刘文坚;李瑞杰;林祥;董啸天;李玉婷
【摘 要】为提高风暴潮的模拟精度,将台风风场模型与NCDC背景风场进行叠加,考虑天文潮对风暴潮的影响,应用二维水动力模型MIKE21模拟了1210号台风“达维”(Damrey)期间江苏海域的风暴潮增水.比较不同气压场公式及不同最大风速半径公式构造出的风场模型对模拟结果的影响,选取最优组合分析台风对江苏海域流场的影响.结果表明,模型能较好地模拟台风期间的风暴潮增水,利用Holland气压场公式与江志辉最大风速半径公式模拟风场的计算结果更符合实测值.%In order to improve the simulation precision of storm surge,we superimpose typhoon wind field and NCDC background winds togetherand also consider the influence of astronomical tides on storm surge.By using the two dimensional hydrodynamic model MIKE21,the storm surge in Jiangsu sea area is simulated during No.1210 typhoon Damrey period.The influences on simulation results by applying different formulas of pressure flied and radius of maximum wind speed are discussed,and the best combination to analysis the flow flied is selected.The simulation results show that the storm surge caused by typhoon c an be simulated well by this model,and the results of the combination of Holland's pressure flied formula and Jiang Zhi-hui's radius of maximum wind speed agree better with the measured value.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2017(000)003
【总页数】7页(P22-27,64)
【关键词】风暴潮;气压场;风场;流场
【作 者】刘文坚;李瑞杰;林祥;董啸天;李玉婷聂党权
【作者单位】河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学环境海洋实验室,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京210098;南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,南京师范大
学大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室,江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏南京210023
【正文语种】中 文
【中图分类】P732;U6
小鸟配气球台风风暴潮是风暴潮的主要形式之一，会引起沿岸增水，海面高度急剧增加。台风风暴潮的强度与台风期间海面的气压场和风场有密切的关系，风暴潮模拟结果的精度，在很大程度上依赖于气压场和风场模型的质量。
文中用MIKE21模型计算了1210号台风“达维”(Damrey)期间江苏海域的风暴潮位及风暴增水，比较不同气压场公式和最大风速半径公式计算方案对风暴潮模拟精度的影响，并进行分析。
国内外普遍采用的台风风场计算方法是根据梯度风原理，由台风气压场计算台风风场。提出了各种理论的、经验的台风气压场模型。理论模型早期的有藤田模型、高桥模型、Jelesninaski模型和V.Bjerknes模型，经验模型有Holland模型。宋志尧等[1]应用Jelesninas
ki台风参数模型，对太湖台风风暴流场进行了模拟计算；梁连松等[2]选用Holland台风风场模型，采用不同参数方案刻画台风风场。这两类气压模型对台风海面气压场的描述各有其优点和不足：理论模型便于描述计算，但未能客观地反映台风期间海面的真实气压场；经验模型受到时间和地域等因素的限制，经验参数确定较为困难。
王喜年[3]认为在0≤r<2Rmax范围内，藤田公式能较好地反映台风的气压变化，在2Rmax≤r<∞范围内，高桥公式有更好的代表性。采用藤田公式和高桥公式的嵌套模型计算气压场，得到台风期间的气压变化：
1980年Holland引入B参数得出的Holland气压场模型为：
最大风速半径分别取江志辉公式[4]与Graham公式：内刊
王大宾Rmax=1.119×103×(1 010-pc)-0.805
式中：φ为台风中心纬度;V为台风中心移动速度。
台风外围同时受到台风和其他天气系统的影响，风场与经验模型差别较大，NCDC背景风
场具有较好的精度，在台风中心附近实际风场与背景风场差别较大。因此在台风中心附近采用NCDC背景风场与公式计算得到的台风风场以一定的权重叠加，构造出的台风风场为：
在风暴潮数值模拟中，风应力τ多采用二次律的经验公式其中Cd为拖曳系数，计算公式见式(7)；ρ为空气密度；W为风速。风应力拖曳系数决定了气-海动量传输率。罗蒋梅等[5]采用9种不同的风应力拖曳系数参数化方案对湛江附近海域15个热带气旋风暴潮进行数值模拟，结果表明Smith参数方案误差较小。
