张博文 朱良生

摘    要：2014年第15号“海鸥”台风，对海南、广东、广西三省区沿海造成了巨大经济损失，近海最大增水、波高分布特征对减灾防灾有指导意义。采用波浪与水动力模块的耦合模型，模拟了风暴潮与潮汐、波浪的过程，分析了“海鸥”台风过境时风暴潮作用下的最大增水、波高分布特点。结果表明，雷州半岛东部海域最大增水大于琼州海峡海域内的最大增水值，雷州半岛东部海域出现3 m以上增水，最大增水在5.5 m以上，雷州半岛西部海域出现超过2 m的减水。受雷州半岛东部近岸水深较浅影响，琼州海峡海域最大有效波高高于雷州半岛东部近岸海域，但低于雷州半岛东部外海海域，雷州半岛东部外海海域有效波高达12 m，琼州海峡有效波也高达6.5～7.5 m。

关键词：风暴潮;增水分布;有效波高分布;耦合模型

中图分类号：P71                                     文献标识码：A

Abstract： The strong typhoon “Seagull” No. 15 in 2014 caused huge economic losses to the coastal areas of Hainan， Guangdong and Guangxi. The maximum water set-up and wave height distribution characteristics in the offshore areas have guiding significance for disaster reduction and prevention. The coupling model of wave and hydrodynamic modules is used to simulate the process of storm surge， tide and wave， and the distribution characteristics of maximum water set-up and significant wave height under the storm surge during the typhoon. The results show that the maximum water set-up in the eastern part of Leizhou Peninsula is greater than that in the Qiongzhou Strait sea area. The maximum water set-up in the eastern sea area of Leizhou Peninsula is more than 3 m. The maximum water set-up is in the Leizhou Bay， and the maximum water set-up is above 5.5 m. More than 2 m of water set-down is in the western waters of Leizhou Peninsula. Influenced by the shallow water depth in the east coast of Leizhou Peninsula， the maximum significant wave height in the sea area of the Qiongzhou Strait is higher than that in the east coast of Leizhou Peninsula， but lower than that in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula. The significant wave height in the outer sea of the eastern part of Leizhou Peninsula can be up to 12 m and that in the Qiongzhou Strait can be up to 6.5～7.5 m.

Key words： Storm Surge; Water set-up distribution; Significant wave height distribution; Coupling model

2014年第15號“海鸥”台风于9月16日在海南省文昌市登陆，由于该台风强度强、风圈范围大，同时恰逢天文大潮，在登陆时产生了巨大的风暴增水，给海南、广东、广西三省区沿海造成了巨大破坏和经济损失。

风暴潮若与天文潮高潮叠加，往往会使海域潮位暴涨，造成巨大灾害。波浪也是近岸海域重要的动力要素，在风暴潮过程中，波浪、潮汐、风暴潮三者相互作用相互影响，只有全面考虑三者的综合作用，才能准确地模拟出风暴潮期间的水动力特点和波浪过程。

过去在风暴潮增水研究方面，大多是分析台风特点和风暴潮、潮位特点[1][2]以及增水分布规律[3];在波浪、潮汐风暴潮耦合模型研究方面，则主要探讨了耦合作用的机制[4] [5]以及模拟台风下的高潮位[6]或波高过程[7]等方面。在对“海鸥”台风风暴潮的研究中，更多的是针对其台风路径[8]、最大风速半径[9]等特征参数变化对风暴增水产生的影响，或是单纯进行波浪特征的数值分析[10]，而综合考虑波浪、潮汐、风暴潮三者耦合模拟与最大增水、波高分布特征分析的研究却很有限。本文在总结前人研究的基础上，综合考虑波浪、潮汐、风暴潮三者耦合模拟的适用性，采用波浪与水动力模块的耦合模型（MIKE），建立适用于南海水域的潮汐、风暴潮、波浪耦合模型，在模型验证基础上，分析了“海鸥”台风作用下近海最大增水、波高的分布特征。

1    模型与方法

1.1  气压场和风场模型

台风气压场与海面风场选用Holland模型[12]构造，气压场P（r）和风场Vg（r）分别表示为：

1.2  水动力模型

在笛卡尔坐标系下，二维浅水方程[14]为：

1.3  波浪模型

波浪作用守恒方程[15]为：

相对角频率与绝对角频率的关系为：

波谱的演化由动谱密度守恒方程来描述：

1.4  波浪与水动力耦合模式

在风暴潮过程中，波浪对风暴潮的影响主要通过以下三种方式：（1）波浪成长状态对表面风应力的影响;（2）波流相互作用對底部应力的影响;（3）波浪辐射应力导致近岸流对增水和流场的影响。

其中，表面风应力的相互影响通过Komen et al.提出的模型进行耦合[16];底部应力的相互影响通过WAMDIG Group提出的WAM Cycle 4 wave model模型进行耦合;辐射应力指的是作用在垂直于底面的单位水柱体四个侧面上的由于动量交换而产生的应力时均值。

