全日潮海域风暴潮增水中全日扰动和半日扰动分析_李谊纯

（ 1． 广西科学院 广西近海海洋环境科学重点实验室 ， 广西 南宁 530007 ； 2． 国家海洋环境预报中心， 北京 100081 ； 3． 滁州学院地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000 ）
摘 要： 风暴潮增水是风暴潮与天文潮相互作用理论研究的基本内容 ， 也是风暴潮预报中的重要问题 。最大余水位的产生机
1
研究方法
Horsburgh 与 Wilson［13］在半日潮海域给出风暴潮导致的余水位可写成 ： Ｒ p = Acos ( ωt + φ ) － Acos ( ωt ) + S + kAcos ( ωt + δ ) （ 1）
A 为半日分潮振幅， k 为系数， S 为风暴潮水位中去除半日潮 式中： Ｒ p 为余水位， ω 为频率， φ 为相位变化， Horsburgh 与 Wilson 变化外的部分，
∑Ai cos ( ωi t － φ0i
+ Δ φi ) －
∑Ai cos ( ωi t － φ0i ) + S + ∑k i Ai cos ( ωi t － φ0i )
（ 2）
同时去除局地变化项中的相位改变， 而令相位改变只存在于相位变化项中。 其 式（ 2 ） 中包含了多个分潮， k i 为系数且 k i ＜ 1 。其它符 中： i 代表各分潮， φ0i 为各分潮预报潮位的初相位， Δ φ i 为各分潮的相位改变， 号意义同前。式（ 2 ） 中 A i 和 φ0i 可通过对预报潮位进行调和分析求得 。 Δ φ i 和 k i 可通过如下方法确定。设实 ： 测潮位中某一频率的分潮可表示为 Z mi = A mi cos ( ω i t － θ0i ) （ 3）
1965 年至 2008 年之 亦是风暴潮灾害极为严重的海域。 据统计， 报道。广西沿海为全日潮海域， 间， 广西沿海受台风风暴潮影响共有 90 余次。鉴于此， 本文在 Horsburgh 与 Wilson 研究的基础上研 （ 1213 ） 究了风暴潮增水中全日扰动 / 半日扰动的分离， 并以 2012 年影响防城港海域的台风“启德 ” （ 1223 ） 为例探讨了全日扰动、 和台风“山神” 半日扰动及高频分潮在风暴潮增水中的贡献。
制对于提高预报精度及海岸带防护有着重要意义 。为研究全日潮海域风暴潮增水中的全日扰动和半日扰动 ， 对 Horsburgh 与 Wilson 的风暴潮余水位模型进行了改进和扩展 ， “启 建立了包括多个分潮的余水位分解方法并将其应用于防城港站 ， 对台风 “山神” 德” 和 影响下的潮位过程进行了分析 。 结果显示， 建立的余水位的分解方法对于全日分潮和半日分潮有良好的适用 性。由于高频分潮产生机制的复杂性 ， 该方法对高频分潮应用尚需进一步研究 。 在全日潮的防城港海域 ， 全日扰动与半日扰 动具有相同的量级， 二者的和约占总增水的 15% 差异。 关键词： 防城港； 风暴潮； 全日扰动； 半日扰动； 调和分析 中图分类号： P732． 6 文献标志码： A DOI： 10． 16483 / j． issn． 10059865． 2016． 05． 006 19% 。 台风过程不同， 相位变化项和局地变化项对增水的贡献有较大
Diurnal perturbation and semidiurnal perturbation in storm surge in diurnal tidal zone
3 LI Yichun1， ，LIU Jingui2 ，DONG Dexin1
（ 1． Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science，Guangxi Academy of Sciences，Nanning 530007 ，China； 2． National Oceanic Environmental Forecasting Center， Beijing 100081 ， China； 3． Geographic Information and Tourism College， Chuzhou University， Chuzhou 239000 ，China）
［13、 11 ］
及统计模型
［1213 ］
是研究风暴潮增水的主要常用方法。 风暴潮与天文潮相互作用产生与主要
1020 收稿日期： 2015基金项目： 广西科学院基本业务费资助项目 （ 13YJ22HY07 ； 10YJ25HY03 ） ； 广西自然科学基金资助项目（ 2015GXNSFBA139192 ） ）， mail： ychli@ vip． sina． com 工程师， 博士， 主要从事河口海洋学研究。E作者简介： 海
洋
工
程
第 34 卷
天文潮频率相同的周期性振荡的余水位 ， 这一现象即称为半日扰动和全日扰动。 研究表明其产生机制如： ［14 ］ ［11 ］ ［15 ］ ［13 ］ 非线性底摩擦及浅水效应 、 科氏力 及气压与风应力 等。Horsburgh 与 Wilson 基于英国北海沿岸 5 个潮位站风暴潮余水位的统计研究了风暴潮导致的最大余水位的发生及其与天文潮的关系 ， 指出风应力、 气 Horsburgh 与 压、 水深 / 水位的变化导致的天文潮振幅和相位的改变是余水位产生的直接原因 。 在此基础上， Wilson 给出了包含半日扰动在内的风暴潮余水位的数学表达 。 ValleLevinson 在对飓风“Sandy ” 的研究中发 现， 半日扰动对余水位的贡献超过 50% 。但风暴潮与天文潮相互作用导致的全日扰动的研究目前罕见
［13 ］
假设其不随时间变化。式（ 1 ） 中 Acos ( ωt ) 为预报潮位， 即未考虑风暴
