論文標(biāo)題：Enhanced storm surge simulations in Hong Kong coastal waters an atmosphere-wave-circulation coupled model under the earth system modeling framework
期刊：Frontiers of Earth Science
作者：Jiayi PAN, Wenfeng LAI, Xianqiang XIA, Xiaoling XU
發(fā)表時間：20 Nov 2025
DOI：10.1007/s11707-025-1190-x
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原文標(biāo)題
Enhanced storm surge simulations in Hong Kong coastal waters an atmosphere-wave-circulation coupled model under the earth system modeling framework
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作者
Jiayi PAN, Wenfeng LAI, Xianqiang XIA, Xiaoling XU
文章概覽
風(fēng)暴潮對人口稠密的沿海地區(qū)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此需要更加準(zhǔn)確地對風(fēng)暴潮進(jìn)行預(yù)報。本研究應(yīng)用地球系統(tǒng)模型框架（ESMF），開發(fā)了一個適用于香港沿海水域的全耦合風(fēng)-浪-環(huán)流風(fēng)暴潮預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了用于大氣強(qiáng)迫的天氣研究與預(yù)報模型（WRF）、用于波浪動力模擬的近岸波浪模擬模型（SWAN），以及用于海洋環(huán)流的有限體積海洋共同體模型（FVCOM）。本研究利用香港近岸潮位站記錄，對五次臺風(fēng)（天鴿2017、山竹2018、海高斯2020、圓規(guī)2021、蘇拉2023）引發(fā)的風(fēng)暴潮案例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該耦合系統(tǒng)在所有案例中都優(yōu)于非耦合海洋模型和波流耦合模型。系統(tǒng)的區(qū)域平均均方根誤差（RMSE）約為0.10米，整體誤差相比部分耦合和非耦合模型分別降低了31%至61%，并保持了較高的相關(guān)系數(shù)（CC）。風(fēng)暴潮水位峰值出現(xiàn)的時間通常隨著臺風(fēng)向西北移動的路徑而變化，但在不同潮位站之間存在不規(guī)則的時間差，這反映出局地水動力過程的復(fù)雜性。在如吐露港等半封閉海灣，模擬準(zhǔn)確度的改進(jìn)最為顯著，RMSE降低了0.10至0.16米，顯示局地波浪等海況因子對風(fēng)應(yīng)力、增水的調(diào)制作用。研究結(jié)果表明，全耦合模型可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜沿海環(huán)境中的風(fēng)暴潮預(yù)報，其預(yù)測精度已可支持業(yè)務(wù)化應(yīng)用。目前仍面臨的挑戰(zhàn)包括對大氣強(qiáng)迫的敏感性及較高的計算成本，但隨著高性能計算技術(shù)和物理-人工智能混合方法的發(fā)展，這些問題有望獲得有效解決。
圖8：臺風(fēng)“圓規(guī)”（2021）期間，以下六個站點(diǎn)的水位觀測與模擬對比如下：大廟灣 (a)、鲗魚涌 (b)、大埔滘 (c)、石壁 (d)、大澳 (e) 和尖鼻咀 (f)。圖中各條曲線的含義如下：Stat. 1：全耦合風(fēng)暴潮模型（大氣-波浪-環(huán)流耦合）, Stat. 2：波-流耦合模型, Stat. 3：非耦合模型, Tide-Only：僅考慮天文潮（不含風(fēng)暴引起的風(fēng)應(yīng)力影響）, Obs：潮位站實(shí)測數(shù)據(jù)（觀測值）。
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