長江口橫沙淺灘及鄰近海域?yàn)?zāi)害性天氣分析

丁平興， 葛建忠

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

0 引 言

對(duì)長江河口及其鄰近海域航道、港口及航運(yùn)安全有影響的災(zāi)害性天氣主要有熱帶氣旋、寒潮和大霧［1］.其中熱帶氣旋主要發(fā)生在夏秋季節(jié)，所經(jīng)地方伴有狂風(fēng)暴雨和巨浪；寒潮一般多發(fā)生在秋末、冬季和初春時(shí)節(jié)，來自高緯度地區(qū)的寒冷空氣，在特定的天氣形勢(shì)下迅速加強(qiáng)并向中低緯度地區(qū)侵入，造成沿途地區(qū)劇烈降溫、大風(fēng)和雨雪天氣；而大霧主要發(fā)生在春夏季節(jié)，有時(shí)秋冬季節(jié)也受濃霧侵襲.大風(fēng)、大浪、大霧不但會(huì)嚴(yán)重影響船舶航運(yùn)，而且會(huì)影響碼頭作業(yè).大風(fēng)大浪還對(duì)碼頭、導(dǎo)堤等建筑物有直接影響，同時(shí)還易引起港口航道驟淤.因此，對(duì)于擬建港口航道自然條件分析，其中重要內(nèi)容之一是分析大風(fēng)、大浪、大霧等災(zāi)害性天氣的特征和規(guī)律以及對(duì)港口航道的可能影響.

本文主要圍繞長江口橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案，通過資料文獻(xiàn)分析和數(shù)值模擬，討論影響長江口及其鄰近海域熱帶氣旋、寒潮和大霧的特征與規(guī)律，以及初步分析對(duì)港口航道可能的影響.

1 影響長江口及鄰近區(qū)域的熱帶氣旋

熱帶氣旋指發(fā)生在熱帶海洋上的氣旋性環(huán)流，是熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的統(tǒng)稱，西太平洋沿岸國家習(xí)慣上稱風(fēng)力12級(jí)以上的熱帶氣旋為臺(tái)風(fēng).熱帶氣旋期間常伴有狂風(fēng)、暴雨和巨浪，在近岸產(chǎn)生風(fēng)暴潮.本文作者曾聯(lián)合國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心和國家氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所專家學(xué)者，在太湖流域管理局的資助下對(duì)影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋和風(fēng)暴潮等進(jìn)行聯(lián)合研究，所得的主要結(jié)論如下［2］.

熱帶氣旋發(fā)生頻率 1949—2003年影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋為120個(gè)，平均每年2.3次.其中嚴(yán)重影響的強(qiáng)暴潮過程為64次，占影響總次數(shù)的53.3%，平均每年為1.2次.

熱帶氣旋月際變化 影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋主要發(fā)生在8月和9月（見表1），它們分別占總數(shù)的37.5%和39.1%，兩者合起來占76.6%，其次為7月，占17.2%.

表1 熱帶氣旋頻數(shù)月際分布表Tab.1 Distribution of monthly frequency for the tropical cyclones

臺(tái)風(fēng)路徑與風(fēng)暴潮 影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋，主要以滬、浙登陸型和海上中、西轉(zhuǎn)向型為主，它們占熱帶氣旋總數(shù)的76.56%（見圖1和表2）.

對(duì)于橫沙淺灘挖入式港區(qū)，熱帶或溫帶氣旋及其引發(fā)的大風(fēng)大浪不可能成為影響港區(qū)安全的主要因子，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于洋山港和外高橋港區(qū)，但由于大風(fēng)大浪引起的港池、進(jìn)港航道驟淤必須引起足夠重視.

下面以曾引起長江口北槽深水航道嚴(yán)重淤積的“麥莎”臺(tái)風(fēng)為例（見圖2），分析擬建橫沙淺灘挖入式港池與外航道區(qū)域在臺(tái)風(fēng)背景下的波浪場(chǎng).“麥莎”臺(tái)風(fēng)于2005年7月31日20時(shí)生成于菲律賓東部約900 km的洋面上，后以20 km／h的速度朝西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加大.8月2日08時(shí)成強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，3日02時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，“麥莎”在向西北方向移動(dòng)過程中，強(qiáng)度進(jìn)一步加大，8月4日18時(shí)至6日03時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)鼎盛，其中心氣壓為950 hPa，中心最大風(fēng)力達(dá)12級(jí)以上（45 m／s）.“麥莎”臺(tái)風(fēng)于8月6日3時(shí)40分在浙江玉環(huán)登陸，登陸時(shí)中心氣壓為950 hPa，近中心最大風(fēng)速達(dá)45 m／s（12級(jí)以上），7級(jí)大風(fēng)半徑為600 km，10級(jí)大風(fēng)半徑達(dá)200 km.由于該臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大，影響范圍廣，加之8月6—7日正值天文大潮期，浙江省、上海市遭受了狂風(fēng)、暴雨、天文大潮的嚴(yán)重侵襲.據(jù)水文站實(shí)際觀測(cè)，上海市沿江、沿海7日的水位普遍超過了當(dāng)?shù)氐木渌?.2～0.4 m.“麥莎”臺(tái)風(fēng)登陸后，先后穿越浙江、上海、安徽、山東等地，7日02時(shí)減弱成熱帶氣旋，于9日02時(shí)消失在渤海.

