臺風(fēng)對杭州灣水交換影響的定量研究?

許靈靜, 楊　波??, 江文勝

(中國海洋大學(xué) 1. 海洋與大氣學(xué)院； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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臺風(fēng)對杭州灣水交換影響的定量研究?

許靈靜1, 楊波1??, 江文勝2

(中國海洋大學(xué) 1. 海洋與大氣學(xué)院； 2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

摘要：基于ADCIRC(Advanced Circulation Model for Shelves, Coasts, and Estuaries)模式建立了杭州灣臺風(fēng)風(fēng)暴潮流二維數(shù)值模型，結(jié)合粒子追蹤模型，分別研究了天文潮和臺風(fēng)過程作用下杭州灣的水交換情況，定量分析了臺風(fēng)對杭州灣水交換的影響;統(tǒng)計(jì)7場典型路徑的臺風(fēng)，結(jié)果表明：臺風(fēng)影響比較劇烈時(shí)，與天文潮的單獨(dú)作用相比，灣內(nèi)、外參與交換的水體范圍分別可增加約1.6倍和7倍，灣內(nèi)流出的水體影響范圍可以增加31%；灣內(nèi)水交換速度可提高1.7倍。研究還發(fā)現(xiàn)不同路徑的臺風(fēng)對杭州灣內(nèi)外水體交換的影響有所不同。

關(guān)鍵詞：杭州灣；水交換；臺風(fēng)；數(shù)值模擬

引用格式：許靈靜, 楊波, 江文勝. 臺風(fēng)對杭州灣水交換影響的定量研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016， 46(6): 29-41.

XU Ling-Jing, YANG Bo, JIANG Wen-Sheng. Quantitative study on water exchange affected by typhoons in the Hangzhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 29-41.

杭州灣位于浙江省北部，北臨上海，西起澉浦，東接中國東海，并與長江口毗鄰。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的污染物質(zhì)如生活和工業(yè)廢水、疏浚物等被排入灣中，灣內(nèi)的污染物日益增多，富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重[1-2]，給灣內(nèi)環(huán)境造成很大壓力，杭州灣已成為中國近岸污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一[3]。灣內(nèi)污染物的輸移擴(kuò)散和物理自凈能力主要通過水交換的強(qiáng)弱來衡量[4]，因此研究杭州灣水交換對于保護(hù)杭州灣，進(jìn)行灣內(nèi)環(huán)境規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，通過箱式模型、水質(zhì)模型、質(zhì)點(diǎn)追蹤模型等，學(xué)者們已對國內(nèi)外海灣的水交換進(jìn)行了大量研究[5-10]。對杭州灣的水交換，國內(nèi)也已有一些研究：如張淑珍等[11]選取杭州灣內(nèi)4個(gè)擬定的排污口進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)杭州灣水交換最活躍的地方為灣口中部區(qū)域；劉新成等[12]計(jì)算了杭州灣和長江口的歐拉余流，定量地研究了長江口與杭州灣的水交換范圍，指出長江水向杭州灣的擴(kuò)散主要集中在近岸南匯嘴至8m等深線以內(nèi)的范圍；Kong等[13]利用二維數(shù)值模型，分析了影響長江口和杭州灣水交換和沉積輸運(yùn)的各種機(jī)制如潮位的變化、潮流動(dòng)能、余流、粒子追蹤以及潮灘等，研究表明長江口與杭州灣之間存在一個(gè)周期性的水交換，凈的水交換主要發(fā)生在0～6m等深線范圍內(nèi)，凈水通量的最大值出現(xiàn)在2m等深線附近，水體的輸運(yùn)路徑和范圍與沉積物的不同；姚炎明等[14]通過淡水組分法計(jì)算了包括杭州灣在內(nèi)的整個(gè)錢塘江河口的水體沖洗時(shí)間，認(rèn)為沖洗時(shí)間與徑流量之間存在指數(shù)函數(shù)的關(guān)系；Wang等[15]研究發(fā)現(xiàn),長江與杭州灣的水交換受大小潮的調(diào)節(jié)，并隨季節(jié)發(fā)生變化，冬天西北風(fēng)或北風(fēng)的作用促進(jìn)了長江水向杭州灣的輸運(yùn)，水齡比夏天明顯減小。從前人的研究中可以看出，其研究多側(cè)重于長江口與杭州灣的水交換，對杭州灣內(nèi)的水體情況研究較少。

