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0703温带气旋特大风暴潮数值模拟对比分析

闫丽凤 江文胜 周淑玲 姜绍材

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0703温带气旋特大风暴潮数值模拟对比分析

Contrast Analysis on Numerical Simulation of 0703 Cyclone Strong Storm Surge

  • 摘要: 为验证德国汉堡大学所开发的三维陆架模式HAMSOM(Hamburg Shelf Ocean Model)对渤海海域气旋风暴潮模拟的可行性和准确度, 并对不同来源气象数据的模拟结果进行比较, 分别使用T213和NCEP资料的风场和气压场数据, 运用HAM SOM模式对2007年3月4—5日发生在渤海和黄海北部的气旋风暴潮增水过程进行了数值模拟。模拟结果较好地反映出烟台、威海两站风暴潮增水过程的水位变化, 较准确地模拟出风暴潮在渤海、黄海北部的增水过程, 且T213资料比NCEP资料的模拟结果更接近实况, 该模式对研究和模拟渤海气旋风暴潮比较适用。
  • 图 1  2007年3月3日20:00—5日14:00烟台(a)、威海(b)模拟增水过程与实测增水过程对比

    Fig.1  The simulated and observed storm set-up of Yantai(a)and Weihai(b) from 20:00 Mar 3 to 14:00 Mar 5, 2007 using T213 and NCEP data

    图 2  2007年3月4日20:00 T213与NCEP风场(单位: m/s)和模拟增水(单位: cm)

    Fig.2  1000 hPa wind(unit: m/s)and simulated storm set-up(unit:cm) at 20:00 on Mar 4, 2007 using T213 and NCEP data

    图 3  2007年3月T213与NCEP资料1000 hPa风速差值分布(单位: m/s)

    Fig.3  The wind difference(unit:m/s)between T213 and NCEP data at 1000 hPa in Mar, 2007

    图 4  2007年3月3日20:00—5日02: 00大黑山、烟台和成山头1 h地面风速(a)与T213每隔6 h风速(b)对比

    Fig.4  Observed wind fields in Daheishan, Yantai and Chengshantou(a), and wind of T213 at 1000 hPa(b)from 20:00 Mar 3 to 02:00 Mar 5, 2007

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出版历程
  • 收稿日期:  2007-10-23
  • 修回日期:  2008-07-25
  • 刊出日期:  2008-10-31

0703温带气旋特大风暴潮数值模拟对比分析

  • 1. 山东省烟台市气象局, 烟台 264003
  • 2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 青岛 266100
  • 3. 山东省威海市气象局, 威海 264200
  • 4. 国家海洋局北海海洋环境监测中心站, 北海 536000

摘要: 为验证德国汉堡大学所开发的三维陆架模式HAMSOM(Hamburg Shelf Ocean Model)对渤海海域气旋风暴潮模拟的可行性和准确度, 并对不同来源气象数据的模拟结果进行比较, 分别使用T213和NCEP资料的风场和气压场数据, 运用HAM SOM模式对2007年3月4—5日发生在渤海和黄海北部的气旋风暴潮增水过程进行了数值模拟。模拟结果较好地反映出烟台、威海两站风暴潮增水过程的水位变化, 较准确地模拟出风暴潮在渤海、黄海北部的增水过程, 且T213资料比NCEP资料的模拟结果更接近实况, 该模式对研究和模拟渤海气旋风暴潮比较适用。

English Abstract

    • 2007年3月4—5日, 受发展的江淮气旋以及天文大潮共同影响, 渤海及山东半岛北部沿岸地区遭受了历史上罕见的强风暴潮袭击, 辽宁、山东、河北、天津等省市共有17人死亡, 7人失踪, 倒塌房屋0.6万间, 直接经济损失61.7亿元。本次风暴潮增水始发于4日凌晨天津沿岸地区, 4日下午开始自西向东影响山东北部沿岸地区, 潍坊羊口14:00(北京时, 下同)、烟台港22:00分别超当地警戒水位70 cm和34 cm, 其中, 烟台港4日15:00—5日01:00连续11 h增水值均在100 cm以上, 4日20:00增水达到最大值136 cm, 增水最大值和增水100 cm以上持续时间均突破了1960年以来烟台港历史纪录; 同时, 气旋还造成了渤海和黄海北部一带强烈的偏北大风。位于渤海海峡的大黑山海岛自动气象站, 自4日09:00开始到5日11:00, 有24 h极大风力均在10级以上, 4日23:00风速高达43.2 m/s, 创这一带沿海和海岛所有气象观测站自建站以来的历史最高纪录。

