海平面上升背景下輻射沙脊風(fēng)暴潮增水研究

俞亮亮,陳可鋒,陸培東,張俊彪

(1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

海平面上升背景下輻射沙脊風(fēng)暴潮增水研究

俞亮亮1,陳可鋒2,陸培東2,張俊彪1

(1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

海平面上升將對(duì)沿海環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅,風(fēng)暴潮災(zāi)害頻發(fā)和加劇是其中的重要表現(xiàn)。相關(guān)研究揭示水深和潮波變化是引起風(fēng)暴潮增水與海平面上升之間非線性關(guān)系的兩大主要因素。在地形和潮波系統(tǒng)較為復(fù)雜的蘇北輻射沙脊海域這種非線性關(guān)系尤為明顯?？偨Y(jié)了該海域潮波、風(fēng)暴潮特征和海平面變化趨勢(shì),利用WRF模式和Delft 3D風(fēng)暴潮模式相結(jié)合,建立了東中國(guó)海和南黃海二維天文潮-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型。分析研究了海平面上升以后,相同路徑和強(qiáng)度的兩種典型臺(tái)風(fēng)作用下,輻射沙脊海域風(fēng)暴增水極值和高潮位變化。分析結(jié)果表明:海平面上升后,輻射沙脊海域增水作用普遍減弱,近岸較外海明顯;而在輻射沙脊中、南部,海平面上升對(duì)天文潮高潮位的增強(qiáng)作用要強(qiáng)于對(duì)風(fēng)暴增水的減弱作用。

輻射沙脊;海平面上升;風(fēng)暴增水;數(shù)值模擬

20世紀(jì)以來(lái),海平面上升已是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。海平面上升引起的淺海物理海洋環(huán)境的變化對(duì)沿岸的影響比海平面上升本身顯著得多,風(fēng)暴潮災(zāi)害頻發(fā)和加劇是其中一個(gè)重要方面[1]。國(guó)家海洋局的海平面公報(bào)中指出:2012年的高海平面加劇了江蘇、浙江和廣東等沿海地區(qū)風(fēng)暴潮的影響[2]。相關(guān)研究顯示,風(fēng)暴潮增水與海平面上升并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,水深和潮波變化是產(chǎn)生非線性效應(yīng)的兩個(gè)主要原因[3-5]。蘇北輻射沙脊群地處東海前進(jìn)波與南黃海旋轉(zhuǎn)駐波輻合區(qū),又分布著槽-脊相間的大型復(fù)雜地貌系統(tǒng),兩者的非線性關(guān)系尤為復(fù)雜。但在許多研究中,工程水位仍以過(guò)去的潮位和增水值來(lái)推算,或簡(jiǎn)單疊加海平面上升量為依據(jù),與客觀實(shí)際不符[6]。江蘇沿海人口稠密,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),但地勢(shì)低洼,一旦風(fēng)暴潮沖決海堤,影響將波及整個(gè)江蘇沿海平原。因此,研究海平面上升背景下,蘇北輻射沙脊海域風(fēng)暴潮增水的變化規(guī)律,具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 研究區(qū)域概況

江蘇中部海岸內(nèi)陸架上近20 000 km2的南黃海海域內(nèi),形成了一個(gè)巨大的輻射沙脊。1980年以來(lái),隨著江蘇海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查及輻射沙脊區(qū)建港條件的研究,這一特殊海岸地貌逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。輻射沙脊北起射陽(yáng)河口,南至長(zhǎng)江口北岸,南北長(zhǎng)約200 km,東西寬約90 km,總面積達(dá)22 470 km2,大部分沙洲在平均海平面以下。輻射沙脊以弶港外側(cè)蔣家沙的沙脊線為界,把輻射沙脊群分為南北兩不對(duì)稱部分。

1.1 潮汐與風(fēng)暴潮

輻射沙脊海域具有特殊的潮汐環(huán)境,從東南方向傳來(lái)的東海前進(jìn)波及其部分從西北方向由山東半島傳播來(lái)的反射潮波匯合后形成的旋轉(zhuǎn)駐波在此輻合,兩個(gè)潮波系統(tǒng)的輻合不僅使得輻射沙脊海域潮差增大,而且形成了輻射狀的潮流流場(chǎng)[7-8]。潮差呈現(xiàn)以弶港為中心向南、北潮差逐漸降低的分布特征。

