风暴潮灾害是造成我国沿海地区财产损失最严重的海洋动力灾害，其主要致灾形式是海水漫滩、漫堤导致的陆域淹没。准确、快速地预测风暴潮淹没是防范风暴潮灾害的主要手段。中国科学院海洋研究所侯一筠、胡珀课题组研发了一个新型风暴潮淹没模型框架，通过将海洋动力判据和计算信息技术相结合，实现了风暴潮漫滩准确、高效、稳定模拟，相关成果近日在国际学术期刊Geoscientific Model Development发表。

在台风与寒潮的极端天气条件下，强烈大气扰动引起海面异常升降，海水侵入人类活动区域，对人民生命财产安全造成巨大威胁。为有效预防和减轻风暴潮淹没灾害影响，提前且准确预测近岸区域的淹没范围成为防灾减灾工作的关键环节。数值模式通过集成复杂的物理方程与边界条件，结合干湿网格算法，能够较为准确地模拟风暴潮过程中近岸区域的淹没动态。然而，数值模式在实际应用中面临着计算稳定性与计算时效性之间的固有矛盾。为保障模拟结果的精确性与稳定性，通常需要加密计算网格，即在空间与时间维度上进行更密集的划分。这一做法虽然提高了模拟的精度，但同时也显著增加了计算资源的消耗，包括更高的内存需求、更长的计算周期等。此外，计算时效性的不足也限制了数值模式在实时业务化预报中的广泛应用，尤其是在需要快速响应的风暴潮灾害预警中。

本研究创新性地构建了一个高效的风暴潮淹没模拟框架（如图1所示），该框架核心在于引入了基于浅水动量方程推导出的新型淹没动力判据，并融合了元胞自动机（Cellular Automata,CA）网格迭代算法，实现了对风暴潮导致近岸淹没过程的精准模拟。这一创新设计规避了传统数值模式中复杂的数值差分运算，从而大幅提升了模型的计算稳定性，同时简化了计算网格的构建流程，使其更易于实施。

本研究选取了河北沧州与广东深圳两地，分别针对“利奇马”与“天鸽”两次强台风过境期间的风暴潮淹没情况进行了模拟。模拟结果与灾后实地勘察数据高度吻合，且与采用其他高级数值方法的模拟结果保持了良好的一致性（图2所示）。在计算效率方面，该框架较数值模型有显著提升（表1所示）。实验结果表明，在相同的地形分辨率条件下，相较于传统的漫滩数值模式，提升幅度高达约4个数量级。此外，本研究还定量评估了风应力与底摩擦力这两种关键动力因素在风暴潮过程中对海水淹没范围及程度的具体影响，进一步丰富了对风暴潮物理机制的理解，也为未来模型优化与灾害风险评估提供了科学依据。

图1 风暴潮淹没模拟框架

图2 莱州湾沿岸海水淹没范围和淹没水深模拟结果对比

表1  ADCIRC+SWAN模式与HCA-FM模型计算网格和计算时间对比

本文第一作者是中国科学院海洋研究所博士研究生高玄玄，李水清特聘研究员和胡珀研究员是论文共同通讯作者，其他合作者包括莫冬雪助理研究员和刘亚豪副研究员。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

相关论文信息：Xuanxuan Gao, Shuiqing Li*, Dongxue Mo, Yahao Liu, Po Hu*. 2024. Development of a novel storm surge inundation model framework for efficient prediction. Geoscientific Model Development. Doi: 10.5194/gmd-17-5497-2024.