      国内外许多学者已研究了风暴潮的动力-数值预报[1]。欧美对风暴潮的数值预报主要依托其先进的计算机技术、适于风暴潮预报的数值天气预报技术、系统的监测网络和先进的观测技术, 例如英国在1969年研制了Sea Model[2], 荷兰发展了DCSM模式并加入了Kalman滤波技术, 使用了分辨率22 km的Hirlam中尺度气象模式[3]; 我国“七五”、“八五”期间均进行风暴潮数值预报产品的研究, 并已逐渐将数值预报产品应用于进行风暴潮潮位的业务预报[4-6]。江淮气旋常常造成黄、渤海大风、暴雨、风暴潮等灾害性天气, 国内不少学者对这类天气系统进行了分析、总结和数值模拟[7-10], 周淑玲等[11]对影响山东半岛东部的风暴潮进行了天气气候分析, 并对不同天气形势造成的风暴潮进行了研究, 但目前对于江淮气旋影响渤海造成的风暴潮的数值模拟研究还较少。HAMSOM模式[12]是德国汉堡大学开发的用以模拟流场、水位和海水温度盐度的三维预报模式, 用其正压部分来模拟风暴潮增水过程具有可行性, 西班牙即以HAMSOM模式为基础建立了风暴潮预报系统[13], 江文胜等[14]利用该模式研究了地形变化对青岛地区台风风暴潮灾的影响。本文拟利用该模式, 取不同的初始场资料对2007年3月初由江淮气旋引起的风暴潮增水情况进行数值模拟, 并对两种模拟结果进行对比分析, 以期验证模式对气旋风暴潮的回报能力。

    • HAMSOM模式是垂直分层模式, 控制方程建立在分层上, 这样做是为了简化计算, 通过对原始方程进行层内积分, 得到层积分方程, 从而将三维问题转化为二维问题。其次, 针对限制时间步长的线性不稳定因子, 在运动方程中通过引入一个稳定二阶旋转矩阵, 来克服科氏力项在时间迭代过程中产生的线性不稳定; 对运动方程中的正压梯度力项和连续方程中的水平散度项, 采用半隐差分格式, 以克服由重力外波引起的稳定性限制。有关HAMSOM模式的详细描述见文献[12], 风暴潮问题中斜压效应不重要, 因此本研究只用该模式的正压部分。

      目前来看, 制约风暴潮模型预报能力主要是天气预报模式的准确性, 也就是海面风场和海面气压场的准确性。文献[14]利用HAMSOM模式对8509台风造成的青岛风暴潮增水进行了模拟, 台风强度和路径采用实况, 基本消除了天气预报的不准确性。根据文献[14]的结果, HAMSOM模式模拟的风暴潮增水极值误差在10%以下, 这说明利用HAMSOM模式进行预报从水动力角度看是可行的。西班牙则利用HAMSOM模式建立了风暴潮业务化预报模型, 该预报模型的天气预报结果来自Hirlam中尺度大气预报模式。为了检验预报模式的可靠性, 文献[13]中给出了1995年11月—1996年3月的预报结果, 文中比较了11个站的结果显示:在这5个月中, 增水的均方根误差平均为5 cm, 11个站的最大误差平均值为25 cm。由于在这期间实际上没有发生风暴潮灾害, 实测增水在70 cm以下, 因此预报值与实测值的均方根误差不大, 但最大误差较大。

    • 模式计算区域为32°~41°N, 117°~127°E。空间分辨率为4′×4′, 垂直方向为5层, 由海面到各层的深度分别为3 m, 10 m, 20 m, 30 m, 150 m。在海面利用1°×1°的T213和NCEP数值预报产品对模式进行驱动, T213资料为每天08:00和20:00的0 h分析资料和未来6 h预报场资料, NCEP资料为每日02:00, 08:00, 14:00, 20:00的4次再分析资料, 时间间隔为6 h, 要素为1000 hPa风场和气压场资料, 由于风暴潮的计算网格是4′经纬距, 因此采用线性插值方法, 将海面气压场和风场插值到空间网格点上; 另外, 在时间上也采用插值方法, 使其与风暴潮的时间分辨率一致; 然后模式用T213和NCEP资料对风暴潮增水过程进行回报。将模拟增水结果与烟台、威海两观测站的实际增水进行对比分析, 在模拟结果比较可信的基础上, 再对4日02:00—5日02:00两种产品所模拟的结果进行对比分析。

