CN107729656A - 基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，包括以下步骤：S1：建立精细化风暴潮‑天文潮‑近岸浪耦合漫堤数值预报模型，并输出沿海区域的水位和波高；S2：根据海堤及历史典型台风资料，分析得到不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数；S3：根据步骤S1获得的沿海区域的水位和波高以及步骤S2获得的不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，得到各海堤的漫堤危险性等级。与现有技术相比，本发明考虑在单台风过程在其他天气过程影响和多台风过程下，以及不同类别海堤及微地形等因素对潮位的影响，并采用ADCIRC+SWAN耦合模型，实现高准确度的漫堤数值预报。

Description

基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法

技术领域

本发明涉及预报减灾领域、风险规划领域，尤其是涉及一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法。

背景技术

风暴潮是一种灾害性的自然现象。由于剧烈的大气扰动，如强风和气压骤变(通常指台风和温带气旋等灾害性天气系统)导致海水异常升降，使受其影响的海区的潮位大大地超过平常潮位的现象，称为风暴潮。台风对我国沿海地区的频繁影响决定了我国是一个风暴潮高发的国家，其每年都给我国沿海一带造成重大人员伤亡、财产损失。我国从1970起开始做风暴潮预警报工作，这项工作是风暴潮防灾减灾的前提和基础，自从开展风暴潮预报后，因灾死亡的人数大大减少，但随着沿海经济的迅速发展，风暴潮灾害的经济损失却呈上升趋势。因此，面对我国沿海日益频繁和严重的风暴潮灾害，在加强防潮工程建设的同时，做好灾害性风暴潮预警报与防御是十分必要的。根据及时、准确的风暴潮警报，及时启动海洋防灾减灾应急响应系统，合理地调配防灾救灾资源，有效组织防灾减灾工作，最大程度地降低灾害损失。

早期的风暴潮预报方法，主要是根据预报员的经验预报。随着数值模式的发展，在沿海风暴潮的预警预报中，模式预报开始占据重要的地位。

风暴潮漫堤是海潮与海浪、强风等物理要素在沿岸作用于障碍物(堤坝)后海水爬高翻越障碍物的物理过程，其显著的特点就是物理过程非线性强，瞬间作用力大，破坏性强，随着沿海防潮防汛要求的不断发展，提供更有科学、更具针对性的预警信息成为海洋预报部门的重要课题。

台风过程海堤漫堤预警一般以堤前水位(风暴潮位)是否超过堤顶高程来判断，当风暴潮位没有超过预报点海堤高程时，该点不会发生漫堤；当风暴潮位超过海堤高程，就有可能发生漫堤。

台风过程风场作用下的风暴潮漫堤预警，现有数值模式更多只考虑单台风过程风场的作用及物理过程更多考虑天文潮、风暴潮、海浪耦合机制。该预警在应用上可以达到一定的作用，但是对预警结果上，考虑因子还不够完整，具体包括以下两方面：

一是近几年来，在单台风过程在其他天气过程(如冷空气)影响情况及一次出现多个台风的情况频率逐步增加，因此，单个台风与冷空气共同作用、海底周围地形对风场影响以及多个台风过程的风场作用影响需要加入考虑；

二是没有充分挖掘不同类别的海堤，对于风暴潮漫堤输出结果的影响情况，根据自然特征，海堤可分为四类，分别是外海海堤(亦称朝外海开敞式海堤，直接面朝太平洋或台湾海峡，分区长度很大或接近∞，台风袭击期间易受多方位涌浪和风浪共同作用，单位面积海堤承受压力、吸力强度较大)、湾口海堤(指海堤正交方向与所处港湾口朝向同向或接近同向，某些方位内风区长度很大的海堤，亦称朝湾口半开敞式海堤，由于湾口大小、朝向的不同，数年周期中往往有某场台风形成的涌浪进入湾口直接袭击海堤，也易造成重大损毁)、湾内海堤(离湾口较远，掩护条件较好，海堤朝向与湾口朝向有较大角度，一般堤外有大片高程较高、面积较大的滩地，基本上属于有限风区，风浪大小主要受制于当地台风风速、风时与局部港湾内水面宽度、平均水深等，此类海堤风浪进入其外滩地时往往已经破碎或接近破碎，波浪能量已消耗很多，对海堤的冲击力相对较小)、河口海堤(一般河道宽度较其所汇入港湾的宽度小的多，海堤外立面水流的流向与海堤纵轴线接近平行，此类海堤的特点是受涨落潮流、洪水径流双向共同作用，台汛期间存在两股力量叠加和潮水顶托壅高问题，虽然波浪作用力较小，但台风暴雨引发大洪水如恰逢天文大潮和台风高值增水(俗称暴雨、高潮、台风三碰头)时，易因洪潮顶托产生总水位漫顶淹没的情况)。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，考虑在单台风过程在其他天气过程(如冷空气)影响和多台风过程下，以及不同类别海堤及微地形等因素对潮位的影响，并采用目前国际上应用范围较广的非结构浪潮耦合(ADCIRC+SWAN)模型，开展天文潮、风暴潮和海浪耦合作用下高准确度的漫堤数值预报系统建设。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，包括以下步骤：

