泗礁岛周边海域风暴潮增减水特征浅析——以台风“灿鸿”为例

左常圣,黄清泽，林春霏，张建立 ，李文善

(1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.宁德海洋环境监测中心站， 宁德 352000；3.天津航海仪器研究所，天津 300131)

引 言

近年以来，全球气候逐渐变暖，对我国沿海造成影响的风暴潮的次数和强度较以前有所增加[1]。风暴潮灾害在我国海洋灾害中影响最大，导致直接经济损失最为严重[2-3]，成为我国海洋防灾减灾面临的重大挑战之一[4]。国内外对风暴潮的研究方法主要有理论方法、统计预报和数值模拟方法[5]。国外对风暴潮理论和数值模拟开始于上世纪50年代[6]，上世纪90年代三维数值模型广泛应用于风暴潮研究[7-8]。我国对于风暴潮的研究是从60年代开始[9]，80年代以来我国风暴潮数值模拟取得了长足发展[10]，对我国各个海区的风暴潮数值模拟和应用都取得了良好的效果[11-12]。

海岛处在大陆的最前沿或是孤立于离大陆较远的外海区域，受全球气候变化和海洋、气象等各动力作用的影响较大，易发生海洋灾害，产生较大损失。海岛在地理空间、承灾体和防灾减灾等方面都具有一定的独特性，与大陆海洋灾害相比存在明显差异[13-14]。

嵊泗列岛主岛泗礁山位于嵊泗县中部，是嵊泗县中心城镇所在地，与大中城市上海、杭州以及宁波等隔海相望，东侧是太平洋，地缘优势明显，属于浙江舟山新区经济社会发展的重要组成部分。浙江舟山群岛新区建立之后，在海洋海岛开发过程中，关于海岛的防灾减灾和保护受到了格外的重视[15]。

本文应用FVCOM海洋模型及其STORM模块[16-17]，添加台风模型的气压场和风场，开展泗礁岛海域的风暴潮数值模拟，分析研究嵊泗海域风暴潮增减水过程，为海岛的海洋防灾减灾和保护等工作提供技术参考，同时对于科学预警预报海岛区域的台风风暴潮增减水，精确优化潮汐预报等工作有着一定的借鉴意义。

1 “灿鸿”台风特征及数据来源

1.1 “灿鸿”台风

图1 验潮站位置分布图

“灿鸿”台风于2015年6月25日在科斯雷以南海面上生成，6月30日发展为热带风暴，并向偏西北方向移动，7月10日影响中国东海海域，接近嵊泗列岛时风力为13级。“灿鸿”台风核心区的直径有1 000 km，强度强、体积庞大、持续时间长，对经过海域造成显著影响，造成直接经济损失超10亿元。

1.2 数据来源

本文使用的实测潮位数据为芦潮港、马迹山临时站台风期间的潮位过程观测资料以及小洋山、朱家尖两个测站的增减水极值资料。台风“灿鸿”每小时台风中心位置是中国台风网热带气旋最佳路径数据集线性内插获得。

模型计算采用的岸线来源于美国地球物理中心(NOAA)发布的高精度岸线数据，并结合工程区海图资料对相关区域岸线进行调整，以确保重点研究区域岸线准确性。模型的水深资料来源于海图资料(1:250 000)以及NOAA发布的ETOPO1地形高程数据。

2 模型设置与验证

2.1 模型介绍

2.1.1 FVCOM模型简介

本文应用的海洋模式FVCOM (Finite Volume Coast and Ocean Model)是由马萨诸大学(University of Massachusetts)与伍兹霍尔海洋研究所 (Woods Hole Oceanographic Institution)联合开发，数值模型的基本方程为三维原始方程，空间离散采用有限体积法，网格划分采用非结构化网格，能更好地拟合大陆及泗礁岛等较为复杂曲折的岸线，并对重点研究区域进行逐层加密处理，在保证稳定性的同时提高计算效率与精度； FVCOM海洋模型在解决复杂曲折的岸线拟合以及计算的有效性等方面具有较强优势，具有广阔的应用前景，在美国的五大湖、众多河口以及我国海洋、河流等研究中广泛应用[18-19]。