圖1 影響長江口地區(qū)的熱帶氣旋主要路徑Fig.1 Main tracks of tropical cyclone affecting the Yangtze Estuary

表2 熱帶氣旋路徑統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis of tropical cyclone tracks

“麥莎”臺(tái)風(fēng)路徑及臺(tái)風(fēng)影響期間在牛皮礁和大戢山用SWAN模型計(jì)算的波高變化如圖3所示.圖4為“麥莎”臺(tái)風(fēng)期間計(jì)算的有效波高空間分布.從圖可發(fā)現(xiàn)，“麥莎”臺(tái)風(fēng)期間橫沙淺灘區(qū)域平均有效波高為1.5～2.5 m，最高可達(dá)3 m左右.

圖3 0509號(hào)“麥莎”臺(tái)風(fēng)期間波高變化Fig.3 Wave height variation during the typhoon“Matsa”

圖4 麥莎臺(tái)風(fēng)8月6號(hào)04：00時(shí)刻有效波高分布圖Fig.4 Distribution of significant wave height during the typhoon“Matsa”（at 4 AM，Aug.6，2005）

中國海洋大學(xué)［3］曾采用“新型混合型海浪數(shù)值模式”，選取對(duì)長江口波浪影響較大的59個(gè)天氣過程的天氣圖進(jìn)行海浪數(shù)值后報(bào)，統(tǒng)計(jì)分析得到20 m水深處P點(diǎn)（122°30′E，31°35′N）深水設(shè)計(jì)波要素（參見文獻(xiàn)3）.該結(jié)果被長江口航道建設(shè)管理部門釆納，作為長江口深水航道治理工程中海工建筑物深水設(shè)計(jì)波要素的依據(jù).橫沙淺灘與北槽相鄰，故中國海洋大學(xué)提出的深水設(shè)計(jì)波要素同樣可為橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃提供參考.

波浪傳播進(jìn)入淺灘區(qū)后，發(fā)生變形并形成破碎波，破波水流的強(qiáng)烈紊動(dòng)對(duì)淺灘表面沉積物產(chǎn)些強(qiáng)烈的擾動(dòng)，使水體懸沙濃度顯著增加.按不同波高頻率統(tǒng)計(jì)，可推算得橫沙淺灘不同波高條件下的破波水深，其結(jié)果可參見文獻(xiàn)4.

2 影響長江口及鄰近區(qū)域的寒潮

寒潮天氣的主要特點(diǎn)是劇烈降溫和大風(fēng)，寒潮引起的大風(fēng)在長江口及其鄰近海域一般有8級(jí)以上，會(huì)影響航運(yùn)和港口的安全.徐秀芳等［5］利用1989—2008近20年11月到次年3月上海徐家匯站氣象資料，對(duì)上海出現(xiàn)的寒潮過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.所得主要結(jié)論如下.

寒潮發(fā)生頻率 近20年中達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的過程有63次，平均每年有3.15次，其中1997—1998年度冬季出現(xiàn)次數(shù)最多為7次，也有年份一次未出現(xiàn)，為1994—1995年度冬季，其余年份分別為1～6次.

寒潮發(fā)生月際變化 近20年上海寒潮出現(xiàn)次數(shù)最多的月份為12月，共21次；出現(xiàn)次數(shù)最少的月份為3月份，共9次；另外，1月份共出現(xiàn)12次，2月份共出現(xiàn)11次，11月份共出現(xiàn)10次（見圖5）.

圖5 近20年上海寒潮頻次的月際分布（徐秀芳等［5］）Fig.5 Distribution of monthly frequency for cold wave in Shanghai during the last 20 years

上海寒潮最早出現(xiàn)在1995年11月6—8日，最晚為1998年3月18—20日；日平均溫度48 h最大降溫幅度為14.1℃，分別在1990年11月29日—12月1日和2005年3月10—12日.另外，從統(tǒng)計(jì)可看到，最近20年的前10年寒潮發(fā)生了34次，且在11月發(fā)生了7次，后10年為29次，而在11月僅發(fā)生了3次（見圖5），即影響上海的寒潮頻次有減少趨勢(shì).徐秀芳等通過影響上海的63次寒潮強(qiáng)度分析，還發(fā)現(xiàn)寒潮強(qiáng)度近10年有增強(qiáng)的傾向.

