1409号“威马逊”台风对铁山港海域的风暴潮增水研究

杨万康，杨青莹，尹宝树，伊小飞，张峰，宋泽坤

（1.中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室，山东青岛266071；2.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室，浙江杭州310012；3.广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江524088）



1409号“威马逊”台风对铁山港海域的风暴潮增水研究

杨万康1,2，杨青莹2，尹宝树1，伊小飞3，张峰2，宋泽坤2

（1.中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室，山东青岛266071；2.国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室，浙江杭州310012；3.广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江524088）

摘要：1409号“威马逊”台风是1949年以来登陆我国华南地区的最强台风。本文首先以铁山港海域的潮位站和气象站实测资料为基础，对铁山港海域的风暴增水特征进行了初步分析，结果表明：铁山港湾内最大风暴增水值要大于湾口处，通过对历史增水值进行重现期推算可知1409号台风造成的最大增水强度达到了200年一遇。台风登陆期间铁山港海域发生先减水后增水的现象，是因为铁山港海域的风向发生了转变，先是吹离岸风，后改为向岸风。然后基于MIKE21和Holland台风风场建立二维风暴潮数学模型分析了1409号台风的最大增水空间分布规律，模型结果显示地形与风暴潮增水的关系十分密切，铁山港内部湾顶位置处最大风暴增水超过了3.2 m，比铁山港口门处增加了1.2 m，因此需要格外重视铁山港湾顶处的风暴潮防灾减灾工作。

关键词：台风路径；风暴增水；重现期；风暴潮模型

1　引言

广西北海市铁山港一个狭长的半封闭型海湾，型似喇叭状，呈南北走向，水域南北长约40 km，东西最宽处10 km，一般宽4 km，东邻英罗湾，东南处毗邻安铺湾，港内主要有石头埠、沙田等港口，具体位置如图1所示。铁山港是西南地区以及华南、中南部分地区最便捷的出海口，处于西南经济圈、泛珠三角经济圈和东盟经济圈的中心枢纽位置，因此，对铁山港海域风暴潮特征进行研究，不仅具有科学研究价值，也能对港口的防灾减灾有重要意义。

广西海岸地形复杂，河口港湾众多.独特的海湾地形和港口形状有利于风暴潮增水的形成[1-2]。铁山港其地理形状近似于口袋型，水体更加容易堆积。港湾地形与风暴潮增减水的关系十分密切，即使同一类台风在不同的岸段所产生的增减水有着明显的差别[3]，李岩等人[4]研究指出气象气旋的时效和精度决定了风暴潮增水的预报结果，随着数值模拟技术的进步，许多学者对登陆广西沿岸的台风进行了数值模拟与预报，张保明利用数值模式成功的预报了9204号台风风暴增水[5]，李希茜采用考虑了天文潮与风暴潮非线性相互作用耦合模型进行风暴潮潮位预报，提高了预报精度[6]。影响广西沿海地区的台风大体分如下3种类型[1]:一是斜穿雷州半岛和海南岛东北部进入北部湾，在广西沿海或越南北部登陆，该类台风引起广西沿海港湾强烈的增水；二是横穿海南岛或雷州半岛进入北部湾，在越南北部沿海登陆，该类台风引起的港湾增水程度和范围要小于一类路径；三是绕过海南岛向北发展，在广西沿岸海岸登陆，该类台风也会引起广西沿海港湾的水位升降。影响广西地区的具体台风路径类型如图2所示。1409号“威马逊”台风为第一类台风路径，而且是最近几十年来登陆华南地区的最强台风，对广西沿岸地区造成了严重的自然灾害，本文以铁山港实测潮位资料为依据，分析了1409号台风期间铁山港海域的风暴增水特征，并结合风暴潮模型分析了1409号“威马逊”台风期间铁山港海域增水分布规律。

图1　铁山港海区地理位置示意图

2　台风特征分析

1409号“威马逊”台风于2014年7月9日在楚克东部的西北太平洋海面上生成，并向西移动。16日上午穿越菲律宾中部进入南海，并由强台风减弱为台风。18日15时30分（北京时，下同）左右，超强台风威马逊在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达17级，中心最低气压为910 hPa。18日19时威马逊在广东省徐闻县龙塘镇沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力仍有17级，中心最低气压仍为910 hPa。随后威马逊台风强度有所减弱，并以西北偏西的移动路径，掠过雷州半岛，穿越北部湾，于19日07时在广西防城港市沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力15级，中心最低气压950 hPa，登陆时其强度降为强台风（台风路径见图3）。随后受地形摩擦等影响，开始急剧减弱，并继续向偏西方向移动，最后消失在云南境内。1409号台风主要特点如下：