水交換的眾多研究表明：潮流是影響水交換的基本動(dòng)力因素，風(fēng)是影響水交換的重要?jiǎng)恿σ?，特別是臺風(fēng)過程，對水交換的影響非常顯著。陳春華等[16]曾經(jīng)對8410和9111臺風(fēng)在瓊州海峽和?？跒骋鸬乃粨Q進(jìn)行研究，結(jié)果表明在一場臺風(fēng)過程中風(fēng)暴流輸運(yùn)的水量可以使灣內(nèi)的污染物濃度降低15%左右。而前人對杭州灣水交換動(dòng)力機(jī)制的探討主要集中于天文潮、季風(fēng)和徑流，對于極端天氣情況下水交換的研究很少。

杭州灣是一個(gè)受臺風(fēng)影響比較頻繁的地區(qū)，對中國氣象局熱帶氣旋資料中心(tcdata.typhoon.gov.cn)[17]提供的最佳路徑數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)自建國以來平均每年約有1.7場臺風(fēng)影響到杭州灣地區(qū)，因此研究臺風(fēng)對杭州灣水交換的影響具有重要的科學(xué)意義。

本文通過數(shù)值模擬的方法探討不同臺風(fēng)情境下杭州灣的水交換情況，定量地給出了臺風(fēng)影響的程度，為改善杭州灣海水環(huán)境提供參考。

1模型介紹

1.1 ADCIRC模型

ADCIRC (Advanced Circulation Model for Shelves, Coasts, and Estuaries)由美國北卡羅來納州大學(xué)的Luettich[18]等人主持開發(fā)，基于非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，能很好地?cái)M合復(fù)雜的岸線，采用空間有限元和時(shí)間有限差分相結(jié)合的方法既提高了區(qū)域的精度又提升了計(jì)算的效率。目前該模式已被廣泛應(yīng)用于潮汐和風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)中[19-22]。

雖然自然界中的水體運(yùn)動(dòng)都是三維問題，但杭州灣水深較淺，水平尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂向尺度，同時(shí)流速在垂向的大小和變化都遠(yuǎn)小于水平方向，因此為簡化模型、減少計(jì)算量，本文采用不考慮斜壓作用的二維深度積分模型來模擬杭州灣的流場。笛卡爾坐標(biāo)系下基本控制方程為：

(1)

(2)

(3)

1.2臺風(fēng)模型

要模擬臺風(fēng)引起的風(fēng)暴流場，需將臺風(fēng)過程中的氣壓場和風(fēng)場作為模式的強(qiáng)迫場。臺風(fēng)的位置、中心氣壓等基本信息可以從中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[17]中得到，最大風(fēng)速WR采用ATKINSON-HOLLIDY[24]提出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，最大風(fēng)速半徑R采用MEF經(jīng)驗(yàn)公式[25]，分別為：

WR=3.029×(P∞-P0)0.644，

(4)

(5)

其中：P∞為無窮遠(yuǎn)處的大氣壓(取1013.25hPa)；P0為臺風(fēng)的中心氣壓(單位hPa)；φ為臺風(fēng)中心的緯度(單位為度)；V為臺風(fēng)中心的移動(dòng)速度；M為起算半徑，取45km。

臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場分布采用Jelesnianski模型[26]：

當(dāng)0≤r≤R時(shí)

(6)

當(dāng)r>R時(shí)

(7)

