上海复合极端风暴洪水淹没模拟
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耦合 模式 岸模式， 实 、 暴、 潮、 洪 体化数值模 '
上海位于长江三角洲的东缘，北临长江口 ，东濒东海，南靠杭州湾，面积为6 340 km2，常住人口 2 418
收稿日期：2018-11-01:网络出版日期：2019-06-10 网络出版地址：http: // kns. cnki. net/kcms/detail/32- 1309- P. 20190606- 1058 - 026 - html 基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFC1503001）;国家自然科学基金资助项目（51761135024） 作者简介：王璐阳（1992—），男，山东青州人，博士研究生，主要从事水文水动力数值模拟研究。E-mail： wmhdOl@163. cam 通信作者：张敏，E-mail: zhangmin@
第4期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
王璐阳，等：上海复合极端风暴洪水淹没模拟
547
万，
口最多的特大型河口城市
，2017年GDP总
城市第一，
角的 城市°
地势低洼，历史 暴洪水灾害异常严重，据多年数据统计，
市
每年遭受2
暴袭击，
多的年份可达6〜7次［21
多
每年的8—10月，正值
汛期。
口地区的潮汐特
点，每月 8〜9d属 大潮，
大潮高潮期占到每月的13%〜15% ［16 *， 暴潮遭遇大潮高潮位的几率
目前，国内外关于风暴洪水模拟常见的有静态模拟和动态模拟方法。静态模拟法的基本假设是洪水淹没 范围仅由水位决定，因此，模拟有效性仅限于海岸带近岸区［14］或地形坡度陡增区域［15］，但对于地势平坦且 范围广大地区，例如长江三角洲，往往造成淹没水深低估和淹没范围高估问题。另一方面，自从欧拉方程和 雷诺方程有限元差分方法成功应用于大气动力模拟、海洋动力模拟［16'17］和海岸洪水模拟［15］中，动态模拟法 得到了长足发展，并在此基础上逐渐发展了一整套解算风暴潮、海洋长短波传播、漫堤和重力流传播相耦合 的综合物理模拟框架。动态模拟法根据模型的简化程度可分为简单的一维模型［”］、深度简化的二维模 型［15］、一维-二维耦合模型、SIGEMA分层三维模型［19］以及最复杂的一维-三维耦合模型［20］。目前大部分风 暴潮数值模拟仅考虑到大气模式和海洋模式的耦合 ［17］，而洪水数值模拟仅考虑到实测潮位与海岸淹没模型 的耦合［12 ］，然而，风暴潮预测需对整个水循环动力过程进行综合研究，以台风大气场模拟作为初始条件，
大。此若暴雨洪水、风暴潮交汇，涨潮沿
溯，洪水下泄不畅，就
能出
、暴、潮、洪“二
碰头”、“三碰”乃“四碰”的 复合风暴洪水灾害。
每年
生“二碰头”现象；“ 碰”现
象近年也多 生。1949年，
水利工程，建立防洪体系，但仍面临巨大的风暴洪水风险压力°
1997年台风“温妮”期间，
狂潮猛，杭嘉 地区普降暴雨、特大暴雨，洪水下泄量大，
第30卷第4期 2019年7月
水科学进展
ADVANCES IN WATER SCIENCE
DOI： 10. 14042/j. cnki. 32. 1309. 2019. 04. 010
上海复合极端风暴洪水淹没模拟
Vol. 30 ,NcJul. ,2019
王璐阳% ,张 敏%!,温家洪% ,种振涛％ , YEQinghua3’，KEQian4
关键词：复合风暴洪水；数值模拟；模型耦合；上海
中图分类号：TV122
文献标志码：A
文章编号：1001-6791 （2019） 04-0546-10
由于海平面上升、地面沉降⑴以及人口、经济增长和城市化，使得河口三角洲和沿海城市的台风风暴 洪水风险正在显著增加，导致沿海低地严重的社会稳定问题和安全风险隐患［2'3］O 21世纪以来，由“卡特里 娜”飓风（2005年）［4］（ “纳尔吉斯”气旋（2008年）［5］、“桑迪”飓风（2012年）［6］（ “海燕”台风（2013年）［7］（ “哈维”飓风（2017年）［8］等引发的特大风暴洪水，均给受灾地区带来了巨大的经济损失和人员伤亡。台风 （风）、暴雨（暴）、高潮位（潮）和上游下泄洪水（洪）引发的复合风暴洪水灾害研究成为关注的热点，多情景 模拟包括风暴增水和强降雨叠加⑼、风暴增水与地面沉降叠加［1"］、风暴增水与天文高潮叠加［11］、风暴增水 与流域洪水叠加［12］、风暴增水与海面上升叠加［13］等单因素或双因素作用下基于模型的风暴洪水模拟方法已 较成熟。然而，对于风、暴、潮、洪造成的“四碰头”极端复合风暴洪水灾害的研究尚不多见［9］o