S1：建立精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型，并基于精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型输出沿海区域的水位和波高；

S2：根据海堤及历史典型台风资料，分析得到不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数；

S3：根据步骤S1获得的沿海区域的水位和波高以及步骤S2获得的不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，得到各海堤的漫堤危险性等级。

所述步骤S1具体为：

11：根据周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，基于精细化台风风场模型输出修正后的风场；

12：采用外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则对沿岸和近海海域进行三角形网格划分，建立高分辨率非结构网格；

13：将实测潮位资料、海浪资料、气象资料进行数据同化，为精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型提供初始场和检验场；

14：精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型采用ADCIRC+SWAN耦合模型，根据步骤S11获得的风场、步骤S12建立的高分辨率非结构网格和步骤S13的初始场和检验场输出沿海区域水位场和波高场的分布情况。

所述步骤11具体为：

111：对沿海海域风场观测资料进行处理和分析，分析周边地形对沿海海域风场结构的影响，得到周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用以及对应地形作用的风场变化特征，其中，地形作用包括风向影响地形作用和风速影响地形作用，所述风向影响地形作用与地形的分流和阻挡有关，所述风速影响地形作用与地形的角流区有关；

112：构建精细化台风风场模型：

首先获取圆对称风场模型、移行风场模型所需的各物理参数，并基于圆对称风场模型、移行风场模型得到理想情况下的台风风场分布；

然后在理想情况下的台风风场分布的基础上添加周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，分别对风速和风向进行修正，得到修正后的风场。

所述步骤12中，外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则具体为：开边界网格分辨率为20千米，近海网格分辨率为100-300米，近海中重点关注的沿海区域的网格分辨率为30-50米。

所述步骤S2具体为：通过数理统计方法分别计算外海、湾口、湾内、河口四类海堤对风暴潮漫堤的影响系数，满足以下公式：

式中，μ为影响系数，n为台风场数，χ_i为第i场台风过程海提实测潮位，γ_i为第i场台风过程风暴潮预测总潮位。

所述步骤S3具体为：

31：根据海提类别选定步骤S2获得的海堤对风暴潮漫堤的影响系数，将选定的海堤对风暴潮漫堤的影响系数与步骤S1获得的沿海区域的水位的乘积作为优化后的潮位；

32：获取漫堤危险性等级的评价参数A，满足一下公式：

A＝H₀-(W_L+H_S*1.7)

式中，H₀为海提高程，W_L为步骤31获得的潮位，H_S为步骤S1获得的沿海区域的波高；

33：根据步骤32获得的评价参数A判别得到各海堤的漫堤危险性等级，判别标准有：

(1)若A<-1.0，漫堤危险性等级为红色预警，表示该海堤风险高；

(2)若A∈[-1.0,-0.5)，漫堤危险性等级为橙色预警，表示该海堤风险较高；

(3)若A∈[-0.5,0)，漫堤危险性等级为黄色预警，表示该海堤风险较低；

(4)若A∈[0,0.5)，漫堤危险性等级为蓝色预警，表示该海堤风险低；

(5)若A≥0.5，漫堤危险性等级为黑色预警，表示该海堤无风险。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)针对精细化风暴潮—天文潮—近岸浪耦合漫堤数值预报模型未考虑不同海堤类型的影响情况的缺陷，通过步骤S2获取不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，步骤31将ADCIRC模型计算输出的水位乘以步骤S2获得的影响系数得到获得的沿岸警戒潮位核定点、潮位站潮位及沿海区域最高水位场的分布情况，该步骤31的输出结合SWAN模型计算输出沿海区域波高场的分布情况，用于漫堤危险性等级判别，以提高预报准确度。

