使用POM模式来模拟暴潮

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1、使用POM模式來模擬暴潮學校:台灣海洋大學河海工程所海工組指導教授:臧效義博士姓名:林濤學號:E85881029一、前言:台灣位於亞熱帶與熱帶之間，夏秋之際常遭受颱風之襲擊，造成重大的損害，尤其在濱海低窪地區，在河川洪水及海水倒灌的雙重效應下災害損失尤為嚴重。在港灣設施方面也由於颱風所引致的暴潮使得港灣設施以及海岸保護工的嚴重損壞。根據中央氣象局颱風之統計結果顯示，每年平均有3.5次的颱風侵襲台灣，近年來由於數次颱風來襲時正逢大潮期間，高潮位再加上暴潮之合成力作用阻礙河道下游洪水的排出，使得巨量的

2、水量堆積在河口處，照成沿海地區嚴重的淹水災害，因此對於暴潮的研究也就格外引人注意。二、研究方法:在研究暴潮以進行暴潮預測或模擬的方法大致上可分兩類：1.暴潮數值模擬：是指將颱風模型、海底地形資料、邊界條件，及流體動力方程式…等結合起來，並利用數值方法來求取暴潮偏差，亦即所謂的暴潮數值模式。2.暴潮統計分析：這一個類型的方法又可分兩種，第一種是利用現有暴潮資料，針對將來可能發生的暴潮風險依重現期距作機率分佈分析，此種方法主要著重在最大可能暴潮量的發生機率研究。第二類針對暴潮量與颱風大小作分析，進一步

3、求取暴潮的經驗式。近年來在暴潮方面的相關研究多偏重在暴潮數值模型的改進上，而在統計分析上則著重於重現風險的評估。而我的研究方向是採用暴潮數值模擬，使用POM海洋模式結合颱風所引致的波浪來計算暴潮水位，希望可為日後工程應用上提供一個小小的參考數據。POM模式POM模式的發展，早期是由於Blumberg和Mellor(1983)在大西洋南方海灣作的一連串預測的數值模擬，該數值模式發展一個時變三維動量方程式並使用座標的模式，包含一個由Mellor和Yamada(1982)研發的紊流閉合模式(turbul

4、enceclosuremodel)。直到1987年Blumberg和Mellor再整理及撰寫稱為PrincetonOceanModel，簡稱POM模式。應用該模式進行一系列模擬研究的學者；包括Oey(1985a；1985b)、Ezer(1991)、Zavatarelli(1995)應用在近岸和小範圍地區的模式，Ezer和Mellor(1997；2000)、Ezer(1999)則第一次應用在整個大西洋海域水理特性之數值模擬，葉(2002)利用POM模式建立適合模擬台灣海域之潮汐模式，以完成一套台灣海

5、域作業化潮汐預報模式。由此可知，POM模式不但可計算小尺度河川、渠道等之水理運動例如溫度、鹽度等的改變，亦可模擬大尺度海洋、海岸等天文潮及氣象潮所引起的水位與流場變化。三、理論背景:3.1潮汐近年來，颱風侵襲造成海岸溢淹或結構物破壞之災害頻傳。仔細分析海岸災害時，有三個水動力因素往往是共存的，一是高潮位，二是巨大波浪，三是暴潮，其中對於廣義之水位預報能力而言，涵蓋潮汐與暴潮之研究是必須的。關於潮汐現象，其形成的原因包含天體萬有引力及天體之運行等，主要是受到下列幾種力量的作用：1.月球對地球的萬有引

6、力；2.月球與地球相對旋轉的離心力；3.地球引力；4.地球自轉所產生的科氏力。對於潮汐預測欲採用調合分析之方法，調合分析是由Doodson所提出，假設潮汐的升降為各潮波的綜合現象，利用最小二乘法求解當地一年的調和常數(振幅及相位角)，進而去預測潮汐水位，可準確預測當地之潮汐。3.2暴潮颱風暴潮是指颱風所造成的異常水位，屬於氣象潮，其特性與一般潮汐有很大差異，因此分析時常將二者分開處理，而所謂暴潮偏差（量）即為將實測水位資料扣除預測潮位資料的差值。颱風暴潮主要起因於氣象擾亂衍生之氣壓與風場變化而產生

7、之水位突升，包括風剪力作用在水體表面所產生的水位上升(windsetup)，與因颱風中心低壓所造成的之水位上升(pressuresetup)兩者之組合，其合成大小又與氣壓、風速風向、地形、天文潮、科氏力等有關。在設計上假設以下三點以方便計算:1.海水是均質且為不可壓縮的流體，即密度為一常數ρ。2.暴潮週期很長，通常是數小時到數天，屬於長波性質，即水平分量L>>垂直分量D。3.探討的是大海暴潮，所以表面波與降水可忽略。3.3颱風模式3.3.1颱風最大風速半徑推算颱風中心處有一個颱風眼，颱風眼半徑不一

8、定與其強度有關，颱風發展越成熟其颱風眼越明顯，其半徑R約在20～60公里左右，最大風速半徑R涵蓋區域的半徑，就是近中心最大風速半徑R。在颱風模式中R為一重要參數，實際的最大風速半徑，只能靠中央氣象局的衛星雲圖或是經由雷達回波估計，而在暴潮預報模式中的時效性與準確性會有所誤差，所以只能以物理概念，或是經驗公式進行推算，欲採用Graham&Nunn(1959)所建議的經驗公式計算最大風速半徑R（km）：其中；：颱風中心緯度（度）；：颱風中心移動速度(km/hour)；：颱風中心氣壓(m