122波流耦合波流耦合基于telemac和tomawac直接耦合实现为双向耦合过程交互作用主要体现于波浪辐射应用telemac解算潮流项流速和水位计算接输入tomawac波动方程解算波浪辐射应力波浪辐射应进用于telemac潮的解算影响流速具体双向耦合作用下辐射应力解算可参献24123海陆耦合海陆耦合与宽顶堰的堰流流态非常相似单向耦合和双向耦合并存telemac与mike21采用单向耦合的方式实现漫堤计算图2a而mike11与mike21采用双向耦合的方式实现各计算单元的侧向衔接2batelemac与mike21的单向耦合bmike11与mike21的双向耦合图2海陆耦合边界示例fig
摘要：河口三角洲和沿海城市面临着台风、暴雨、高潮位和上游下泄洪水叠加的“四碰头”复合极端风暴洪水的严 重威胁。构建了大气-海洋-陆地相耦合的一体化数值模拟系统，实现了上海市“风”“暴”“潮”“洪”多灾种复合情景 的极端洪涝淹没模拟，并验证了耦合方法的有效性，为复合风暴洪水的一体化模拟提供了一套可行的数值模拟方 法。在9711台风影响下,模拟了 1998年堤防升级改造后淹没面积（水深＞0-m ）比改造前减少了 62%，表明沿海 沿江堤防设施建设在上海市防台防汛中起着关键性的作用。复合极端风暴洪水的有效模拟可为财产保险和未来市 政规划提供参考。
遭遇了
1949年以
、暴、潮、洪“四碰头”灾害，
口、黄浦江沿线潮位 历史记录，市区防汛墙决口
3处， 溢倒灌近20 ° 此
，上海面 着复合
暴洪水灾害的巨大风险。
面、
地面沉降与气候变化的 效应，
遭复合
暴洪水灾害的风险可能进
重°
以 市作为 对象，构建大气-海洋-陆地相耦合的数值模 统，实
暴潮增水、天文
大潮与 泄洪共 用下的外海潮位模拟，
（1•上海师范大学环境与地理科学学院，上海200234 ； 2•华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062 ； 3. Delires, Boussinesqwee 1 , 2629 HV Delft, tha Netherlands ； 4 - Department of Hydraulic Engineering, Delft University of Technology, Stevinweg 1 , 2628 CN Delft, tha Netherlands %
上海位于长江三角洲的东缘，北临长江口 ，东濒东海，南靠杭州湾，面积为6 340 km2，常住人口 2 418
收稿日期：2018-11-01:网络出版日期：2019-06-10 网络出版地址：http: // kns. cnki. net/kcms/detail/32- 1309- P. 20190606- 1058 - 026 - html 基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFC1503001）;国家自然科学基金资助项目（51761135024） 作者简介：王璐阳（1992—），男，山东青州人，博士研究生，主要从事水文水动力数值模拟研究。E-mail： wmhdOl@163. cam 通信作者：张敏，E-mail: zhangmin@
第4期
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
王璐阳，等：上海复合极端风暴洪水淹没模拟
547
万，
口最多的特大型河口城市
，2017年GDP总
城市第一，
角的 城市°
地势低洼，历史 暴洪水灾害异常严重，据多年数据统计，
市
每年遭受2
暴袭击，
多的年份可达6〜7次［21
多
每年的8—10月，正值
汛期。
口地区的潮汐特
点，每月 8〜9d属 大潮，
大潮高潮期占到每月的13%〜15% ［16 *， 暴潮遭遇大潮高潮位的几率
目前，国内外关于风暴洪水模拟常见的有静态模拟和动态模拟方法。静态模拟法的基本假设是洪水淹没 范围仅由水位决定，因此，模拟有效性仅限于海岸带近岸区［14］或地形坡度陡增区域［15］，但对于地势平坦且 范围广大地区，例如长江三角洲，往往造成淹没水深低估和淹没范围高估问题。另一方面，自从欧拉方程和 雷诺方程有限元差分方法成功应用于大气动力模拟、海洋动力模拟［16'17］和海岸洪水模拟［15］中，动态模拟法 得到了长足发展，并在此基础上逐渐发展了一整套解算风暴潮、海洋长短波传播、漫堤和重力流传播相耦合 的综合物理模拟框架。动态模拟法根据模型的简化程度可分为简单的一维模型［”］、深度简化的二维模 型［15］、一维-二维耦合模型、SIGEMA分层三维模型［19］以及最复杂的一维-三维耦合模型［20］。目前大部分风 暴潮数值模拟仅考虑到大气模式和海洋模式的耦合 ［17］，而洪水数值模拟仅考虑到实测潮位与海岸淹没模型 的耦合［12 ］，然而，风暴潮预测需对整个水循环动力过程进行综合研究，以台风大气场模拟作为初始条件，