(2)利用数理统计方法，分别计算外海、湾口、湾内、河口四类海堤对风暴潮漫堤的影响系数，为精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤预警技术提供更准确的预报。

(3)在已有台风风场模型研究成果基础上，改进台风临近时的台风风场模型，优化风场模型参数和算法，进一步完善精细化台风风场模型，实现并行环境下，在单个台风、单个台风与冷空气共同作用以及多个台风过程的风场作用下，风暴潮数值预报和风暴潮漫堤风险预警。

(4)基于本发明方法提出风暴潮漫堤风险预警辅助决策系统，预警服务精细化，提供台风集合路径，风暴潮、总潮位、有效波高、风暴潮漫堤风险等预报，并可视化展示，契合防汛指挥需求，可为沿海防灾减灾提供直观、有益的决策支撑，将会增强沿海对台风和风暴潮灾害的预报预警、分析决策和应急反应能力，为防汛抗台减灾工作提供决策依据。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为精细化台风风场模型的工作原理示意图；

图3为精细化风暴潮-天文潮-海浪耦合模型(ADCIRC+SWAN耦合模型)的耦合原理图；

图4本发明方法应用于风暴潮漫堤风险预警辅助决策系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，包括以下步骤：

S1：建立精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型，并基于精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型输出沿海区域的水位和波高，具体为：

11：根据周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，基于精细化台风风场模型输出修正后的风场；具体包括以下步骤：

111：对沿海海域风场观测资料进行处理和分析，分析周边地形对沿海海域风场结构的影响，得到周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用以及对应地形作用的风场变化特征，其中，地形作用包括风向影响地形作用和风速影响地形作用，风向影响地形作用与地形的分流和阻挡有关，风速影响地形作用与地形的角流区有关，角流区内风速较强，获取不同地形作用以用于后续在台风风场理想模型基础上对风向和风速进行合理的修正；

112：根据沿海周边海域风场变化特征，构建并完善精细化台风风场模型：

在已有台风风场模型研究成果基础上，改进台风临近时的台风风场模型，优化风场模型参数和算法，进一步完善精细化台风风场模型，用于与ADCIRC模型、SWAN模型的无缝连接，实现并行环境下，在单个台风、单个台风与冷空气共同作用以及多个台风过程的风场作用下的风暴潮数值预报和风暴潮漫堤风险预警。

如图2所示精细化台风风场模型的工作过程：

首先选取圆对称风场模型(Holland模型)、移行风场模型(Jelesnianski模型)并确定模型所需的各物理参数的获取方法，从而获得理想情况下的台风风场分布；

然后基于周边海域地形对台风风场影响的分析以及前人研究的成果，考虑地形的影响，在理想情况下的台风风场分布的基础上添加周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，分别对风速和风向进行修正；最后综合修正后的风速风向，得到修正后的风场，即图2中最终的修正风场。

12：高分辨率非结构网格建立：

为了更好地模拟潮波、风暴潮在沿海海域的传播过程，采用外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则对沿岸和近海海域进行三角形网格划分，建立高分辨率非结构网格，作为后面精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型的计算区域范围；其中，外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则具体为：开边界网格分辨率为20千米，近海网格分辨率为100-300米，近海中重点关注的沿海区域的网格分辨率为30-50米。

13：实测潮位资料、海浪资料、气象资料数据同化，通过数据同化技术，将实测潮位资料、海浪资料、气象资料运用同化技术同化到精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型中，以提高模式预报精度。具体包括以下步骤：

131：分析布设在沿岸的高频地波雷达、岸基、海床基、浮标基等不同监测设备获取的实时监测数据资料和卫星遥感获取的数据，根据风暴潮防灾减灾的需要，提取沿海潮位、气压和风场数据；

132：对提取的数据资料进行必要的校对分析和预处理，剔除明显不符合实际海洋环境状况的数据，提高海洋数据资料的可靠性；

133：对经预处理后的数据进行同化处理，形成网格化数据场；

134：按风暴潮数值预报模式的要求将网格化数据场格式化处理存储，实现与精细化风暴潮—天文潮—近岸浪耦合漫堤数值预报模型的技术对接，为精细化风暴潮—天文潮—近岸浪耦合漫堤数值预报模型提供初始场和检验场。

14：精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型采用ADCIRC+SWAN耦合模型，根据步骤S11获得的风场、步骤S12建立的高分辨率非结构网格和步骤S13的初始场和检验场输出沿海区域水位场和波高场的分布情况。

