浙江沿海风暴潮增水对台风移速的响应研究

刘文龙，梁慧迪，蒋茗韬，李 博，陈 维,2

(1.浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022； 2.自然资源部海洋空间资源管理技术重点实验室，浙江 杭州 310012； 3.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012； 4.上海大学 力学与工程科学学院，上海 200400)

近年来，在全球气候变化、海平面上升的背景下，风暴潮的频率与危害程度逐渐增强[1-2]，研究风暴潮对了解浙江沿海地区的灾害风险具有重要意义。台风的强度、移动速度（以下简称“移速”）、路径等因素对风暴潮都有着十分重要的影响。Peng 等[3]发现台风强度或范围越大，北卡罗莱纳州东部研究区域的淹没面积越大，同时较慢的移速产生较高的风暴潮及较大的淹没面积；Rego 等[4]利用FVCOM 研究了台风强度、最大风速半径、潮时、移速等因素对路易斯安那州海岸洪水及浪高的影响，结论为移速较快时产生较高涌浪、淹没较窄的海岸段。近几年也有许多学者就风速、台风移速等因素对风暴潮的影响展开研究，Thuy等[5]通过比较不同强度的台风发现随着台风强度的增大，北部湾整体海平面的高度增加；Thomas 等[6]通过研究与海岸平行的飓风“Matthew”发现，由于风暴潮与潮汐的非线性关系，风暴潮发生的时间可能造成水位的上升或下降，缓慢的台风移速会造成海湾及河口更大的洪水，而开阔海岸洪水较小；Kwon 等[7]发现在朝鲜半岛南部海岸地区，随着台风移速的加快，峰值持续时间变短，最大浪高随地理位置的变化而变化；Musinguzi 等[8]通过改变飓风“Rita”的风速、压强及移速研究这些因素变化对墨西哥湾沿海产生的影响，得到风速影响最大，其次是移速和压强，风速和移速联合作用又不同于单独作用的结论。

针对浙江沿海海域风暴潮的研究大多集中于台风路径对风暴潮的影响[9-13]，台风移速对这一区域风暴潮增水影响的定量研究较少。Chu 等[14]以4 个台风风暴潮为基础对强度、路径、最大风速半径、压强及移速等因素影响进行了分析，在移速分析中设置3、5、7、10 m/s 的固定移速进行比较，得到低移速情况下增水影响时间更长的结论，但实际的台风移速并不是固定不变的。本文首先对影响浙江海域的历史台风移速进行统计，利用浙江沿海风暴潮模型模拟极端移速台风下的增水过程，分析不同移速台风下浙江省沿海风暴潮特点；然后以1509 号台风“Chan-hom”为例，进行不同台风移速下风暴潮增水数值试验，探讨台风移速对浙江沿海海域潮位变化的影响。

1 历史台风统计分析

为了解影响浙江沿海台风特点，首先将1949—2020 年的历史台风路径中距离浙江省200 km 范围内的218 条台风路径，按照台风强度绘制图1（路径数据采用中国气象局提供的最佳路径数据集[15-16]）。统计结果显示，218 条路径中有47 条在浙江省直接登陆。由图1 可知，对浙江省产生影响的台风在形成后多沿西北方向移动，登陆后部分继续沿西北方向向内陆移动，逐渐减小直至消亡，部分路径产生向北的偏转。