2.1.2 模型基本控制方程组

本模式采用坐标变换：

(1)

FVCOM模式在坐标系下的控制方程组为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ρ=ρ(T,S)

(7)

式中，u、v是水平流速分量；w是垂向流速；ρ为海水密度，S为盐度，T是温度;f是科氏参数；ζ是水位。

2.1.3 台风模型

本模型采用高桥公式和藤田公式嵌套计算同一台风场的气压场：

(8)

(9)

台风风场采用梯度风和移行风叠加而成：

(10)

梯度风风速由气压场通过梯度风关系得到：

(11)

台风移行风场采用宫崎正卫公式计算：

(12)

上式中，r为计算点到台风中心的距离；R为台风最大风速半径；P∞为外围气压；P0为台风中心气压；f为科氏参数；θ为计算点到台风中心的连线与正东方向的夹角；β为梯度风和海面风的夹角；Vx、Vy分别为台风中心移速在正东和正北方向的分量；c1、c2为订正系数。

2.2 模型设置

2.2.1 计算区域与网格

应用FVCOM三维海洋数值模式，建立泗礁岛周边海域台风风暴潮数值模拟，分析泗礁岛周边海域风暴潮增减水分布特征，为更好的模拟台风过程对研究海域的影响，提高计算精度，本次计算范围含盖黄海以及东海的大部分区域(图2)。

考虑到三角网格能较好的适应复杂边界与地形的优点，可以较好的拟合泗礁岛及舟山群岛等的复杂岸线和地形特征，应用Surface Water Model System(SMS)软件生成无结构三角网格，对计算区域进行剖分，对岸线变化剧烈和研究海域进行逐层加密，泗礁岛网格步长在100～300m之间，保证了模拟精度，同时提高计算速度。

2.2.2 模式初始条件和边界条件

模型开边界水位是通过TMD(Tide Model Driver)同化卫星高度计资料得到各主要分潮调和常数后再预报得到的，本文采用了八个主要分潮，分别为M2、S2、K2、N2、O1、K1、P1、Q1。

初始条件包含水位和流速，因初始水位和流速对外界动力响应较快，模型计算采用冷启动，即模型中初始时刻计算区域内海水是静止的，所有三角网格点上的速度u、v均为零，水位也为零。温盐初始场采用常值，底应力牵引系数设为0.001。另本文根据计算网格大小，水深条件以及满足计算稳定的要求，时间步长外模设为0.3 s，内模设为3 s。

2.3 模型验证

图3为潮位验证，验证资料取自2015年7月1日—2015年7月3日芦潮港、马迹山临时潮位站潮位数据，从验证曲线来看，潮位计算值与实测值基本吻合，能较好的反应研究区域潮位变化特征。

图3 潮位过程验证曲线

图4为风暴潮增减水验证曲线，验证资料取自2015年7月10日—2015年7月12日芦潮港、马迹山临时潮位站风暴潮增减水数据。从验证结果来看，台风的模拟结果和实测的曲线大致符合，但某些时间段内也存在一定的偏差，经过处理的风场和实际风场仍有一定的差异，导致了模拟结果出现偏差。总的说来本文建立的风暴潮数值模型对“灿鸿”台风过程的模拟较好，基本可以反应增水过程特征。

图4 风暴潮增水模拟结果验证曲线图

3 “灿鸿”台风暴潮增减水特征浅析

3.1 风暴潮增减水过程分析

图5为7月9日至7月13日芦潮港、马迹山临时潮位站实测增减水(实测风暴潮潮位减去调和分析计算的天文潮潮位)，图中包含实测风暴潮潮位，调和分析计算的天文潮潮位及增减水三要素。