SWAN模型为浅水波浪数值模型。ADCIRC模型(An Advanced Circulation ModelFor Oceanic，Coastal and Estuarine Waters)是由北卡罗来纳大学海洋科学研究所的Luettich教授和美国圣母大学的Westerink教授联合研制的，可应用于海洋、海岸、河口跨尺度区域的水动力计算的数学模型。本次采用的是ADCIRC二维模型在球坐标系下通过基于垂直平均的原始连续方程和海水动量方程来求解自由表面起伏、二维流速等三个变量，即(ζ,u,v)(ζ──从平均海平面起算的自由表面高度(m)；(U,V)──深度平均的海水水平流速(ms-1))。其中，在球坐标系下海水的连续方程为：

在球坐标系下，海水原始动量方程为：

以上球面方程通过CPP(Carte Parallelo-grammatique)圆柱方法投影到笛卡尔坐标系中，计算区域中心点

x＝R(λ-λ₀)cosφ₀

y＝Rφ

通过坐标转化后，连续方程变为：

通过坐标转化后，动量方程变为：

以上公式中各个变量分别代表：

t──时间(s)；

(x,y)──水平笛卡尔坐标(m)；

(λ,φ)──经度和纬度；

(λ₀,φ₀)──网格计算区域中心点的经度和纬度；

H＝ζ+h──海水水柱的总水深(m)；

ζ──从平均海平面起算的自由表面高度(m)；

h(x,y)──未扰动的海洋水深，即平均海平面至海底的距离(m)；

R──地球的半径(m)，文中取6378135m；

(U,V)──深度平均的海水水平流速(ms-1)；

f＝2Ωsinφ──科氏参数(s-1)，为地球的自转角速度；

g──重力加速度(ms-2)；

ρ₀──海水密度，文中默认为1025kgm-3；

p_s──海水自由表面的大气压强(Nm-2)；

η──牛顿引潮势(m)；

τ_sx,τ_sy──海表面应力的x和y方向分量(N)，可包括风应力和海浪辐射应力；

τ_bx,τ_by──海底摩擦力的x和y方向分量(N)；

D_x,D_y──动量方程的水平扩散项。

采用目前国际上应用范围较广的非结构浪潮耦合(ADCIRC+SWAN)模型，优点如下：非结构三角网格，精细刻画复杂岸线地形；浪潮实时直接耦合，物理过程更客观(更多物理过程：考虑天文潮、风暴潮、海浪耦合机制)；浪潮模型共用一套网格，并行计算效率高；更加丰富预报产品：风暴潮、总潮位、有效波高、漫堤风险预报；模式配置精细化：精细化的水深、岸形，MPI并行，保证近岸精细化地形刻画。

其中，ADCIRC+SWAN耦合模型运行过程为：

(1)采用ADCIRC模式的默认设置，不考虑潮汐和海浪的作用，其风应力计算公式为Garret公式：Cd＝0.001*(0.75+0.067W)，W为风速，模式将Cd的上限默认为0.0035；