水动力模块通过计算获得水位和流场，传递给波浪模块作为输入条件，波浪模块计算出辐射应力传递给水动力模块作为驱动力继续计算水位和流场传递，每个时间步长都传递一次。波浪模块将辐射应力Sxx、Sxy和Syx 、Syy计算出来后带入浅水方程（5）和（6），则构成了波浪与水动力的耦合模式。

2   区域概况与模型设置

2.1  区域概况

模拟范围为东经105°～ 118°、北纬15°～25°;水深数据为NGDC分辨率为1'×1' 的ETOPO1地形数据;水位边界条件：模型在边界上给定分潮调和常数构成水位边界条件，陆地边界条件初始水位与流速为0作为闭边界;波浪边界条件：以模型外近海波要素为开边界水域波浪条件，通过浅海波浪模型嵌套网格计算得到模拟区域内部波要素条件;在模型海域波浪计算中，开边界条件由上一层较粗网格的计算结果得到。

2.2  网格设置

模型采用非结构三角形网格，计算区域包括南海区域、琼州海峡区域。外层嵌套网格分辨率为50 km，最内层海峡和海湾地形网格分辨率为100～500 m，中间嵌套区域网格分辨率为1 000～10 000 m。网格共包括88524个三角形单元、48 273个网格点。

2.3 “海鸥”台风概况

“海鸥”台风于2014年9月12日下午在西北太平洋洋面上生成;16日9时在海南省文昌市登陆，中心气压960 hPa、最大风速40 m/s;16日中午12时45分在广东湛江市登陆;下午23：00在越南北部登陆后逐渐减弱。

“海鸥”台风强度强、影响范围广和风圈范围大，给海南、广东、广西三省区沿海造成了巨大破坏和损失。

在风暴潮和波浪的共同影响下，雷州半岛东北部出现强风暴潮过程，增水超过200 cm的有湛江（433 cm）、硇洲岛（388 cm）、北津（236 cm）、秀英站（199 cm）、南渡站最大增水（493 cm），其中秀英站出现破记录的高潮位（超过警戒潮位147 cm）。

3   模型计算与验证

3.1  天文潮验证

模拟了2014年9月1日～9月30日的天文潮，并取9月14～18日的数据用于验证模型。

提取秀英站和硇洲岛2个验潮站的结果，与2014年潮汐表数据进行对比，验证模型对天文潮模拟的准确性。图1（a）（b）分别为秀英站和硇洲岛的潮位过程对比，模拟结果拟合较好，可用于进一步的风暴潮增水分析。

3.2  风暴潮水位验证

图2为“海鸥”台风期间海口秀英站风暴潮水位模拟值与实测值比较。从图2可以看到，模型潮水位变化趋势与实测过程一致，但在台风过境期间，15日12时与16日12时两次高水位时模拟值略偏小。总体来说，在台风过境期间该模型能较准确地模拟本次台风风暴潮过程。

3.3  波浪计算与验证

图3给出了2014年9月15日0：00时至18日0：00时耦合模型秀英站的有效波高和最大波高实测值与模拟值的比较曲线。从模拟过程可以看出，当台风距离海峡相对较远时，有效波高的值在2 m以下;而当台风逐渐靠近琼州海峡区域时，波高开始逐渐增加，于9月16日10：00左右时达到峰值，最大有效波高为4 m、最大波高为5.87 m，与实测出现时间一致。

图3  秀英站有效波高和最大波高实测值与模拟值对比图

4   模拟结果分析

4.1  增水特点分析

4.1.1 增水过程

根据台风过境期间增水过程分析可知，海峡东部海域的增水范围和幅度与台风路径和台风最大风速半径有关，“海鸥”台风行进方向接近自东南向西北，对琼州海峡东部海域作用时间长，引起的水体隆起、水位抬升显著，虽然“海鸥”台风等级不高，但在雷州半岛东部海域引起的增水却很高，这与台风来袭时恰逢天文高潮有关。图4为台风期间秀英站水位、天文潮和增水的关系图。

4.1.2极值风暴潮水位

计算模拟区域的极值风暴潮水位，取台风过境时间段内每个网格点的增水最大值和减水最大值，分别得到“海鸥”台风过境期间的最大增水和最大减水分布，如图5所示。

从整个台风过境期间的最大增水分布（图5（a））可以看出，台风中心路径形成了带状的增水分布，最大增水位于雷州半岛东岸的雷州湾，由于是大尺度弯曲海岸，非常有利于海水堆积壅高，沿岸最大增水普遍达到了5 m以上;北部湾区域由于台风受到雷州半岛和海南岛阻隔的影响，最大增水普遍为1～2 m，靠近岸边增水有所增加但并不明显;在琼州海峡范围内，最大增水普遍在2 m左右，分布规律沿着海峡自东向西减小、海峡内部越靠近南北两岸增水值越大。

