超强台风“威马逊”路径对北部湾风暴潮与台风浪潜在影响的数值模拟研究：灾害机制与风险区划

本文基于Holland台风模型与Delft3D-FLOW-WAVE构建了潮-涌-浪全耦合模型，通过系统偏移"威马逊"台风轨迹开展理想化试验，揭示了北部湾风暴潮"先负后正"的时空演化规律（右偏分布）和台风浪"由右偏向左偏"的独特空间重构现象。研究发现琼州海峡东西两岸、海南岛东北部及雷州半岛东侧凹形海岸是极端风暴潮（>4.5m）与巨浪（>9m）的高风险区，为湾区重大工程防灾设计提供了关键科学依据。

　　

1 引言

沿海区域尤其是近岸浅水区在台风期间经历高度动态过程，这些动力学由空间异质性因素驱动，包括水深地形、海岸线几何形态和潮流等。台风事件中关键物理机制——天文潮与风暴潮相互作用（tide-surge interaction）、波-流耦合（wave-current coupling）及波-流反馈动力学，共同控制着风暴潮的时空演变和台风浪的生成-传播-耗散循环。

在沿海浅滩和河口区域，天文潮与风暴潮存在显著相互作用。台湾海峡、墨西哥湾、孟加拉湾和澳大利亚海岸等区域因这些相互作用导致水位异常超过1米。台风登陆时，当地潮汐相位和地形特征调节潮-涌耦合，对涌浪强度起到关键控制作用。

潮-涌相互作用主要通过相位依赖机制调节近岸浅水区水位：（a）正涌浪分量加速潮汐传播，放大极端水位；（b）负涌浪分量延缓潮汐推进。风暴潮动力学受天文潮强烈影响，非线性潮-涌相互作用主导涌浪形态、振幅、空间分布和持续时间，这些机制必须明确纳入风暴潮数值模型。

波-流相互作用构成关键海岸过程，主要发生在近岸浅水区，特别是在破波带内。区域特异性水深地形和海岸线配置决定这些相互作用的主导调节机制。波-流耦合表现为双向：（a）波浪通过斯托克斯漂移、辐射应力、波致表面应力修正和波增强底部边界层应力影响流场；（b）流场通过多普勒频移（改变波长/陡度）和水位控制的深度诱发破碎调节波浪。

作为极端海洋动力事件，台风在极端风力强迫下驱动风暴潮与台风浪之间的强烈波-流相互作用。这些相互作用控制受影响区域的极端波高和风暴水位，已被广泛研究。波浪 setup 效应显著修正峰值涌浪量级。风暴潮和台风浪表现出受当地水深地形、海岸线几何形态和潮流调制的区域独有特征。

2 研究区域与台风条件

2.1 研究区域

北部湾位于南海西北端，是世界重要的国际区域经济合作区之一。作为典型的半封闭浅水海湾，平均水深约42米，北接中国广西壮族自治区，东临中国雷州半岛和海南岛，西邻越南。海湾覆盖约105°39′E~110°02′E和18°08′N~21°53′N，总面积约130,000 km2，海岸线蜿蜒曲折总长约1600公里。

北部湾潮汐特征主要归类为不规则全日潮，沿岸平均潮差范围2.3-2.6m。海湾近岸浪由风浪、涌浪和混合浪组成，风浪年发生频率最高达100%，涌浪年频率19.0%，混合浪年频率18.1%。沿岸平均有效波高0.3-0.6m，平均波周期2.7s。台风是北部湾主要自然灾害，对海岸影响呈现明显季节性规律。

统计显示平均每年1.5个台风进入北部湾。其中台风"威马逊"（2014年）以17级最大中心风力和910hPa中心气压登陆，其引发的风暴潮和台风浪对北部湾不同区域造成不同程度灾害。近年来由于气候变化和海平面上升等因素，全球沿海地区台风事件呈现频次增加和强度增强趋势。

2.2 超强台风威马逊（2014）

本研究聚焦超强台风"威马逊"，这是过去50年登陆北部湾的最强台风之一。它于2014年7月9日在西北太平洋形成，于2014年7月19日07时以强台风级别登陆，此时近中心最大风力达15级，中心最低气压950hPa。特别值得注意的是，它在北部湾展现出最广泛和破坏性的台风路径之一，为研究该区域极端台风事件提供了宝贵信息。