(2)根据获得的台风相关参数，计算某台风在该海域的高精度非结构网格上的风场和气压场，并将其作为耦合模型的风场驱动要素；

(3)在(1)的基础上加上潮汐驱动，研究潮汐对风暴潮的影响；

(4)在(3)的基础上加上波致辐射应力，研究辐射应力对风暴潮的影响；

(5)考虑潮汐驱动，不考虑辐射应力，风应力拖曳系数采用同时考虑依赖波龄和风速的Donelan(1993)公式；

(6)在(5)的基础上，将风应力拖曳系数的上限设为0.0025；

(7)在(6)的基础上，考虑辐射应力；

(8)提前一段时间运行ADCIRC以达到稳定，然后加入风场，计算得到水位和流速；

(9)将水动力模型ADCIRC在模拟时段内计算的水位、流速数据以及风场导入SWAN，运行SWAN，得到波谱及波致辐射应力；

(10)将SWAN运行结果中的波浪辐射应力再导入ADCIRC，重新计算风暴潮水位和流速；

(11)将ADCIRC新计算的水位和流速再输入SWAN模型，重复上述步骤直至风过程计算结束，即完成ADCIRC+SWAN通过辐射应力的耦合计算。

本实施例中通过设计一耦合器，将ADCIRC模型与SWAN模型相耦合，如图3所示，两个耦合分量模式运行时，都要经过初始化、模式计算和模式结束三个环节，模式运行时，ADCIRC和SWAN模式仍然需要它们各自的网格文件、控制参数文件和驱动文件等，同时，模式输出也是按照各自原来的格式，就像没有耦合一样。在模式计算环节，一旦到了用户提前设置好的数据交换时间，ADCIRC会将海流、水位数据场输给MCT(耦合器)，然后MCT会把这些数据提供给SWAN模式，同时，SWAN模式也会将辐射应力、波长和周期等海浪参数输给MCT，然后由MCT将这些信息传递给ADCIRC。一般情况下，ADCIRC和SWAN模式不会同时运行到规定的数据交换时间，在这种情况下，运行快的模式会在MCT的控制下等待另一个模式运行到该数据交换的时间，数据成功交换后，两个模式分量又开始新一轮的运行，这样就保证了模式耦合的同步性。

S2：针对精细化风暴潮—天文潮—近岸浪耦合漫堤数值预报模型未考虑不同海堤类型的影响情况的缺陷，通过统计、分析历史台风资料和多源风场观测数据，分析周边地形对该海域台风风场结构的影响，以及该海域台风风场结构特征及其演化过程，同时利用浮标等观测资料，分析实际可能出现的单台风过程在其他天气过程(如冷空气)影响以及多台风过程下的风场结构变化。优选地，本发明根据海堤及历史典型台风资料，通过数理统计方法分析得到不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，该影响系数乘以模型输出的逐时水位作为最终的沿海潮位，为精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤预警技术提供更准确的预报。

本实施例中，采用点估计数理统计方法分别计算外海、湾口、湾内、河口四类海堤对风暴潮漫堤的影响系数，满足以下公式：

式中，μ为影响系数，n为台风场数，χ_i为第i场台风过程海提实测潮位，γ_i为第i场台风过程风暴潮预测总潮位。

S3：根据步骤S1获得的沿海区域的水位和波高以及步骤S2获得的不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，得到各海堤的漫堤危险性等级，具体为：

31：根据海提类别选定步骤S2获得的海堤对风暴潮漫堤的影响系数，将选定的海堤对风暴潮漫堤的影响系数与步骤S1获得的沿海区域的水位的乘积作为优化后的潮位。

32：获取漫堤危险性等级的评价参数A，满足一下公式：

A＝H₀-(W_L+H_S*1.7)

式中，H₀为海提高程，W_L为步骤31获得的潮位，H_S为步骤S1获得的沿海区域的波高。

步骤31将ADCIRC模型计算输出的水位乘以影响系数得到获得的沿岸警戒潮位核定点、潮位站潮位及沿海区域最高水位场的分布情况，该步骤31的输出结合SWAN模型计算输出沿海区域波高场的分布情况，用于后续漫堤危险性等级判别，以提高预报准确度。

33：根据步骤32获得的评价参数A判别得到各海堤的漫堤危险性等级，判别标准有。

(1)若A<-1.0，漫堤危险性等级为红色预警，表示该海堤风险高；

(2)若A∈[-1.0,-0.5)，漫堤危险性等级为橙色预警，表示该海堤风险较高；

(3)若A∈[-0.5,0)，漫堤危险性等级为黄色预警，表示该海堤风险较低；

(4)若A∈[0,0.5)，漫堤危险性等级为蓝色预警，表示该海堤风险低；

(5)若A≥0.5，漫堤危险性等级为黑色预警，表示该海堤无风险。

利用本发明方法构建的风暴潮漫堤风险预警辅助决策系统如图4所示，包括三个主要功能单元：

1、数字化或技术处理单元：实现数据收集和资料标准化处理，包括：获取准确的海堤数据(海堤数据包括海堤堤长、堤高和走向等)，水深地形及海堤高程数据，以及风暴潮过程期间沿海潮位站的海浪和潮位数据，对收集到的水深地形及海堤高程数据订正到统一基面(订正到平均海平面或85基面)，用于ADCIRC+SWAN耦合模型运行单元和风暴潮漫堤风险预警辅助决策单元中。

2、ADCIRC+SWAN耦合模型运行单元：台风风暴潮过程期间，天文潮、风暴潮和近岸浪是相伴相生，相互作用的。在已有研究成果基础上，结合国内外最新研究成果，以及结合周边海域精细化台风风场模型，包括单个台风、单个台风与冷空气共同作用以及多个台风过程的风场，采用目前国际上应用范围较广的非结构浪潮耦合(ADCIRC+SWAN)模型，开展天文潮、风暴潮和海浪耦合作用下漫堤数值预报系统建设，在开边界采用适合沿海海域的天文潮参数和边界条件，考虑不同天文潮分量的非线性相互作用、浅水效应、离岸岛屿效应和潮间带漫滩效应，同时利用海军航保部、国家海洋预报中心及临时观测站数据提供的天文潮调和分析数据进行直接同化，建立天文潮同化模块。