1.3 水交換模型

本文采用拉格朗日粒子追蹤模型進(jìn)行水體運(yùn)動(dòng)的模擬，以Takeoka[27]提出的剩余函數(shù)概念表示水交換量。

2模型設(shè)置及驗(yàn)證

2.1 ADCIRC模型設(shè)置

考慮到杭州灣的潮波能量主要由東中國海傳入[28]，將中國東海和黃海的部分區(qū)域(119.2°E～128.7°E，25.7°N～36.8°N)作為模型計(jì)算區(qū)域(見圖1)。模擬區(qū)域采用變分辨率網(wǎng)格，在開邊界網(wǎng)格步長設(shè)為10km，岸線處500m，島嶼周邊進(jìn)行加密處理，杭州灣口處的大小洋山分辨率精細(xì)到150m。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)132 089個(gè)，三角形單元259 262個(gè)，網(wǎng)格較好地?cái)M合了計(jì)算區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜岸線(見圖1)。模式中岸線資料結(jié)合衛(wèi)星遙感圖片和海圖數(shù)字化得到；水深數(shù)據(jù)來源于Choi(Laboratory for Coastal and Ocean Dynamics Studies Sungkyunkwan Univ.)提供的1’×1’地形數(shù)據(jù)與海軍航保部的3張海圖插值疊加。其中3張海圖分辨率為1∶250 000、1∶80 000、1∶35 000，分別對應(yīng)中國東海舟山群島及附近、南匯嘴至火山列島、上海洋山港港區(qū)。

模型由天文潮、風(fēng)場、氣壓場和徑流驅(qū)動(dòng)。4個(gè)分潮(M2，S2，K1，O1)的振幅和遲角從OTPS(Oregon State University Tidal Prediction Software)中提取得到[29]；底應(yīng)力采用混合非線性底摩擦公式，最小底摩擦系數(shù)取0.001；風(fēng)應(yīng)力是風(fēng)速的函數(shù)。大通水文站測得長江洪峰期間的多年平均流量為56 200m3·s-1，百年一遇的洪峰流量為92 600m3·s-1[30]，由于模擬的時(shí)間為夏季豐水期，模型區(qū)域中長江的西邊界位于大通站下游約400km處的江陰，綜合考慮多方面因素并進(jìn)行試驗(yàn)對比前人的結(jié)果，選取73 000m3·s-1作為模式的長江徑流量輸入；錢塘江屬于山溪型河流，其流量的變率比較大，徑流量比長江的小很多，并且前人的研究表明錢塘江對杭州灣頂水交換的影響不明顯[31]，因此本模型不予考慮。

2.2 粒子追蹤模型的設(shè)置

為了研究杭州灣水交換的情況，將121.8300°E作為灣內(nèi)外的界限，在區(qū)域28.452 5°N～32.497 5°N，120.002 5°E～123.497 5°E內(nèi)(見圖2中的黑色虛框)均勻布放粒子，其間距為0.005(°)×0.005(°)，然后利用模型得到的流場對這些粒子進(jìn)行追蹤。

(A：吳淞、B：高橋、C：中浚、D：蘆潮、E：綠華山、F：灘滸(圓點(diǎn))；C1～C4為測流站的位置(菱形)；黑色虛線框?yàn)樽粉櫫Ｗ硬挤艆^(qū)域。A：Wusong, B：Gaoqiao, C：Zhongjun, D：Luchao, E：Lvhuashan, F：Tanhu, (dots). C1～C4 are current stations (diamonds). Dashed box stands for the area where particles are released.)

