（气象学专业论文）天津港风暴潮数值模式的应用研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：之蟹龅 签字日期： 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 口公开口保密( 年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此 协议) 学位论文作者签 指导教师签名： 签字日期：立迓l 二毕 签字日期： 、 ：， ： 丰 ，一 ， 目录 中文摘要_ i 第一章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 风暴潮的研究现状一1 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状4 1 3 问题的提出6 第二章研究资料与研究方法7 2 1 研究资料一7 2 1 1 潮位资料7 2 1 2 常规气象观测资料7 2 1 3n c e p 资料7 2 2 研究方法与研究思路8 第三章天津港风暴潮的特点分析9 3 1 风暴潮的定义及形成机制9 3 1 1 风暴潮的定义9 3 1 2 风暴潮形成的物理机制简述9 3 2 渤海的潮汐规律和海潮活动规律1 0 3 3 渤海地形对天津港风暴潮的影响分析1 0 3 4 天津港风暴潮的统计特征：1 1 3 5 天津港风暴潮的分类1 4 3 6 本章小结1 6 第四章渤海风暴潮数值预报模式1 8 4 1 渤海风暴潮数值预报模式介绍18 4 2 海洋模块计算方法1 8 4 3 大气模块计算方法2 3 4 4 海洋模块与大气模块的集成方法2 4 4 5 模拟区域设置及边界的处理方案2 5 4 6 模式风场处理方案2 7 4 7 本章小结2 7 第五章天津港风暴潮数值预报模式的模拟试验2 9 5 1 模拟个例介绍2 9 5 2 天津港风暴潮数值模式的模拟试验3 0 5 2 1 天津港强孤立气旋型风暴潮模拟试验3 0 5 2 2 天津港冷锋低压型风暴潮模拟试验3l 5 2 3 天津港冷锋型风暴潮模拟试验3 4 5 2 4 天津港台风型风暴潮模拟试验3 5 5 3 本章小结3 7 第六章天津港风暴潮数值模式模拟试验的误差来源分析及改进方案3 8 6 1 天津港风暴潮数值模式模拟试验的误差来源分析3 8 6 1 1 天津港风暴潮数值模式驱动风场的检验3 8 6 1 2 强孤立气旋型、冷锋低压型和冷锋型模拟误差来源分析3 9 6 1 - 3 台风型风暴潮模拟误差原因分析4 0 6 1 4 小结4 1 6 2 依据风暴潮分型的风应力拖曳系数调整试验4 1 6 2 1 强孤立气旋型风暴潮风应力拖曳系数的调整试验4 2 6 2 2 冷锋低压型风暴潮风应力拖曳系数的调整试验。4 5 6 2 3 冷锋型风暴潮风应力拖曳系数的调整试验4 8 6 2 4 小结4 9 6 3 风应力拖曳系数调整方案的应用检验5 0 6 4 本章小结51 第七章结论与展望5 3 7 1 研究结论5 3 7 2 研究特色与创新点5 4 展望5 5 参考文献。5 6 致 射6 2 中文摘要 天津港沿岸的风暴潮灾害频繁发生，常常造成巨大的经济损失和人员伤亡， 迫切需要准确的风暴潮预报为当地的防潮减灾工作服务。 本文应用天津港风暴潮潮位资料、国家常规地面气象观测资料和探空资料、 天津自动站资料和美国国家环境预报中心n c e p 再分析资料，以渤海风暴潮数值 预报模式为基础，采用数值模拟的方法，开展天津港风暴潮数值模式的应用研 究。主要研究内容包括： 1 ) 对1 9 5 0 年- 2 0 1 0 年天津港风暴潮历史资料进行了统计，分析天津港风暴 潮的历史统计特征。分析结果表明天津港风暴潮一年四季均有发生，其中6 月 一1 1 月出现较集中，8 月份是风暴潮最集中的一个月，历史上有3 7 8 的风暴潮 发生在8 月份；历史最高潮位出现在9 月份，8 月和1 1 月次之；天津港风暴潮 发生频率较高，高于4 7 0 c m 的潮位平均每年会出现2 4 3 次，高于5 0 0 c m 的潮位 平均每2 5 年就会出现一次。 2 ) 分析了渤海特殊地形作用对天津港风暴潮的影响。表明除了渤海上空持 续的向岸大风会造成天津港风暴潮外，即使天津港无风或吹离岸风时，由于渤 海特殊地形的作用，如果有较强天气系统( 如气旋) 作用产生北黄海海域偏东 大风，导致北黄海水体大量涌入渤海，天津港附件海面也会异常升高，甚至发 生风暴潮。 3 ) 使用渤海风暴潮数值预报模式对天津港1 0 次风暴潮个例进行模拟试验， 针对不同天气系统进一步研究了渤海风暴潮数值模式对天津港风暴潮的模拟能 力。结果表明模式对台风型风暴潮的增水模拟结果还是误差偏大；对强孤立气 旋型、冷锋低压型、冷锋型风暴潮的增水模拟结果比实际增水偏小，且三者偏 小幅度有所不同。 