基于ADCIRC水动力模型构建南海海域风暴潮预报模型与典型台风暴潮数值模拟

马经广，张云博

(1.广东省水文局，广州 510150；2.广东海启星海洋科技有限公司，广州 511400)

1 概述

广东省是全国风暴潮灾害影响最严重的地区，尤其是粤港澳大湾区，常住总人口约7 000万，GDP总量超10万亿，未来将打造成国际一流湾区和世界级城市群；而聚集了大量产业与人口的海岸带区域，也正是风暴潮灾害可能影响最大的区域。全省沿海重要城市防潮标准基本达到50年一遇以上，其中部分重要城市重点堤防防御标准达到50～200年一遇，其余大部分地区不足20年一遇。随着社会经济的发展对风暴潮预警预报工作的需求也不断提高，但目前我省仍难以开展精细化的漫滩漫堤等模拟预测，精细化风暴潮数值预报关键技术研发也有待提升。为了提高广东省沿海风暴潮预警能力，开展适用南海海域的精细化风暴潮预报模型研究显得尤为重要。

近年来，国内多个学者采用当前较为成熟、应用广泛的ADCIRC水动力模型，构建了适用于西北太平洋海域和南海海域的风暴潮预报模型，既有对该模型进行数值模拟研究[1-3]，也有对其合理性进行基于天文潮和风暴潮预报结果的验证[3-4]。本文基于国际上比较常用的ADCIRC 模式，构建了适用南海海域的精细化风暴潮预报模型；选用Holland 模型提供强迫风场和气压场，开边界潮位采用OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)的全球潮汐数据结果。

2 风暴潮精细化预报模型的构建

构建的适用南海海域风暴潮精细化预报模型为ADCIRC非结构网络二维全流风暴潮模型。

2.1 控制方程

风暴潮模型ADCIRC在非结构三角网格下，基于伽辽金(Galerkin)有限元方法求解浅水波动方程得到水位与流速。水位通过以下广义连续方程(简称GWCE方程)来求解得到：

(1)

流速通过以下垂向平均的动量方程求解得到：

(2)

(3)

式中：

ζ——从海平面起算的自由表面高度，m；

U,V——两个方向的垂向平均流速,m/s；

H——海水水柱的总水深,m；

f——科氏参数,s-1；

Ps——海水自由表面的大气压强,N/m2；

ρ0——海水密度，文中默认为1 025 kg/m3；

g——重力加速度,m/s2；

τbx和τby——海底摩擦力的x和y方向分量,N；

τsx和τsy——海表面应力的x和y方向分量,N；

Tx和Ty——波浪辐射应力项,N；

Dx和Dy——动量方程的水平扩散项。

2.2 底摩擦项

在ADCIRC中，复合形式底摩擦系数的表达式为：

(4)

曼宁系数与摩擦系数转化关系：

(5)

式中：

Hc——临界水深，m，它是反映底摩擦在浅水区域增大的一个参数；

θ——决定底摩擦系数与渐近线接近的快慢，是常数，取值10；

λ——决定从深水到浅水底摩擦增大的快慢，是常数，取值1/3；

n——曼宁系数，其值的大小和水深、水底底质状况相关；

ζ——从海平面起算的水位高度，m；

d——相对于海平面的水深,m。

考虑地物对漫滩模拟的影响时，主要是地物的差异所产生的底摩擦变化，此变化直接影响水的流速与流向，进而直接影响漫滩模拟；本文采用给定各节点曼宁系数n的方式来计算底摩擦。根据美国NLCD数据的分类标准，结合广东沿海地区的高分辨率地形、影像数据，对全省沿岸地物进行分类。

2.3 模型范围和网格精度

本模型的计算范围选择覆盖了南海中北部和部分菲律宾以东洋面，覆盖范围为105.6°E～127°E和13°N～27°N。模式使用三角网格对计算区域进行离散，网格大小主要取决于当地波长的大小，开边界处网格分辨率约为0.5～110 km，岸线区域分辨率基本为0.5～1 km。采用局部截断误差分析技术对网格进行优化，网格最小分辨率控制在100 m左右。广东近海地区的水深数据采用海图数据，外海地区水深采用GEBCO全球海陆地形数据库数据。风暴潮模型计算区域网格划分及水深见图1所示。

图1 风暴潮模型计算区域网格划分及水深示意

本文对于陆地、岛屿等陆边界，在边界上满足不可入射条件，即取法向流速为零，Vn=0。模型选取珠江三角洲网河主要汇入江河的水文站所在位置作为上边界起算点，并以高要、石角、博罗、太平场和麒麟嘴等5个水文站的实测水位作为模型上边界驱动条件；粤东粤西入海河流则假设为陆地，珠三角河网区两侧海岸沿线看作闭合陆边界。模型开边界有东、南、北3条，采用潮位作为开边界驱动力。开边界潮位采用OTIS的全球潮汐数据结果，并结合南海当地验潮站的数据作为驱动，主要考虑能充分并准确反映选取海域范围潮位变化的M2、S2、N2、K2、O1、P1、Q1、K1、M4、MS4、MN4、MN、MF等13个天文分潮。

