“梅花”臺風(fēng)期間江蘇輻射沙洲海域風(fēng)暴潮增水研究

俞亮亮，陸培東，陳可鋒

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210024;2.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024)

風(fēng)暴潮系指由于強(qiáng)烈的大氣擾動——如強(qiáng)臺風(fēng)和氣壓驟變所招致的海面異常升高的現(xiàn)象［1］。這種水面異常急劇升高，往往引發(fā)災(zāi)害，它不僅破壞海岸工程，吞噬良田，還給沿海人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。我國是世界上風(fēng)暴潮災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，近20年來造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2 443.64 億元，且呈波動上升趨勢［2］。

江蘇作為沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)重要省份，特大風(fēng)暴潮災(zāi)害一直是主要自然災(zāi)害之一。前人在渤海灣、珠江口及長江口的風(fēng)暴潮增水研究中已有較多成果［3-7］，而對于江蘇輻射沙洲海域的風(fēng)暴潮研究，由于其復(fù)雜的地形和潮汐環(huán)境，成果較少。因此，了解和掌握臺風(fēng)作用下，輻射沙洲海域風(fēng)暴潮增水的特征和規(guī)律，對江蘇的經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展具有重要意義和必要性。

江蘇風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁，根據(jù)1949 ～2010年統(tǒng)計結(jié)果，60年來影響江蘇的臺風(fēng)記錄共有194 次，臺風(fēng)類型可分為5 種，如圖1 所示。其中對江蘇產(chǎn)生嚴(yán)重影響的類型為近?；顒有汀⒄娴顷懶秃偷顷懕鄙蠔|［8］，三種類型中又屬近?；顒有途佣啵?4%。1109 號“梅花”(Muifa)臺風(fēng)為最近一次影響江蘇的臺風(fēng)，于2011年8月6日～8日途經(jīng)江蘇外海后在朝鮮半島登陸。比較圖1 與圖2 中“梅花”臺風(fēng)路徑，可以看到“梅花”臺風(fēng)屬于典型的近海活動型。利用2010年9月布設(shè)在輻射沙洲南翼小廟洪水道大唐電廠碼頭的臨時觀測點連續(xù)一年的觀測結(jié)果和太陽島站資料，得到“梅花”臺風(fēng)期間測點潮位、風(fēng)向風(fēng)速、海浪、泥沙的變化過程。以“梅花”臺風(fēng)期間實測數(shù)據(jù)為驗證資料，通過建立黃海天文潮與風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型，分析近?；顒有团_風(fēng)作用下，輻射沙洲流場變化及風(fēng)暴潮增水空間分布特征。

圖1 影響江蘇的臺風(fēng)類型及比例Fig.1 The types and percentage of typhoon affecting Jiangsu

1 風(fēng)暴潮數(shù)值模型

1.1 基本方程與計算方法

本模式是建立在荷蘭Delft3D 水動力學(xué)計算軟件的基礎(chǔ)上，方程建立在正交曲線坐標(biāo)系(ξ，η)中，在垂直方向上采用σ 坐標(biāo)，數(shù)值計算方法采用ADI 法［9］?；痉匠倘缦?

沿水深積分的連續(xù)方程:

ξ 和η 方向的動量方程:

式中:f 為柯式力，f=2Ωsinφ，Pξ和Pη是壓強(qiáng)梯度，F(xiàn)ξ和Fη是水平雷諾應(yīng)力不平衡性，νv為垂直渦粘性系數(shù)。

在計算域內(nèi)和深水的開邊界處，既要考慮天文潮的作用，又要考慮臺風(fēng)的作用，天文潮的作用是通過在邊界上給定主要分潮作為驅(qū)動力以實現(xiàn)，而臺風(fēng)作用主要是氣壓和風(fēng)，是通過靜壓假設(shè)和自由表面條件來實現(xiàn)的。

根據(jù)靜壓假設(shè):

根據(jù)自由表面條件:

式中:θ 是風(fēng)拖拽力和η 的夾角;VH是水平粘滯系數(shù);τs為風(fēng)應(yīng)力，其中，ρ0是空氣密度，U10是海平面以上10 m 處的風(fēng)速，Cd是風(fēng)拖拽力系數(shù)，與U10相關(guān)。

