基于ADCIRC水动力模型的台风风暴潮预报模型验证

刘克强，袁杰颖，陈文召 ，陈永平

（1.太湖流域管理局水利发展研究中心，上海 200434；

2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098）

1 研究背景

台风是一种具有很强破坏力的海上热带气旋，我国沿海是受台风侵扰最为频繁的地区之一［1］。由于台风复杂的内部结构带来的强风和低压造成沿海地区普遍增水，当天文大潮时间与台风登录时间十分接近时，很有可能导致近岸地区的水位急速升高，对海岸建筑物和海上航行的船只造成严重的安全威胁，形成台风暴潮灾害［2-3］。表1为我国沿海在2010～2015年由台风风暴潮灾害导致的直接经济损失。为了有效降低台风暴潮所带来的损失，亟需开展沿海风暴潮的高精度预报研究。

目前，国内外学者已经对风暴潮数值模拟开展了大量的研究工作，先后构建了多个动力预报模式［4-6］。风暴潮过程的预报结果很大程度受到风暴潮预报模型的影响，地形是否匹配、模型的参数设定是否合理均会影响到风暴潮过程预报的结果，故开展更加高精度的台风风暴潮模型研究十分必要。

表1 2010～2015年由台风风暴潮灾害导致的经济损失

为了满足西北太平洋海域复杂岸线和分辨率的要求，数值模拟采用了目前较为成熟、应用广泛的ADCIRC水动力模型。该模型的构建是基于有限元的方法，于1992年由美国圣母大学的J.J.Wester⁃ink和美国北卡罗来纳大学的R.A.Luettich共同研制。目前，ADCIRC水动力模型已被广泛应用于河口、海洋、海岸等区域的潮汐、海流和风暴潮预报中。本文利用该模型构建了一套适用于西北太平洋海域的风暴潮预报模型，并对该模型的合理性进行了基于天文潮和风暴潮预报结果的验证。

2 风暴潮预报模型简介

2.1 台风模型

台风结构十分复杂，气压场、风场伴随台风的孕育、发展、成熟和消亡过程不断变化。目前被广泛用来描述台风气压场分布的模型有Jelesnianski模型［7-8］、Myers模型、高桥模型和藤田模型等。本文在西北太平洋海域选用的台风气压场模型为Jelesnianski模型，风场模型选用Holland（1980）台风风场模型。

2.2 ADCIRC风暴潮数值预报模型

2.2.1 模型范围和网格精度

风暴潮耦合模型的计算区域覆盖了西北太平洋地区，包括渤海、黄海、东海、南海北部和日本海南部的部分区域。计算区域覆盖范围为北纬14°～41°、东经105°～144°，模型采用非结构化三角网格，开边界处网格分辨率约为1°，岸线区域分辨率较为精细，可达0.1°。网格节点数为12 077，网格数为22 562。地形数据从GEBCO获得，在前海区域用海图进行地形修正，再插值到模型网格当中。

模型开边界有北、东、南3条，采用潮位作为开边界驱动力。开边界潮位采用全球潮波模型TPXO7.2进行计算，有M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4、MN4 共13个分潮。在本文选取的海域范围内，这13个分潮可以充分并且准确地反映该区域潮位变化。

2.3 资料的选取

本文研究的台风风暴潮预报分析所需的资料包括台风风场资料以及实测潮位资料。

2.3.1 台风风场资料

本文所选取的台风风场资料包括风暴潮模型预热和运行期间所需要的实测资料。实测资料为福建水利信息网于台风期间发布的路径、最大风速和台风中心气压实测值。在风暴潮模型预热过程中，采用的台风数据为在起报时刻前约2 d内的中心气压、最大风速和路径实测值。

2.3.2 实测潮位资料

在对潮位进行验证时，主要考虑的是风暴潮过程中的最高潮位和逐时潮位计算误差，故需要用到的实测潮位资料为各潮汐测站的最高潮位实测值和逐时潮位实测值。其中，逐时潮位资料的时间间隔取为1 h，而最高潮位出现的时刻不一定是整点，故所选取的时间间隔不一定为1 h，另外，实测资料可能存在某些时刻数据缺失或异常。对数据缺失和异常的情况进行如下说明：

（1）异常或缺失的数据。将明显异常的数据剔除，对于偶然缺失的数据，通过对预报时刻前后的数据进行线性插值加以补充，不考虑长时间缺失的数据序列。

（2）非整点时刻数据。在对逐时潮位预报误差进行统计时，不考虑非整点时刻的潮位资料；在对最高潮位预报误差进行统计时，需要考虑非整点时刻的最高潮位，预报误差通过预报最高潮位与实测最高潮位计算所得。