4 ) 由于在渤海风暴潮的形成中，风应力起决定性作用，通过适当调大风应 力拖曳系数，模式的模拟效果有所提高；试验表明风应力拖曳系数修正参数a 调整到 0 0 9 6 ，0 1 6 这个区间时，模式对强孤立气旋型、冷锋低压型和冷锋型 风暴潮的模拟误差有所减小，模拟结果更接近实况。 5 ) 用2 0 1 1 年一次天津港风暴潮应用个例检验了风应力拖曳系数调整方案 的实用性，结果表明风应力拖曳系数调整后，有效减小了模拟增水与实测增水 的误差，提高了渤海风暴潮数值模式的模拟精度。 关键词：海洋气象，天津港风暴潮，数值模拟，风应力拖曳系数 a b s t r a c t s t o r ms u r g ed i s a s t e r sa l o n gt i a n j i np o r to c c u l tf r e q u e n t l ya n do f t e nc a u s e e n o r m o u se c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s a c c u r a t ep r e d i c t i o no fs t o r ms u r g ei s u r g e n t l yn e e d e df o rs e r v i c e si np r e v e n t i n ga n dr e d u c i n gs t o r ms u r g ed i s a s t e r s i nt h i s p a p e r , t h es t o r ms u r g e d a t ao ft i a n j i np o r t , t h ec o n v e n t i o n a l m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o nd a t aa n ds o u n d i n gd a t a , t i a n j i na u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n d a t aa n dt h en c e pr e a n a l y s i sd a t as e t sa r eu s e d ；t h ep a p e rb a s e so nb o h a is t o r m s u r g em o d e lu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt oc a r r yo u tt i a n j i np o r ts t o r m s u r g en u m e r i c a lm o d e la p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h er e s e a r c ht o p i c si n c l u d e ： 1 ) t h i sp a p e rc o m p i l e ss t a t i s t i c sf r o m1 9 5 0 - 2 0 1 0s t o r ms u r g ed a t ao ft i a n j i n p o r t , a n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i a n j i np o r t ss t o r ms u r g e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es t o r ms u r g e st h r o u g h o u tt h ef u l ly e a rh a v eo c c u r r e di nt i a n ji np o r t , w h i c hi s c o n c e n t r a t e di nj u n et on o v e m b e r a u g u s ti st h em o s tc o n c e n t r a t e dm o n t h h i s t o r i c a l l y , 3 7 8 o fs t o r ms u r g e sh a p p e n e di na u g u s t m a x i m u ms t o r ms u r g et i d e w a si ns e p t e m b e r , a u g u s ta n dn o v e m b e rf o l l o w e db y ；t i a n j i np o r t ss t o r ms u r g e s o c c u r e df r e q u e n t l y , t h et