江蘇沿海屬南北氣候、中高緯度和海陸相3種過(guò)渡帶的重疊區(qū),風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁,以臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮為主,且有歷時(shí)短、來(lái)勢(shì)兇猛,時(shí)空分布不均勻、不連續(xù),南部多于北部的特點(diǎn)。綜合考慮臺(tái)風(fēng)影響頻率和強(qiáng)度,認(rèn)為近?；顒?dòng)型和登陸北上型最為重要[9],因此分別以1109“梅花”臺(tái)風(fēng)和0509“麥莎”臺(tái)風(fēng)為典型代表,對(duì)輻射沙脊海域風(fēng)暴潮增水與海平面上升之間的關(guān)系作進(jìn)一步研究。

1.2 海平面變化

江蘇輻射沙脊海域位于南黃海,在過(guò)去的幾十年中,黃海平均海平面呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。部分學(xué)者利用TP衛(wèi)星數(shù)據(jù),得到了江蘇沿海絕對(duì)海平面上升量;但考慮到江蘇中部沿海屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)范圍,地處新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下沉區(qū),再加上巨厚的泥沙沉積層的壓實(shí)沉降,除了絕對(duì)海平面,局地因素也不可忽略,因此也有學(xué)者綜合驗(yàn)潮站和衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到了江蘇沿海相對(duì)海平面上升量(表1)。李加林等[10]還考慮到近幾十年來(lái)海平面上升速率的增大,預(yù)測(cè)了未來(lái)100年江蘇相對(duì)海平面變化。此外,根據(jù)張建云等的研究結(jié)果,當(dāng)東太平洋海平面上升0.45 m和0.90 m后,南黃海的外海開邊界處相對(duì)變化均在5 mm以內(nèi)[11],故可將絕對(duì)海平面變化和地形沉降因素統(tǒng)一體現(xiàn)在南黃海模型外海開邊界潮位過(guò)程上。本文重點(diǎn)研究海平面上升可能帶來(lái)的災(zāi)害效應(yīng),考慮到極端情況,采用的諸多成果中的最大值,即李加林等推薦的1.37 m,作為南黃海未來(lái)100年相對(duì)海平面上升量。

表1 江蘇沿海海平面變化部分結(jié)果[12]Tab.1 Some results of sea level rise along coast in Jiangsu Province

2 模型的建立及驗(yàn)證

圖1 模型范圍及臺(tái)風(fēng)路徑驗(yàn)證Fig.1 Calculated domain and typhoon track calibration

本文風(fēng)暴潮模式采用荷蘭Delft 3D模型。其基本方程為靜壓力假定下、黏性無(wú)壓縮淺水方程,即Navier-Stokes方程,數(shù)值計(jì)算方法為ADI法,采用垂向平均的二維潮波方程。計(jì)算域內(nèi)的臺(tái)風(fēng)作用通過(guò)靜壓假設(shè)和自由表面條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但Delft 3D系統(tǒng)本身并沒(méi)有提供臺(tái)風(fēng)計(jì)算模塊,目前風(fēng)壓場(chǎng)獲取一般有理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛥^(qū)域氣象模式3種方法。相關(guān)研究顯示,區(qū)域氣象模式在對(duì)風(fēng)壓場(chǎng)的還原中更接近實(shí)際[13]。本項(xiàng)研究選擇了WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式中的ARW(The Advanced Research WRF)框架,氣象資料為每隔6 h的NECP(1°×1°)的全球再分析資料,大氣物理過(guò)程參數(shù)化方案與文獻(xiàn)[9]一致。

為精細(xì)化模擬輻射沙脊海域近岸增水過(guò)程,風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型采用雙重嵌套網(wǎng)格(圖1),東中國(guó)海模型范圍為117°～131°E,24°～41°N,包括了臺(tái)灣海峽、東海、黃海和渤海,網(wǎng)格尺度2′×2′,網(wǎng)格數(shù)324×480,時(shí)間步長(zhǎng)為60 s,黃海模型范圍119.2°～127.1°E,28.2°～38.2°N,北至山東青海角,南到錢塘江灣以南,網(wǎng)格尺度200～2 000 m,網(wǎng)格數(shù)889×786,時(shí)間步長(zhǎng)30 s。與之相應(yīng)的WRF模型嵌套粗網(wǎng)格D1范圍為115°～135°E,22°～42°N,格點(diǎn)數(shù)100×100,格距6′,時(shí)間步長(zhǎng)60 s;細(xì)網(wǎng)格D2范圍為118°～128°E,28°～38°N,格點(diǎn)數(shù)150×150,格距2′,時(shí)間步長(zhǎng)20 s。風(fēng)暴潮模型開邊界采用復(fù)合潮波過(guò)程線控制,給定8個(gè)主要分潮(M2, S2,N2,K2,K1,O1,Q1,P1)的調(diào)和常數(shù),為使風(fēng)暴潮模型計(jì)算穩(wěn)定、合理,先在無(wú)風(fēng)條件下預(yù)算2 d,待潮波充分傳播至近岸后再加入風(fēng)壓場(chǎng)。其中,風(fēng)力拖拽系數(shù)采用王秀芹[14]推薦的Cd=(0.61+0.063U10)×10-3(6＜U10＜22)。針對(duì)天文潮的結(jié)果,以《英國(guó)潮汐表》對(duì)本區(qū)域內(nèi)91個(gè)驗(yàn)潮站的M2,S2, K1,O14個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)作為驗(yàn)證,振幅和遲角最大誤差分別為9.4 cm和9.4°,驗(yàn)證的詳細(xì)結(jié)果參見文獻(xiàn)[15]。臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)風(fēng)速、潮位站分布見圖2。

