海洋动力灾害(包括风暴潮、巨浪等)是对全球沿海各国危害最大的自然灾害之一(Hou et al, 2015), 其中风暴潮灾害作为海洋动力灾害重中之重, 一直是海洋学家研究焦点。随着科技发展, 风暴潮研究已从早期理论研究向数值化、智能化方向发展; 数值模型从早期的零阶、一阶模型(孙文心等, 1979), 向二维、三维模型发展, 如美国的ECOM(Estuarine Coastal and Ocean Model)、POM(Princeton Ocean Model)、FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型、德国的HAMSOM(HAMburg Shelf Ocean Model)模型、荷兰的Delft-3D模型等等(董剑希等, 2008)。风暴潮研究不仅模式方面发展迅速, 而且考虑因素也越来越多, 如Olbert等(2013)、Xu等(2016)研究了天文潮对风暴潮影响, Feng等(2011)、Olabarrieta等(2011)研究了波浪与风暴潮之间的相互影响, Muis等(2016)、张平等(2017)研究了海平面变化对风暴潮影响; 考虑角度越来越全面, 如Zhong等(2010)、李健等(2018)研究了台风路径对风暴潮影响, Mo等(2016)研究了寒潮变化对风暴潮影响, Powell等(2003)、史剑等(2013)研究了风拖曳系数对风暴潮影响。但目前多数研究者仅聚焦局地风对沿岸风暴潮影响, 很少考虑外部天气系统引起的风暴潮, 而风暴潮是一个全局响应的过程, 仅考虑局地风引起的海水变化, 往往会导致结果偏低。因此为提高模拟和预报的准确性, 外部天气系统对风暴潮的影响不能被忽略。

渤海是一个半封闭海域, 容易受到黄、东海天气系统影响, 从而导致渤海沿岸出现风暴潮。本文利用台风期间验潮站和浮标的实测数据, 分析黄、东海天气系统引起渤海沿岸风暴潮的现象, 并通过数值模拟的手段进一步探索不同黄、东海天气系统对渤海沿岸风暴潮的影响。获得的研究结果不仅为渤海风暴潮预测和防灾减灾提供理论依据, 还在灾害预警和防治起到重要作用, 尤其是能够有效的提高渤海沿岸潮位预报准确性, 降低预警应急中漏报率。

1 台风和数据简介 1.1 台风简介

2018年8月渤海区接连受到两个北上台风(具体台风路径见图 1)影响, 造成严重经济损失, 仅1814号台风“摩羯”北上引起风暴潮造成直接损失(指山东以北区域的经济损失)就高达1.363亿元(自然资源部北海局, 2019)。1814号台风“摩羯”于2018年8月8日11时在西北太平洋面生成。12日11时35分在浙江温岭沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力10级(28m/s, 强热带风暴级)。登陆后强度逐渐减弱, 并变性(谢骏等, 2018)为温带气旋, 路径偏西北上。15日进入渤海, 此时最大风力8级。进入渤海后, 强度加强, 并与北部冷空气相配合, 形成强的东北风, 造成莱州湾和渤海湾的一次风暴潮过程。1818号台风“温比亚”于2018年8月15日11时在我国东海附近生成。17日4时5分在上海浦东新区南部沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力9级(23m/s), 中心最低气压985百帕。登陆后台风沿着副高外缘, 先向西北移动, 后变性转向东北方向移动, 于8月20日7时左右进入渤海, 此时最大风力8级。由于两次台风相继影响渤海, 使渤海沿岸出现持续风暴增水, 而且黄、东海天气系统间接影响渤海, 造成渤海整体水位上升, 进一步加重了渤海沿岸风暴潮灾害。

1.2 数据简介及处理

台风影响期间的实测风数据来自海上浮标; 实测潮位数据来自沿岸验潮站, 具体位置见图 2。实测风数据是符合观测标准的10m风数据, 时间分辨率是1h;实测潮位数据均是验潮井中压力浮球式观测的数据, 时间分辨率是1h。由于实测潮位数据是包括天文潮的综合潮位数据, 因此计算风暴增水时, 必须将天文潮从综合潮位中分离出去, 其中本文使用的天文潮是利用多年实测数据调和分析获得调和常数进行预测的。

2 模式简介、设置及验证

FVCOM(An Unstructured Grid, Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式是由美国麻省大学和美国伍兹霍尔海洋研究所(UMASS-D/WHOI), 于2000年建立的水平非结构网格海洋环流与生态模型(Chen et al, 2003)。2006年由UMASS-D/WHOI模式开发团队进一步完善。此模型综合了现有海洋有限差分和有限元模型的优点, 解决了数值计算中浅海岸界拟合和质量守恒及计算有效性等问题, 目前被广泛应用于风暴潮研究(冯兴如等, 2010)。