2.3.3 逐时潮位误差统计方法

在对逐时潮位预报误差进行计算时，取平均绝对误差作为数据比对的依据。对各个潮汐测站而言，单场风暴潮过程的逐时潮位预报误差通过对各时刻计算其预报平均绝对误差得到，公式为

式中，EMA即为所求的逐时潮位预报平均绝对误差；M为单场风暴潮过程的总预报时刻数；ei为第i个预报时刻的逐时潮位预报绝对误差，计算公式为

式中，Fi为第i个预报时刻的预报值；Oi为第i个预报时刻对应的实测值。

2.3.4 最高潮位误差统计方法

在单场风暴潮过程中，用绝对误差来表示最高潮位的预报误差。对各潮汐测站而言，每场风暴潮过程中只有一个最高潮位预报值。

3 风暴潮模型验证

为检验西北太平洋海域风暴潮模型的适用性，分别对天文潮和台风风暴潮进行了验证。选取近几年发生的典型台风风暴潮进行模拟预报，将实测潮位与相应潮汐测站的模型模拟结果进行对比分析，以验证模型准确度。

3.1 潮位验证资料

模型验证分为两个部分：①无台风登陆期间的天文潮潮位进行验证；②以1307号超强台风“苏力”、1323号强台风“菲特”以及1409号超强台风“威马逊”为例，计算台风登陆期间引起的风暴潮潮位变化。通过比较西北太平洋沿岸部分潮汐测站的实测水位过程与模型预报的潮位过程结果，论证模型的正确性。各测站地理位置见表2。

表2 西北太平洋沿岸各潮汐测站地理位置

图1 2014年6月25～28日各测站天文潮水位过程线

3.2 天文潮潮位验证结果及分析

首先对无台风登陆期间的天文潮潮位进行验证，比较潮位过程曲线的拟合情况、各测站的逐时潮位预报平均绝对误差以及最高潮位的相对误差，潮位验证时间取2014年6月25日09：00至6月28日08：00。各测站的潮位过程曲线如图1所示。各测站的模拟水位与实测水位比较结果如表3所示。

由图1可知，在验证时段内，模型计算和实测高、低潮位及过程线相位均吻合良好。从表3中可看出，各测站的逐时潮位预报平均绝对误差均在30 cm以内。通过比较高潮位的相对误差可以看出，只有崇武站的高潮位相对误差达到50 cm，其余各测站的高潮位相对误差均在±20 cm以内，满足误差许可范围±30 cm的要求，说明该模型的拟合度较好。

表3 西北太平洋沿岸各测站天文潮模拟水位与实测水位比较 m

3.3 风暴潮潮位验证结果及分析

选取1307号超强台风“苏力”、1323号强台风“菲特”以及1409号超强台风“威马逊”进行台风风暴潮数值模拟验证计算。在3场台风期间，各测站的模拟水位与实测水位对比结果分别见表4～6。

表4 台风“苏力”期间各测站风暴潮模拟水位与实测水位比较 m

3.3.1 1307号台风“苏力”

1307号超强台风“苏力”于2013年7月8日08：00在中国台湾省台北市东偏南大约2 500 km的西北太平洋洋面上生成；7月9日02：00形成强热带风暴，08：00加强为台风，17：00升级为强台风；7月10日再次加强为超强台风；7月11日开始逐渐减弱；7月13日03：00在台湾省新北市与宜兰县交界处登陆，并于同日16：00在福建省连江县黄岐半岛沿海再次登陆。“苏力”具有强度发展快、风力强、直接正面登陆、降雨强度大、影响范围广以及风、雨、潮“三碰头”的特点，造成登陆影响区域风暴增水多、巨浪狂浪高、降雨强度大。

表5 台风“菲特”期间各测站风暴潮模拟水位与实测水位比较 m

表6 台风“威马逊”期间各测站风暴潮模拟水位与实测水位比较 m

2013年7月11～14日台风“苏力”期间，西北太平洋沿岸8个测站的潮位过程验证曲线见图2。由图可见，计算和实测的高、低潮位及过程线相位吻合度较好，其中崇武站的计算潮差相比于实际潮差偏差较大，这可能是由于大尺度下绘制台湾海峡区域潮波传播及变形的不够准确所致，但参与统计的潮汐测站的逐时潮位预报平均绝对误差和高潮位的相对误差均在30 cm以内。整体上该模型的构建及各个参数设定比较合理，该模型可以用于下一阶段对台风风暴潮的预报。