3 模型设置与验证

3.1 气压与表面风场计算

本研究采用广泛应用于风暴潮和台风浪模拟的Holland台风模型生成"威马逊"台风压力/风场。压力场控制方程如式（1）所示：

P_s = P_cs + ΔP_se^-(r_vm/r)b (1)

其中P_s表示半径r处的表面压力，P_cs表示台风中心压力，ΔP_s = P_ns - P_cs表示从特定外部压力P_ns到中心压力P_cs的压力降，r_vm表示台风最大风速半径，b表示尺度参数。

风场控制方程如式（2）所示：

V_s = { [100b_sΔP_s(r_vms/r)^b_s / ρ_se^(r_vm/r)b_s ]^x

V_ms{ (r_vms/r)^b_se^{[1-(r_vms/r)b_s}] }^x } (2)

其中V_s表示半径r处的表面风速，下标s表示表面值（名义高度10m），b_s表示台风表面尺度参数，x表示台风剖面形状参数。

从联合台风预警中心西北太平洋台风最佳路径档案收集"威马逊"台风每6小时间隔的路径、中心压力、最大风速半径和持续最大风速数据，用于计算时空变化的大气压力和表面风场。环境未扰动天气背景表面压力P_n取1010hPa，流入角取20°，风速因子取0.93。

3.2 潮-涌-浪耦合模型描述

Delft3D模型是由五个核心模块组成的最先进的沿海和海洋数值模拟系统之一，广泛应用于河口、海岸和海洋环境中风暴事件的预测和后报。本研究使用FLOW模块和WAVE模块描述"威马逊"台风期间的风暴潮和波浪过程。

FLOW模块基于浅水方程和Boussinesq假设，使用有限差分法求解倾斜压力下的Navier-Stokes输运方程，可用于模拟多维（2DH或3D）空间中的海洋和沿海区域水动力过程。

质量守恒方程如式（3）所示：

?ξ/?t + ?((d+ζ)U)/?x + ?((d+ζ)V)/?y = Q (3)

动量守恒方程如式（4）-（5）所示：

?U/?t + U?U/?x + V?V/?y - fV = -g?ζ/?x - (g/ρ₀)∫_-d^ζ(?ρ'/?x)dz + (τ_sx-τ_bx)/[ρ₀(d+ζ)] + v_h?²U (4)

?U/?t + U?U/?x + V?V/?y + fU = -g?ζ/?y - (g/ρ₀)∫_-d^ζ(?ρ'/?y)dz + (τ_sy-τ_by)/[ρ₀(d+ζ)] + v_h?²V (5)

其中ζ表示总水深，d表示参考平面净水深，U和V分别表示x和y方向速度分量，Q表示单位面积质量强度。f表示科里奥利力参数，v_h表示动力水平涡粘性，ρ₀表示参考密度，ρ'表示不规则密度，τ_sx和τ_sy分别表示海表面x和y方向风压分量，τ_bx和τ_by分别表示x和y方向底部剪切应力分量。

基于Holland台风模型和Delft3D-FLOW-WAVE模型构建了整体耦合的潮-涌-浪模型。耦合模型的交互过程表现为：Holland台风模型为Delft3D-FLOW-WAVE模型提供台风过境期间海表面气象强迫。FLOW和WAVE模块实时双向耦合，FLOW模块计算台风影响下水位和流场的时空变化，并将此类信息传输给WAVE模块；同时WAVE模块考虑风应力和辐射应力对风暴潮的影响，向FLOW模块反馈波辐射应力等信息。这一交互过程实现了天文潮、风暴潮和台风浪之间的耦合。

3.3 计算域与参数设置

计算域和网格分辨率的设置对风暴潮和台风浪模拟至关重要。考虑离岸边界扰动影响和精细描绘近岸动态过程的必要性，采用双层嵌套网格系统分别构建了整个南海（SCS）和北部湾邻近海域（BBG）模型。SCS模型的开放边界水位通过全球潮汐模型TPXO获得，其模拟的时变水位进一步为BBG模型的开放边界提供信息。