1.2 模型范圍及邊界條件

圖2 模型范圍及驗證結(jié)果Fig.2 Computed domain and track calibration of“Muifa”

由于研究范圍大，為達(dá)到精度要求，建立了兩個數(shù)學(xué)模型——東中國海模型和黃海模型(圖2)。東中國海模型范圍為117°～131°E，24°～41°N，包括了臺灣海峽、東海、黃海和渤海，大洋潮波開邊界取在琉球群島和臺灣海峽，模型網(wǎng)格尺度2' ×2'，網(wǎng)格數(shù)324 ×480。黃海模型范圍為119.2° ～127.1°E，28.2° ～38.2°N，北至山東靖海角，南到錢塘江灣以南，網(wǎng)格尺度200 ～2 000 m，網(wǎng)格數(shù)889×786。

陸邊界取法向流量為零，開邊界東中國海模型采用復(fù)合潮波過程線控制，給定八個主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q2、P1)的調(diào)和常數(shù)，根據(jù)《英國潮汐表》，選取本區(qū)域內(nèi)91 個驗潮站的M2、S2、K1、O14 個分潮的調(diào)和常數(shù)作為驗證資料。驗證結(jié)果顯示四個主要分潮的振幅絕對值誤差分別為9.4 cm、2.5 cm、3.6 cm 和4.0 cm，遲角絕對值平均誤差分別為7.50°、6.52°、4.86°和9.4°，潮流的相位與驗證資料基本一致，驗證的詳細(xì)結(jié)果見文獻(xiàn)［10］。黃海模型開邊界采用潮位控制，由東中國海模型提供。

1.3 風(fēng)場及氣壓場的計算

Delft3D 本身并未提供臺風(fēng)的計算模塊，風(fēng)場及氣壓場的計算采用美國環(huán)境預(yù)測中心(NECP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)等諸多科研機(jī)構(gòu)于2000年共同開發(fā)的一種中尺度天氣預(yù)報模式WRF(weather research and forecasting model)。WRF 模式為完全可壓縮非靜力模式，水平方向采用Arakawa C 網(wǎng)格，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)，時間積分采用三階或者四階的Runge-Kutta 算法。本次對“梅花”臺風(fēng)的模擬中，采用雙重嵌套網(wǎng)格(粗網(wǎng)格D1 和細(xì)網(wǎng)格D2)，時間積分從2011年8月3日0:00 到8月9日0:00(UTC)共145 h，采用球面坐標(biāo)系，氣象資料為NECP 和NCAR 提供的每隔6 h，分辨率為1° ×1°的FNL 全球分析資料(final operational global analysis)，垂直分層28 個不等間距層，長波輻射采用RRTM(rapid radiative transfer model)方案，短波輻射采用Dudhia 方案，微物理過程選用Purdue Lin 方案，邊界層采用YSU(yonsei university)方案，陸面過程參數(shù)化采用熱量擴(kuò)散方案，近地面過程采用Monin-Obukhov 方案。粗網(wǎng)格D1 范圍為115° ～135°E，22°～42°N，網(wǎng)格中心125°E，32°N，格點數(shù)為100 ×100，格距6'，積云對流采用Kain-Fritsch 方案，時間步長為60 s;細(xì)網(wǎng)格D2 范圍為118° ～128°E，28° ～38°N，網(wǎng)格中心123°E，32°N，格點數(shù)為150 ×150，格距2'，不采用積云方案，時間步長為20 s。圖2 為模擬臺風(fēng)路徑與通過衛(wèi)星云圖定位的逐時臺風(fēng)中心位置的比較，兩者走勢基本一致，最大誤差出現(xiàn)在登陸前，這主要是受陸域地形、建筑等復(fù)雜因素的影響，但誤差均在90 km 以內(nèi)，其中江蘇段最大誤差不超過40 km。圖3 為“梅花”臺風(fēng)期間大唐電廠站和太陽島站實測風(fēng)速與模擬結(jié)果的比較。從以上結(jié)果可以看出，大唐電廠站風(fēng)暴潮區(qū)段誤差基本在3 m/s 以內(nèi)，最大為3.43 m/s;太陽島站最大誤差為4.83 m/s;整個過程計算風(fēng)速與實測風(fēng)速走勢一致，此模式較為準(zhǔn)確地模擬了“梅花”臺風(fēng)過程，能為風(fēng)暴潮模型提供可靠的風(fēng)場和氣壓場。