图1 影响浙江省的台风路径Fig.1 The optimal trajectory of TCs influencing Zhejiang Province

根据中国气象局最佳路径数据集计算上述台风路径得到如图2 的台风移速分布。可见，在相同台风强度下，台风移速有多种取值，随台风强度的增大，台风移速变化范围缩小。当台风发展到一定强度（45～50 m/s 风速），台风移速趋于稳定。根据最佳路径数据计算可知，各风速下的移速中位数及平均值均约20 km/h。其中1509 号台风“Chan-hom”于2015 年6 月30 日强度达到热带风暴，沿西北方向移动，于7 月11 日16 时40 分在浙江省舟山市朱家尖登陆，随后向东北方移动，7 月13 日凌晨减弱为热带低压[17]。“Chan-hom”平均移速为21.31 km/h，是中等移速的代表性台风。7413 号台风“Mary”于1974 年8 月11 日达到热带风暴，向西移动，8 月19 日在浙江三门沿海登陆。“Mary”从登陆前24 h 开始至台风强度降低至热带风暴强度以下，计算得到的移速为4.93～18.01 km/h，为极端低移速的代表台风。0004 号台风“Kai-tak”于2000 年7 月5 日达到热带风暴，一路向北移动，先后在广东、台湾及浙江登陆。统计计算从登陆前24 h 开始至台风强度降低至热带风暴强度以下得到的移速为29.74～44.82 km/h，是极端高移速的代表台风（台风路径如图1 所示）。

图2 不同风速对应的台风移速Fig.2 Different wind speeds corresponding to the moving speed of the typhoon

2 数学模型的建立及验证

本文基于MIKE21 中的FM 模块[18]建立非结构网格下的风暴潮模型。模型采用考虑了气压和风应力的Navier-Stokes 方程，通过对三维水平动量方程和连续方程沿水深积分得到二维浅水方程，其具体形式在以往研究中介绍较多，本文在此不再赘述。

2.1 风场参数试验

根据Holland[19]提出的经验模型（Holland 台风模型）计算得到台风气压场和风场。通过引入台风形状参数B，利用梯度风风场计算得到台风气压场和风场，具有控制参数少、精度高的优势，计算式如下：

式中：P(r) 为 计算所得气压场；Pc为台风中心气压；Pn为台风外围气压；Rmax为最大风速半径；r为与台风中心之间的距离；参数B对台风强度和求解气压梯度时起决定性作用；Vg(r) 为 梯度风速； ρa为空气密度；f为科氏力参数。

台风在移动过程中受到前进速度及大气环境的影响，产生了左右不对称现象，在北（南）半球时，行进方向右（左）侧的风速更大。通过沿最大风速方向（相对于台风移动方向）添加移速实现模型中的前进不对称，计算式[20]如下：

式中：Vm(r,θ) 为 风场风速；Km取0.7； δfm为比例系数，取0.5；Vfm为台风前进速度； θmax为最大风速线的角度；θ为台风前进角度。

最大风速半径Rmax与台风强度密切相关，通常台风强度越大，Rmax越小。本文选用Willoughby 等[21]基于丰富的飞机低空探测数据拟合得到的公式：

式中：Vmax为最大风速； ϕ为纬度。

关于B参数的选取，常见的经验公式有Love 等[22]基于北澳大利亚台风数据得出的公式：

式中： ∆p为台风中心气压与外围气压之差（hPa）。

Hubbert[23]得出的适用于澳大利亚海域的公式：

Harper 等[24]针对登陆澳大利亚的热带气旋得到的公式：

Willoughby 等[21]基于飞机低空探测数据拟合得到的公式：

Vickery 等[25]结合飞机探测和HRD 观测数据对台风特征参数进行统计分析得到的公式：

B参数的选取与台风所在位置有关，由于上述经验公式都是基于特定海域台风统计结果得出的公式，并不一定适用于东中国海。因此，通过对比舟山外海站[26]7 月7 日0:00 至7 月12 日18:00 的模拟风速与实测风速来确定上述5 个经验公式中比较符合“Chan-hom”风场的公式，在其基础上乘以修正系数a。为定量分析各公式的模拟效果，采用均方根误差对模拟结果进行比较，式（5）～（9）的均方根误差分别为4.149、5.164、4.818、5.644 和3.951 m/s，Vickery 等拟合公式的误差最小，在其基础上乘以修正系数a=0.8，得到的拟合结果明显高于其他几组，均方根误差为3.760。

