1522号台风“彩虹”在雷州半岛东部海域的风暴潮研究

熊梦婕，章卫胜，张金善，殷成团

（1.南京水利科学研究院，江苏南京210024；2.水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210024）

1522号台风“彩虹”在雷州半岛东部海域的风暴潮研究

熊梦婕1,2，章卫胜1,2，张金善1,2，殷成团1,2

（1.南京水利科学研究院，江苏南京210024；2.水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏南京210024）

建立了三重嵌套的高分辨率二维风暴潮与天文潮耦合数值模型，研究了雷州半岛东部海域风暴增水的时空分布规律及其产生原因。模拟结果表明：1522号强台风“彩虹”在雷州半岛东部海域引起的风暴增水呈现由南向北逐渐增加的趋势，分布大致以台风路径为界：台风路径右侧的南三水道、鉴江等地发生2.8 m以上的强烈增水，向岸东南风的持续影响与向西凹进的海湾地形是引起当地风暴增水的两个主要因素；台风路径左侧的雷州湾西岸则发生了显著的减水现象，南渡站的实测最大减水值达到2.11 m，与台风登陆前后当地受离岸风的作用有关。

台风；雷州半岛；数值模拟；风暴增水；风暴减水

1 引言

雷州半岛地处中国大陆最南端，西临北部湾，南与海南岛隔琼州海峡相望，夏秋季热带气旋活动频繁，是我国遭受台风暴潮灾害最严重的岸段之一。其特殊的地理位置以及向西凹进的弯曲型海岸形态十分有利于风暴增水的发展。

据统计，1949—2005年间，粤西地区共发生风暴潮灾害27次，其中特大潮灾9次，而广东省其他岸段的特大潮灾发生次数之和也仅有6次[1]。从历史最大增水上看，南渡站在8007号强台风中测得585 cm的风暴增水，是我国有验潮记录以来的最大值，居世界第三；湛江港的历史最大增水也达到497 cm，居广东省第二[2]。从灾害程度上看，20世纪70年代以来广东省死亡人数最多（8007号强台风，共造成455人死亡）和经济损失最严重（9615号强台风，直接经济损失201.25亿元）的两次风暴潮灾害均发生在湛江地区。

影响雷州半岛的台风大体可分为3种类型。一是在湛江以南登陆的西北方向行进的台风，雷州半岛处于这类台风行进路径的右侧风场，常遭受强烈增水[3-4]；二是在湛江或湛江以东登陆并北上的台风，这类台风引起的增水通常要小于第一类路径[5-6]，但由于雷州半岛部分地区处于台风行进路径的左侧，可能发生一定程度的减水；三是在海南岛以南或绕过海南岛在广西沿海北上登陆的台风，这类台风的发生频次较少，对湛江的影响程度弱于第一类和第二类台风路径。1522号台风“彩虹”属于第二类台风路径。“彩虹”在湛江市坡头区沿海登陆，致使广东、广西和海南三地因灾直接经济损失27.02亿元、死亡7人、受灾369.11万人，是造成2015年中国经济损失最严重的台风。

本文以雷州半岛东部的实测气象和潮位数据为验证资料，建立了大-中-小三层嵌套、局部高分辨率的二维风暴潮与天文潮耦合数值模型。大模型覆盖了整个南中国海和东中国海，与传统的中尺度模拟区域相比，这种利用大模型提供边界条件、局部模型精细计算的方法有利于提高局部模型边界上的风暴潮位精度，并加快计算效率。本文应用该模型计算并分析了在1522号强台风“彩虹”作用下，雷州半岛东部海域风暴潮的时空分布规律，并研究了当地的风暴潮特征及产生原因。