i d el e v e la b o v e4 7 0 c m ，t h e r ew i l lb e2 4 3t i m e sp e ry e a r a v e r a g ea n dh i g h e rt h a n5 0 0 c mt i d el e v e lo c c u r se v e r y2 5y e a r s 2 ) t h i sp a p e ra n a l y z e st h es p e c i a lt o p o g r a p h yo ft h eb o h a is e ae f f e c t ss t o r m s u r g eo fr i a n j i np o r t t h er e s u l t ss h o wt h a tn o to n l ys t r o n gw i n do v e rt h eb o h a is e a c o n t i n u e dw i l lc a u s es t o r ms u r g e s ，w h e nn ow i n do ro f f s h o r e 诵n db l o w i n g ，i ft h e r e i sa s t r o n gw e a t h e rs y s t e m ( s u c ha sc y c l o n e s ) p r o d u c e ds t r o n ge a s t e r l yw i n d si nt h e n o r t hh u a n g h a is e a b e c a u s et h et o p o g r a p h yo ft h eb o h a is e ai np a r t i c u l a r , i fa l a r g e n u m b e ro f w a t e ro ft h en o r t hh u a n g h a is e ai n t ob o h a is e a , t i a n j i np o r t st i d ew i l l b ea b n o r m a l l yh i g h e r , o re v e nc a u s e ds t o r ms u r g e s 3 ) b h s s mi su s e dt os i m u l a t e10c a s e so f s t o r ms u r g ei nt i a n j i np o r t ；c a p a b i l i t y o f t h em o d e ls i m u l a t i n gd i f f e r e n tt y p e ss t o r ms u r g ei sa n a l y z e d ；t h er e s u l t ss h o wt h a t t t l t h em o d e l ss i m u l a t i o nr e s u l t so ft y p h o o ns t o r ms u r g e sh a v el a r g ee r r o r ；t h em o d e l s s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t r o n gc y c l o n es t o r ms u r g e s ，l o wp r e s s u r ea n dc o l df r o n ts t o r m s u r g e sa n dc o l df r o n ts t o r ms u r g e sa r es m a l l e rt h a nt h ea c t u a lt i d e ，a n dt h es m a l l m a g n i t u d eo ft h et h r e ei sd i f f e r e n t 4 ) t h ew i n ds t r e s sp l a y sad e c i s i v er o l eo nt h ef o r m a t i o no fb o h a is e as t o r m s u r g e b yi n c r e a s i n gt h ed r a gc o e f f i c i e n to fw i n ds t r e s sa p p r o p r i a t e l y , t h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h em o d eh a v ei m p r o v e d ；e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o ne r r o