大。此若暴雨洪水、风暴潮交汇，涨潮沿
溯，洪水下泄不畅，就
能出
、暴、潮、洪“二
碰头”、“三碰”乃“四碰”的 复合风暴洪水灾害。
每年
生“二碰头”现象；“ 碰”现
象近年也多 生。1949年，
水利工程，建立防洪体系，但仍面临巨大的风暴洪水风险压力°
1997年台风“温妮”期间，
狂潮猛，杭嘉 地区普降暴雨、特大暴雨，洪水下泄量大，
第30卷第4期 2019年7月
水科学进展
ADVANCES IN WATER SCIENCE
DOI： 10. 14042/j. cnki. 32. 1309. 2019. 04. 010
上海复合极端风暴洪水淹没模拟
Vol. 30 ,NcJul. ,2019
王璐阳% ,张 敏%!,温家洪% ,种振涛％ , YEQinghua3’，KEQian4
关键词：复合风暴洪水；数值模拟；模型耦合；上海
中图分类号：TV122
文献标志码：A
文章编号：1001-6791 （2019） 04-0546-10
由于海平面上升、地面沉降⑴以及人口、经济增长和城市化，使得河口三角洲和沿海城市的台风风暴 洪水风险正在显著增加，导致沿海低地严重的社会稳定问题和安全风险隐患［2'3］O 21世纪以来，由“卡特里 娜”飓风（2005年）［4］（ “纳尔吉斯”气旋（2008年）［5］、“桑迪”飓风（2012年）［6］（ “海燕”台风（2013年）［7］（ “哈维”飓风（2017年）［8］等引发的特大风暴洪水，均给受灾地区带来了巨大的经济损失和人员伤亡。台风 （风）、暴雨（暴）、高潮位（潮）和上游下泄洪水（洪）引发的复合风暴洪水灾害研究成为关注的热点，多情景 模拟包括风暴增水和强降雨叠加⑼、风暴增水与地面沉降叠加［1"］、风暴增水与天文高潮叠加［11］、风暴增水 与流域洪水叠加［12］、风暴增水与海面上升叠加［13］等单因素或双因素作用下基于模型的风暴洪水模拟方法已 较成熟。然而，对于风、暴、潮、洪造成的“四碰头”极端复合风暴洪水灾害的研究尚不多见［9］o
122波流耦合波流耦合基于telemac和tomawac直接耦合实现为双向耦合过程交互作用主要体现于波浪辐射应用telemac解算潮流项流速和水位计算接输入tomawac波动方程解算波浪辐射应力波浪辐射应进用于telemac潮的解算影响流速具体双向耦合作用下辐射应力解算可参献24123海陆耦合海陆耦合与宽顶堰的堰流流态非常相似单向耦合和双向耦合并存telemac与mike21采用单向耦合的方式实现漫堤计算图2a而mike11与mike21采用双向耦合的方式实现各计算单元的侧向衔接2batelemac与mike21的单向耦合bmike11与mike21的双向耦合图2海陆耦合边界示例fig
摘要：河口三角洲和沿海城市面临着台风、暴雨、高潮位和上游下泄洪水叠加的“四碰头”复合极端风暴洪水的严 重威胁。构建了大气-海洋-陆地相耦合的一体化数值模拟系统，实现了上海市“风”“暴”“潮”“洪”多灾种复合情景 的极端洪涝淹没模拟，并验证了耦合方法的有效性，为复合风暴洪水的一体化模拟提供了一套可行的数值模拟方 法。在9711台风影响下,模拟了 1998年堤防升级改造后淹没面积（水深＞0-m ）比改造前减少了 62%，表明沿海 沿江堤防设施建设在上海市防台防汛中起着关键性的作用。复合极端风暴洪水的有效模拟可为财产保险和未来市 政规划提供参考。
遭遇了
1949年以
、暴、潮、洪“四碰头”灾害，
口、黄浦江沿线潮位 历史记录，市区防汛墙决口
3处， 溢倒灌近20 ° 此
，上海面 着复合
暴洪水灾害的巨大风险。
面、
地面沉降与气候变化的 效应，
遭复合
暴洪水灾害的风险可能进
重°
以 市作为 对象，构建大气-海洋-陆地相耦合的数值模 统，实
暴潮增水、天文
大潮与 泄洪共 用下的外海潮位模拟，
（1•上海师范大学环境与地理科学学院，上海200234 ； 2•华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062 ； 3. Delires, Boussinesqwee 1 , 2629 HV Delft, tha Netherlands ； 4 - Department of Hydraulic Engineering, Delft University of Technology, Stevinweg 1 , 2628 CN Delft, tha Netherlands %