2 台风特征分析

1522号台风“彩虹”生成于菲律宾以东洋面，于2015年10月2日02时（北京时，下同）由热带低压加强为热带风暴，10时左右进入南海并不断向西北方向行进。3日下午14时增强为台风，晚上23时增强为强台风，并于4日14时10分以强台风级别在广东湛江市坡头区登陆，登陆时近中心最大风力达到15级（50 m/s），中心最低气压为935 hPa，是广东省有气象记录以来10月份登陆的最强台风。“彩虹”登陆后继续向西北方向移动，受下垫面摩擦的影响，强度不断减弱，于5日11时在广西省境内减弱为热带低压。图1为台风“彩虹”的路径示意图。此次台风具有移动速度快、登陆强度强等特点，台风中心在大洋中的最大移动速度约为25 m/s，并在登陆后造成两广多地发生暴雨[7]和龙卷风[8]灾害。

3 风暴潮模型的建立与验证

3.1 台风模型

台风气压场由Holland模型给出：

式中：p(r)是距离台风中心r处的气压；pc是台风中心最低气压；∆p是外围气压与中心最低气压的差值。该模型包含两个可调参数Rmax和B：Rmax为最大风速半径，指台风水平结构内部风速最大处到台风中心的距离；B为Holland引入的用来描述气压剖面形状的参数，根据台风实况选择不同的参数B，可以增强模型的适用性。本文应用林伟等[9]根据2001—2009年美国联合台风警报中心整编的6 426条热带气旋参数资料建立的最大风速半径与中心气压差的回归方程作为经验公式计算Rmax。

图1 1522号台风“彩虹”路径图（世界时）

B系数选用Vickery等根据大西洋海域的数据提出的计算公式给出：

式中：φ为台风中心所在纬度。

风暴潮模型中的风场采用背景风场与台风经验模型的合成。在台风中心附近约几百公里的范围以内，经验模型可以较好地反映台风大风区的风场特征。模型风场为梯度风风场Vg与移行风场Vt的叠加。

式中：c1和c2是订正系数，c1=1.0，c2=0.8；θ是计算点与台风中心的连线与正东方向的夹角；β为流入角修正。梯度风风场Vg可表示为：

式中：ρa为空气密度，取1.15 kg/m3；f=2ωsinφ为科氏力系数，ω=7.272×10-5rad/s为地球自转角速度。移行风场Vt采用宫崎正卫公式，其分布形式为：

图2 研究区域地形及测站位置

式中：Vx和Vy分别是台风中心移动速度的正东和正北分量。而在台风外围，由于同时受到其他天气系统的影响，风场与经验模型差别较大，需考虑叠加背景风场。本文采用日本气象厅提供的第二代全球气候再分析数据库JRA-55给出的风速场作为背景风场。背景风场与台风经验模型的合成方法为：

式中：VQ为背景风场；经验风场VM由式给出；e为权重系数，e=c4/(1+c4)，c=r/(10×Rmax)。

3.2 风暴潮模型

本文的风暴潮模型采用大、中、小三层嵌套的方法。大模型范围包括东中国海和南中国海，模型采用球面坐标系下方程，网格尺度为2'×2'，离散采用DSI法，边界采用8个主要调和常数（M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1）预报潮位[10]。中模型范围包括北部湾和粤西海岸，北边界取在黄茅岛（E113°02'03″，N21°56'52″）附近，南边界取在越南会安（E108°24'08″，N15°52'07″）附近。模型采用无结构三角形网格，网格尺寸在0.8～3 km之间，利用大模型提供边界条件。小模型计算范围包括湛江湾和雷州湾，采用无结构三角形网格，开边界处的网格大小约为1 km，雷州湾的岸边界、岛屿附近的网格分辨率约为400 m，湛江湾及以北区域的分辨率约为150 m，海域地形如图2所示，网格剖分见图3。小范围模型的潮位边界条件由中模型给出。大、中、小模型的计算均同时考虑风场、气压场作用。直角坐标系下的二维潮流运动控制方程：

式中：ζ水面高度；H=ζ+h为总水深；U、V为x、y方向的垂线平均流速；f为科氏系数；pa为大气压强；ρ为海水密度；g为重力加速度；εx、εy为x、y方向紊动粘性系数，按Smagorinsky公式计算；τsx、τsy为海面风应力在x、y方向的分量，表示为：