ro nt h e s t o r ms u r g eo fs t r o n gi s o l a t e dc y c l o n e st y p e ，l o wp r e s s u r eo fc o l df r o n tt y p ea n dc o l d f r o n tt y p ea r er e d u c e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sc l o s e rt ot h er e a lc o n d i t i o n ，w h e n t h ew i n ds t r e s sd r a gc o e f f i c i e n tc o r r e c t i o np a r a m e t e rai sa d j u s t e dt o 【0 0 9 6 ，0 16 5 ) o n ee a s eo fs t o r ms u r g ei n2 0 11 i nt i a n j i np o r ti su s e dt ot e s tt h e p r a c t i c a b i l i t yo fa d j u s t m e n tp r o g r a m so nw i n ds t r e s sd r a gc o e f f i c i e n t t h er e s u l t s s h o wt h a ta f t e rt h ea d j u s t m e n to fw i n ds t r e s sd r a gc o e f f i c i e n t , t h ee r r o rb e t w e e n s i m u l a t e dw a t e rl e v e la n da c t u a lw a t e rl e v e li se f f e c t i v e l yd e c r e a s e d , w h i c hi m p r o v e s t h es i m u l a t i o na c c u r a c yo fn u m e r i c a lm o d e lo nb o h a is e as t o r ms u r g e k e yw o r d s ：m a r i n em e t e o r o l o g y , s t o r ms u r g ei nt i a n j i np o r t ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，d r a gc o e f f i c i e n t i v 第一章绪论 1 1 研究意义 风暴潮是导致全球生命财产损失最严重的自然灾害之一，世界上绝大多数 因强风暴引起的特大海岸灾害都是由风暴潮造成的。一次严重的风暴潮灾害常 造成成千上万的人员伤亡和数亿、甚至数十亿美元的财产经济损失。中国是太 平洋沿岸国家中频繁遭受风暴潮灾害的国家之一，风暴潮灾害给我国的国防、 工农业生产和国民经济建设带来巨大损失n 。7 1 。天津港沿岸又是我国风暴潮灾害 频发且严重的区域，历史上曾发生多次强风暴潮灾害陋1 4 1 。虽然天津市加强了沿 海地区防潮工程体系的建设，沿海防潮能力有了明显提高，但是由于天津市沿 海发生风暴潮的频率也在明显加快，灾害性风暴潮由原先的5 年一遇，加快到 现在2 年一遇，并且随着沿海经济的飞速发展，风暴潮所产生的危害和损失在 逐步增大，仅2 0 0 3 年一次风暴潮所产生的经济损失就达1 个多亿，风暴潮已成 为威胁天津市安全和制约经济发展的重点灾害之一。同时，海平面上升和地面 沉降损失了海挡的高度，给防潮工作带来了一系列不利的因素，加大了灾害性 潮位出现的机会和灾害强度。因此，对天津港风暴潮进行深入研究十分必要， 准确的风暴潮预报对防潮减灾具有迫切的现实意义。 1 2 风暴潮的研究现状 风暴潮预报方法，一般可分为两大类，即经验统计预报方法和动力数值预 报方法。在当前中国的风暴潮预报业务中，一般借助于数值预报模式，并对模 式预报结果加以经验分析，二者结合得出预报结论。 经验统计预报方法主要是依据历史资料，用统计学中的回归分析和相关分 析为主要手段来建立指标站的风和气压与特定港口风暴潮位之间的经验预报方 程或相关图表。其优点是简单、便利、易于学习和掌握，且对于某些单站预报 能有较高精度。缺点是必须依赖于这个特定港口长时间的验潮资料和相关气象 站的风和气压的历史资料。因此，对于那些没有足够长时间资料的沿海地域， 由于样本较少，得出的经验预报方程可能是不准确的。对于那些缺乏风暴潮历 史资料的沿岸地区，这种经验统计预报方法根本无法使用。而且，巨大的、危 险性的风暴潮相对来说总是稀少的，也难以使用该方法。