3、风暴潮漫堤风险预警辅助决策单元：在数值模型的基础上，建设风暴潮漫堤风险预警辅助决策系统，并实现其业务化运行。为了满足精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤预警业务化需要，根据风暴潮业务化预报部门的业务化要求，建设风暴潮漫堤风险预警辅助决策系统，结合不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响，实现沿海警戒潮位核定点，以及其他沿海潮位站的风暴潮预报；实现千亩以上海堤风暴潮漫堤风险预警；并可视化展示。

Claims (6)

1.一种基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型，并基于精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型输出沿海区域的水位和波高；

S2：根据海堤及历史典型台风资料，分析得到不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数；

S3：根据步骤S1获得的沿海区域的水位和波高以及步骤S2获得的不同类别海堤对风暴潮漫堤的影响系数，得到各海堤的漫堤危险性等级。

2.根据权利要求1所述的基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

11：根据周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，基于精细化台风风场模型输出修正后的风场；

12：采用外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则对沿岸和近海海域进行三角形网格划分，建立高分辨率非结构网格；

13：将实测潮位资料、海浪资料、气象资料进行数据同化，为精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型提供初始场和检验场；

14：精细化风暴潮-天文潮-近岸浪耦合漫堤数值预报模型采用ADCIRC+SWAN耦合模型，根据步骤S11获得的风场、步骤S12建立的高分辨率非结构网格和步骤S13的初始场和检验场输出沿海区域水位场和波高场的分布情况。

3.根据权利要求2所述的基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，所述步骤11具体为：

111：对沿海海域风场观测资料进行处理和分析，分析周边地形对沿海海域风场结构的影响，得到周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用以及对应地形作用的风场变化特征，其中，地形作用包括风向影响地形作用和风速影响地形作用，所述风向影响地形作用与地形的分流和阻挡有关，所述风速影响地形作用与地形的角流区有关；

112：构建精细化台风风场模型：

首先获取圆对称风场模型、移行风场模型所需的各物理参数，并基于圆对称风场模型、移行风场模型得到理想情况下的台风风场分布；

然后在理想情况下的台风风场分布的基础上添加周边地形对沿海海域风场结构影响的地形作用，分别对风速和风向进行修正，得到修正后的风场。

4.根据权利要求2所述的基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，所述步骤12中，外海粗网格、近岸细网格的网格剖分原则具体为：开边界网格分辨率为20千米，近海网格分辨率为100-300米，近海中重点关注的沿海区域的网格分辨率为30-50米。

5.根据权利要求1所述的基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：通过数理统计方法分别计算外海、湾口、湾内、河口四类海堤对风暴潮漫堤的影响系数，满足以下公式：

<mrow> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>&amp;chi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> </mrow>

式中，μ为影响系数，n为台风场数，χ_i为第i场台风过程海提实测潮位，γ_i为第i场台风过程风暴潮预测总潮位。

6.根据权利要求1所述的基于台风过程风场作用下的风暴潮漫堤风险预警方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

31：根据海提类别选定步骤S2获得的海堤对风暴潮漫堤的影响系数，将选定的海堤对风暴潮漫堤的影响系数与步骤S1获得的沿海区域的水位的乘积作为优化后的潮位；

32：获取漫堤危险性等级的评价参数A，满足一下公式：

A＝H₀-(W_L+H_S*1.7)

式中，H₀为海提高程，W_L为步骤31获得的潮位，H_S为步骤S1获得的沿海区域的波高；

33：根据步骤32获得的评价参数A判别得到各海堤的漫堤危险性等级，判别标准有：

(1)若A<-1.0，漫堤危险性等级为红色预警，表示该海堤风险高；

(2)若A∈[-1.0,-0.5)，漫堤危险性等级为橙色预警，表示该海堤风险较高；

(3)若A∈[-0.5,0)，漫堤危险性等级为黄色预警，表示该海堤风险较低；

(4)若A∈[0,0.5)，漫堤危险性等级为蓝色预警，表示该海堤风险低；

(5)若A≥0.5，漫堤危险性等级为黑色预警，表示该海堤无风险。