2.4 台风风场模式

本文采用常用的Holland台风风场模型，台风气压场分布公式为：

P(r,θ) =Pc+ (Pn-Pc)e[-(Rmax(θ)/r)]B

(6)

式中：

P(r,θ)——距离台风中心r的海表面气压值，它是径向距离r、方位角θ的函数；

Pc——台风以外不受干扰的背景气压；

Rmax——台风最大风速半径；

B——台风轮廓参数[5]，决定了台风的峰度和强度。

台风风场分布公式为：

(7)

式中：

f——科式力系数；

ρA——空气密度。

风拖曳系数Cd采用Garratt公式：

(8)

3 模型验证

由于篇幅有限，同时根据台风对广东海域影响的严重程度，本文从2008年以来造成广东省沿海汕尾至饶平岸段、深圳至阳江岸段和茂名至湛江徐闻岸段产生严重风暴潮的台风中，选取了200814号“黑格比”、201213号“启德”、201319号“天兔”、201415号“海鸥”和201713号“天鸽”等5个典型台风(见图2)，对构建好的风暴潮精细化预报模型进行验证，验证数据采用各岸段主要潮位站的逐时实测潮位数据。具体潮位站为：汕尾至饶平岸段的东溪口、妈屿和海门潮位站，深圳至阳江岸段的赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门、三灶、官冲和北津港潮位站，茂名至湛江徐闻岸段的湛江港和南渡潮位站。

图2 典型台风路径示意

3.1 汕尾至饶平岸段典型台风暴潮数值模拟

本岸段选取了201319号台风“天兔”对模型进行验证。201319号台风“天兔”于2013年9月22日在粤东汕尾市沿海登陆，登陆时中心附近最大风力45 m/s，中心最低气压935 hPa，造成粤东沿海出现166～207 cm的风暴增水，出现超警戒105～139 cm的高潮位。其中海门站于9月22日下午出现269 cm的高潮位，超警戒139 cm，超历史最高7 cm，最大增水为207 cm。以下比较“天兔”登陆期间潮位过程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2013年9月21日0:00至9月24日0:00。该岸段的东溪口、妈屿和海门潮位站的风暴潮模拟与实测对比如图3所示，模拟水位与实测水位比较结果见表1所示。

东溪口站1319号台风

妈屿站1319号台风

海门站1319号台风

表1 汕尾至饶平岸段风暴潮位验证误差统计(201319号台风)

从表1、图3可知，计算和实测的过程线与高、低潮位的相位均较为相符，最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值为0.3 h；东溪口、妈屿和海门3个潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为22～34 cm，模型计算与实测的高潮位绝对误差为11～22 cm。

3.2 深圳至阳江岸段典型台风暴潮数值模拟

本岸段选取了200814号台风“黑格比”和201713号台风“天鸽”对模型进行验证。

1) “黑格比”于2008年9月24日在粤西的电白市陈村镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力为48 m/s，中心最低气压为950 hPa，造成珠江口一带沿海出现166～207 cm的风暴增水，超警戒65～171 cm的高潮位，黄埔、南沙、横门、官冲、三灶、北津港等潮位站超过历史实测最高潮位。其中北津港站于9月24日凌晨出现356 cm的高潮位，超警戒171 cm，超历史最高42 cm，最大增水为262 cm。以下比较“黑格比”登陆期间潮位过程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2008年9月22日0:00至9月25日0:00。该岸段赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门、三灶、官冲和北津港潮位站的风暴潮模拟与实测对比见图4，模拟水位与实测水位比较见表2。

北津港站0814号台风

官冲站0814号台风

三灶站0814号台风

横门站0814号台风

南沙站0814号台风

黄埔站0814号台风

泗盛围站0814号台风

赤湾站0814号台风图4 深圳至阳江岸段风暴潮模拟与实测对比示意(200814号台风)

表2 深圳至阳江岸段风暴潮位验证误差统计表(200814号台风)

从图4、表2可见，计算和实测的过程线与高、低潮位的相位均较为相符，最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值为0.3 h；赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门、三灶、官冲和北津港等8个潮位站的潮位过程预报平均绝对误差在0～39 cm之间，模型计算与实测的高潮位绝对误差在4～81 cm之间。

2) “天鸽”于2017年8月23日中午在珠海市金湾区登陆，登陆时中心附近最大风力为45 m/s，中心最低气压为945 hPa，造成珠江口一带沿海出现125～240 cm的风暴增水，出现超警戒88～123 cm的高潮位，赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门等潮位站超过历史实测最高潮位。其中泗盛围站于8月23日下午出现308 cm的高潮位，超警戒118 cm，超历史最高53 cm，最大增水为240 cm。以下比较“天鸽”登陆期间潮位过程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2017年8月22日0：00至8月25日0：00。该岸段的赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门和三灶潮位站的风暴潮模拟与实测对比见图5，模拟水位与实测水位比较见表3。

赤湾站1713号台风

泗盛围站1713号台风

黄埔站1713号台风

南沙站1713号台风

横门站1713号台风

三灶站1713号台风图5 深圳至阳江岸段风暴潮模拟与实测对比示意(201713号台风)