式中：ρa为空气密度为海上10 m处的风速大小；wx、wy为x、y方向的风速分量；cd为风拖曳力系数。

图3 中尺度模型和局地模型网格剖分示意图

式中：τbx、τby为底摩擦应力分量，表达式为：

3.3 模型验证

图4 风场模型验证结果

水值与实测相比误差较小，模拟得到的增水发生时刻也对应较好。表明数值模型对真实风暴潮过程的模拟具有较高精度。

4 风暴潮特征分析

4.1 特征站点的风暴潮位和增水分析

在此次强台风过程中，湛江站出现较大的增水，而南渡则出现明显的减水现象。湛江站的最高潮位为2.72 m（珠江基面），出现在4日03时，与潮汐表显示的该站当日最高天文潮位的发生时刻一致。湛江站的最大增水为2.12 m，发生在登陆时刻4日14时。尽管增水值较大，但由于台风登陆时刻恰为天文潮平潮期，较大的增水并未引发超高水位。从增水过程上看，湛江站为标准型增水，曲线的先兆波、主振和余振3个阶段十分明显，主振有明显的大突起峰值，发生在台风登陆前后1 h内。

南渡站的最高潮位为2.66 m（珠江基面），也出现在4日03时。南渡站的增水过程与湛江站不同，为波动型增水，最大增水值较小，仅有1.48 m，发生在台风登陆前的4日12时；而在4日15时，即台风登陆后一个小时，南渡站出现了2.11 m左右的减水。

4.2 风暴增水空间分布特征

图6和图7分别为1522台风在雷州半岛东部海域引起的最大风暴增水与风暴减水的分布图。对比两幅图可知，受台风移动方向和海湾地形的影响，1522号台风期间，雷州半岛东部海域的风暴潮增水分布情况大致以台风路径为界，台风前进路径的右侧以增水为主，左侧则以减水现象较为显著。这与台风登陆前后的风向关系较为密切。当台风中心登陆湛江湾时，位于台风路径右侧的南三岛、南三水道、鉴江等地受向岸的东南风控制，海水易堆积于海湾和河道内；而位于台风路径左侧的雷州湾、南渡等地则受强烈的西风作用，离岸的风拖曳力使岸边水位急剧下降；而在台风中心经过的湛江湾内，受到登陆前向岸风的吹刮以及登陆时气压降低的双重作用，也发生了较大增水。

图5 计算风暴潮过程与实测对比图

雷州半岛东部海域的最大风暴增水呈现由南向北逐渐增加的趋势。由图6可知，南部雷州湾内的最大增水仅为1～1.6 m；湛江湾内的增水在2～2.2 m之间，湾顶略有增加；全海域的最大增水发生在北部的南三水道和鉴江，鉴江内有2.8 m以上的增水，而南三水道内则有局部超过3.2 m的增水。

图6 1522号台风增水分布图

台风风场与当地地形是影响风暴增水分布的两个重要因素。台风风场很大程度上依赖于最大风速半径Rmax的值，该参数能够在一定程度上反映了风速高值区的影响范围。由于台风气旋结构具有显著的差异性，Rmax的值与中心气压差、纬度等许多因素有关，需要根据台风气象资料进行拟合才可给定。在台风“彩虹”中，由Holland模型拟合湛江、阳江、电白等多个气象站资料得到的台风登陆时的最大风速半径约为20 km，从图8中可以看出：北部的南三水道和鉴江恰位于台风路径右侧最大风速半径处，向岸风作用最为强烈。且南三水道是向内束窄的地形，向岸风的作用使能量在水道内集中、水体发生堆积并雍高。可见，南三水道和鉴江内的剧烈增水反映了风场和地形的双重影响。