1.4 參數(shù)設(shè)置

風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型計算時糙率計算式為:n =n0+nk(h)，其中n0=0.012 ～0.016，nk(h)是受水深調(diào)節(jié)部分，渦動粘性系數(shù)取1 ～25，空氣密度取1.293 kg/m3，風(fēng)力拖拽系數(shù)采用王秀芹［11］等人推薦的最佳分段公式Cd=(0.61 +0.063 ×U10)×10－3(6 ＜U10＜22)。時間積分與風(fēng)場一致，時間步長東中國海模型取為60 s，黃海模型取為30 s。

1.5 模型驗證

2011年第9 號強(qiáng)臺風(fēng)“梅花”于7月28日14 時在西北太平洋洋面上生成，8月8日18 時30 分前后在朝鮮西海岸北部沿海登陸。“梅花”臺風(fēng)最大風(fēng)力16 級，最高風(fēng)速55 m/s，瞬間最大陣風(fēng)260 km/h，中心最低氣壓925 hPa。臺風(fēng)于8月6日－8月8日(農(nóng)歷七月初七到初九)經(jīng)過江蘇輻射沙洲，為小潮期。圖4 為大唐電廠臨時站實測潮位、計算風(fēng)暴潮位及天文潮位值，圖中顯示潮位過程與實測值相位基本一致，高潮位誤差均在20 cm 以內(nèi)，低潮位誤差較大，在臺風(fēng)到來之前表現(xiàn)為低潮位偏高，離開時則表現(xiàn)為低潮位偏低，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是多方面的，本身風(fēng)場和氣壓場在近岸受地形影響較大，誤差較大，測站布置在淺灘上，臺風(fēng)期間大波浪破碎引起的增水有較大影響［12］。

圖3 大唐電廠及太陽島站風(fēng)速驗證Fig.3 Wind process curves of Datangdianchang and Taiyangdao

圖4 大唐電廠風(fēng)暴潮位驗證結(jié)果Fig.4 Tidal level process curve of storm surge at Datangdianchang

2 風(fēng)暴潮對輻射沙洲流場的影響

圖5 輻射沙洲地形圖及測點分布Fig. 5 Topography of radial sand ridegs and locations of stations

輻射沙洲區(qū)是一特殊的潮汐環(huán)境，東海前進(jìn)潮波與南黃海旋轉(zhuǎn)駐波在弶港附近輻合，不僅使得輻射沙洲海域潮流動力強(qiáng)、潮差大，而且形成了以弶港為中心的輻聚-輻散的潮流流場(見圖5)。其中南部的小廟洪水道和北部的西洋水道分別主要受太平洋前進(jìn)波和黃海旋轉(zhuǎn)駐波的控制，動力條件相對單一，而中部的陳家塢槽、苦水洋、黃沙洋和爛沙洋等水道受兩個潮波系統(tǒng)輻合的影響程度較大，動力條件比較復(fù)雜［13-16］。

“梅花”臺風(fēng)自南向北穿過江蘇外海，對輻射沙洲流場的影響分為三個階段:第一階段(圖6(a))臺風(fēng)中心位于長江口以南洋面，輻射沙洲海域均以偏東風(fēng)為主，未改變其輻射狀流場特征，且漲潮時具有一定的加強(qiáng)作用，長江口流場則向南偏;第二階段(圖6(b))臺風(fēng)中心位于輻射沙洲中部以東海域，風(fēng)速較大，北部以東北風(fēng)為主，南部西北風(fēng)為主，輻射狀流場特征發(fā)生了變化，漲潮時不再向弶港輻聚，而是以較大的流速向南流;第三階段(圖6(c))臺風(fēng)中心位于廢黃河口以北，輻射沙洲以西風(fēng)為主，流場仍呈輻聚狀，但由于北部近海的南向流明顯增強(qiáng)，輻聚點由弶港南移至如東遙望港附近。

圖6 輻射沙洲海域流場變化(左:天文潮;右:風(fēng)暴潮)Fig.6 Current fields changes in radial sand ridegs (left:astronomical tide;right:storm surge)

