01 研究背景

為了補(bǔ)充現(xiàn)有的國家風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)服務(wù)與愛爾蘭東海岸的區(qū)域潮汐、風(fēng)暴潮和波浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)，愛爾蘭公共工程辦公室（OPW）調(diào)查研究了愛爾蘭西南海岸地區(qū)（Tralee）和鄰近海灣的風(fēng)暴潮汐以及波浪的預(yù)報(bào)系統(tǒng)的可行性。

如圖 1 所示，由于強(qiáng)風(fēng)和低氣壓的存在，該區(qū)域主要面臨風(fēng)暴潮以及大西洋中產(chǎn)生的近海波浪和海灣內(nèi)局部波浪的混合波浪的侵?jǐn)_。目前在沿Tralee海岸線和鄰近海灣分布的45個點(diǎn)進(jìn)行了兩次連續(xù)試驗(yàn)，用以預(yù)測波浪條件、潮汐和涌浪水平。

本文將重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)項(xiàng)目的潮汐和風(fēng)暴潮建模相關(guān)內(nèi)容，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果。

02 案例展示

為了準(zhǔn)確地預(yù)測潮汐和風(fēng)暴的行為，建立了相關(guān)地區(qū)的水動力模型，并根據(jù)Tralee海灣附近的測量水位和波浪條件等相關(guān)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)數(shù)值模型。

I. 模型建立

預(yù)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性取決于包括測深模型的準(zhǔn)確性、模型精度和模型邊界條件（預(yù)測風(fēng)、表面壓力和水位）在內(nèi)的諸多因素。通過前期的調(diào)研工作，廣泛地獲取了測深資料，并將其匯集收編。數(shù)據(jù)主要源于愛爾蘭地質(zhì)調(diào)查局和海洋研究所的聯(lián)合INFOMAR項(xiàng)目，該項(xiàng)目擁有一套多來源的廣域范圍內(nèi)愛爾蘭海岸周圍水深測量數(shù)據(jù)，囊括了多波束測量數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。通過使用OPW提供的詳細(xì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及INFOMAR數(shù)據(jù)范圍外的海上數(shù)據(jù)（GEBCO 2014），最終生成了海灣區(qū)域內(nèi)大尺度地形模型。

水動力條件主要由天文潮汐效應(yīng)決定。為了正確地表示潮汐效應(yīng)，最初，模型的離岸邊界條件設(shè)置為從TPXO衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)集獲取的數(shù)據(jù)。TPXO提供了基于13個潮汐調(diào)和成分的潮汐邊界條件，其空間分辨率為1/12°。

在初始試驗(yàn)階段，將模型結(jié)果與多個地點(diǎn)公開的潮汐統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)計(jì)算僅包括天文潮汐效應(yīng)時，模型的結(jié)果分析表明模型預(yù)測與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)存在明顯差異。而根據(jù)Tralee灣內(nèi)Fenit碼頭測量數(shù)據(jù)的潮汐調(diào)和分析，發(fā)現(xiàn)TPXO數(shù)據(jù)集中未包含一些相對重要的潮汐成分。審查了不同的全球潮汐模型在該區(qū)域的性能表現(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)FES2012和TPXO8在陸架海（淺海）中表現(xiàn)最好。而FES2014在FES2012的基礎(chǔ)上優(yōu)化了數(shù)據(jù)，并且提供1/16°的分辨率以及高達(dá)34種潮汐成分，在之后的研究中將采取此類潮汐數(shù)據(jù)。

考慮到風(fēng)暴潮是大氣風(fēng)場和氣壓效應(yīng)的耦合結(jié)果，同時也可能受到海岸幾何形狀和潮汐的影響，本研究遂引用大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)向兩個數(shù)據(jù)源。

• Met éireann調(diào)和模型Harmonie（歐洲氣象局）數(shù)據(jù)：使用氣象學(xué)基本方程表征大氣，并以2.5km的水平分辨率，65層的垂直分辨率生成各種地面參數(shù)（風(fēng)、雨、溫度和降水）的預(yù)測數(shù)據(jù)。在00Z、06Z、12Z和18Z（世界協(xié)調(diào)時），每天生成四次周期為54小時，時間分辨率為1h的預(yù)報(bào)。
• 歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）模型：每天生成四次周期為10天的預(yù)報(bào)，空間分辨率為0.1°。

在本研究中，TELEMAC-2D模型將采用00Z和12Z的諧波預(yù)測，以1小時的時間分辨率提供高達(dá)54小時的短期預(yù)測；采用00Z的ECMWF預(yù)測模型，滿足6天的預(yù)測要求，提供的預(yù)測模型時間分辨率為3小時，空間分辨率為0.125°。

考慮到模型外邊界處可能存在涌浪，調(diào)整了施加的潮汐高程以適應(yīng)由空氣壓力（反向氣壓計(jì)效應(yīng)）產(chǎn)生的靜水壓頭。此外，根據(jù)英國海洋科學(xué)研究所給出的標(biāo)準(zhǔn)TELEMAC計(jì)算公式，引入了風(fēng)影響系數(shù)，從而可以考慮海洋的粗糙度和其他過程。