模式采用三角网格, 其中格点数89541个, 从模拟外围向渤海沿岸逐渐加密, 最小分辨率约100m(图 1)。模式时间分辨率是外模态为1.5s, 内模态为15s。模式水深和岸线是以etopo1(http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)为基础, 在北海区(约33°N以北区域)沿岸按照1︰50000的电子海图进行修正。输入风场是在台风中心附近以DUAL(Dual-Exponential Wind Profile)模型风场(Willoughby et al, 2006)为主, 在远离台风中心区域, 利用欧洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)再分析风场(http://apdrc.soest.hawaii.edu/)进行修正(公式见表 1)(闻斌等, 2008)。风拖曳系数是由与风速成分段函数关系的公式计算的(Powell et al, 2003), 具体公式见表 1。温度和盐度设置为固定值, 即取渤海8月近似均值18℃和35。开边界输入是0。

利用FVCOM对1814号台风“摩羯”和1818号台风“温比亚”引起的风暴潮进行模拟。通过与实测验潮站数据对比发现, 两者变化趋势相同(图 3), 且极值大小基本一致, 极值相对误差除潍坊港验潮站(25%)外, 其余渤海沿岸验潮站均在20%以内。出现偏差可能原因是台风北上变性, 强度减弱, 风场轮廓不规则, 导致模型风场很难完全准确刻画实际风场。综上对比结果说明数值模式设置比较合理, 能够适合渤、黄海区域的风暴潮模拟。

3 实测对比和理想试验 3.1 实测数据分析

渤、黄海区验潮站和浮标数据变化曲线显示(图 3, 4):在1814号台风“摩羯”和1818号台风“温比亚”影响期间, 当山东半岛南部风速较大且风向以偏东风为主, 而渤海区域风速较小时, 渤海沿岸验潮站出现较大风暴增水极值。8月17—18日, 山东半岛南部的黄海区域风速较大, 风向是偏东风(图 4, QF103), 而渤海区域风速较小时(图 4, QF104), 渤海沿岸风暴潮均出现50cm左右增水(图 3)。出现此现象原因可能是受8月15—17日台风“摩羯”引起风暴潮二次振荡影响, 但在山东半岛北部(图 3, 芝罘岛验潮站), 8月17—19日的风暴增水极值明显大于8月13—15日风暴增水极值, 这与二次振荡形成风暴增水极值通常小于等于初次风暴增水极值的事实不符。综上说明, 8月17—18日渤海沿岸风暴增水不仅是回振引起的, 还可能受到黄、东海天气系统影响, 出现海水涌入渤海形成的风暴潮现象。

根据实测数据资料和数值结果, 推演出两个台风引起渤海风暴潮演变过程: 8月12—14日, 1814号台风“摩羯”登陆北上, 在黄、东海区产生东南风, 形成表面重力波(尹丽萍等, 2018), 其能量向东北方向传播, 一部分遇到山东半岛南部, 形成风暴增水, 另一部分传入渤海, 同时与灌入渤海的黄、东海水的配合, 形成风暴增水。8月15—16日, 1814号台风“摩羯”作用于渤海(图 4), 形成局地风暴增水(图 3)。8月17日台风“摩羯”作用逐渐消失, 局地风减弱, 此时渤海表面重力波和渤海海水应传出渤海, 但由于同时间(8月15—18日)1818号台风“温比亚”, 在黄、东海区产生偏东风, 形成新的表面重力波, 再次传入渤海, 阻止因1814号台风“摩羯”作用消失后表面重力波的能量和渤海海水传出渤海, 且1818号台风“温比亚”中心位置更偏北, 形成表面重力波向北传播时, 能量耗散较少, 形成风暴增水更大(图 3, 8月17—18日)。8月19—20日, 1818号台风“温比亚”作用于渤海, 局地风与传入的表面重力波共同作用形成风暴增水。8月21日, 1818号台风“温比亚”作用逐渐消失, 表面重力波能量和海水传出渤海, 在山东半岛南部形成二次增水。

由于黄、东海天气系统不直接作用于渤海, 所以其引起渤海风暴潮通常具有一定的隐蔽性, 这给研究和预报带来一定困难。为进一步研究黄、东海天气系统对渤海风暴潮影响, 利用数值模式模拟和设计理想试验进行探索是有必要的。