    • 为验证利用T213资料和利用NCEP资料的模拟结果, 选取烟台、威海两站2007年3月3日20:00—5日14:00的模拟增水与实况进行对比分析。

      图 1a中可看出:烟台3日20:00到4日05:00实测水位增水缓慢, 从4日05:00增水开始加大, 到5日08:00增水结束; T213资料和NCEP资料模拟的增水趋势从4日02:00到5日08:00与实况大致一致, 但峰值及其到达时间不完全一致, 实况最大增水出现在4日20:00, 为136.0 cm, T213资料模拟最大增水时间为4日21:00, 基本接近实况, 最大增水为79.0 cm, 比实况偏弱57 cm, NCEP资料模拟最大增水出现在4日18:00左右, 模拟峰值出现时间提前2 h, 最大增水为60.8 cm, 比实况偏弱75.2 cm。利用T213资料模拟烟台增水峰值和峰值出现时间比利用NCEP模拟的结果更接近实测增水, 但利用两种资料模拟最大增水都比实况明显偏弱。

      图  1  2007年3月3日20:00—5日14:00烟台(a)、威海(b)模拟增水过程与实测增水过程对比

      Figure 1.  The simulated and observed storm set-up of Yantai(a)and Weihai(b) from 20:00 Mar 3 to 14:00 Mar 5, 2007 using T213 and NCEP data

      图 1b中可看出:威海3日20:00到4日08:00实测水位为弱减水过程, 增水从4日08:00开始, 到5日04:00结束; T213资料和NCEP资料模拟的增水趋势从4日08:00到5日04:00与实况大致一致, 但峰值及其到达时间也不完全一致, 实况最大增水出现在4日22:00, 为114.0 cm, T213资料模拟最大增水时间为22:00, 与实况同步, 最大增水为58.7 cm, 比实况偏弱55.3 cm, NCEP资料模拟最大增水出现在4日18:00左右, 模拟峰值出现时间提前4 h, 最大增水为50.2 cm, 比实况偏弱63.8 cm。利用T213资料模拟威海的增水峰值和峰值出现时间比利用NCEP模拟的结果更接近实测增水, 但利用两种资料模拟结果也都比实况明显偏弱。

      总之, 两种数据模拟的结果都较好地反应出气旋风暴潮的增水过程, 且利用T213资料比利用NCEP资料模拟的最大增水出现时间、增水幅度更接近实况, 尤其是利用T213资料模拟的最大增水出现时间与实况基本一致, 但两种资料模拟最大增水强度较实况明显偏弱。模拟结果说明该模式对气旋风暴潮具有一定的模拟能力, 对实际风暴潮的预报具有一定的参考意义。

    • 通过对比分析2007年3月4日02:00—5日02:00渤海和黄海北部每隔6 h增水分布模拟结果可知: T213和NCEP风场资料反映的流场是一致的, 两者模拟的最大增水范围和位置也是一致的, 但最大增水有一定差别。

      4日02:00塘沽到莱州湾为向岸的东北风, 模拟的最大增水也位于这段沿海, 利用T213资料模拟的最大增水为50 cm, 利用NCEP资料模拟的最大增水为20 cm; 4日08:00整个渤海南海岸为较大的向岸北风, 此时风辐合中心位于烟台的龙口到青岛之间, 利用T213和NCEP资料模拟的最大增水中心均在莱州湾, 最大增水都是50 cm; 到14:00, 风辐合中心位于成山头东北的黄海北部, 向岸北风在渤海、渤海海峡的南海岸, 最大增水出现在莱州湾, 最大增水也都超过80 cm(图略)。

      4日20:00, 风辐合中心东移到朝鲜半岛的西部海域上, 山东半岛为一致的向岸北风, 且T213资料风速大于NCEP资料风速, 此时模拟的增水中心在莱州湾到山东半岛北部沿海, T213模拟的增水明显大于NCEP模拟的增水(图 2); 5日02:00, 风辐合中心在朝鲜半岛北部, 山东半岛北部转为较大的西北风, 较大增水仍位于莱州湾到山东半岛北部沿海, 但最大增水比20:00有所减弱。

      图  2  2007年3月4日20:00 T213与NCEP风场(单位: m/s)和模拟增水(单位: cm)

      Figure 2.  1000 hPa wind(unit: m/s)and simulated storm set-up(unit:cm) at 20:00 on Mar 4, 2007 using T213 and NCEP data