计算域内海岸线数据来自全球自洽分层高分辨率海岸线（GSHHS）数据库，近岸地形数据由中国海军海道测量局（CNHO）电子海图提供，较深区域地形数据来源于15″分辨率的全球海底地形图（GEBCO）数据集。

3.4 模型验证

采用三种广泛使用的误差统计指标（均方根误差、偏差和技能评分）进行潮-涌-浪耦合模型验证。

均方根误差（RMSE）定义为：

RMSE = √[1/N ∑_n=1^N(M_n-C_n)²] (6)

偏差（Bias）定义为：

Bias = 1/N ∑_n=1^N(M_n-C_n) (7)

技能评分（Skill Score）定义为：

Skill = 1 - ∑_n=1^N(M_n-C_n)² / ∑_n=1^N(|M_n-M?_n|² + |C_n-M?_n|²) (8)

其中N表示观测值数量，C_n表示实际测量值，M_n表示模拟值，C?_n表示观测值平均值，M?_n表示模拟值平均值。

天文潮的准确模拟是台风过程后报的前提，首先基于2014年6月1日至8月1日期间的模拟（不考虑气象强迫）验证天文潮过程。模拟结果与S1、S2、S3和S4站的观测数据高度吻合，表明模型能准确捕捉天文潮过程。

选择2014年7月10日至7月20日（UTC）时间范围模拟与"威马逊"台风相关的风暴潮和台风浪，该时段涵盖了台风整个生命周期（形成、增强、登陆和消散）。使用S1、S2、S5、S6、S7和S8站的观测数据验证模拟风暴潮，发现模型准确捕捉了风暴潮初始激发阶段、主振荡阶段和残余振荡阶段的极值。

此外，本研究选择S9和S10站的有效波高观测数据验证台风浪模拟。模拟有效波高峰值与观测数据吻合良好，反映了波高变化趋势。

4 结果与讨论

4.1 超强台风威马逊期间的风暴潮

"威马逊"台风过境期间，北部湾风暴潮呈现动态时空分布。台风登陆前，离岸风倾向于在台风中心北侧产生负风暴潮（高达-3m）；然而在南侧或西侧，在向岸风影响下通常发展局地正涌浪，高潮中心沿雷州半岛海岸分布。

随着"威马逊"登陆，大面积沿海区域开始经历强正涌浪，除靠近台风低压中心的港口外。特别是，铁山港头部因喇叭形海岸形态，正涌浪达3m。台风消散后，由于残余风场影响，广泛的正涌浪仍然存在。此时>2m的最大正涌浪主要发生在钦州港内，该港口具有葫芦形海岸形态。

风暴潮过程受风强迫和海岸地形相互作用控制。正如Heidarzadeh等（2023）指出，台风期间的向岸/离岸风有利于正/负风暴潮发展，倾向于触发台风中心周围不对称涌浪分布。因此，台风不必然导致水位上升，正如台风登陆前的情况。此外，涌浪分布受海岸地形挤压，放大区域风暴潮并诱发更大绝对值的正涌浪。海岸线辐合和水深减少对风暴潮或潮汐波的放大效应及其差异在海洋工程研究中至关重要。

模拟显示最大涌浪发生在铁山港和钦州港，这些区域以最辐合的海岸线为特征。研究进一步表明最大涌浪总体沿海湾海岸跟随台风路径移动，存在四小时滞后。此外，整个海湾最大涌浪位置与台风登陆点之间存在差异，特定地点最大涌浪时间与距台风中心最短距离时间也存在差异。这为防御台风提供了重要启示。

4.2 超强台风威马逊期间的台风浪

"威马逊"台风期间在北部湾形成大尺度旋转波场。值得注意的是，直径>100公里、有效波高>7m的区域聚集在台风路径左侧，路径右侧的波浪明显较弱。强浪区持续位于台风中心周围，尽管台风登陆，沿海区域的波浪仍比深水区弱。波高序列与风速序列存在密切正相关，且它们的分布保持相似。