图5 实测台风期间潮位变化曲线

通过泗礁岛附近海域在天文潮与风暴潮共同作用下的潮位变化可以发现，计算结果较明显的反应出两者的部分特征：既有周期性，同时还有风场作用。在7月10日之前，风场的作用较小，水位变化基本呈周期性，而当台风进入东海海区时，就体现出风应力对水位波动的影响，先表现为持续的高水位，后又出现低水位。

“灿鸿”台风进入舟山群岛南部海域(7月11日)，泗礁岛附近海域首先出现一个明显增水过程，马迹山临时潮位站最大增水为0.6 m左右，小洋山最大增水为0.65 m左右，同期芦潮港和朱家尖最大增水为 1.0 m左右，在“灿鸿”穿过舟山群岛东部海域将进入黄海时(7月12日)，泗礁岛附近海域继而出现减水现象，最大减水为0.4 m左右，之所以出现这种现象是因为泗礁岛海域的风向发生了转变，“灿鸿”台风刚进入东海时吹的是向岸风，而当台风离开东海进入黄海时吹的是离岸风(图6)。

图6 台风风场示意图

3.2 泗礁岛海域风暴潮增减水时空分布特征分析

为了刻画泗礁岛附近海域风暴潮增水过程，分析其增水特点，取风暴潮期间几个典型时间点的增减水的时空分布图(图7)。通过风暴潮增、减水过程来看：“灿鸿”台风经过期间，泗礁海域的整体增减水幅度不大。

图7 嵊泗海域风暴潮增减水分布图

从模拟结果来看，此次台风在7月9日22时左右开始影响泗礁岛附近海域的风暴潮增水，从南部区域逐渐影响到北部，经过充分发展之后，增水幅度逐渐增大，7月11日2时左右达到最大，增水约为0.6 m左右。约在7月11日16时之后增水逐渐减小，增水幅度约在0.2m～0.4 m之间。

台风穿过泗礁东部海域的继续向北偏东移动，在离岸风作用下，嵊泗海域开始出现减水现象，7月12日上午最大减水在0.4 m左右，随着台风的减弱以及离泗礁海域越来越远，12日下午减水幅度减小，水位逐渐回复正常。

同时期上海芦潮港以及舟山朱家尖附近海域最大增水均在1.0 m左右，明显高于泗礁附近海域增水，表明沿海岛屿海域的海底地形、水深条件和地理位置条件与风暴增水幅度的大小有着密切的关系。在相同程度的天气系统影响下，海岛处于较开阔海区, 水流通畅，不利于海水的辐聚，风暴潮增水相对较小。

4 结论

本文以泗礁岛为研究应用案例，从海岛地区台风暴潮灾害的独特性出发，分析泗礁岛风暴增水的空间分布规律，提出泗礁岛应对台风暴潮的建议和对策。

台风“灿鸿”经过期间，泗礁岛周边海域潮位变化既有周期性，同时还受风场作用，泗礁岛海域首先出现一个明显增水过程，而后又发生减水现象；泗礁岛周边海域最大增水约为0.6 m，同时期上海芦潮港以及舟山朱家尖附近海域最大增水均在1.0 m左右，明显高于泗礁附近海域增水；在相同程度的天气系统条件下，一般大陆沿岸以及接近大陆沿岸的海岛增水幅度较大, 如芦潮港和舟山朱家尖周边海域风暴潮增水幅度较大;而处于较开阔海区的海岛，水流通畅，不利于发生海水辐聚，风暴潮增水相对较小；但由于如泗礁岛等重要岛屿的人口密度大，港口航道等重大涉海工程较多，需做好风暴潮灾害的科学应对。

海岛地区防御风暴潮灾害，首先应完善风暴潮灾害监测业务体系能力建设，健全风暴潮灾害应对体制机制，加强岛屿周边海域水波运动规律研究，科学分析风暴潮增减水特征，做好风暴潮灾害的预警预报，同时需进一步加强风暴潮灾害的教育与宣传，动员社会力量共同应对，做好防灾减灾。