因而，用经验统计预 报方法预报风暴潮具有这样一种统计特性：它预报中型风暴潮精度较高，而用 以预报最具有实际意义的、最危险的大型风暴潮时，预报的极值通常比实际产 生的风暴潮极值偏低。另外，经验方法制订的预报公式或相关图表只能用于某 个特定港口，不能用于其它港口。同时由于风暴潮的物理本质具有复杂性，该 方法也很难反映出风暴潮演变的各种物理过程。 动力数值预报方法，是从动力学观点出发，在给定外界大气强迫力的情况 下，针对特定的有限海域，在适当的边界条件下，用数值方法求解风暴潮的控 制方程组，从而给出风暴潮位和风暴潮流的时空分布。可以说“风暴潮数值预 报”是“数值天气预报 和“风暴潮数值计算”二者组成的统一整体，是按照 大气、海洋运动规律建立风暴潮预报方程进而建立风暴潮预报模式进行风暴潮 数值预报的方法，该方法能够反映风暴潮演变过程中各种物理过程的本质，能 够模拟出风暴潮演变过程中精细的空间和时间分布特征，它不受历史资料时间 序列的限制，也不局限于单点的预报；只要给定海面风和气压预报、海域与海 底的几何特性以及必要的定解条件，即可通过对风暴潮的控制方程组进行数值 积分的方法，给出特定海域的预报值，包括突破历史极大值风暴潮的预报，这 对于风暴潮的预报分析和防灾减灾具有重要作用。无疑，这种更科学更客观的 预报方法是当前风暴潮预报发展的主要方向。未来风暴潮预报的发展方向就是 数值预报，而且是综合的数值预报，即包括气象、海洋、陆面等物理过程的数 值预报模式。 1 2 1 国外研究现状 世界主要海洋国家早在2 0 世纪2 0 - 3 0 年代，就已经在天气预报和潮汐预报 的基础上，开始了风暴潮的预报研究工作。最初对于风暴潮的研究仅限于个例 的观察和分析，主要目的是了解其现象、发生过程和初步探讨其成因。第二次 世界大战以后，雷达、卫星等探测技术的发展，为风暴潮的观测和研究提供了 2 更精确的手段，使人们对风暴潮的成因、机制以及发展过程有了更加深入的了 解，提出了诸如：边缘波、陆架波；深海、浅海、超浅海风暴潮；线性、非线 性模型以及天文潮与风暴潮的非线性耦合理论。 风暴潮的数值模拟技术研究从2 0 世纪5 0 年代开始。1 9 5 4 年，h k i v i s i l d 曾用手工计算的方法对美国奥基乔比湖进行了一次风暴潮数值模拟研究，开始 了风暴潮的数值模拟技术研究。随着计算机技术飞速发展，越来越多的国家加 入到风暴潮数值预报的行列中，数值模拟成为研究风暴潮的主要研究手段。7 0 年代，日本的宫崎正卫、宇野木早苗等采用台风预报的多种模式计算结果相互 对照来进行风暴潮预报。美国的j e l e s n i a n s k i 对不考虑和考虑底摩擦的风暴潮 进行数值计算，提出了用于美国大西洋沿岸的实时风暴潮预报模式，简称 s p l a s h ( s p e c i a lp r o g r a mt ol i s ta m p l i t u d eo fs u r g e sf r o mh u r r i c a n e s ) 模 式，这一方法已成为美国预报风暴潮的主要方法。至今仍为许多国家和地区使 用n 蚴3 。英国著名海洋学家h e a p s ( 1 9 8 3 ) 提出自动化温带风暴潮预报方法“海 模式( s e am o d e l ) ，此方法以气象局1 0 层大气模式，每隔1 2 h 发布连续3 6 h 的海面风和气压预报，输入一个二维流体动力学方程组作为外力，计算出覆盖 不列颠诸岛的大陆架逐时全过程风暴潮变化值。8 0 年代，美国国家海洋大气局、 国家天气局技术发展研究所海洋技术部开始对s p l a s h 模式进行改进，经过十多 年研究，截止1 9 9 2 年正式发布了新的风暴潮数值预报模式s l o s h ( s e a ，l a k ea n d o v e r l a n ds u r g e sf r o mh u r r ic a n e s ) 模式，这一模式能预报出海上、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 1 4 。英国b i d s t o n 海洋 研究院开发了s t w s ( s t o r mt i d ew a r n i n gs y s t e m ) 系统，荷兰、丹麦等北海沿岸 国家也都建立了自己的风暴潮预报系统，澳大利亚等其他国家的学者亦从事风 暴潮的研究船。 进入9 0 年代后，风暴潮与天文潮耦合的二维水流模型成为风暴潮业务预报 的主要手段，同时风暴潮三维水流数值模型也开始发展乜2 删。1 9 9 5 年，r o y 考虑 了岸边岛屿的影响，采用大小区嵌套的方法，用一个天文潮与风暴潮的耦合模 3 型计算了孟加拉河口风暴潮可能产生的最大水位。k o n i s h i 等采用一种传统的 二维数值模型计算了9 1 1 9 号台风在日本濑户内海北部沿岸引起的风暴潮，并用 海面数据和s c h w a b 方法来计算台风风场。