2011年2月9—13日有一個(gè)影響長江口及鄰近海域的寒潮過程，上海中心氣象臺(tái)8日21點(diǎn)鐘發(fā)布上海市寒潮警報(bào)和江蘇南部到浙江南部沿海海面大風(fēng)警報(bào).北方南下的較強(qiáng)冷空氣影響本市，48 h過程降溫幅度可達(dá)7～9℃，并有4～6級(jí)北到東北大風(fēng)，長江口區(qū)陣風(fēng)有6級(jí).本文以該寒潮過程為例，采用SWAN模型計(jì)算寒潮期間橫沙淺灘及其鄰近海域有效波高分布，結(jié)果如圖6所示.從圖6可發(fā)現(xiàn)在擬建挖入式港池附近有效波高為1～1.5 m，外航道海域有效波高可達(dá)2～3 m.

3 影響長江口及鄰近區(qū)域的大霧

海霧是影響航海安全的主要天氣現(xiàn)象，每年因海霧帶來不良能見度從而造成的船舶碰撞、觸礁和擱淺等海損、海難事故常常發(fā)生［6］.

周立佳等［7］利用1961—1990年船舶氣象資料、國家氣象站、海洋站公開發(fā)布的觀測(cè)資料，對(duì)我國東南沿海的海霧出現(xiàn)頻率和各主要海區(qū)海霧頻率的時(shí)空分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.對(duì)于長江口與舟山海區(qū)，9—10月霧頻率最低，僅為0.2%～0.5%；12月至翌年1月霧頻率次低，在1.4%以下；2月和8月霧頻率為2%～2.6%；3月和7月是該海區(qū)霧頻率次高季節(jié)，達(dá)6.5%；4—6月霧頻率最高，達(dá)到12.5%.

邢大豐等［8］通過統(tǒng)計(jì)分析，提出上海港是一個(gè)多霧的港口，年平均霧日達(dá)50～60 d.對(duì)長江口及鄰近海域交通影響較大的有平流霧和鋒面霧，主要集中在3—7月，4月最多，月平均約6 d.霧多發(fā)于下半夜至次日早晨，持續(xù)時(shí)間一般為3～5 h.連續(xù)24 h以上的霧日較少.

陳磊等［9］利用近幾年長江口水文資料調(diào)查和引航船實(shí)地觀察氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在長江口水域視程小于1 000 m的大霧天數(shù)分別為2005年25 d，2006年20 d，2007年12 d，2008年19 d.

圖6 2011年2月12日12時(shí)寒潮期間有效波高分布圖Fig.6 Distribution of significant wave height during the cold wave

顯然，大霧會(huì)給航運(yùn)安全、港口作業(yè)等造成影響.但可以推測(cè)，大霧對(duì)長江口橫沙淺灘挖入式港池和外航道的影響程度與對(duì)相鄰長江口北槽深水航道和外高橋港區(qū)的影響程度相當(dāng).

4 結(jié) 語

長江口及其鄰近海域每年都受熱帶氣旋、寒潮與大霧的影響，且這些災(zāi)害性天氣過程季節(jié)性變化顯著.熱帶氣旋與寒潮產(chǎn)生的大風(fēng)大浪對(duì)擬建的碼頭、導(dǎo)堤等建筑物有直接影響，同時(shí)還易引起港口航道驟淤；大霧不但會(huì)嚴(yán)重影響船舶航運(yùn)，而且會(huì)影響碼頭作業(yè).本文是在前階段累積資料、已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的初步分析，許多方面還有待深化研究，特別是大風(fēng)、大浪對(duì)港區(qū)建筑物、泥沙輸運(yùn)與沖淤變化等的監(jiān)測(cè)與研究尚需深入.

［1］ 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.上海國際航運(yùn)中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報(bào)告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2012.

［2］ 華東師范大學(xué)，東海海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，上海臺(tái)風(fēng)研究所.太湖流域風(fēng)暴潮及潮汐特性分析與預(yù)報(bào)模型研究報(bào)告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2005.

［3］ 中國海洋大學(xué).長江口深水航道整治工程設(shè)計(jì)波要素研究報(bào)告［R］.青島：中國海洋大學(xué)，2001.

［4］ 李身鐸，朱巧云，虞志英.長江口橫沙淺灘及鄰近海域水動(dòng)力特征分析［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（4）：25－41.

［5］ 徐秀芳，戴建華，尹紅萍.近20年影響上海的寒潮特點(diǎn)［J］.大氣科學(xué)研究與應(yīng)用，2009（1）：73－80.

［6］ 李磊，張永寧.影響我國沿海的海霧及一起碰撞事故的分析［J］.航海技術(shù)，2001（1）：17－18.

［7］ 周立佳，劉永祿，袁群哲.東南沿海海霧分布的統(tǒng)計(jì)與預(yù)報(bào)［J］.航海技術(shù)，2005（4）：24－25.

［8］ 邢大豐，張治源.長江口水域船舶霧航風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)［J］.中國水遠(yuǎn)，2008（1）：32－33.

［9］ 陳磊，陸悅銘.長江口引航員接送的風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施［J］.航海枝術(shù)，2009（5）：14－16.