表3 深圳至阳江岸段风暴潮位验证误差统计(201713号台风)

从图5、表3可知，计算和实测的过程线与高、低潮位的相位均较为相符，最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值为0.2 h；赤湾、泗盛围、黄埔、南沙、横门和三灶等6个潮位站的潮位过程预报平均绝对误差在20～39 cm之间，模型计算与实测的高潮位绝对误差在4～80 cm之间。

3.3 茂名至湛江徐闻岸段典型台风暴潮数值模拟

本岸段选取了201213号台风“启德”和201415号台风“海鸥”对模型进行验证。

1) “启德”于2012年8月17日中午在粤西的湛江市麻章区湖光镇登陆，登陆时中心附近最大风力为38 m/s，中心最低气压为968 hPa，造成茂名至湛江徐闻一带沿海出现101～238 cm的风暴增水，其中湛江港站于17日11：45出现390 cm的高潮位，超警戒125 cm，最大增水为238 cm。以下比较“启德”登陆期间潮位过程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2012年8月15日0：00至8月18日0：00。该岸段的湛江港和南渡潮位站的风暴潮模拟与实测对比见图6，模拟水位与实测水位比较见表4。

湛江港站1213号台风

南渡站1213号台风图6 茂名至湛江徐闻岸段风暴潮模拟与实测对比示意(201213号台风)

表4 茂名至湛江徐闻岸段风暴潮位验证误差统计(201213号台风)

从表4、图6可知，计算和实测的过程线与高、低潮位的相位均较为相符，最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值为0.5 h；湛江港和南渡等2个潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为15～26 cm，模型计算与实测的高潮位绝对误差均为62 cm。

2) “海鸥”于2014年9月16日上午在海南文昌翁田镇登陆，并在中午再次登陆广东徐闻县南部沿海地区，登陆时中心附近最大风力为40 m/s，中心最低气压为960 hPa，造成茂名至湛江徐闻一带沿海出现250～515 cm的风暴增水，出现超警戒121～175 cm的高潮位。其中南渡站于16日中午出现475 cm的高潮位，超警戒175 cm，最大增水为515 cm(历史实测排名第2)；湛江港16日中午出现386 cm的高潮位，超警戒121 cm，最大增水为432 cm(历史实测排名第2)。以下比较“海鸥”登陆期间潮位过程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7月16日0:00至7月20日0:00。该岸段的湛江港和南渡潮位站的风暴潮模拟与实测对比如图7所示，模拟水位与实测水位比较结果见表5所示。

湛江港站1415号台风

南渡站1415号台风图7 茂名至湛江徐闻岸段风暴潮模拟与实测对比示意(201415号台风)

表5 茂名至湛江徐闻岸段风暴潮位验证误差统计(201415号台风)

从表5、图7可知，计算和实测的过程线与高、低潮位的相位均较为相符，最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值为2 h；湛江港和南渡等2个潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为33～46 cm，模型计算与实测的高潮位绝对误差为72～78 cm。

3.4 各典型岸段风暴潮数值模拟效果评价

本文依据规范对各岸段的风暴潮数值模拟效果进行了评价，上文典型台风的验证结果显示：汕尾至饶平岸段潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为28 cm，风暴潮模型计算与实测的高潮位相对误差为17 cm；深圳至阳江岸段潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为18 cm，风暴潮模型计算与实测的高潮位相对误差为45 cm；茂名至湛江徐闻岸段潮位站的潮位过程预报平均绝对误差为30 cm，风暴潮模型计算与实测的高潮位相对误差为69 cm；各岸段最高潮位出现时间模拟值与实测值相位差平均值少于1 h。部分潮位站计算高潮位与实测高潮位的绝对误差超过50 cm，但均在许可误差范围并符合规范不得超过100 cm的要求，主要原因是实测最高潮位时增水较大，上文5个典型台风造成部分潮位站最大增水均超过200 cm、甚至达到515 cm，另外可能是因为所使用的风场模型不足以概括复杂的天气系统，使得部分潮位站的计算误差较大。但从整体上看典型岸段潮位过程预报平均绝对误差在30 cm以内，计算与实测的高潮位绝对误差基本满足规范许可误差要求，证明模型基本满足全省沿海潮位验证要求。

4 结语

本文构建的精细化风暴潮预报模型分别计算了汕尾至饶平、深圳至阳江和茂名至湛江徐闻3个典型岸段在典型台风登陆期间的风暴潮潮位，验证结果表明：① 模型计算和实测的高、低潮位及过程线相位吻合度较好；② 典型岸段部分潮位站的计算高潮位与实测高潮位的绝对误差超过50 cm，除了因为实测最高潮位时增水较大外，还可能是因为所使用的风场模型不足以概括复杂的天气系统，使得部分潮位站的计算误差较大;③ 预报模型从整体模拟效果看，潮位站的潮位过程预报平均绝对误差在30 cm以内，计算与实测的高潮位绝对误差基本满足规范许可误差要求，可以满足广东省的风暴潮预警预报需要。