圖2驗(yàn)潮站及粒子布放區(qū)域

Fig.2Tidal stations and released area of particles

2.3 模型驗(yàn)證

本文選取位于長江口和杭州灣附近的6個(gè)驗(yàn)潮站及4個(gè)測流站進(jìn)行天文潮潮位和流速的驗(yàn)證，站位點(diǎn)見圖2，其中圓點(diǎn)(A～F)為潮位站，菱形(C1～C4)為潮流測站。

2.3.1 水位驗(yàn)證圖3為2002-09-01—30日模擬的潮位與潮汐表中潮位數(shù)據(jù)的對比，可以看出模擬的潮位與潮汐表中的比較符合，變化趨勢較為一致。對潮位站的潮汐表水位數(shù)據(jù)和模擬得到的水位數(shù)據(jù)調(diào)和分析，得到調(diào)和常數(shù)的對比結(jié)果見表1。從表中可以看出4個(gè)分潮振幅的絕對誤差大多在10cm以下，最大不超過15cm；遲角的絕對誤差控制在20°以內(nèi)。

計(jì)算臺風(fēng)情景時(shí)，風(fēng)場和氣壓場是由Jelesnianski模型得到的，模式中其余設(shè)置均與只計(jì)算天文潮時(shí)一致，以此對2000-08-29—31日0012號派比安臺風(fēng)過程進(jìn)行了模擬(見圖4)。圖4左側(cè)一組圖為高橋、灘滸2個(gè)站位的風(fēng)暴潮總水位與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，可以看出臺風(fēng)過程中模式對水位的模擬也比較準(zhǔn)確。圖4右側(cè)組圖給出了高橋和灘滸站實(shí)測增水與模擬增水的對比，模型較好地再現(xiàn)了水位變化過程。

2.3.2 流場驗(yàn)證圖5，6分別為2009年6、7月大潮和小潮期間流速流向的驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)測數(shù)據(jù)源于姚炎明等[14]同期的觀測，可以看出流的轉(zhuǎn)向時(shí)刻與實(shí)測比較接近，模擬的大潮流速和流向與實(shí)測結(jié)果基本吻合，小潮期間模擬的與實(shí)測的流向比較吻合，流速略偏小。

對2000年8月28日漲潮和落潮潮流場進(jìn)行模擬(見圖7)。從漲憩和落憩的潮流矢分布可以看出，東海潮波傳入杭州灣以后，潮流基本成往復(fù)狀態(tài)，漲潮流向西略偏北，基本與岸線平行，進(jìn)入灣內(nèi)后受喇叭地形的約束逐漸轉(zhuǎn)向西南；落潮流向東偏南，流向與漲潮流相反。以上研究表明該模式能較好地反映天文潮以及臺風(fēng)情況下所研究區(qū)域的動(dòng)力情況。

2.3.3 拉格朗日余流場從2000年8月8日的高潮起釋放粒子，追蹤75h，得到杭州灣及其附近的拉格朗日余流場(見圖8)。從圖中可以看出，在南匯嘴東部，長江口余流分為向東流向外海的和貼著南匯嘴東灘流入杭州灣的兩支；流入杭州灣的順時(shí)針渦旋有利于長江水沿杭州灣北岸輸入灣內(nèi)；杭州灣北岸余流在金山附近南下后呈逆時(shí)針流向?yàn)惩?，這是控制灣內(nèi)余流的主渦旋；在灣頂南岸存在順時(shí)針的渦旋，可將灣頂?shù)乃驗(yàn)持胁枯斔筒㈦S逆時(shí)針主渦流向?yàn)惩?；此外在舟山群島各島嶼附近有小的渦旋。這些結(jié)構(gòu)與前人[32-35]的研究基本一致。

3模擬結(jié)果與分析

為研究杭州灣內(nèi)與灣外的水體交換情況，本節(jié)將從灣內(nèi)外水體交換的來源、剩余函數(shù)和出流影響區(qū)域3個(gè)方面對杭州灣的水交換進(jìn)行討論。