3.3.2 1323号台风“菲特”

1323号强台风“菲特”于2013年9月30日20：00在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成；10月1日17：00加强为强热带风暴；10月3日凌晨加强为台风；4日下午再次加强为强台风；于7日01：15在福建省福鼎市沙埕镇沿海登陆，登陆后台风强度迅速减弱，于09：00在福建省建瓯市内减弱为热带低压，停止编号。“菲特”具有移速稳定、路径西折、发展稳定、强度逐渐增强、登陆后消亡快、风大雨强、影响范围广等特点。

图2 2013年7月11～14日台风“苏力”期间各测站水位过程线

2013年10月4～7日台风“菲特”期间，西北太平洋沿岸8个测站的潮位过程验证曲线见图3。由图可知，模拟计算和实测的高、低潮位及过程线相位吻合度良好。各测站的逐时潮位预报平均绝对误差均在30 cm以内，除崇武站的高潮位误差达到46 cm以外，其余7个测站的高潮位误差均保持在30 cm以内。鳌江站低潮位的模拟计算值偏低，造成这一现象的原因可能是由于模型尺度较大，无法较好地模拟近岸波浪破碎所造成的增水，但高潮位拟合较好，相对误差仅15 cm。本文研究侧重于高潮位的准确度，故鳌江站的模拟计算结果符合要求。总体上，台风“菲特”期间潮位预报结果较为准确。

图3 2013年10月4～7日台风“菲特”期间各测站水位过程线

3.3.3 1409号台风“威马逊”

1409号超强台风“威马逊”于2014年7月12日14：00在西北太平洋洋面上生成；15日18：20在菲律宾中部登陆；16日上午进入南海海面；17日17：00加强为强台风，19：00加强为超强台风；18日15：30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为17级（60 m/s），中心最低气压为910 hPa；18日19：30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为17级（60 m/s），中心最低气压910 hPa；19日07：10，在广西防城港市光坡镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力15级（48 m/s），中心最低气压950 hPa；19日09：00减弱为台风，15：00减弱为强热带风暴，18：00减弱为热带风暴；于20日08：00停止编号。“威马逊”是自1973年以来登陆华南地区最强的台风，具有风力大、降雨强等特点。

图4 2014年7月15～18日台风“威马逊”期间各测站水位过程线

2014年7月15～18日台风“威马逊”期间，西北太平洋沿岸8个测站的潮位过程验证曲线见图4。从图中可以看出，模拟计算和实测的高、低潮位及过程线相位均十分吻合，8个测站的逐时潮位预报平均绝对误差和高潮位相对误差均在允许范围的30 cm以内。在对台风风暴潮过程预报期间，距离台风中心最近的测站为湛江站，该测站的风暴潮预报最大值受台风参数预报精度的影响应该最大，而该测站的高潮位拟合良好，说明此处地形对台风风暴潮近岸产生的增水效应较好。该模型的构建符合海域要求，各个参数的设定比较合理，可以用于下一阶段对台风风暴潮的预报。

以上验证结果表明：①各测站的逐时潮位预报平均绝对误差均在30 cm以内，风暴潮模型计算的高潮位与实测高潮位的相对误差也基本集中在±30 cm的范围内；②台风“菲特”期间，崇武站的计算高水位与实测高水位的相对误差达到46 cm，这可能是因为崇武测站受附近台湾岛屿的影响，而大尺度模型中对较为精细的、尺度较小的群岛刻画不够精确，无法准确反映群岛对潮波的削减作用。在综合多个测站的对比结果后，表明该模型满足站点潮位验证要求。

4 结论

利用ADCIRC水动力模型构建了一套适用于西北太平洋海域的风暴潮预报模型，分别计算了无台风登陆时的天文潮潮位和台风登陆期间的风暴潮潮位。①通过对比实测潮位和模型计算潮位可以发现，两者数值基本一致，高潮位拟合的吻合度很高。②无论是在天文潮期间还是风暴潮期间，各测站的逐时潮位预报平均绝对误差均在30 cm以内。③在对天文潮进行验证时，仅有崇武站的高潮位相对误差达到50 cm，其余各测站的高潮位相对误差均在±20 cm以内，满足误差许可范围；④在对风暴潮过程进行验证时，台风“菲特”期间崇武站的计算高水位与实测高水位的相对误差达到46 cm，其余台风期间的风暴潮潮位过程验证均满足要求。综合以上结果，说明基于ADCIRC水动力模型构建的台风风暴潮预报模型是合理的，可以用于我国沿海的台风风暴潮预报。