论文标题：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 

发表时间：20 Nov 2025

DOI：10.1007/s11707-025-1190-x

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原文标题

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

文章概览

风暴潮对人口稠密的沿海地区构成严重威胁，因此需要更加准确地对风暴潮进行预报。本研究应用地球系统模型框架（ESMF），开发了一个适用于香港沿海水域的全耦合风-浪-环流风暴潮预报系统。该系统集成了用于大气强迫的天气研究与预报模型（WRF）、用于波浪动力模拟的近岸波浪模拟模型（SWAN），以及用于海洋环流的有限体积海洋共同体模型（FVCOM）。本研究利用香港近岸潮位站记录，对五次台风（天鸽2017、山竹2018、海高斯2020、圆规2021、苏拉2023）引发的风暴潮案例进行了验证。结果显示，该耦合系统在所有案例中都优于非耦合海洋模型和波流耦合模型。系统的区域平均均方根误差（RMSE）约为0.10米，整体误差相比部分耦合和非耦合模型分别降低了31%至61%，并保持了较高的相关系数（CC）。风暴潮水位峰值出现的时间通常随着台风向西北移动的路径而变化，但在不同潮位站之间存在不规则的时间差，这反映出局地水动力过程的复杂性。在如吐露港等半封闭海湾，模拟准确度的改进最为显著，RMSE降低了0.10至0.16米，显示局地波浪等海况因子对风应力、增水的调制作用。研究结果表明，全耦合模型可实现对复杂沿海环境中的风暴潮预报，其预测精度已可支持业务化应用。目前仍面临的挑战包括对大气强迫的敏感性及较高的计算成本，但随着高性能计算技术和物理-人工智能混合方法的发展，这些问题有望获得有效解决。

图8：台风“圆规”（2021）期间，以下六个站点的水位观测与模拟对比如下：大庙湾 (a)、鲗鱼涌 (b)、大埔滘 (c)、石壁 (d)、大澳 (e) 和尖鼻咀 (f)。图中各条曲线的含义如下：Stat. 1：全耦合风暴潮模型（大气-波浪-环流耦合）, Stat. 2：波-流耦合模型, Stat. 3：非耦合模型, Tide-Only：仅考虑天文潮（不含风暴引起的风应力影响）, Obs：潮位站实测数据（观测值）。

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