3 輻射沙洲風(fēng)暴潮增水分布特征

風(fēng)暴潮常引起海面的變化，即水位發(fā)生較大幅度的升降。圖7 為計算得到“梅花”臺風(fēng)期間最大增水平面分布圖。圖中顯示，“梅花”臺風(fēng)期間整個輻射沙洲海域有不同幅度的增水，西洋水道及小廟洪水道南岸淺灘增水約為1.0 ～1.5 m，弶港附近增水較大，最大可達(dá)2.72 m，這與該海域獨特的以弶港為中心的輻聚-輻散的潮流場密切相關(guān)。受陸邊界和東沙的限制，形成了狹長的西洋水道深槽，正常天氣下，水道內(nèi)潮流動力較強(qiáng)，最大垂線平均流速就可達(dá)2 ～3 m/s［17-19］，“梅花”臺風(fēng)第二階段期間輻射沙洲北部較強(qiáng)的偏北風(fēng)使得流速愈加增大，條子泥高灘阻斷了部分與南側(cè)黃沙洋的水體交換，導(dǎo)致深槽尾部大量壅水，增水幅度達(dá)到最大。根據(jù)實測潮位，大唐電廠站未出現(xiàn)減水，該站點處于小廟洪水道南岸，L 型內(nèi)拐角處。流場分析顯示，在第一階段中小廟洪水道東向流明顯增強(qiáng)，第二階段和第三階段則經(jīng)腰沙而來的南向流得到增強(qiáng)，兩者均造成小廟洪尾部增水。

為進(jìn)一步了解“梅花”對輻射沙洲不同岸段高潮位的影響，在輻射沙洲海域自北向南0 m 等深線(理論基面)上布置了14 個觀測點，見圖8。通過統(tǒng)計14 個觀測點最高潮位變化可以看到:濱海港(PT1)至川東港(PT6)段位于西洋水道，自北向南潮汐環(huán)境由主要受南黃海旋轉(zhuǎn)駐波控制逐漸轉(zhuǎn)變成兩大潮波共同影響，潮流動力加強(qiáng)，高潮位增水增大，除PT1 和PT3 點外，其余各點高潮位增加均在0.5 m 以上，增幅最大的川東港(PT6)可達(dá)0.95 m;弶港點(PT7)位于條子泥灘脊以南，受高灘屏障作用，高潮位增水驟減降至0.48 m;自弶港(PT7)向南至長江口北角協(xié)興港(PT14)潮汐環(huán)境逐漸由兩大潮波共同影響轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蓶|海前進(jìn)波控制，動力環(huán)境趨于單一，高潮位變化幅度略有增大，但均穩(wěn)定地維持在0.50 ～0.65 m 間?？梢?，由于潮汐環(huán)境、地形等因素的差異，輻射沙洲沿岸高潮位增水幅度同樣呈現(xiàn)中間大，南北兩端小的局勢。

圖7 輻射沙洲海域最大增水分布Fig.7 Maximum water level set-up in radial sand ridegs

圖8 觀測點最高潮位變化分布Fig.8 High tidal level increase of the observations

4 結(jié) 語

以“梅花”臺風(fēng)為例，建立了黃海天文潮與風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型，并用實測資料進(jìn)行驗證，總結(jié)分析了近?；顒有团_風(fēng)對江蘇輻射沙洲海域的影響。通過比較分析臺風(fēng)作用前后的流場和潮位變化，認(rèn)為由于輻射沙洲具有獨特的以弶港為中心輻聚-輻散的潮流場，近海活動型臺風(fēng)對該海域的影響有以下兩點規(guī)律:

1)當(dāng)臺風(fēng)中心位于輻射沙洲中部以東海域時，輻射沙洲南部外海潮流不再向弶港輻聚，而向南流;當(dāng)臺風(fēng)中心位于廢黃河口以北，南向流明顯增強(qiáng)，輻聚中心南移至遙望港附近。

2)近?；顒有团_風(fēng)影響下，整個輻射沙洲海域出現(xiàn)不同幅度的增水，最大增水值及高潮位最大增幅均出現(xiàn)在弶港以北附近。以“梅花”臺風(fēng)為例，兩者分別為2.72 m 和0.95 m。

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