3.2 理想试验

为进一步确定黄、东海天气系统在渤海沿岸引起风暴潮现象, 探索位于黄、东海区域的不同风向和不同天气系统对渤海沿岸风暴潮的影响, 设计理想场景:在37°N以南区域输入固定风速(20m/s)的恒定风, 37°N以北区域输入风速为0, 其中固定风速取值是根据两次台风到达黄、东海区域和渤海区域中心附近最大风力(8级)确定的。

3.2.1 黄、东海不同风向的风对渤海风暴潮影响

以理想场景为基础, 通过改变风向, 设计理想试验。具体是在黄、东海区域设定东、南、西、北以及东南、东北、西南和西北8个固定风向的理想输入场, 利用FVCOM模式模拟72h, 研究不同风向理想场景对渤海风暴潮影响。

通过对比不同验潮站的相同风向理想试验结果发现, 渤海区域各验潮站风暴增水曲线变化趋势较为一致, 只是变化幅度略有不同。因此可以利用黄河海港验潮站风暴增水随时间变化(图 5)代表渤海沿岸风暴增水变化。图 5显示, 位于黄、东海区域的风是东南风时, 引起的渤海沿岸风暴增水极值最大, 其次是东风, 而对应的黄、东海区域出现恒定西北风或西风时, 渤海沿岸出现风暴减水极值最大。图 6是理想试验30h的风暴增水空间分布图。从图中可以发现位于黄、东海区域的恒定风向理想试验引起渤海沿岸风暴潮变化呈现全海域整体变化趋势, 这与局地东北风引起渤海沿岸风暴潮空间分布(通常渤海湾和莱州湾附近区域出现风暴增水, 辽东湾附近出现风暴减水)不同。

3.2.2 黄、东海不同类型天气系统对渤海沿岸风暴潮影响

为了更贴近于实际, 根据影响黄、东海的天气系统——入海气旋型和登陆北上台风型两类天气系统的风向变化, 结合理想场景的风速设置, 设计理想试验, 探索位于黄、东海区域的不同风向持续时间对渤海沿岸风暴潮影响。

入海气旋型天气系统通常是由江淮气旋(是指发生在长江中下游和淮河流域的锋面气旋)进入黄、东海后影响渤海区域, 所以在黄、东海区域首先出现东南风, 然后转东风, 最后转为东北风(图 7)。登陆北上台风型天气系统是类似于1818号台风“温比亚”路径的天气系统, 台风从西北太平洋或我国沿海向江浙一带方向行进, 登陆后转向北上, 所以在黄、东海区域首先出现东北风, 然后转为东风, 最后转为东南风(图 7)。

由于位于黄、东海区域的天气系统引起渤海沿岸风暴潮变化是全海域变化, 只是增水幅度略有不同, 因此选择黄河海港(HHG)验潮站风暴潮变化代表渤海沿岸风暴潮变化。

(1) 入海气旋型理想试验

根据入海气旋型天气系统在黄、东海区域风向变化顺序, 结合理想场景风速设置, 通过改变气旋行进速度, 即不同风向持续时间, 设计理想试验, 具体风向持续时间见表 2。

第一组试验是研究位于黄、东海区域的东南风持续时间与渤海风暴潮关系。通过改变东南风持续时间设计的理想试验, 即第一个试验是东南风持续12h, 然后转东风持续24h, 最后转东北风36h, 共模拟72h, 其他试验类推, 共设计6个试验(见表 2)。第二、三组试验是研究入海气旋型天气系统, 转东风持续时间对渤海风暴增水影响, 即由东南风转东风后, 东风持续时间对渤海增水影响, 其中第二组是试验东南风持续12h后转东风, 此时东南风还未使渤海风暴增水出现极值时转风, 而第三组试验是东南风持续24h, 此时东南风已使渤海风暴增水出现极值后转风, 研究转东风持续时间对风暴潮的影响, 具体设计见表 2。

从第一组理想试验(图 8)模拟曲线可以看出, 当东南风持续24h, 渤海风暴增水极值最大。持续时间继续增加, 不改变风暴增水极值, 只改变风暴增水二次极值出现时间。风暴增水约30h出现极值。

从第二组理想试验(图 8)可以看出, 当东南风持续12h后转东风, 东风持续12h, 风暴增水极值达到最大, 此时风暴增水极值小于东南风持续24h形成风暴增水极值。东风持续时间越长, 风暴增水二次极值越大。除了东风持续6h(第一个试验), 风暴增水极值出现时间较早外, 其余风暴增水极值均出现在28h左右。