（1）登陆强度大，“威马逊”登陆时台风中心气压创1949年以来登陆我国华南沿海最低记录，登陆时中心附近最大风力17级（60 m/s），中心气压910 hPa；

（2）登陆次数多，先后3次登陆我国，分别在海南文昌翁田镇（7月18日15时30分）、广东湛江徐闻县沿海（7月18日19时30分）、广西防城港光坡镇沿海（7月19日07时10分）登陆；

（3）灾害严重：根据广西省民政厅统计，台风登陆时给广西境内带来了暴雨和狂风，灾害造成150.26万人受灾，农作物受灾面积3万多公顷，直接经济损失3.98亿元。

图2　影响广西地区的台风路径分类示意图

图3　1409号台风路径示意图

3　铁山港海域风暴增水特征分析

为了分析铁山港海域在1409号台风期间的风暴潮增水特征，我们选取了石头埠水文站和W1临时潮位站的潮位资料进行增减水分离，两个潮位站的具体位置如图1所示，增水统计结果如表1所示。

表1　1409号“威马逊”台风风暴增水结果统计

图4　石头埠潮位站增减水示意图

图5　W1潮位站增减水示意图

图6　英罗湾气象站风速风向示意图

根据增水统计结果可知，铁山港内部的石头埠站最大增水为271 cm，港口外部的W1测站最大增水为179 cm，铁山港湾内部的增水要远大于湾外口门处，这是因为铁山港海湾为半封闭型海湾，风暴潮发生时大量的海水涌入湾内，由于岸线地形的特殊形状，海水不断聚集而且不容易消散，所以增水值较大。

根据两个站台风过程期间的增减水曲线（见图4、图5）可知：在台风没有穿越雷州半岛之前，两个站的风暴增水都不明显，在威马逊台风穿越雷州半岛进入北部湾海域时（7月19日00时后），铁山港海域首先出现了一个较强的减水过程，7月19日02时风暴减水达到极值，石头埠站最大减水位-127 cm，湾口处的W1测站为-152 cm，减水极值发生在天文潮的高潮时刻。在风暴减水达到极值后，风暴增水开始急剧增加，迅速达到了风暴增水峰值，风暴增水发生时正好对应于天文潮的低潮位，增水曲线达到峰值后，开始迅速下降，进入风暴潮后期余振阶段，余振阶段增水值主要来源于海面起伏的惯性震荡。铁山港海域两个潮位站的最大增水都发生在台风中心经过铁山港海域之后的2—3 h，主要是因为铁山港海域的湾口地形特征和处于台风右半圆有关。

为进一步讨论铁山港海域先减水后增水这一现象，本文利用英罗湾附近气象观测站的资料来加以分析（气象站位置如图1所示），图6为T1气象站风速、风向随时间变化曲线图。由图可知随着台风穿越雷州半岛后，铁山港附近风速迅速增大，在7月19日04时左右，风速达到最大值，最大风速达到了26.5 m/s，而后随着台风强度减弱，风速逐渐减小。结合潮位站增减水曲线分析，铁山港海域两个潮位站的增减水与风速变化趋势基本一致，由威马逊台风移动路径可知，铁山港海域位于台风前进路线的右半圆，处于台风风力最强的第一象限，但是在7月19日02时之前，铁山港海域位于移动台风的前沿，铁山港海域风向为西南风即离岸风，不断增强的离岸风造成铁山港海域较为严重的减水。7月19日02时之后，台风中心离开铁山港海域，风向变为西北风，即向岸风，海水在强风的作用下涌入铁山港，造成比较严重的增水。台风风向改变的根本原因是台风中心沿路径的不断前进以及北半球台风风场的逆时针旋转特性。

为了评估此次台风增水强度，我们通过搜集石头埠站1968—2014年期间台风增水资料，按照海港水文规范要求[7]进行了耿贝尔重现期极值推算，重现期推算结果如表2所示。根据风暴增水重现期推算结果可知，1409号台风对铁山港海域所造成的增水强度达到了200 a一遇。