2.2 计算网格、边界条件及参数设置

采 用 东 中 国 海 大 模 型（16.55°～41.15°E，105.41°～134.11°N）和 浙 江 沿 海 小 模 型（26.62°～32.93°E，118.81°～124.20°N）的嵌套网格进行计算（见图3）。计算网格均采用无结构三角形网格，为平衡计算精度和计算稳定性，大、小模型共有10 375 个节点和19 788 个单元，网格空间步、网格精度分别为1 355～95 467、60～37 178 m。大模型开边界包括东、南、北三个外海开边界及长江和钱塘江这两个由流量控制的河流边界（见图3）。外海开边界潮位由NAO99b 模型[27]计算得到的潮位过程控制，包含16 个短周期分潮（K1, O1, P1,Q1, M1, J1, OO1, M2, S2, N2, K2, 2N2, Mu2, Nu2, L2, T2）和7 个长周期分潮（Mtm, Mf, MSf, Mm, MSm, Ssa,Sa）。长江流量采用《中国河流泥沙公报2020》[28]大通水文站多年平均径流量计算的流量28 484 m3/s，钱塘江流量采用富春江多年平均流量952 m3/s。小模型边界潮位由大模型计算的结果提供。模型时间步长取0.01～30.00 s，以保证模型计算始终满足CFL<1。曼宁数取值为60～120；边界区域采用动边界处理潮间带干湿交换过程。

2.3 模型验证

风暴潮增水验证采用文献[17]中朱家尖和北仑站点2015 年7 月9 日8:00—2015 年7 月12 日20:00 资料进行验证。实测站位见图3。风暴潮的模拟增水由模拟总水位减去关闭风场后的潮位得到，计算式如下：

为了评估模型，选用Willmott[29]提出的统计学方法对模拟结果进行评价，计算式如下：

式中：M为计算值；D为实测值；为 实测平均值。S≥0.65 表示模拟结果极好，0.50

由图4 可以看出，S>0.65，验证结果均为极好，说明模型可以有效反映风暴潮作用下浙江沿岸的潮流变化；同时也可以看出，改进后的风场进一步提升了潮流模型的精度。

图4 增水验证Fig.4 Surge verifications

2.4 数值试验

为了解不同移速台风下浙江沿海风暴潮特点，首先选取历史台风“Mary”“Chan-hom”“Kai-tak”作为影响浙江沿海的典型低移速、中移速和高移速台风事件，并对其影响下的增水过程进行模拟。台风路径、台风中心气压、最大风速半径等信息来自中国气象局提供的最佳路径数据集，风场采用改进的Holland 模型进行计算。

为剥离单一移速的影响，以1509 号台风“Chan-hom”为基础，设置2 倍移速、实际移速以及50%移速3 种数值试验。“Chan-hom”移速减半和增大1 倍后仍在统计计算得到的移速范围内，分别与台风“Mary”“Kai-tak”的平均移速大致相当。除台风移速不同，以上3 种情景中的台风路径、台风中心气压、最大风速半径、潮位驱动均一致，对应风场根据改进的Holland 模型进行计算。

3 分析与讨论

3.1 典型移速台风事件下风暴潮过程

选取沈家门测点（位置见图3）“Mary”“Chan-hom”“Kai-tak”这3 个台风情形下的增水变化过程。由图5 可以看出，“Mary”和“Kai-tak”的最大风速相差不大，“Mary”最大风速为24.02 m/s，“Kai-tak”最大风速为23.91 m/s。而“Chan-hom”风速较大，最大风速为29.71 m/s，并且由于测点位置在台风登陆点附近，台风中心处风速极小，因此在登陆前后有2 个峰值（图6）。“Mary”“Kai-tak”“Chanhom”的最大增水值分别为0.91、0.72 和1.29 m，增水大于0.5 m 的持续时间分别为12、4 和27 h。由以上数据可以看出，由于登陆前后的移速差距较大，低移速台风“Mary”尽管最大风速与高移速台风“Kaitak”相近，但对浙江沿海海域的增水影响时间更长。同时，从图5 也可看出，3 个台风情形下的最大增水时刻和最大风速时刻并不对应，“Mary”最大增水时刻出现在最大风速时刻前7 h，“Kai-tak”最大增水时刻出现在最大风速时刻后3 h，而“Chan-hom”最大增水时刻则与登陆前最大风速时刻相同。