j o n e s 用一个高分辨率的三维模型来 计算1 9 7 7 年1 1 月东爱尔兰海的风暴潮，模式中还考虑了波浪和海流的相互作 用。近年来，风暴潮运动的三维数值模式得到很大发展。如美国p r i n c e t o n 大 学开发的e c o m 和p o m 模型，德国h a m b u r g 大学开发的h a m s o m 陆架海洋动力模 型，也都用于风暴潮的数值模拟。 1 2 2 国内研究现状 国家海洋局于1 9 7 4 年5 月在厦门召开了中国首次风暴潮预报经验交流会， 并出版了论文集。1 9 8 2 年科学出版社出版了冯士绍院士编著的国际上第一部风 暴潮专著一风暴潮导论h ，分别从封闭和半封闭海域及大洋大陆架的风暴 潮问题出发，根据不同海域的动力特征，研究了风暴潮解析解的动力特征，并 揭示了风暴潮的内在动力机制，建立了我国风暴潮研究的理论体系，同年中国 风暴潮及海啸研究会编辑出版了英文版海洋文集( 第二期) 中国风暴潮研究专 集。孙文心h 2 1 发表了国内第一篇风暴潮数值模拟的论文，开创了国内数值风暴 潮预报的先河。此后孙文心等阳刮研制了适用于中国海的风暴潮数值模式，进 行了大量的模拟试验，对二维与三维模式结果，以及线性与非线性模式的结果 做了比较。“七五 期间，对风暴潮数值预报方法做了研制与开发，建立了我 国的第一代风暴潮数值预报模式，项目涉及除广东和广西外，我国其余所有沿 海地区。“八五 科技攻关研究中，建立了我国第二代风暴潮数值预报模式， 扩大了模式的预报功能，提高了预报精度，并把预报区域扩展到全国沿海地区。 从1 9 8 7 年起，中美合作进行s l o s h 模式在中国的应用，建立了覆盖中国海域的 5 个s l o s h 计算域，并完成了雷州半岛和杭州湾两个区域的s l o s h 非漫滩试验嘲1 ， s l o s h 模式在我国沿海的风暴潮预报中得到了较为广泛的使用。总之，2 0 世纪 8 0 年代以来，我国风暴潮的数值研究和应用有了很大发展，对渤海、黄海、东 海和南海陆架区以及台湾海峡海域的风暴潮数值模拟研究都取得了较好的成果 4 陋嘲，对风暴潮特性和各种动力因子效应进行的深入细致的研究，较好的阐明了 半封闭海域和开阔海域的风暴潮机制，为风暴潮经验预报因子的筛选提供了可 靠的依据。 在风暴潮的数值模拟方面，我国学者做了进一步的研究。吴少华、王喜年 等采用球坐标系下的二维风暴潮模式，对1 9 6 9 年4 月2 3 日引起渤海最大温带 风暴增水过程进行了数值模拟m 1 。史峰岩等m 啪3 建立了广义曲线坐标系下二维流 场模式，后来在广义曲线坐标模式中又引入流速逆变张量，建立了可隐式求解 的自适应曲线网格二维流场模式；朱首贤等口刀将流速逆变张量隐式求解的自适 应曲线网格二维流场模式做了进一步改进完善，使模式能做狭窄通道的流场计 算。陈长胜、秦曾灏等一1 建立了浙江、上海和江苏沿岸风暴潮数值预报模式。 孙英兰汹1 对不同的风暴潮模型和方法作了进一步探讨。吴培木嘲1 模拟了台湾海 峡风暴潮，并考虑了非线性效应。柴菲、汪景庸嘞3 以不同的方法对东南沿海的 台风潮与天文潮相互作用问题作了大量数值研究。于福江和张占海陋3 1 建立了基 于球坐标系下的东海风暴潮预报模式。朱耀华阳1 在浅海潮波和风暴潮数值计算 多采用的二维模型的基础上采用三维数值模型，提出了一个潮汐和风暴潮的二 维和三维嵌套数值模型。黄华嘶1 利用改进的河口海岸和海洋三维数值模式 e c o m - s i ，加入台风模型气压场和模型风场，同时考虑径流、天文潮与风暴潮耦 合作用，数值模拟了三次台风过程期间长江口和杭州湾的水位过程，结果与观 测相当一致。 渤海风暴潮的研究始于2 0 世纪7 0 年代，最早由中国海洋大学完成了第一 次环渤海风暴潮实地考查，并提出了渤海经验预报方法。孙文心等建立了渤海 风暴潮的零阶和一阶模型，进行了渤海风暴潮的数值模拟，表明了超浅海理论 的正确性。赵永良、张延廷等嘲1 采用a d i 法对黄、渤海的风暴潮和天文潮非线 性作用进行了数值诊断，认为在天文潮和风暴潮都大的海域，天文潮分潮的影 响显著，非线性项中的浅水效应项、风一水位效应项、底摩擦项对非线性效应 水位的贡献较大；尹宝树等对渤海海域的波浪和风暴潮相互作用进行了数值研 5 究，发现强寒潮时，风暴潮对波浪影响很大；张雪莹阳刀对天津沿海的风暴潮成 因进行了研究分析，指出低气压、寒潮大风、向岸风是渤海沿岸风暴潮增水的 主要成因，此外天文因素、局部洪水、海平面上升及人类活动对风暴潮也有较 大影响。许富祥通过对影响渤海的三次特大台风暴潮的研究认为造成台风系统 运移路径及其与北方天气系统的配合，造成天气系统进入黄渤海后的进一步发 展，是造成天津海域巨大增水的根本原因。 1 3 问题的提出 从上面的分析可以看出，目前对于风暴潮数值模拟预报的研究己经开展了 很多卓有成效的工作，但对于风暴潮数值预报业务化应用研究还刚刚起步，以 往一些科研成果虽能模拟各种大气条件下的风暴潮过程，但真正用于业务时往 往达不到实用的要求，误差还较大。 