表2　石头埠站重现期风暴增水推算结果（单位：cm）

4　风暴增水数值模拟计算

为了分析铁山港海区增水的空间分布规律，本研究应用MIKE水动力模型[8]，添加台风模型气压场和风场并作为输入条件，建立了一个适用于铁山港海域的风暴潮数值预报模式对铁山港海域的最大风暴增水进行了回报。

4.1台风模型

本次研究采用Holland[9]台风气压模型如下:

B参数决定了台风的强度和气压轮廓线，常用的估计公式为：

B=1.1-(980-PC)/120（2）

最大风速半径计算公式为：RMW=51.6×EXP(-0.022 3×Vmax+0.028 1×lat)（3）

式中：pc为中心气压，pn为外围气压，RMW为最大风速半径，r为距离台风中心的距离，lat为台风中心纬度。

当确定了气压场之后，根据梯度风公式可以得到理论台风风场：

在北半球台风为逆时针旋转，因此台风风场会出现不对称性，台风运动路径右侧风速会更强，左侧会减弱，计算公式如下：

式中：Vfm为台风移动速度，θ台风移动方向角度，都可以由移动路径可以求得，这里θmax取为115°（考虑到入射角为25°）。

4.2水动力模型

水动力模型采用MIKE21二维水动力模块方程来计算台风风暴潮，MIKE21软件[10]在国际上被广泛应用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水质环境等要素。

在笛卡儿直角坐标系中，MIKE21连续方程和运动方程可表示为：

式中：t为时间，（x，y）分别表示向东为正和向北为正的坐标系；（U，V）为相应于（x，y）方向的从海底到海面的平均流速，η为水位，h=η+h为总水深，h则为未扰动海洋之水深，即平均海平面至海底的距离，f=2ωsinφ为Coriolis参量，ρ0为海水密度，pa为大气压力，A为水平涡粘系数，τbx,τby为x，y方向底应力，τsx,τsy为x，y方向海面风应力。

4.3模型设置与验证

为了提高风暴潮数值模式的计算精度，本次计算区域覆盖了北部湾，南海等广大区域，在陆架区、铁山港海湾等区域，海岸形状和水深对风暴潮会产生一定的影响，因此在该区域对网格进行了加密，网格分辨率最高可达50 m（见图7）。铁山港海域水深由航保部海图数据数字化得到，外海水深采用ETOP1数据。模型采用冷启动，初始水位和初始流场设为0，浅滩采用动边界干湿网格技术。然后模型验证结果如图8、图9所示，两个站的模拟结果与实测较为一致，增水峰值和发生时间误差较小，说明建立的风暴潮数值模型准确合理，较好的反映了1409号台风增水过程。

4.4最大风暴增水空间分布

根据风暴潮模型计算结果铁山港海域最大风暴增水的空间分布如图9所示，铁山港外开阔海域风暴增水为0.8—1.2 m左右，然后湾外向铁山港内部增水不断增大，铁山港内部湾顶位置最大风暴增水超过了3.2 m，比铁山港口门处增加了1.2 m，铁山港口门东侧的安铺湾和英罗湾最大增水也超过了2 m。通过1409号台风的增水空间分布规律可知：地形变化与风暴潮增减水的关系十分密切，此外湾口的几何形状对风暴潮增水的分布特征同样具有重要的贡献，同一类台风在不同的岸段所产生的增水有明显差别，尤其是铁山港海湾地理形状近似于一个口袋型，水体易进不易出，湾顶处增水会显著增大，造成的危害也更加严重。

图7　计算区域及网格

图8　两潮位站模拟结果验证比较

图9　铁山港海域最大风暴增水示意图

5　结论

本文通过对1409号威马逊台风对铁山港海域的风暴增水特征进行分析，初步得到了以下结论：

（1）铁山港内部最大风暴增水要大于湾口处，这是因为铁山港海湾为半封闭型海湾，风暴潮发生时大量的海水涌入湾内，由于地形的影响，海水不断聚集而且不容易消散，所以增水值较大。通过对铁山港海域历史增水值进行重现期推算可知1409号台风造成的最大增水强度达到了200 a一遇；