圖1中計(jì)算的臺(tái)風(fēng)路徑和衛(wèi)星實(shí)測(cè)結(jié)果顯示:兩者走勢(shì)基本一致,最大誤差出現(xiàn)在登陸后,受陸域地形、下墊面和建筑物等因素影響所致;從臺(tái)風(fēng)期間5個(gè)近岸風(fēng)速測(cè)站的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看(圖3,圖4),WRF模式較好地重現(xiàn)了理論模型無(wú)法模擬的臺(tái)風(fēng)過(guò)后海面上維持的大風(fēng)速過(guò)程。通過(guò)搜集到的臺(tái)風(fēng)期間3個(gè)測(cè)站的潮位驗(yàn)證結(jié)果可見(圖4):計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)值相位基本一致,高潮位誤差均在30 cm以內(nèi),低潮位誤差相對(duì)較大,總體來(lái)看,該模型較好地模擬出了兩個(gè)臺(tái)風(fēng)期間輻射沙脊海域的增水及高潮位變化過(guò)程。

圖2 臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)風(fēng)速、潮位站分布Fig.2 Locations of wind and tide stations

圖3 臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速驗(yàn)證Fig.3 Wind speed calibration during typhoon

圖4 臺(tái)風(fēng)期間潮位驗(yàn)證Fig.4 Water level calibration during typhoon

3 結(jié)果分析

3.1 增水極值變化

風(fēng)暴增水一般可以分為初振、主振和余振3個(gè)階段。當(dāng)風(fēng)暴潮波到達(dá)近岸時(shí),由于水深變淺,再加上強(qiáng)風(fēng)的直接作用和地形緩坡作用等因素的影響,能量迅速集中,水位急劇升高,即為風(fēng)暴潮的主振階段。形成這個(gè)增水過(guò)程的機(jī)理較為復(fù)雜,主要取決于氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向及地形條件。計(jì)算中采用控制變量法,將海平面變化作為唯一變量,因此產(chǎn)生這種差異的一個(gè)原因?yàn)樗畹匦巫兓瘜?dǎo)致風(fēng)暴增水淺水作用減弱。

圖5為海平面上升1.37 m后,兩個(gè)典型臺(tái)風(fēng)作用下的增水極值變化。可見,對(duì)于“梅花”臺(tái)風(fēng)而言,海平面上升后,整個(gè)江蘇外海的增水極值都呈減小趨勢(shì),且近岸大于外海,尤其在東沙周圍及洋口港至呂四近岸,增水極值減小了約20～30 cm;局部高灘出現(xiàn)增大是由于海平面上升后,這些地方由露灘變成上水區(qū)域。對(duì)于“麥莎”臺(tái)風(fēng),這種趨勢(shì)相對(duì)較弱,除了路徑因素以外,與這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)本身強(qiáng)度也有關(guān)系,“麥莎”臺(tái)風(fēng)登陸后,地表摩擦增大,風(fēng)力有所減弱。近岸的增水極值同樣以減小為主,弶港至長(zhǎng)江口沿岸尤為明顯。可見,對(duì)于兩個(gè)典型臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水效應(yīng),海平面上升后主要受水深增大的影響,使得風(fēng)暴潮傳播至近岸時(shí)的淺水作用減弱,增水極值普遍有所減小,這在近岸淺灘尤為明顯。

圖5 海平面上升后“梅花”(左)和“麥莎”(右)臺(tái)風(fēng)增水極值變化Fig.5 Maximum water level set-up after sea level rise under the typhoon effect of“Muifa”(left)and“Matsa”(right)