天津市气象局吕江津正研高工在他的博士论文渤海风暴潮数值预报研究 中对于渤海风暴潮数值预报也做了大量的研究工作：建立了以h a m s o u 海洋模式 和删5 大气模式为基础的渤海风暴潮数值预报模式，为天津风暴潮预报业务提 供了有效的数值预报手段；同时扩大模式的模拟区域，改进边界条件，并重点 通过对模式驱动风场的改进，使渤海风暴潮数值模式的模拟能力明显提高，得 到了更接近实况的风暴潮数值预报结果。 但业务应用中发现模式模拟的增水还存在一定误差，有时在驱动风场模拟 的比较准确的情况下，增水误差仍然存在，且对于不同天气系统影响下的风暴 潮，模式模拟能力也有所不同。因此，本文针对以上问题对渤海风暴潮数值预 报模式进行进一步的应用研究。 本文的研究工作是基于先期国内外研究成果，在吕江津正研高工所做的渤 海风暴潮数值预报研究工作基础上展开的。结合天津市气象台海洋业务的实际 需要，针对天津港风暴潮的特点，研究不同天气系统下渤海风暴潮数值模式的 模拟能力，并通过对模式参数进行调整优化，进而提高渤海风暴潮模式对天津 港风暴潮的模拟效果，提高天津港风暴潮数值预报的准确率。 6 第二章研究资料与研究方法 2 1 研究资料 本文所用资料主要包括风暴潮潮位资料、常规气象观测资料、美国国家环 境预报中心n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 再分析 资料。 2 1 - 1 潮位资料 1 ) 天津塘沽验潮站的潮位资料，资料长度为1 9 5 0 年- 2 0 11 年； 2 ) 塘沽水务局海河闸下自动潮位站( 3 8 9 9 1 。n 、1 1 7 7 l 。e ) 的逐时潮位 资料。 2 1 2 常规气象观测资料 1 ) 天津市3 个沿海气象站点( 塘沽、汉沽、大港) 的地面常规观测资料， 主要用到的是地面风、压气象资料，资料长度为2 0 0 3 年- 2 0 1 1 年； 2 ) 渤海a 平台( 3 8 4 3 。n 、1 1 8 4 1 。e ) 自动站逐时风场资料，资料长度 为2 0 0 3 年一2 0 1 1 年； 3 ) 国家常规地面气象观测资料和探空资料，资料长度为2 0 0 3 年一2 0 1 0 年。 包括：高空探测资料含有1 1 个特性层( 1 0 0 09 2 58 5 07 0 05 0 04 0 03 0 02 5 02 0 0 1 5 01 0 0 ) 的位势高度、温度、温度露点差以及风场的信息；地面探测资料包括 气温、露点、气压、3 小时变压以及风场等2 1 种要素信息。 2 1 3n c e p 资料 本文使用美国国家环境预报中心n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o r e n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 再分析资料，资料的时间分辨率是6 小时，资料 的空间分辨率为1 。木1 。，其中包含了2 6 层( 1 0 0 09 7 59 5 09 2 59 0 08 5 08 0 07 5 0 7 0 06 5 06 0 05 5 05 0 04 5 04 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 0 1 0 0 7 05 0 3 02 01 0 ) 的位势高度场，温度，u 、v 风速场以及地面气压，土壤温度等8 5 种要素的信息。 资料长度为2 0 0 3 年- 2 0 1 1 年。 7 2 2 研究方法与研究思路 本文所用的研究方法为数值模拟和常用的气象统计方法。数值模拟主要用 到的模式为渤海风暴潮数值预报模式。本文的研究是针对目前天津风暴潮预报 业务的需要，试图为提高风暴潮预报的准确率提供一个比较可行的技术方案。 确定研究思路为： 1 ) 对天津港风暴潮的特点进行统计分析 对天津港风暴潮发生频次、影响系统、最高潮位以及潮位平均值进行统计 分析，研究天津港风暴潮的特点。 2 ) 对渤海风暴潮数值预报模式的模拟能力进行检验 由于不同的天气形势下，大气扰动对潮位影响作用有很大差异。用目前业 务化的渤海风暴潮数值预报模式对天津港1 0 次风暴潮个例进行模拟试验，研究 不同天气系统下渤海风暴潮数值模式对天津港风暴潮的模拟能力； 3 ) 分析模拟试验结果，尤其是对模拟试验结果中误差出现的原因进行分析， 进而提出渤海风暴潮数值预报模式的改进方案，并通过一个应用个例对改进方 案进行检验。 8 第三章天津港风暴潮的特点分析 3 1 风暴潮的定义及形成机制 3 1 1 风暴潮的定义 风暴潮( s t o r ms u r g e ) 是指由于强烈大气的扰动( 如强风和气压骤变) 引起 的海面异常升高的现象，它经常伴有狂风巨浪，如果与天文大潮相叠加，造成 濒海区域潮水暴涨，乃至海水浸溢内陆，会酿成巨大灾难。