3.1 天文潮作用下的水交換

選取長江口(121.973 5°E，31.057 5°N)、杭州灣中部(121.872 5°E，30.272 5°N)以及杭州灣南部(121.8325°E，30.1075°N)3個(gè)粒子分別在高潮時(shí)和低潮時(shí)釋放，追蹤162h后的路徑見圖9。從圖中可以看出，由于杭州灣的潮流運(yùn)動(dòng)形式為顯著的往復(fù)流，且各分潮的旋轉(zhuǎn)率很小[28]，故粒子路徑成往復(fù)狀態(tài)；并且拉格朗日粒子追蹤的結(jié)果顯著依賴于初始釋放時(shí)刻，初始釋放時(shí)刻不同，粒子的運(yùn)動(dòng)路徑也不同。為了研究杭州灣內(nèi)外水體交換的來源情況，選擇在高潮時(shí)釋放粒子并追蹤72h。

3.1.1 杭州灣內(nèi)外水體交換的來源在追蹤過程中，只要灣外的粒子在某時(shí)刻進(jìn)入到了灣內(nèi)，就將其初始位置標(biāo)記在圖10(a)中，稱為灣外參與交換的水體來源；同樣只要灣內(nèi)的粒子到過灣外，其初始位置就標(biāo)記在圖10(b)中，稱為灣內(nèi)參與交換的水體來源。從圖10可以看出在漲落潮流的作用下，杭州灣外可以參與交換的粒子初始位置集中在長江口南岸以及灣內(nèi)外分界線的附近，灣內(nèi)可以進(jìn)行交換的粒子初始位置全集中在分界線附近。前人的研究也表明，長江口與杭州灣的水交換主要發(fā)生在近岸[12]，而杭州灣灣口中部區(qū)域是水交換最活躍的地方[11]，這與本文的結(jié)果一致。

3.1.2 杭州灣內(nèi)的剩余函數(shù)值為了進(jìn)一步了解杭州灣內(nèi)外的水交換情況，計(jì)算了杭州灣的剩余函數(shù)時(shí)間序列。自2002年9月1日起模擬60d，得到灣內(nèi)水體剩余函數(shù)的時(shí)間序列(見圖11)。結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的推移，剩余函數(shù)呈明顯的震蕩下降趨勢，2個(gè)月后，灣內(nèi)剩余函數(shù)降到48%。經(jīng)過計(jì)算，半交換時(shí)間約為46d；而當(dāng)剩余函數(shù)為71%，即交換量達(dá)到29%時(shí)，約需要25.5d。

本文著重研究臺風(fēng)過程中杭州灣水交換的情形，因此在1個(gè)臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程內(nèi)研究初始釋放時(shí)間對剩余函數(shù)值的影響是有必要的。以2002年9月份為例，選取不同的大小潮高低潮組合做了8組敏感性試驗(yàn)(見表2)，每個(gè)試驗(yàn)計(jì)算72h。試驗(yàn)表明無論是大潮期間還是小潮期間，高潮作為初始釋放時(shí)刻時(shí)灣內(nèi)粒子的剩余量都比低潮作為初始釋放時(shí)刻時(shí)要少：高潮時(shí)釋放72h后剩余函數(shù)值約為82%～87%，而從低潮釋放時(shí)剩余函數(shù)值約為93%～95%。所以選取不同潮時(shí)釋放粒子對水交換結(jié)果存在著較大影響，為統(tǒng)一表現(xiàn)灣內(nèi)外的水交換情況，本文的研究選擇高潮時(shí)作為初始時(shí)刻來釋放粒子。

Note：①Tidal moment；②Higher high tide；③Lower high tide；④Higher low tide；⑤Lower low tide；⑥Spring tide；⑦Neap tide

3.2 臺風(fēng)影響下的水交換結(jié)果

自1949年到2014年，共有100多場臺風(fēng)影響杭州灣地區(qū)，從中選取7條典型路徑的臺風(fēng)進(jìn)行研究(見圖12)，分別歸為南北向、東西向和轉(zhuǎn)向型的臺風(fēng)。南北向路徑中，0807、0004、1109號臺風(fēng)中心分別經(jīng)過灣西側(cè)，灣中部和灣東側(cè)；東西向路徑中0216、0008、1210臺風(fēng)中心分別在灣南側(cè)、灣中部和灣北側(cè)；轉(zhuǎn)向型臺風(fēng)選擇了1個(gè)個(gè)例即0515號臺風(fēng)。為了研究臺風(fēng)過程中的水交換，將初始時(shí)刻定義在臺風(fēng)中心進(jìn)入模型計(jì)算區(qū)域后第一個(gè)高潮時(shí)，此時(shí)開始釋放粒子。