模拟结果与先前研究不同，以往研究发现北半球台风通常在路径右侧产生强浪，原因是台风中心右前侧风区更大、风时更长。为探究此现象成因，从更大时空尺度分析了"威马逊"台风过程。发现台风进入北部湾前，强浪主要集中在台风路径右侧，此后发生从右偏分布向左偏分布的转变。推测原因是海南岛和雷州半岛的存在衰减了海表面风场，海湾的浅水深度显著耗散了区域波浪。

同时，台风低压中心左后侧区域的风向和波向呈现交叉特性，表明该区域台风浪能获得持续风能输入并实现充分发展增长，这也可能是波浪左偏分布的原因之一。

台风浪的时空分布也遭受风作用和海岸地形相互作用的冲击，但其响应与风暴潮不同。首先，波场与台风运动之间的滞后有限，因为强浪普遍分布在台风中心周围。此外，地形调节导致沿海区域波浪较弱，这与风暴潮机制相反。因此，值得关注的是台风期间组合水位（风暴潮+有效波高）在海湾内的分布情况。

4.3 不同台风路径情景下风暴潮的响应

了解气候变化下未来风暴潮和台风浪的响应对于海岸防护和港口航道等工程设计具有重要意义。为研究台风路径的潜在影响，本研究采用典型台风路径构建方法重新模拟了北部湾台风过程。生成了五个额外台风情景（从西到东命名为T1至T5），保持"威马逊"持续时间和强度不变但移动路径。

基于北部湾历史台风气候学设计了五条平行路径（T1–T5），覆盖从西到东的关键登陆情景，确保空间涌浪和波浪响应模式的代表性。然后分析了每个台风情景期间最大正涌浪、最大负涌浪和有效波高的空间分布。

正涌浪呈现明显的右偏空间分布，尽管与五条不同路径相关的涌浪量级不同。此外，检测到台风穿过琼州海峡时正涌浪明显减小，涌浪极值位于海南岛东北部水域、雷州半岛东部水域和北部湾沿海港口。随着台风路径从西向东移动，北部湾正涌浪影响区域逐渐从离岸向近岸减小。

北部湾沿岸正涌浪强度与台风路径密切相关。随着台风从西向东移动，北部湾西岸正涌浪强度减小，东岸强度增加。其中，西行路径台风（情景T1和T2）倾向于在北部湾西岸引发近2.5m的较大正涌浪，在海南岛东北海岸和琼州海峡两侧引发3m涌浪；东行路径（情景T3、T4和T5）可在北部湾东岸引发3m的较大涌浪。具有特殊凹形海岸形态的雷州半岛东岸在情景T3下呈现高达4.5m的极大涌浪，但在情景T5下仅显示约1米涌浪。

风暴潮对台风路径的响应在空间上不同，类似于基于"威马逊"实际案例的发现。这些多样响应模式可通过台风中心与特定位置之间的相对位置解释。由于位于台风中心右侧的向岸风有利于风暴潮发展，台风T1、T2和R影响期间北部湾西岸较大正涌浪，以及台风T3、T4和T5影响期间东岸较大正涌浪，这是因为这些区域紧邻台风路径右侧，向岸风作用下的海水涌入导致该区域水位强烈上升，同时由于台风风圈位置差异，其正涌浪强度略有变化。这一过程进一步受海湾海岸地形调制。

极端台风期间，离岸风效应导致近岸区域水位快速下降，导致海滩大面积出露等现象。这对沿海生产活动有一定影响，可能导致近岸船只搁浅和沿海电厂等重要单位取水困难。

计算结果显示台风过境期间，北部湾外离岸区域负涌浪相对较小，大部分区域经历小于1米的负涌浪。北部湾内负涌浪主要集中在沿海区域，特别是东北侧近岸区域。这与该区域海岸线相对于台风路径的朝向有关。

总体而言，台风在北部湾沿岸造成严重负涌浪。与正涌浪相比，北部湾沿岸负涌浪分布特征相对于台风路径没有呈现清晰规律。负涌浪在北部湾东北海岸最大，而在西岸较小。台风T2是造成北部湾沿岸负涌浪最严重的台风，过境期间通常导致沿岸超过-1米的负涌浪，东北海岸负涌浪达约-5米。