有人称风暴潮为“风 暴增水 、“风暴海啸或“气象海啸 ，我国历史文献中称风暴潮位“海溢”、“海 侵 、“海啸 及“大海潮 等。 3 1 2 风暴潮形成的物理机制简述 假定在大洋或者海平面上出现一个风暴，在风暴中心低压区海水将上升， 同时风暴周围的强风将以湍流切应力的作用引起表面海水形成一个与风场同样 的气旋环流。由于c o r i o l i s 力场的作用和海水运动的连续性，就形成了在深层 海水的辐合。海面受局部低气压的作用以及深层流的作用造成部分海面隆起， 似一个孤立波一样随着风暴移行而传播，在广阔洋面上可被看作是一个强迫进 行波，当它形成的同时，也形成了由风暴中心向四面八方传播出去的自由长波， 这些自由波系的传播是远远超前而奔向岸边的。当它们传播到如大陆架上这种 浅水域，特别是风暴所携带的强迫风暴潮波爬上了大陆架浅水域或进入边缘浅 海、海湾或江河口时，由于水深变浅，加上强风的直接作用、地形缓坡影响， 能量急剧集中，风暴潮也就急剧的发展起来。 ( ) 掉冒聍风曩的丘盅 伯) 置在太洋中落生的谴量 图3 - 1 风暴潮形成物理机制 9 3 2 渤海的潮汐规律和海潮活动规律 渤海多为不正规半日潮。其中塘沽平均潮差为2 4 8 m ，实测最大潮差为 4 3 5 m 。 图3 - 2 黄渤海潮汐类型分布图 天津沿海位于渤海湾属于渤海潮波系统，为太平洋潮波经东海、黄海传入 渤海后形成的协振潮。潮汐特征大多为不正规半日潮性质。潮流特征也表现为 不规则半日潮流特征。年平均波高o 5m ，累年最大波高4 0 m ，波浪以东北东 向为强浪向。渤海湾潮波传播方向为自东北向南逆时针传播。 3 3 渤海地形对天津港风暴潮的影响分析 渤海是一个半封闭类似梯形的海湾，南宽北窄，长轴走向为n e _ _ s w 向，长 约4 6 0 公里，海峡宽1 0 0 多公里，平均水深2 0 米。北、西、南三面分别为辽东 湾、渤海湾和莱州湾，东面为渤海海峡与黄海相通。渤海地形对海流运动规律 和风暴潮的影响表现为以下几个方面： l o 1 ) 渤海海峡为深水道，且两岸多山，这有利于在偏东风条件下，风力通过 海峡时加强，在风切应力作用下有利于黄海海水加速流入渤海； 2 ) 渤海湾为呈喇叭口外向的浅海湾，滩涂地带广阔，地势平缓。这种地理 形势使得海潮涨得快，落得慢。潮水每增长1 m ，就要侵入陆地5 - 1 0 k i n ，容易形 成风暴潮灾害。 天津港位于渤海湾n w 角，其地理位置正处于海上偏东大风的正面袭击，是 形成风暴潮非常有利的场所。历史个例表明，在渤海无风或吹离岸风的情况下， 天津港也出现过风暴潮。以2 0 0 8 年8 月2 2 日天津港风暴潮为例，在渤海西部 海面上空转西北风( 对于天津港属于离岸风) 1 6 个小时后，天津验潮站出现了 5 1 6 米的高潮位( 警戒水位为4 9 米) 。本文6 2 1 节中根据渤海风暴潮数值模 式对本次风暴潮过程气象背景场、增水场和风暴潮流场的模拟结果，对本次风 暴潮过程中渤海水体的移动、变化进行了详细分析。结果表明造成在离岸风的 情况下产生风暴潮的原因很复杂，其中远距离的气旋作用产生的北黄海海域偏 东大风，导致北黄海水体大量涌入渤海应该是一个主要原因。对于渤海这样一 个半封闭的超浅海，外海水体的涌入会造成渤海水位升高，这对于天津港风暴 潮是一个不容忽视的影响因素。 从以上分析可以看出，渤海地形造成了天津港风暴潮的特殊性和复杂性。 渤海上空持续的向岸大风会造成天津港风暴潮；渤海上空无风或吹离岸风时， 如果有增水波从海峡传入渤海，天津港附件海面也会显著升高，甚至发生风暴 潮。 3 4 天津港风暴潮的统计特征 对1 9 5 0 年一2 0 1 0 年塘沽验潮站资料进行统计，发现6 0 年中出现潮位高于 4 7 0 c m 的天数为1 8 0 天，潮位高于5 0 0 c m 的天数为2 4 天：6 0 年中潮位高于4 7 0 c m 天数的月分布见图3 - 3 ，各月出现过的最高潮位见图3 - 4 。统计表明，塘沽1 1 2 月份均出现过4 7 0 c m 以上的高潮位，一年中每个月均有遭受潮灾的可能，但 主要集中在6 月到1 1 月，而8 月份是全年风暴潮最集中的一个月，有3 7 8 的 风暴潮发生在8 月份。历史高潮位主要集中在8 、9 、1 1 月份，最高潮位出现在 9 月，为5 9 米；1 2 月和1 月历史最高潮位为4 7 米，是一年中相对高潮位比 较低的月份。 图3 31 9 5 0 - 2 0 1 0 年天津港高潮位4 7 0 c m 的月分布 图3 41 9 5 0 2 0 1 0 年天津港各月最高潮位 进一步分析表明：天津海域的风暴潮基本上每年都会发生。但是风暴潮能 否成灾，在很大程度上取决于最大风暴潮位是否与天文潮高潮相叠，尤其是与 天文大潮期的高潮相叠。如果最大风暴潮位恰与天文大潮的高潮相叠，则会导 致发生特