第三组理想试验结果(图 8)显示:当东南风持续24h后, 渤海风暴增水就已出现极值, 与转东风持续时间无关, 转东风持续时间仅影响二次风暴增水极值高度和出现时间。风暴增水均在30h左右出现极值, 与第一组试验结果相同。与第二组试验不同的是, 东风持续时间变化引起二次振荡增水幅度明显低于首次增水。

(2) 登陆北上台风型理想试验

按照登陆北上台风型天气系统在黄、东海区域的风向变化顺序, 结合理想场景风速设置, 通过改变台风行进速度, 即不同风向持续时间变化, 设计理想试验。理想试验设计思路与入海气旋型理想试验设计思路相同, 其中第一组试验是研究位于黄、东海区域的东北风持续时间与渤海风暴潮关系, 第二、三组试验研究由东北风转东风后, 东风持续时间对渤海风暴潮影响(表 3)。

第一组试验结果(图 9)显示, 在黄、东海区域东北风持续时间越短, 渤海风暴增水极值越大且出现时间越早。可能原因是东北风持续时间越短, 转东风和东南风持续时间越长, 表面重力波能量传播方向偏北时间越长, 更易传入渤海, 形成风暴增水。风暴增水极值出现在转风后23h左右。东北风持续时间对风暴增水二次极值大小影响不大。

第二组理想试验结果显示(图 9), 黄、东海区域东风持续时间越短, 渤海沿岸风暴增水极值越大。可能原因是东北风和东风时间越短, 剩下东南风时间越长, 更容易将黄、东海海水及能量传入渤海, 形成风暴潮。同时发现试验1(东风持续6h)和试验2(东风持续12h)引起渤海风暴增水极值比单纯东南风(图 5)引起风暴增水极值大。可能的原因是在第二组试验中的东南风引起风暴增水与开始东北风引起风暴减水形成的海水振荡引起回升的潮位进行叠加, 使得总体风暴增水极值更大。风暴增水极值均出现在转东风后23h左右。

从第三组理想试验结果(图 9)显示, 东风时间越短, 出现风暴增水极值越大, 这与东风转东南风后, 东南风持续时间有关。风暴增水极值出现在转东风后约23h, 与第二组试验结论相同。从第二组和第三组试验还可以发现东风持续时间影响二次风暴增水极值大小及出现时间。

4 结论

分析渤、黄海区验潮站和浮标的实测数据, 结果表明:在1814号台风“摩羯”和1818号台风“温比亚”影响期间, 当黄、东海区域以偏东风为主且风速较大, 渤海区域风速较小时, 渤海沿岸验潮站出现较大的风暴潮现象, 其原因是位于黄、东海区域的天气系统促使黄、东海水及能量传入渤海, 引起渤海沿岸的风暴潮。

通过定义理想场景风速设置和改变风向, 设计理想试验, 并利用FVCOM进行数值模拟。结果显示位于黄、东海区域的东南向风引起的渤海沿岸风暴增水极值最大, 其次是东风, 且渤海沿岸风暴潮空间呈现整体一致变化趋势, 这与局地风引起风暴潮空间分布不同。

入海气旋型天气系统理想试验结果显示:当位于黄、东海区域的东南风持续24h时, 渤海沿岸风暴增水极值最大, 东南风持续时间对风暴增水二次极值大小无影响。当东南风持续超过24h, 再转东风, 东风持续时间长短对风暴增水极值无影响, 只与风暴增水二次极值大小和出现时间有关。当东南风持续时间不足24h, 转东风, 东风持续时间对风暴增水极值大小和二次振荡增水均有影响, 且风暴增水极值小于东南风持续24h引起的风暴增水极值。

登陆北上台风型天气系统理想试验结果显示:位于黄、东海区域的东北风持续时间越短, 引起渤海沿岸风暴增水极值越大且达到极值的时间越早, 东北风持续时间对风暴增水二次极值大小没有影响。转东风持续时间越短, 引起风暴增水极值越大, 且大于单独东南风引起渤海沿岸风暴增水极值。风暴增水最大值均出现在转东风后约23h。转东风持续时间对风暴增水二次极值大小和出现时间均有影响。

通过实测分析和理想试验, 初步明确了位于黄、东海区域的不同天气系统对渤海风暴潮影响。获得结论一方面有助于风暴潮机理研究, 另一方面对提高灾害预警报准确度和减少风暴潮造成灾害损失, 具有重要意义。