1210号台风“达维”是近15年来首次正面登录江苏境内的台风，受此影响，连云港海域出现了约180 cm的风暴增水，平均风力达11级，瞬时风速达14级。为了减少计算区域开边界对模拟结果的影响，大范围模型非结构三角网格，包括渤海、黄海和部分东海地区，网格数88 565，网格节点数45 513，网格分辨率为1 335.1～13 343.4 m。计算范围及台风路径如图1所示。自嵌套的小范围网格包括江苏海域、长江口及杭州湾，网格数87 749，网格节点数44 653，江苏沿岸最密出网格分辨率为198.4 m，其余海域分辨率为198.4～3 141.3 m。计算时间为2012-07-20T00:00—2012-08-05T00:00，时间步长取1 800 s。模型开边界
胡冰心水位采用了8个主要分潮S2、M2、K2、N2、K2、K1、P1、O1和Q1的叠加值，陆边界取法向流速为零。江苏海域的水深从东往西呈依次递减的趋势，南黄海辐射沙脊地形复杂，在落潮时会有部分浅滩露出水面，模型采用干湿节点法来处理动边界问题。
为比较不同气压场公式和最大风速半径计算公式构造得出的台风风场对风暴潮增水模拟精度的影响，共设置了4种方案，方案设置见表1。
风暴潮期间的总水位是由天文潮和风暴潮形成，因此天文潮的模拟精度是至关重要的。首先对“达维”台风期间的天文潮进行模拟，采用2012-08-01T00:00—2012-08-03T12:00的潮汐表潮位资料对各站点天文潮位进行验证，潮位站点选用日照、连云港、吕四、芦潮港(图2)。从图2可以看出，“达维”台风期间各站点高潮位模拟值接近预报值，日照、连云港、吕四站低潮位模拟值偏低；各站点高潮位相对误差范围为2～22 cm，低潮位相对误差范围为1～33 cm。总的来说，模型对于天文潮位的模拟精度高，模拟值与预报值吻合良好，有助于提高风暴潮的模拟精度。
台风中心的低气压将立即引起海面的上升，同时表面海水在强风的紊流切应力作用下形成一个气旋式的环流，在北半球，海流在科氏力作用下向右偏，形成表面海水的辐散，由流
体运动连续性要求，深层海水发生辐聚[6]。由海面局部低气压及深层海水辐聚引起的海面隆起，可以看作一个孤立波，随着台风的移行而传播，同时也形成了由台风中心向四周传播的自由长波，它们以通常的长波速度移行。风暴潮波及自由波进入浅水海域后，由于地形的影响，能量急剧集中，风暴潮急剧发展。
模型根据大通水文站近50 a来洪季平均径流量作为模型上游边界的输入条件。台风路径和中心最低气压取自中国台风网，此资料给出间隔6 h的台风中心位置和中心最低气压，通过4个方案给出计算域的风场和气压场。设置连云港站和吕四站作为输出点，计算出的风暴潮位如图3、4所示。
从模拟结果可以看出，水位过程含有明显的潮周期波动，它是天文潮和风暴潮的非线性相互作用而产生的耦合波，4种模拟方案都反映了这一波动，且连云港站和吕四站模拟的高潮位偏低，低潮位偏高。连云港站在2012-08-01T20:00—2012-08-02T14:00计算结果的相位均有所提前。“达维”台风最高水位发生在2012-08-02T17:50，实测水位为3.06 m，4种方案的计算水位分别为3.09、3.02、2.82和3.04 m，方案3的高水位与实测水位偏差较大，达24 cm，方案1、2、4与实测水位吻合良好。吕四站相位的模拟值均有所提前，图4b)中08-03
T01:00达到最大水位2.92 m，方案4模拟最大水位为2.73 m，与实测值较为吻合，方案 1、2、3最大水位的模拟值相差不多，均低于实测值。
《保安服务管理条例》
除了水位过程的比较，同时给出了增水曲线加以说明，图5和图6中实测增水曲线资料来自文献[7]。增水通常定义为风暴潮潮位减去天文潮潮位，在河口及沿海地区测得的增水过程是风暴潮孤立波、自由波与天文潮波在特定的地形条件下综合作用形成的。从增水曲线可以看出，方案1计算出的结果更加符合实测值。其中连云港站实测最大增水为1.77 m，4个方案的模拟值分别为1.75、1.45、1.68和1.67 m，其中方案1增水曲线与实测曲线吻合较好，方案2误差较大，最大增水时刻与风暴潮高潮位时刻不重合。结合台风期间流场(图7)，吕四站附近海域在向岸风作用下，水位升高，出现增水；当台风中心移至海州湾时，由于强风引起向南的沿岸流，吕四站附近海域海水得到补充，出现二次增水，实测最大增水为0.93 m，后期又出现0.88 m增水；方案1计算得出的最大增水为0.83 m，相差0.10 m，第二个增水高峰为0.66 m，相差0.22 m。对于2个增水过程，总体上方案1的模拟效果最优。
胡邦辉等[8]经过对热带气旋最大风速半径的影响参数的讨论，得出最大风速半径随着最大
风速的增大而减小，随着热带气旋中心气压的降低而增大。江志辉公式计算得出的最大风速半径范围为47.99～72.40 km，Graham公式计算得出的范围为80.97～84.20 km，要大于江志辉公式，因此在气压场公式相同的条件下，方案1模拟得出的最大风速、大风分布范围均要大于方案2，能更准确的刻画台风中心附近风场。由图3a)、4a)也可以看出，方案1的模拟结果更接近实测值，表明江志辉提出的最大风速半径计算公式模拟效果较好。方案1、3计算的增水之间差异主要是由于气压场分布的不同以及由梯度风导出的风场不同造成的。2012-08-02T12:00 方案1计算的最大风速为39.69 ms，方案3计算出的最大风速仅为32.62 ms，2012-08-02T18:00方案1为33.78 ms，方案2为30.02 ms，而风应力是风暴潮增水重要的动力因子。对比方案1、3曲线，方案3的模拟结果总体上偏低，且方案1在最大增水值的模拟上高于方案3，方案1的模拟结果明显优于方案3。
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