1323号_菲特_台风过程鳌江站历史最高潮位的数值模拟

2 “菲特”台风过程浙江沿海风暴增 水分析
1323 号 “菲特” 台风影响期间， 我省沿海岸段 的风暴增水普遍在 100 cm 以上， 最大增水乍浦站
收稿日期：2014-04-16 基金项目：浙江省重点科技创新团队项目 （2010R50035） 作者简介：丁骏 （1978-） ，男，工程师，主要从事海洋预报工作。E-mail：ddjj7888@
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“菲特” 于 2013 年 9 月 30 日 20 时在菲律宾以东洋面生成， 1 日 20 时增强为 强热带风暴， 3 日 08 时增强为台风， 4 日 17 时增强为 强台风， 7 日 01 时 15 分在福建省福鼎市沙埕镇沿海 登陆， 登陆时中心最低气压为 955 hPa， 近中心最大 风力 14 级 （42 m/s） ， 强度为强台风， “菲特” 是建国以 来 10 月份登陆我国大陆强度最强的秋季台风， 登陆 强度排名第二的是 1961 年 10 月 4 日在三门县登陆 的 6126 号台风， 登陆时强度 13 级 （40 m/s） 。台风路 径见图 1。
究也在 80 年代得到了迅速的发展， 目前已对渤海、 黄海、 东海和南海的风暴潮进行了大量的数值模拟 实验， 以此来研究各动力因子的效应[2-3]。模式实验 取得了许多有意义的结果并且部分模式已经在实 时预报中使用[4]， 成为风暴潮预报的重要手段之一。 MIKE21 数学模型是丹麦 DHI 公司开发的属于 平面二维表面流数学模型， 可广泛地应用于潮汐、 水流， 风暴潮等二维水力学现象的研究； 相关研究 表明， Mike21 软件水动力计算模块是一种较好的风 暴潮计算程序[5]， 该模块具有可嵌套计算、 采用稳定 性较好的 ADI 格式和干湿网格法处理动边界等优 点， 适合于浙江省沿海多滩涂和曲折岸线的海岸特 征。模型计算介绍如下： 4.1 水动力模型 DHI 水动力模块计算的控制方程包括一个连续 性方程和二个动量方程， 基本方程为：
图 3 “菲特” 台风期间石砰站风测 及鳌江站增水过程图 大到暴雨， 全县平均面雨量 275.9 mm， 单站最大过 程雨量罗垟水库 501.5 mm， 共有 2 个站点雨量超过 400 mm， 11 个站点雨量在 300—400 mm， 27 个 站 点 雨 量 在 200 — 300 mm ， 5 个 站 点 雨 量 在 100 — 200 mm。全县多个镇乡受淹， 其中鳌江镇 6 日 9 点 30 分左右开始满水， 几乎全镇受淹， 最深处达 1 m 多； 萧江镇 6 日 10 点 40 分左右开始满水， 多处水深 达 2 m 以上， 淹没时间达 30 h； 水头镇 7 日凌晨开始 满水， 最深处达 2 m 多， 淹没时间近 32 h； 昆阳镇 7 日 凌晨 3 时开始满水， 淹没时间长达 55 h； 万全镇在 7 日早上 5 时多开始满水， 淹没时长 53 h。
第 31 卷 第 5 期 2014 年 10 月
DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.005
海 洋 预 报 MARINE FORECASTS
Vol.31， No.5 Oct.2014
1323 号 “菲特” 台风过程鳌江站 历史最高潮位的数值模拟
丁骏 1,2 ，王晶 1,2 ，赵鑫 2,3
风暴潮数值模式计算开始于 50 年代， 70 年代美 国建立的 SPLASH 模式， 在实时风暴潮预报中发挥 了重要作用； 80 年代美国建立的 SLOSH[1]模式能预 报海上、 陆上以及湖上的台风风暴潮， 在防灾预报 中发挥了很好的作用。我国的风暴潮数值模拟研
5期
丁骏等： 1323 号 “菲特” 台风过程鳌江站历史最高潮位的数值模拟
(1)
(2)
∂q ∂ æ pq ö ∂ æ q ö ∂ς + ç ÷ + ç ÷ + gh + Ωp - fVV y + hø ∂y ∂t ∂x è h ø ∂y è