潮的天文潮 潮 位。 可 以 看 出， 式 中 风 暴 潮 水 位 被 表 示 为 三 项 的 和， 分 别 是： 相 位 变 化 项 （ phase altered — — Acos ( ωt + φ ) 、 — — kAcos ( ωt + δ ) 。 tide） — 非时变项 S 和局地变化项（ local surge modulation） — δ 为一可变 13］ 相位， 文献［ 中用以表征局地变化项极值发生的时间 。 而在全日潮海域， 全日分潮和 式（ 1 ） 中只涉及了单频部分（ 半日分潮） ， 并未包含其它频率的主要分潮， 半日分潮在水位变化中均为重要部分 。此外， 若将风暴潮水位中的时变部分分解为相位变化项和局地变化 项的和， 则可以看出， 式（ 1 ） 中 δ 和 φ 的物理意义有重复。鉴于以上考虑， 在此将风暴潮余水位分解为： Ｒp =
第 34 卷第 5 期 2016 年 9 月 9865 （ 2016 ） 05005106 文章编号： 1005-
海 洋 工 程 THE OCEAN ENGINEEＲING
Vol． 34 No． 5 Sep． 2016
全日潮海域风暴潮增水中全日扰动和半日扰动分析
1， 3 2 1 李谊纯 ， 刘金贵 ， 董德信
第5 期
李谊纯， 等： 全日潮海域风暴潮增水中全日扰动和半日扰动分析
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（ 8 ） 组成了可以求解的只含 k i 和 Δ φ i 两个未知数的方程组。若令 f = A mi / A i ， 当 ( fsin ( Δ φ i ) ) 2 ≤ 1 式（ 7 ） 、 时方程组可解。各分潮导致的最大余水位发生的时刻可通过将式 （ 2 ） 对时间求导得到， 令： Ｒ'p = －
下标 m 表示实测， θ0i 为实测潮位中该分潮的初相位。将 Z mi 分解为相位变化项和局地变化 式中： Z 为潮位， 项的和， 则有： A mi cos ( ω i t － θ0i ) = A i cos ( ω i t － φ0i + Δ φ i ) + k i A i cos ( ω i t － φ0i ) 式（ 4 ） 中 A mi 和 θ0i 可通过对实测潮位进行调和分析得出 。因为： A i cos ( ω i t － φ0i + Δ φ i ) = A i cos ( ω i t － φ0i ) cos ( Δ φ i ) － A i sin ( ω i t － φ0i ) sin ( Δ φ i ) 所以式（ 4 ） 等号右侧可写为： ＲHS = A i （ k i + cos ( Δ φ i ) ） cos ( ω i t － φ0i ) － A i sin ( Δ φ i ) sin ( ω i t － φ0i ) = S i cos ( ω i t － φ0i + i )
2 ( Δφ ) ) 2 ， 式中： S i = ( 1 + k2 i = arctan（ i + cos i
1
（ 4）
（ 5）
（ 6）
sin ( Δ φ i ) ） 。对比式（ 4 ） 、 （ 6 ） 可有： k i + cos ( Δ φ i ) A mi = S i （ 7） （ 8）
θ 0 i = φ0 i － i
Abstract： Storm surge is the fundamental problem of tidesurge interaction and surge forecast． The mechanism of peak residual of sea level（ PＲSL ） shows great significance to forecast precision and coastal defense． In order to investigate diurnal perturbation and semidiurnal perturbation in diurnal tidal zone，the model of peak residual of sea level provided by Horsburgh and Wilson （ 2007 ） was modified and extended． The new method of PＲSL seperation includes different tide constituents． The application of the new method in the Fangchenggang zone shows that this method could be satisfactory while diurnal and semidiurnal constituents are considered simultaneously． When applied to highfrequency tidal constitutes，this method seems to be limited due to the complex mechanism of highfrequency tidal constituents． In the Fangchenggang zone， the surges due to diurnal perturbation and semidiurnal perturbation are of nearly the same order． They could account for 15% 19% in the total PＲSL． Corresponding to different storms，the contributions of phase altered tide and local surge modulation may change substantially． Keywords： Fangchenggang； storm surge； diurnal perturbation； semidiurnal perturbation； harmonic analysis