图5 典型移速台风事件下增水及风速过程Fig.5 Surge and wind speed timeseries under typical typhoon events

图6 典型移速台风登陆时刻风场Fig.6 Wind field at landfall time under typical typhoon events

如图7 所示的增水分布可见，尽管“Mary”登陆浙江时的强度等级为强热带风暴，小于“Kai-tak”登陆时的强度等级（为台风）和“Chan-hom”登陆时的强台风等级，但是由于登陆前后的移速差距较大，尽管低移速台风“Mary”登陆时台风强度低于另外2 个高移速台风，但对浙江沿海海域的增水影响时间更长。由于3 种情况的台风登陆时的风向均指向岸线，在其垂直岸线处均出现了较大的增水，“Mary”“Kaitak”以及“Chan-hom”登陆时的最大增水分别为2.63、1.61、3.47 m。

图7 台风登陆前后增水平面分布Fig.7 Horizontal distribution of surges and winds before and after the typhoon landfall

3.2 不同台风移速下风速变化特征

朱家尖站及舟山外海站（位置见图3）7 月9 日0 时—7 月13 日0 时风速对比见图8。可见，由于靠近台风登陆时的台风中心，朱家尖站风速过程线存在2 个风速峰值，一个在台风中心经过该位置前，另一个在台风中心经过后。随着移速的增大，2 个峰值之间的时间差变短。3 种台风移速情况下风速最大值基本相同，强度达到热带风暴及以上（17.2 m/s 以上）的时间则随着移速的增大而变短，3 种移速由慢到快达到热带风暴及以上强度的最大持续时间登陆前分别为41、20、10 h，登陆过后分别为24、14、7 h。舟山外海站则显示随着台风移速的增大，风速增大，3 种台风移速由慢到快风速最大值分别为26.6、27.7、31.5 m/s，强度达到热带风暴及以上的时间则随着移速的增大而变短，3 种台风移速由慢到快达到热带风暴及以上强度的持续时间分别为75、40、24 h。移速的减小增大了台风影响的持续时间，这与文献[31]的结论一致。同时，通过比较可以发现：风速最大值的变化与测点所在位置有关，由于台风风向绕台风中心逆时针旋转，在台风移速减小的情况下，位于路径右侧的舟山外海站风速有所减小。

图8 不同台风移速情景下风速、潮位及增水对比Fig.8 Comparisons of wind speed, tide level and surge in different typhoon moving speed scenarios

3.3 风暴潮过程对台风移速的影响

从图8 朱家尖站及舟山外海站（位置见图3）7 月9 日0 时—7 月13 日0 时潮位和增水对比可以看出，朱家尖站的整体潮位曲线随着移速的减小呈上升趋势，而潮位最大值相差不大。在台风登陆前，低移速情形下的潮位明显高于高移速情形下的潮位。而距离台风登陆中心较远的舟山外海测点，低移速情形下潮位高于高移速情形下的潮位仅在低潮位时较为明显。

图8 显示的增水变化过程与风速变化的趋势相似，最大增水出现在风速最大值时刻附近。2 倍移速时增水持续到7 月12 日0:00，实际移速时增水持续到7 月12 日1:00，50% 移速时增水持续到7 月12 日10:00 才开始出现减水，这说明台风移速越小，台风影响增水的时间增长。对比图8 的潮位曲线可知，风暴潮增水在高潮时较小而在低潮时较大，且随着移速降低这一现象愈加明显，即随着台风移速的降低，增水时间延长，增水曲线的半日周期振幅随之增强。风暴潮增水呈现出与天文潮频率一致的半日周期振动。舟山外海站的增水最大值随着移速的增大而增大，3 种台风移速由慢到快增水最大值分别为0.34、0.37、0.56 m，增水大小与该站点风速呈正相关。近岸朱家尖站的增水最大值随台风移速变化不大，约为1.25 m。

