来源之一。而近岸台风强度预报误差、风暴潮模型本身存在的计算误差以及风暴潮所选站点样本数较少也都直接影响最终风暴潮模型计算误差的统计结果，这也是中央台和美国台在台风路径预报准确率相当的情况下，而两者驱动台风风暴潮模型后，得出风暴潮预报结果差异的主要原因。

图6 1319号台风增水模拟（计算起始时间为2013年9月20日20时）Fig.6 Comparison of storm surge between observed data and simulated results using typhoon from different agencies during typhoon Usagi（since 1200 UTC 20 Sep.2013）

表1 各站最大风暴增水模拟与实测对比（单位：cm）Tab.1 Comparison of storm surge between observed data and different storm surge model forecasting results（unit：cm）

图7 1323号台风增水模拟（计算起始时间为2013年10月5日08时）Fig.7 Comparison of storm surge between observed data and simulated results using typhoon from different agencies during typhoon Fitow（since 0000 UTC 5 Oct 2013）

5 计算效率分析

模型运行于国家海洋环境预报中心的神威高性能计算机上，采用不同的计算资源分别对台风风暴潮过程进行了72 h数值预报，其中32核模拟需要计算时间为150 min，64核模拟需要60 min，128核模拟需要28 min，256核模拟需要23 min。由图6可以看到，采用128核并行计算，模型能够表现出更好的计算效率。

6 结论

文中首次建立了一个覆盖整个中国沿海地区的精细化台风风暴潮数值模型，模型对影响中国沿海地区的台风风暴潮过程均表现出较好的模拟能力，特别是通过2012年和2013年典型台风风暴潮过程检验，增水值后报平均相对误差不超过15%，模型对风暴潮过程模拟效果良好。可以满足对台风风暴潮预报的精度要求。

图8 不同核数所用时间对比图Fig.8 Comparison of time cost using different computer cores

该精细化台风风暴潮数值模型在大型机上运行良好，计算稳定性较强。采用128核计算，计算效率最高，所用计算时间可以满足台风风暴潮业务化预报对时间的要求。

文中对2013年中央台等多家预报机构给出的台风预报进行了风暴潮预报检验，检验结果表明采用中国气象局台风24 h预报可以得到更准确的台风风暴潮预报结果，这为我们今后台风风暴潮预报实践中，台风路径的选取提供了重要参考。

［1］国家海洋局.2004－2013年中国海洋灾害公报［R］.北京，2004－2013.

［2］于福江，张占海.一个东海嵌套网格台风风暴潮数值预报模式的研制与应用［J］.海洋学报，2002，24（4）：23－33.

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［4］黄世昌，李玉成，谢亚力，等.杭州湾内天文潮与风暴潮耦合模式建立与应用［J］.大连理工大学学报，2010，50（5）：735－741.

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A high-resolution typhoon storm surge forecast model covering the whole China's coastal areas and its application

Liu Qiuxing1，2，Dong Jianxi1，Yu Fujiang1，Fu Cifu1，Li Mingjie1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China；2.Hohai University，Nanjing 210098，China）

High-resolution storm surge forecast is one of the newest trends in the field of storm surge forecast.In this paper，a new high-resolution forecast model that covered the whole China's coastal areas was constructed，which have overcome the drawback of previous sub-regional numerical forecast model.The grid resolution near coastal areas was about 300 meters.Parallel computation was employed.The accuracy and computation time met the requirements of operational forecast through the numerical tests of typical typhoon storm surge in 2012 and 2013.24 hours typhoon forecasts of Five agencies were also utilized to carry out the tests.The results showed that the most accurate storm surge forecast result is obtained according to China Meteorological Administration's typhoon forecast in 2013.The conclusion provided an important reference for the future storm surge forecast.

high-resolution；China's coastal areas；storm surge

P731.23

A

0253-4193（2014）11-0030-08

2014-02-18；

2014-04-19。

国家“十二五”科技支撑课题（2013BAB04B02）。

刘秋兴（1982—），男，天津市人，助理研究员，主要从事风暴潮的预报和研究工作。E-mail：lqx＠nmefc.gov.cn

刘秋兴，董剑希，于福江，等.覆盖中国沿海地区的精细化台风风暴潮模型的研究及适用［J］.海洋学报，2014，36（11）：30—37，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.004

Liu Qiuxing，Dong Jianxi，Yu Fujiang，et al.A high-resolution typhoon storm surge forecast model covering the whole China's coastal areas and its application［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：30—37，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.004