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p2 + q2 æ ∂2 q ∂2 q ö = E ç 2 + 2 ÷ - h ∂ (P a ) gq 2 2 Ch è ∂x ∂y ø ρ w ∂y
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洋
预
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出现在 23 时 40 分， 比天文高潮位延迟了 1 个小时 30 多分钟， 这在以前鳌江站的台风增水过程中是很少 见的。 3.3 潮汐 “菲特” 台风影响期间， 适逢农历九月初一、 初 二、 初三天文大潮期。台风登陆前又赶上九月初二 晚高潮， 鳌江 6 日晚高潮的天文高潮时为 22 时 04 分， 天文高潮位 369 cm， 警戒潮位 370 cm， 天文高潮 位已接近当地警戒潮位， 距离年极值天文潮位也只 有 13 cm。 图 4 是我们用潮汐调和分析方法计算出 的菲特台风期间鳌江站天文潮位过程。 3.4 河口地形 鳌江为浙江省八条主要水系之一， 又是我国仅 有的三大涌潮江之一， 发源于温州市文成县桂山乡 桂库村的吴地山南面， 主峰海拔 1124 m， 河源以下 有十多条主要支流和众多的溪涧沟壑汇入， 全长 92.47 km， 河源至平阳县顺溪镇长 19.1 km 为上游 段， 顺溪至詹家埠长 24.7 km 为中游段， 詹家埠至狮 子口长 38.67 km 为下游段， 狮子口外 10 km 为河口 段 （见图 5） 。 鳌江口内河段纵向冲淤变化在 20 世纪 60 年代 以后， 由于上游及支流南港桥墩水库等拦蓄引水工 程的建设， 使径流量减少， 导致落潮减弱， 河床呈全 线抬高趋势， 鳌江镇以上尤为显著， 至 80 年代河床 平均普遍抬高约 1 m， 最大达 2 m， 主槽深槽淤浅缩 短， 河口上游淤积最剧， 向下游渐减。冲淤变化总 的特点是汛期冲， 枯水期淤， 洪水年冲， 枯水年淤， 纵向冲淤交替发生。鳌江河口朝向东南， 口门从平 阳县西湾乡到苍南县 舥 艚镇， 宽度 14 km。从口门 往里到鳌江测站的江面宽度只有 200—300 m。当 大量潮水从鳌江河口涌进时， 由于江面急剧缩小， 造成海水迅速雍高。
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鳌江站出现历史最高潮位的初步 分析
3.1 降水 1323 号 “菲特” 台风呈现了秋台风的特性， 雨量 大、 范围广。6—7 日浙江全省出现暴雨和大暴雨天 气， 局部特大暴雨。 7 日全省面雨量 149 mm， 为浙 江省有记录以来的最大日面雨量。 温州平阳全县从 10 月 6 日 8 时到 7 日 20 时普降
（1.浙江省海洋监测预报中心， 浙江 杭州 310012； 2.浙江大学， 浙江 杭州 310058； 3.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020）
摘
要： 采用丹麦 DHI 的 Mike21 水动力计算模块建立浙江沿海二维潮位数学模型， 结合全球天
文潮位预报模型， 根据 1323 号台风 “菲特” 的气象资料， 模拟了该强台风在浙江省的风暴潮过程， 并 特别对造成历史最高水位的鳌江站的风暴潮位和增水过程进行了分析。计算结果表明： 该站最高 潮位和最大增水的模拟精度在 10 cm 左右， 时间误差约 10 min， 模型在本海域的数值计算能够满足 预报要求。 关键词：1323 号台风； 鳌江； 最高潮位； 风暴增水 中图分类号： P444 文献标识码： A 文章编号： 1003-0239 （2014） 05-0030-07 119 cm， 澉浦站 206 cm， 镇海站 61 cm， 健跳站 127 cm， 海门站 166 cm， 坎门站 186 cm， 温州站 260 cm， 瑞安 站 298 cm， 鳌江站 383 cm。乍浦、 澉浦、 镇海、 健跳、 海门潮位站出现略超过当地警戒潮位的高潮位 （黄 色） ， 坎门、 温州、 瑞安、 鳌江潮位站出现超过当地警 戒水位 80 cm 以上的高潮位 （红色） ， 见图 2。 此次台风过程鳌江站实测高潮位 522 cm， 超过 历史最高潮位 42 cm （历史最高潮位 480 cm， 出现时 间为 1992 年 8 月 30 日， 是由 “9216” 号台风引起） 。