4.4 不同台风路径情景下台风浪的响应

台风浪对海洋和海岸工程的影响不容忽视。风暴潮与台风浪的组合可严重加剧海岸洪水风险。研究发现全球台风诱发波高极值在过去44年显著增加，了解北部湾及其近岸区域极端台风浪分布至关重要。

台风过境期间，强浪主要集中在台风路径周围。随着台风穿过琼州海峡，有效波高急剧减小，并从右偏分布向左偏分布转变。具体而言，随着台风路径东移，最大有效波高逐渐减小。

随着向近岸区域传播，波浪因地形、水深和海岸线形态等地理特征经历衰减。海南岛东岸和琼州海峡两岸是强浪频发区域，近岸有效波高与台风路径密切相关。斜穿琼州海峡内部的台风T1和T2导致该区域最大有效波高，接近9m。随着台风路径东移，在台风T5影响下最大有效波高逐渐减小至约5m。

台风浪对台风路径的响应与风暴潮相似，因为衰减与水深成反比。沿北部湾海岸，港内波高较大，最大值集中在港口顶端。西侧钦州港顶端最大有效波高在台风T1影响下达约4m，而东侧铁山港顶端最大有效波高在台风T4影响下达约3.5m。此外，由于四面环海且近岸水深相对较大，涠洲岛沿岸在各类路径台风影响下最大有效波高始终保持在约4m。

海南岛和琼州海峡为北部湾对抗风暴潮和台风浪提供重要遮蔽作用，雷州半岛以东区域明显较大的正涌浪和波高证明了这一点。然而，台风事件期间的风暴潮和台风浪仍然显著且需要预防措施。由于琼州海峡尺度较小，连接这两个系统，北部湾台风过程经历来自雷州半岛以东过程的有限影响。因此，海湾台风过程以类似封闭海湾的方式运行。即便如此，它对不同位置台风特征的响应高度变异，归因于复杂的海岸线配置和区域地形。总体而言，穿过琼州海峡西端的台风可能对海湾涌浪和波浪产生更显著影响。这一特征可为北部湾台风防御提供某些见解。

5 结论

基于Holland台风模型和Delft3D-FLOW-WAVE模型，构建了适用于北部湾的嵌套潮-涌-浪耦合模型。对2014年超强台风"威马逊"进行了数值模拟，并利用观测数据验证了模型。在良好验证模型基础上，采用典型台风路径情景构建方法结合"威马逊"台风信息生成了更多台风事件。台风入射角和移动速度严重影响涌浪和波浪模式，本研究首先聚焦路径位置的基础作用以建立北部湾空间脆弱性的基线理解。

基于每个台风过境期间风暴潮和台风浪的模拟结果，统计分析了不同台风路径下离岸和近岸区域的最大正涌浪、最大负涌浪和最大有效波高。研究了极端台风路径对北部湾风暴潮和台风浪的潜在影响，主要结论如下：

北部湾近岸区域风暴潮过程呈现先负涌浪后正涌浪的特征。正涌浪强度显示清晰的空间右偏特征，且受影响区域随台风路径东移而减小。受琼州海峡深度和海岸形态等局地因素影响，台风进入北部湾前后波场分布特征发生明显变化，台风浪的有效波高呈现从右偏空间分布向左偏空间分布的转变趋势。

风暴潮对复杂微地形高度敏感。海岸线的蜿蜒曲折特性导致北部湾港内出现严重正涌浪，雷州半岛东岸是正涌浪严重受影响区域。正涌浪和有效波高强度在海南岛东北海岸和琼州海峡沿岸更大。

总之，本研究开发的潮-涌-浪耦合模型表现出高精度。通过进行不同台风路径下的风暴潮和台风浪模拟，研究成果可为北部湾区域海洋工程建设和防灾减灾工作提供参考。然而，本研究设计的台风路径过于理想化，而实际情景中台风路径高度复杂多变。因此，在未来不同台风路径下风暴潮和台风浪潜在影响研究中，应注重更真实地构建台风路径。虽然理想化平行路径有效隔离了横向位移的作用，但未来工作将纳入入射角和移动速度等额外参数以增强现实适用性。