城市风暴潮灾情水动力模型建立-海洋大数据视角

1）水动力模型运算

平面二维数学模型以垂线平均的水流因素作为研究对象，模拟计算海水面在天文潮和台风等多重因素下的变化情况，同时计算外海增高水位倾入南汇地区陆地洪水演进过程。

初始条件为

式中，ηo为计算初始时刻潮位空间分布函数。

风暴潮及内陆洪水问题的研究采用非结构化三角形网格的水动力模块进行模拟，更有利于拟合复杂海岸边线及城市建模；方程离散方法和计算采用有限体积法求解；利用干湿网格判断法处理潮滩移动边界，方便快捷。

二维浅水控制方程为

式中，t为时间；x、y为右手笛卡儿坐标系；η为水面相对于未扰动水面的高度，即通常所说的水位；h为静止水深；u为流速在x方向上的分量；v为流速在y方向上的分量；Pa为当地大气压；ρ为水密度；ρo为参考水密度；f为科里奥利参量（Coriolis parameter），f =2Ωsinф（其中Ω=0.729×10-4 s-1为地球自转角速率，ф为地理纬度）；f和f为地球自转引起的加速度；sxx 、sxy 、syx 、syy为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力项；S为源汇项；us 、vs为源汇项水流流速。

模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法，其优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。

对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于一浅水深（εdry如0.1m）时，令该处流速为零，滩地干出，当该处水深大于εflood（如0.2m）时，参与计算，潮水上滩。

对笛卡儿坐标系下的二维浅水方程归一化，即

其中

对于归一化后的方程，在每一个单元上积分，根据高斯定理，将面积分化为线积分

进一步简化后得到

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图5-5　模型率定和验证流程

2）水动力模型调试率定

为了保证数学模型选取合理模型参数以较准确地模拟并与现实吻合，模型率定和验证成为数学模型从建立到真正应用的非常重要的环节，流程如图5-5所示。分两步检验模型的正确性：第一步为模型率定，通过调整模型参数使结果与预报天文潮及实测潮位的比较达到最佳状态；第二步为模型验证，在不改变模型参数的前提下，用另一套实际资料重新计算，并通过与验证数据的比较考核模型的有效性。南汇地区风暴潮模型主要包括对天文潮和台风增水作用的模拟，所以率定和验证主要针对涉及天文潮和台风增水相关的参数，包括地形糙率、涡黏系数和风摩擦系数的选取。

3）水动力模型验证

模型验证过程采用率定所确定的参数，选用1970—2007年台风期间的预报潮位和实测潮位用于模型的验证。验证过程如图5-6所示，包括常规潮位和风暴潮潮位与计算值的比较。

三维风暴潮预报模式自2009年开始试运行，分别对2009年影响南汇及邻近海域的0903“莲花”、0908“莫拉克”和2010年影响南汇及邻近海域的1007“圆规”、1009“玛瑙”和1010“莫兰蒂”台风进行了跟踪实时预报。在预报中，模式从各个角度考虑了风暴潮影响情况，从台风对整个海域的影响到对单站的影响，从影响海域的最大增水情况到影响海域及重点影响岸段情况，为预报技术人员全方位了解台风对沿海的影响提供了全面、细致的分析。下面以0908“莫拉克”为例来说明高分辨率风暴潮集合预报模式在实时预报中的应用。

图5-6　风暴潮率定过程

（1）路径预报。选用8月8日17∶00的预报路径为例进行计算分析。从图5-7可知，8月8日17∶00，24h内的预测路径基本与实际路径吻合，但48h的预测明显向西北方向偏移，而72 h的预测结果又向东北方向偏移。而经过集合预报形成的路径（图5-8）来看，除了可以显示0908“莫拉克”的可能主要影响岸段外，还可综合考虑路径左右方向和移速快慢引起的偏差，可减小由于路径偏差而造成的增水误差。

（2）风场预报。通过对经过台风风场计算后得到南汇附近的大戢山（图5-9和图5-10）、芦潮港和滩浒岛三个测站的风速风向对比可知，8月8日17∶00预测的0908“莫拉克”中心路径台风预测风场在大小上基本与实测风场吻合，但是其风速增减趋势上在48 h以内右侧路径相对较好。

图5-7　0908“莫拉克”8月8日17∶00预测路径与实际路径比对（来源于国家海洋局东海分局预报中心）

图5-8　0908“莫拉克”8月8日17∶00集合预报路径（来源于国家海洋局东海分局预报中心）

图5-9　“莫拉克”大戢山测站预报风速风向与实测风速风向对比（中心路径）

图5-10　“莫拉克”大戢山测站预报风速风向与实测风速风向对比（右侧路径）

通过场预报，可直观清楚地看到中国东海沿海的水位场分布以及各条预报路径下沿海风暴潮极值分布图，该预报为全面掌握沿海的风暴潮情况提供了直观的依据。