3.2 高潮位變化

風(fēng)暴增水極值往往發(fā)生在低潮位過(guò)程[16],而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,風(fēng)暴潮引起的極端高潮位是工程設(shè)計(jì)水位重要計(jì)算依據(jù),因此探索海平面上升以后的高潮位變化對(duì)于近岸港口、航道工程實(shí)際具有更為直接的意義。計(jì)算結(jié)果顯示:海平面上升后,剔除其本身上升量后的高潮位絕對(duì)增量呈現(xiàn)南增北減,即對(duì)于輻射沙脊中、南部而言,高潮位的增量要大于海平面本身上升量(圖6)。

圖6 海平面上升后“梅花”(左)和“麥莎”(右)臺(tái)風(fēng)高潮位絕對(duì)變化Fig.6 High level variation after sea level rise under the typhoon effect of“Muifa”(left)and“Matsa”(right)

海平面上升后,之所以會(huì)出現(xiàn)增水作用減弱,而高潮位增量卻大于海平面本身上升量的現(xiàn)象,是由于地形和岸線的改變使得天文潮各分潮振幅和遲角也發(fā)生了變化,雖然諸多學(xué)者[3-5,14,17-18]在具體量值上不盡相同,但在趨勢(shì)上仍然是一致的,認(rèn)為海平面上升后輻射沙脊海域主要分潮振幅均有所增大,在中、南部尤為明顯,這也就意味著天文潮高潮位的增量要大于海平面本身上升量。雖然海平面上升后,風(fēng)暴潮增水作用有所減弱,但當(dāng)它非線性疊加在增強(qiáng)的天文潮之上后,最終的表現(xiàn)結(jié)果取決于兩者強(qiáng)弱。從圖中可見,對(duì)于輻射沙脊中、南部而言,海平面上升對(duì)天文潮的增強(qiáng)作用要大于對(duì)風(fēng)暴潮的減弱作用。因此,在該海域一些重大港口、航道等涉海項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)水位計(jì)算中,考慮海平面變化時(shí),不應(yīng)簡(jiǎn)單地將兩者線性相加,尤其在中、南部,應(yīng)適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用WRF和Delft 3D軟件建立了東中國(guó)海和南黃海二維天文潮-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了海平面上升后,相同路徑和強(qiáng)度的典型臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí),輻射沙脊海域風(fēng)暴增水變化。認(rèn)為海平面上升后,潮波和地形發(fā)生變化,輻射沙脊海域風(fēng)暴潮增水與海平面上升的非線性關(guān)系明顯,但在不同岸段有所差異。主要得到以下兩點(diǎn)結(jié)論:①海平面上升后,輻射沙脊海域增水作用普遍減弱,近岸較外海明顯;②在輻射沙脊中、南部,海平面上升對(duì)天文潮高潮位的增強(qiáng)作用要強(qiáng)于對(duì)風(fēng)暴增水的減弱作用,在計(jì)算該海域考慮海平面變化的工程設(shè)計(jì)水位時(shí)應(yīng)予以注意。

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A study of storm surge in radial sand ridges under sea level rising

YU Liang-liang1,CHEN Ke-feng2,LU Pei-dong2,ZHANG Jun-biao1
(1.The Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

Sea level rise would result in a serious threat to the coastal environment,and an important factor is the intensifying and increasing frequency of the storm surge.The relationship between storm surge and sea level rise is not linear according to related studies.The variations of tidal waves and water depth are found to be the two main causes.Radial sand ridges off the north Jiangsu are a particularly interesting area for studying this nonlinear interaction,as there exist a complex large geomorphic system and an astronomic tidal system.The paper summarizes the tide and storm surge characteristics in radial sand ridges,as well as the trend of sea level change. Then a two-dimensional coupled model of astronomic tide and storm surge is established for the East China Sea and the South Yellow Sea,by use of WRF model and Delft 3D storm surge model.The distributions of the maximum water level set-up and the high level change when sea level rises are analyzed,under the effects of two typical typhoons which have the same path and intensity.The analysis results show that the water level set-up decreases universally in the radial sand ridges when the sea level rises,and it is more significant at near shore than the open sea.While in the middle and south radial sand ridges,the enhancement of the astronomical high tide level caused by the sea level rising is stronger than the attenuation of sea level rising by the storm surge.

radial sand ridges;sea level rising;storm surge;numerical simulation

P732

A

1009-640X(2014)06-0052-06

2014-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41006048);南京水利科學(xué)研究院院基金資助項(xiàng)目(Y211004)作者簡(jiǎn)介:俞亮亮(1988-),男,浙江紹興人,助理工程師,主要從事海岸工程數(shù)值模擬研究。E-mail:yuliangliang_nju@126.com