      由以上分析可以看出:开始的东北风使渤海的海水堆积, 增水首先出现在天津、塘沽沿海, 随着风场转变为偏北风, 增水出现在莱州湾, 并逐渐向东推移到山东半岛的北部沿海, 当渤海转为西北风后, 渤海的增水开始减弱, 烟台、威海的最大增水出现在风向由北风转为西北风的几个小时内。分析还可以看出:HAMSOM模式能较为准确地模拟出风场对风暴潮增水的影响, T213资料和NCEP资料的风场在4日08:00—14:00情况较为相似, 两者模拟的结果也较接近, 但20:00 T213资料在成山头以西的黄海北部风速大于NCEP资料的风速, 模拟出的最大增水T213资料也比NCEP资料更接近实况, 这说明风暴潮数值预报对气象数据具有十分严格的要求。

    • 为了探究利用T213与NCEP资料模拟结果的差异和模拟最大增水比实测值偏弱的原因, 选取3日20:00—5日02:00 T213和NCEP风场资料及山东半岛北部沿海自动气象站逐时观测的风资料做进一步分析。

      图 3是T213与NCEP资料1000 hPa风速差的分布图。3日20:00整个渤海、黄海中部为正值, 渤海中北部有一大值区, 最大风速差为7 m/s, 这表示T213资料的风速比NCEP的风速明显偏大; 4日02:00与渤海最大增水区对应的为正值区, 渤海海峡为小的负值区, 此时利用T213资料模拟的最大增水比利用NCEP资料模拟的最大增水强; 4日08:00和14:00在渤海到山东半岛北部海上T213与NCEP的1000 hPa风速差值有正、负两个中心, 两种资料在增水区的平均风场值较接近, 所以模拟的最大增水也接近; 4日20:00, 渤海和山东半岛北部海上均为正值区, T213资料的风速比NCEP的风速大, 模拟的最大增水也强。分析4日02:00—20:00 T213和NCEP的风场分布可知, 渤海最大增水区主要盛行北风, 在最大增水区T213的向岸风速比NCEP的向岸风速偏大, 风对海水的强迫作用大, 增水就偏大。

      图  3  2007年3月T213与NCEP资料1000 hPa风速差值分布(单位: m/s)

      Figure 3.  The wind difference(unit:m/s)between T213 and NCEP data at 1000 hPa in Mar, 2007

      为了说明模拟结果比实况偏弱的原因, 选取T213资料在渤海格点上的1000 hPa风速与靠近格点的山东半岛北部沿海自动气象站的地面风速进行比较分析。T213资料在渤海、黄海北部选3个格点:格点1(38.0°N, 120.0°E)、格点2(38.0°N, 121.0°E)、格点3(38.0°N, 122.0°E), 资料为3日20:00—5日02:00每隔6 h T213的1000 hPa风速; 地面自动气象站选大黑山(38.0°N, 120.6°E)、烟台(37.5°N, 121.4°E)和成山头(37.4°N, 122.7°E)3个站, 资料为3日20:00—5日02:00地面1 h风速。通过分析可以看出:增水前, 3日20:00和4日2:00, T213的风速与实况相差不大, 偏差在3 m/s以下; 开始增水后, 4日08:00, 14:00, 20:00到5日02:00, 地面实测风速比T213资料1000 hPa风速明显增大, 4日20:00大黑山的地面风速比T213在格点1的1000 hPa风速大16.4 m/s。另外, 从图 4a还可以看出, 4日14:00—23:00风速随时间增加, 增水也随风速的增加而增加, 最大风速之后, 随风速的减小, 增水幅度也逐渐减小。

      图  4  2007年3月3日20:00—5日02: 00大黑山、烟台和成山头1 h地面风速(a)与T213每隔6 h风速(b)对比

      Figure 4.  Observed wind fields in Daheishan, Yantai and Chengshantou(a), and wind of T213 at 1000 hPa(b)from 20:00 Mar 3 to 02:00 Mar 5, 2007

    • 1) 对比分析烟台、威海两站的增水实况和模拟结果表明:利用T213和NCEP资料进行数值模拟都较好地反映出气旋风暴潮的增水过程, 且利用T213资料比利用NCEP资料模拟的最大增水时间、增水幅度更接近实况, 尤其是T213模拟的最大增水出现时间与实况基本一致。

      2) 利用T213资料和利用NCEP资料模拟的最大增水强度比实测值明显偏弱, 通过分析两种资料的风速值差可以看出T213资料比NCEP资料风速值大时, 对应的增水就偏强。由山东半岛北部沿海自动气象站的地面风场与T213资料的1000 hPa风场比较可以看出:T213风速资料明显小于实测风速, 相应的模拟增水也比实测增水偏弱。

参考文献 (14)

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