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ζ ( x, y ) |
p( x, y ) | = 0 ； q( x, y ) | = 0
t=0 t=0
t=0
= ζ0 ；
4.3 台风场计算 (4) 目前国际通用的风场计算模式主要有高桥和 此外， 还有 NCEP 和 藤田模式、 Jelesnianski 模式等[6]， [7] QSCAT 混合风场等 ， 根据对一些超强台风风速模 拟 的 研 究 [8]， Jelesnianski 模 型 较 优 ， 因此选用 Jelesnianski 模型风场和气压场， 其式如下：
∂ς ∂p ∂q + =0 + ∂t ∂x ∂y ∂p ∂ æ p2 ö ∂ æ pq ö ∂ς + ç ÷ + ç ÷ + gh - Ωq - FVV x + h ø ∂y è h ø ∂x ∂t ∂x è p2 + q2 æ ∂2 p ∂2 p ö gp 2 2 = E ç 2 + 2 ÷ - h ∂ (P a) Ch ∂y ø ρ w ∂x è ∂x
(3)
式中， ς 为潮位 （包括天文潮和台风增水） ； p、 q 分别为 x、 y 方向上的垂线平均单宽流量； h 为水深；
Ω 为柯氏力参数；ρ w 为水密度； C 为谢才系数； Pa 为
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数值模拟
大气压力； f 为风摩擦系数； V， Vx， Vy 分别为风速及 其在 x、 y 方向的分量； E 为涡动粘性系数。 上述方程组中， h ∂ (P a) , h ∂ (P a) 项为大面 ρ w ∂x ρ w ∂y 的气压梯度项， 是体现大范围风暴潮计算特征的比 较重要的一项； fVVx， fVVy 是台风场对水体的切应 力项， 也是风暴潮计算中重要的一项。 Ωp 、 Ωq 为 地转效应。 初始条件：
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图 1 “菲特” 台风路径示意图
图 2 “菲特” 台风期间浙江潮位站最大增水 及最高潮位情况 3.2 风速 “菲特” 靠近浙江省沿海时， 强度为强台风， 致 使浙江省东南沿海局部地区出现 15 级的极端大风， 风灾严重。受 “菲特” 影响， 我省东部沿海 5 日夜里 开始出现 8 级以上大风， 6 日中午起增强到 10 级以 上， 并维持 19 h； 东南沿海风力更强， 普遍有 12—14 级， 持续 11 h 左右， 10—12 级大风由沿海向内陆纵 深约 40 km， 持续 9 h 左右； 局部海岛和山区观测站 瞬时极大风速达 15—17 级， 海拔略高的苍南石砰 山、 苍南望洲山分别录得 76.1 m/s 和 73.1 m/s （均 ＞ 17 级） 的大风， 破我省瞬时大风纪录 （ “桑美” 带给 霞 关 的 68 m/s） ， 另 还 有 苍 南 马 站 63.0 m/s 、 平阳 南 麂 岛 60.0 m/s， 平 阳 上 头 屿 55.8 m/s、 瑞安北龙 55.6 m/s、 瑞安铜盘岛 55.3 m/s、 苍南龙沙 53.1 m/s、 苍南赤溪 53.0 m/s 等 10 个测站观测到 16 级以上大 风。7 日杭州、 绍兴、 丽水等内陆部分地区也出现了 8—9 级大风。 图3是 “菲特” 台风过程苍南石砰海洋站实测平 均风与鳌江水文站的风暴增水过程图。鳌江站最 大风暴增水与石砰站最大平均风时间非常吻合， 台 风登陆前连续 3 个小时 12—13 级的平均风， 风向从 偏东转为东南。鳌江站天文高潮位在 22 时 04 分， 随着 “菲特” 的靠近， 12—13 级的大风使鳌江河口大 范围的水体堆积， 高潮位没有降低， 实测最高潮位