由表1 可知：在只改变移速的情况下，朱家尖测点最大增水时刻出现在台风登陆前的风速最大值时刻，3 种移速下的增水及风速相差不大；而在舟山外海测点，最大风速时刻与最大增水时刻并不对应。从图8 可以看出：由于舟山外海测点距离台风中心较远，风速在达到20 m/s 后变化趋于平缓，对增水变化量影响较小；增水大小随着潮位变化而呈现周期变化，在低潮位时增水较大，在高潮位时增水较小。由以上两测点分析可知，最大风速时刻与最大增水时刻对应关系受到台风距离、风速变化的影响。

表1 不同移速下最大增水和最大风速时刻对比Tab.1 Comparison of maximum surge and maximum wind speed at different moving speeds

3.4 不同移速下风暴潮空间分布

选定台风登陆前后的3 个时刻绘制增水及风场图。对比图9(a)、(d）和（g)可以发现，在登陆前6 h 移速慢的风向已经由外海指向钱塘江，且在舟山群岛以西至钱塘江口的海域产生较高增水。由图9(b）、（e）和（h)可以明显看到，3 种移速的台风，登陆时的风向均垂直指向杭州湾南岸，在南岸附近产生较大的增水；3 种移速的增水最大值均出现在杭州湾南岸，2 倍移速、实际移速及50%移速情形下的区域最大增水值分别为2.91、3.47、3.38 m，2 倍移速下的区域增水最大值明显小于实际移速及50%移速下的区域增水最大值。台风登陆后6 h，风转为离岸风，指向杭州湾外海，舟山群岛以西至钱塘江口的海域已出现减水现象（图9（c）和（f））；但50%移速台风仍为向岸风，在舟山群岛以西海域依然有增水（图9（i））。因此，台风移速减慢，向岸风作用时间增长，舟山群岛和杭州湾海域增水时间更长。

为更加直观了解沿岸迎风时间的增长对潮位变化的影响，统计分析了2015 年7 月5 日9:00—12 日9:00 受台风影响时段的平均潮位（见图10）。从图10 可见：舟山群岛以西至钱塘江口的海域平均潮位相较于无风情况下有了明显提高，并且随着移速的减小，平均潮位增大愈加显著；在沿岸水域平均潮位增大量相较于外海更大，在2 倍移速、实际移速、50%移速情况下平均潮位最大增长分别为0.26、0.43、0.79 m。这说明台风移速的降低对浙江沿海平均潮位抬升有很大的贡献，增大了舟山群岛以西至钱塘江口的海域尤其是南岸的整体增水，增大了发生洪水及内涝的风险。

图10 不同移速下平均潮位变化图（相对无风情况）Fig.10 Averaged tidal level changes at different moving speeds (relative to no wind)

4 结 语

本文对1949—2020 年3 个历史典型移速台风事件产生的风暴潮过程进行模拟。同时，以1509 号台风“Chan-hom”为基础，计算和分析了不同台风移速下浙江沿海海域潮流场的变化，得到以下主要结论：

（1）通过比较历史典型移速台风事件发现，尽管低移速台风“Mary”的最大风速与高移速台风“Kaitak”相近，但对浙江沿海海域的增水影响时间更长，最大增水也更为明显。由于3 种台风移速情况的台风登陆时的风向均指向沿岸，在其垂直的岸线处均出现了较大的增水。

（2）3 种不同台风移速下，舟山外海站风速最大值随移速的减小而减小，但17.2 m/s 以上（热带风暴强度及以上）的风速影响时间则随着移速的减小而增加。台风影响期间，台风移速越慢，向岸风影响时间越长，使得舟山群岛以西至钱塘江海域的增水时间增加。此外，平均水位随着移速的减小呈上升趋势，使杭州湾南岸具有较大洪水及内涝隐患。

（3）在朱家尖测点，最大增水时刻出现在台风登陆前的风速最大值时刻，3 种台风移速下的增水及风速相差不大。而在舟山外海测点，最大风速时刻与最大增水时刻并不对应，增水大小随着潮位变化而呈现周期变化，在低潮位时增水较大，在高潮位时增水较小。由以上两测点分析可知，最大风速时刻与最大增水时刻对应关系会受到台风距离、风速变化的影响。