图7 1522号台风减水分布图

图8 台风登陆前（4日11时）和登陆时（4日14时）的风场示意图

“彩虹”引起的风暴减水现象则集中发生在雷州湾西岸和北岸。雷州湾西岸南渡附近的减水值较大，达到2.1 m以上，北岸的减水稍小，普遍在1 m以内。造成这些岸段减水的原因与强台风登陆前和登陆时的离岸风有关。图8显示，台风登陆前，偏北风的作用造成雷州湾北侧岸段减水；随着台风中心靠近，当地风向转而向西，造成西岸的南渡附近发生减水，且由于靠近台风中心，该海域的减水现象更为严重。陈奕德等[11]曾统计了湛江港在1953—1982年期间117场风暴潮增水资料，其中减水超过0.7 m的共12场，占资料总数的10.3%；尤其在6706、7220等在湛江以东登陆并北上的台风中，湛江港出现了大于1 m的风暴减水[12]。风暴减水会使大片海滩露出，严重影响舰船和大型油轮、货轮的航行和锚泊[13]。需要指出的是，在统计热带气旋在雷州半岛引起的风暴潮时，尤其是对于台风中心在湛江附近及其以东登陆的情况，应当注意对风暴减水值的统计。

5 结论

本文建立了三重嵌套的高分辨率二维风暴潮与天文潮耦合数值模型，对1522号台风“彩虹”在雷州半岛东部海域引起的风暴增水特征进行分析，得到以下结论：

（1）台风中心正面登陆于湛江湾，湛江港出现较大增水，最大增水值为2.12 m，发生在台风登陆时刻；南渡则出现了较大减水，最大减水值为-2.11 m，发生在台风登陆后一个小时。由于台风登陆时刻恰为天文潮平潮期，较大的增水未引发超高水位；

（2）台风期间，雷州半岛东部海域的风暴潮增水大致以台风路径为界：位于台风前进路径右侧的南三水道、鉴江等地，受向岸的东南风控制，以增水为主；而位于台风前进路径左侧的雷州湾内，受离岸西风的控制，出现了显著的减水现象；

（3）研究海域的最大风暴增水呈现由南向北逐渐增加的趋势，全海域的最大增水发生在南三水道内。台风风场与海湾地形是影响风暴潮增水的两个主要因素。对于向内束窄的河道地形，向岸风的吹刮使水体易于流入水道并雍高，造成严重的增水；

（4）研究海域的风暴减水主要发生在雷州湾的西岸和北岸，西岸的南渡河附近尤为严重。今后在统计热带气旋经过雷州半岛引起的风暴潮时，尤其是对于台风中心恰好在湛江湾或其以东登陆的情况，应当注意对风暴减水值的统计；

雷州半岛是我国受台风影响最频繁的地区之一，受北半球右旋风场作用和南海开阔陆架地形的影响，台风路径东侧的海岸地区在遭受风暴潮灾害的同时，也易遭受严重的台风浪灾害，危及沿岸堤坝安全。今后需要重视对台风浪的模拟预报，在本模型的基础上进一步发展风-浪-流全耦合模型，提高湛江湾海洋灾害安全预警的研究及应用水平。

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Study on strom surge of the Typhoon“Mujigae”(1522)in the East Leizhou Peninsula

XIONG Meng-jie1,2，ZHANG Wei-sheng1,2，ZHANG Jin-shan1,2，YIN Cheng-tuan1,2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024 China;2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210024 China;3.Department of the PLA navy military facilities construction,Southern Theater,Zhanjiang China)

A two-dimensional numerical model coupled with storm surge and astronomical tide,with a high resolution and three domain nested grid,is established to study the temporal and spatial distribution characteristic of the strom surge in typhoon Mujigae(1522).The simulation results show that the strom surge pattern in the east of Leizhou Peninsula is divided by the typhoon track.The right-side regions of the typhoon track,such as the Nansan Channel and the Jian River,are characterized by intense surge.The surge depends on the special topography of westward-curved bay shape and the sustained onshore wind before landing.While,the left-side regions of the typhoon track,such as the west coast of the Leizhou Bay,where suffered offshore west wind around the landfall of typhoon,are characterized by significant set-down.The maximum set-down reaches-2.11 m at Nandu.

typhoon；Leizhou Peninsula；numerical simulation；strom surge；set-down

P731.23

A

1003-0239（2017）06-0057-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.007

2017-02-04；

2017-03-29。

国家重点研发计划（2016FYC1402000）。

熊梦婕（1990-），女，助理工程师，硕士，从事河口海岸动力学及海岸灾害数值模拟方面的研究。E-mail：mjxiong@nhri.cn