II. 校準(zhǔn)驗(yàn)證

通過愛爾蘭西海岸和西南海岸的相關(guān)觀測潮汐數(shù)據(jù)對模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，值得注意的是，潮汐實(shí)測數(shù)據(jù)可能存在長時間的中斷（設(shè)備維修期）或數(shù)據(jù)量不夠大，在利用實(shí)測數(shù)據(jù)分析潮汐的時候，并非所有數(shù)據(jù)均是可用的。

為了校準(zhǔn)潮汐和浪涌模型，使用來自ECMWF的TPXO和ERA5-風(fēng)和壓力數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并分析了Fenit碼頭的驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)，確定了2013年至2017年間發(fā)生的五起具有顯著浪涌殘差的事件。模型的校準(zhǔn)將包括對河床摩擦、潮汐和大氣壓迫的敏感性測試。

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，在Fenit碼頭、Kilrush港灣、Galway港和Inishmore的代表性平均大潮-小潮結(jié)果與平均高程誤差在0.02m到0.1m之間。高潮計(jì)時誤差在9到18分鐘之間，超出了系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)精度。在初始模型校準(zhǔn)后，于2018-2019年冬季開展了第一次連續(xù)實(shí)驗(yàn)，僅考慮潮汐的預(yù)測結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果差距較小。模型預(yù)測和綜合潮汐之間的差距雖然相對較小，但這類差距都出現(xiàn)在振幅和相位上，不太可能通過簡單調(diào)整來符合TPXO數(shù)據(jù)，如上文所說，研究表明TPXO未包含該區(qū)域潮汐的幾個重要成分，于是使用包含更多分潮的FES2014模型數(shù)據(jù)對連續(xù)試驗(yàn)期進(jìn)行后測，顯著改善了模型預(yù)測能力。以下將各類模型結(jié)果與Fenit碼頭的觀測數(shù)據(jù)對比。

首先給出僅潮汐分量的模型結(jié)果，這些結(jié)果是基于FES2014潮汐邊界條件計(jì)算得到。圖 5 所示的為試驗(yàn)期間的樣本水位時間序列分析結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果的對比的一份樣本，說明了模型預(yù)測明顯涌浪事件的能力和精準(zhǔn)性。

圖 6 給出了試驗(yàn)期間所有高水位預(yù)測的數(shù)據(jù)結(jié)果與綜合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其誤差條為+/- 0.15m，即模型潮汐分量的目標(biāo)精度。根據(jù)時間序列，該模型與綜合潮位非常一致。圖中結(jié)果顯示，試驗(yàn)期內(nèi)的高潮水位模型預(yù)測基本分布在目標(biāo)精度范圍內(nèi)，少數(shù)模型結(jié)果表現(xiàn)偏低。結(jié)果顯示，模型預(yù)測能滿足89%的所有高水位的目標(biāo)精度；對于高于平均大潮高潮面（MHWS）的高水位則是100%達(dá)到目標(biāo)精度。

工程師們分別基于Harmonie和ECMWF驅(qū)動條件計(jì)算模型數(shù)據(jù)，并采取了12h內(nèi)和24h內(nèi)的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。模型預(yù)測結(jié)果與統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖如圖 7 所示，其中散點(diǎn)圖的誤差線是0.25m目標(biāo)精度?？梢园l(fā)現(xiàn)，模型預(yù)測結(jié)果與觀察結(jié)果相當(dāng)吻合，并且使用兩種不同的條件計(jì)算出的不同結(jié)果間沒有明顯的差異。而統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖也表明絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)處于目標(biāo)精度范圍內(nèi)，僅少數(shù)幾個高水位略有低估。

潮汐的起伏時間對于實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)也很重要，根據(jù)圖 5 和圖 7 的結(jié)果，可知模型計(jì)算的潮汐時間與觀測結(jié)果能較好的重疊，基本滿足了預(yù)測系統(tǒng)的需求。

03 研究結(jié)論

基于水動力模型開發(fā)了用以預(yù)測愛爾蘭西南海岸的潮汐和風(fēng)暴潮狀況的實(shí)時預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用FES2014的邊界潮汐水平數(shù)據(jù)以及ECMWF和Harmonie風(fēng)/壓力驅(qū)動模型，可提供長達(dá)6天的中短期預(yù)報(bào)。模型根據(jù)實(shí)地觀測儀表數(shù)據(jù)合成的潮位綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行了校準(zhǔn)和驗(yàn)證，被證明與觀測結(jié)果高度吻合，在高水位情況時的海面高程和潮位時間等方面總體上滿足系統(tǒng)對目標(biāo)精度的要求。

04 小結(jié)

本文描述了水動力模型的開發(fā)結(jié)果，基于該模型可以為愛爾蘭西南部Tralee附近的海灣提供潮汐和風(fēng)暴潮預(yù)測業(yè)務(wù)。使用最新的測深數(shù)據(jù)（高分辨率多波束和LiDAR激光雷達(dá)）建立了水動力模型，并使用TPXO、FES2014等潮汐數(shù)據(jù)以及風(fēng)和壓力天氣數(shù)據(jù)設(shè)立驅(qū)動條件。模型在校準(zhǔn)時顯現(xiàn)出良好的測試結(jié)果一致性，潮汐和風(fēng)暴潮的預(yù)測模型基本滿足制定的最小目標(biāo)精度和預(yù)測潮位時間。

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