在台风过境的时间段内，模拟区域同样出现最大减水，图5（b）反映了沿岸各点出现的最大减水值。北部湾区域由于在台风过境期间受到离岸风的影响，在乌石港附近出现了超过1 m的减水值，而在北部湾附近海域则出现了超过2 m的减水值。

4.2  波浪特征分析

4.2.1波浪变化过程

从模型的模拟结果来看，台风中心影响半径内的波高最大，距离台风半径越远则波高越小;整个波浪场的中心，处在台风行进路线的右前侧;当台风逐渐向陆地靠近时，波高中心逐渐向台风行进路线的右侧移动，台风离开后波高迅速降低;在开阔海域，波高分布呈较规则的圆形，而台风在由东南向西北而上的过程中，由于陆地的影响波高分布不再是相对规则的圆形;台风穿过琼州海峡进入北部湾后，由于右侧受地形影响波高中心转移到台风行进路线的左侧。

4.2.2最大波高分布

图7为计算模拟区域的最大有效波高分布。随着台风逐渐向琼州海峡靠近，海域水深不断减小，由于近岸波浪发生破碎，最大波高也不断减小，琼州海峡内部最大波高多分布在8 m以内;台风进入北部湾之后，由于台风强度不断减弱，加上台风进入内陆风区变短，波高大幅降低，但海南岛西部外海海域波高仍可达9.0 m;从琼州海峡内部的最大有效波高分布可以看出，海峽中心、台风行进路线上往东西两侧波高值逐渐减小;海峡内部从中轴线往南北两岸，中心区域波高在6 m以上，往南北两岸波高减小;雷州半岛东部海域，最大有效波高自东南开阔海域向西北雷州湾内部海域逐渐变小，雷州半岛东部外海海域有效波可高达12 m。

4.3  琼州海峡与雷州半岛海域增水与波高分析

为了进一步分析“海鸥”台风过境期间增水与波高分布的特征，选取受台风影响显著的雷州半岛东部海域及琼州海峡区域作对比分析，分别选取位于琼州海峡离岸10～15 km及位于雷州半岛东部海域离岸10～15 km的各5个点作为控制点，对比分析各自区域的最大增水与最大有效波高分布差异。

根据分析资料，琼州海峡内的5个控制点水深较深（在20～80 m之间），而雷州半岛东部海域的5个控制点水深都在10 m附近，说明琼州海峡水域水深较大且水深变化幅度大，而雷州半岛东部海域近岸水深较浅且变化幅度较小。

在最大增水值和最大有效波高值对比方面，在“海鸥”台风过境期间，琼州海峡海域内的5个控制点最大增水值要显著低于雷州半岛东部海域内5个控制点;而最大有效波高值却要高于雷州半岛东部近岸海域。

雷州半岛东部海域增水较大的原因一是由于位于台风最大风速半径处，增水效果显著，二是该区域位水深较浅，同时区域位于向岸风区，受海湾地形影响海水壅积堆高显著。

琼州海峡内部有效波高较高的原因，一是因为台风中心路径穿过该区域;二是海峡内水深较深，海峡海域利于波浪形成。而雷州半岛东部近岸海域，水深逐渐变浅，区域地形复杂，由此引起浅化、折射、绕射以及波波相互作用等复杂的波浪变形和浅水波浪破碎，而使得波高较小。

5    结论

（1） 建立了潮汐、波浪与风暴潮耦合模型，对“海鸥”台风进行波浪、风暴潮耦合模拟，通过天文潮、风暴潮水位以及有效波高最大波高的验证，耦合模型整体模拟情况与实测结果拟合较好。该模型具有较好的潮汐、波浪和风暴潮耦合计算适应性，能够很好地模拟出台风过境时增水变化和波浪分布特征;

（2） 分析了耦合模型下“海鸥”台风引起的增水特点，讨论了台风过境时间段内最大增水与最大减水的分布。台风眼处出现水体隆起，雷州半岛东部海域和琼州海峡东部增水较为显著;雷州半岛东部海域最大增水值大于琼州海峡海域内的最大增水值，最大增水位置在雷州湾海域为5.5 m以上，而雷州半岛西部海域出现了超过2 m的减水值;

（3） 探讨了台风过境时波浪的分布特点，分析了近海海域最大有效波高分布。台风行进的过程中，较大的有效波高区域随“海鸥”台风眼移动而移动，靠近琼州海峡和雷州半岛波高逐渐减小;琼州海峡海域最大有效波高高于雷州半岛东部近岸海域，但低于雷州半岛东部外海海域，雷州半岛东部外海海域有效波可高达12 m，琼州海峡有效波高也高达6.5～7.5 m。

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