（2）1409号台风期间，铁山港海域先减水后增水，主要与台风期间铁山港海域的风向转变有关，铁山港海域先吹西南离岸风造成严重的减水，然后风向发生改变，改吹西北向岸风，造成海水向港湾内堆积，造成严重的增水。台风风向改变的根本原因是台风中心沿路径的不断前进以及北半球台风风场的逆时针旋转特性；

（3）基于MIKE21水动力和Holland台风模型，建立了二维风暴潮数学模型，模型较好的反映了1409号台风增水过程，通过分析1409号台风的最大增水空间分布规律可知：地形与风暴潮增减水的关系十分密切，同一类台风在不同的岸段所产生的增水有明显差别，铁山港内部湾顶位置处最大风暴增水超过了3.2 m，比铁山港口门处增加了1.2 m，因此需要格外重视铁山港湾顶处的风暴潮防灾减灾工作。

参考文献：

[1]陈波,邱绍芳.广西沿海港湾风暴潮增减水与台风路径和地形效应的关系[J].广西科学, 2000, 7(4): 282-285.

[2]陈波,魏更生.广西沿海风暴潮的数值计算研究[J].海洋湖沼通报, 2002, (1): 1-8.

[3]陈波,侍茂崇.廉州湾风暴潮的数值模拟[J].海洋通报, 2001, 20 (3): 88-92.

[4]李岩,沙文钰,杨支中,等.一次登陆湛江台风风暴潮数值预报[J].海洋预报, 2006, 23(1): 27-32.

[5]张保明,吴少华. 9204号台风风暴潮的预报[J].海洋预报, 1992, 9 (4): 64-68.

[6]李希茜,林丽茹,赵雪,等.南海区高分辨率非线性耦合作用台风风暴潮数值预报试验与研究[J].海洋预报, 2008, 25(4): 53-62.

[7]中华人民共和国交通运输部. JTS 145-2-2013海港水文规范[S].北京:人民交通出版社, 2013.

[8]赵鑫,姚炎明,黄世昌,等.超强台风“桑美”及“韦帕”风暴潮预报分析[J].海洋预报, 2009, 26(1): 19-28.

[9]方伟华,林伟.面向灾害风险评估的台风风场模型研究综述[J].地理科学进展, 2013, 32(6): 852-867.

[10]安永宁,杨鲲,王莹,等. MIKE21模型在海洋工程研究中的应用[J].海岸工程, 2013, 32(3): 1-10.

Study on the storm surge characteristics of NO.1409 typhoon“Rammasun”along Tieshan Bay

YANG Wan-kang1, 2, YANG Qing-ying2, YI Bao-shu1, YI Xiao-fei3, ZHANG Feng2, SONG Ze-kun2
（1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanography, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071 China; 2. Key Laboratory of Engineering Oceanography, the Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012 China; 3. College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 China）

Abstract：NO.1409 typhoon“Rammasun”is the most powerful landing typhoon in Southern China since 1949. Based on the measured data from tidal stations and weather stations in Tieshan Bay, the storm surge characteristics of Tieshan Bay were studied. The results showed that the peak storm surge inside the bay was greater than that outside the bay, and the intensity of peak surge caused by 1409 typhoon reached 200 year return period. The surge in Tieshan Bay first decreased and then increased because wind direction changed. Firstly the offshore wind blew and later changed to onshore wind. Based on MIKE21 and Holland typhoon wind field, two-dimensional storm surge model was established to analyze spatial distribution of maximum storm surge. The model results showed storm surge greatly depended on terrain, and storm surge at the top of the bay was more than 3.2 m and 1.3 m higher than Tieshan bay mouth. More attention should be paid to storm surge disaster prevention and mitigation work at the top of the bay.

Key words：Typhoon path; storm surge; return period; storm surge model

作者简介：杨万康（1987-），男，工程师，硕士，主要从事海洋预报和数值模拟工作。E-mail:yangwankang@126.com

基金项目：广东海洋大学近海海洋变化与灾害重点实验室开放基金（GLOD1405）；中科院海洋环流与波动实验室开放基金（KLOCAW1406）；海洋二所基本科研业务费专项资金（JG1408）。

收稿日期：2015-07-06

中图分类号：P731.23

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）01-0080-06