3.2.1臺風(fēng)影響下灣內(nèi)外交換的水體來源以0008

號臺風(fēng)(見圖13左)為例，研究臺風(fēng)影響下杭州灣內(nèi)外進(jìn)行交換的水體來源。在臺風(fēng)作用下，可以進(jìn)入灣內(nèi)的粒子數(shù)明顯增多，范圍也擴(kuò)展到崇明島附近(見圖13中)；能夠從灣內(nèi)流出的粒子量也顯著增加，范圍擴(kuò)展到了杭州灣的南部區(qū)域(見圖13右)，這說明臺風(fēng)的確大大地促進(jìn)了杭州灣的水交換。

統(tǒng)計(jì)7場臺風(fēng)對杭州灣水體交換來源情況的影響(見表3)，發(fā)現(xiàn)除0807號臺風(fēng)以外，灣外參與交換的水體量都是增加的，增加量達(dá)43%～704%。灣內(nèi)參與交換的水體量也都是增加的，增加量達(dá)11%～161%。0807號臺風(fēng)的情況將在后面的3.3節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2.2 臺風(fēng)影響下杭州灣內(nèi)剩余函數(shù)的變化首先以0008號臺風(fēng)為例，研究天文潮和臺風(fēng)情況下灣內(nèi)剩余函數(shù)的變化(見圖14)。從圖中可以看出，3天后灣內(nèi)水體的剩余量分別約89.2%和70.8%，即在天文潮和有臺風(fēng)影響的情況下交換量分別為10.8%和29.2%，交換量提高了約1.7倍。在3.1節(jié)中提到，4個(gè)分潮作用下交換量達(dá)到29%約需要25.5d，與此處的3d相比，交換時(shí)間縮短了約7.5倍。研究其他幾場臺風(fēng)，發(fā)現(xiàn)與天文潮時(shí)相比要交換相同的量所用時(shí)間可縮短約0.6～7.5倍。統(tǒng)計(jì)7場臺風(fēng)過程中的剩余函數(shù)(見表4)，對比天文潮和臺風(fēng)情況下的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在天文潮作用下，72h后水交換量約為10%～15%，而臺風(fēng)到來時(shí)，交換量則可達(dá)11%～30%，交換量增加約0.2～1.7倍。

Note：①Tides；②Typhoons；③Increased multiples

3.2.3 灣內(nèi)水體對灣外的影響范圍為了進(jìn)一步了解臺風(fēng)對杭州灣水交換的影響，以0008臺風(fēng)為例，模擬了杭州灣水體出流后的去向(見圖15(a))及其對灣外的影響面積(見圖15(b))。從圖15(a)可以看出，臺風(fēng)情況下，灣內(nèi)水體影響范圍不僅僅局限在灣口中部區(qū)域，還擴(kuò)展到南部舟山群島附近。圖15(b)中實(shí)線為每個(gè)時(shí)刻灣內(nèi)水體在灣外的影響面積；虛線為整個(gè)過程中灣內(nèi)水體能夠影響到灣外的所有區(qū)域的面積，稱為掃海面積。天文潮作用下各個(gè)時(shí)刻的影響范圍出現(xiàn)周期性震蕩，與漲落潮流有關(guān)。臺風(fēng)作用下灣內(nèi)水體對灣外的影響范圍迅速增加。對比兩幅圖可知，臺風(fēng)過程比天文潮過程影響面積約增加31%。

(圖中實(shí)線表示每個(gè)時(shí)刻對灣外的影響面積;虛線表示總影響面積。The solid lines stand for the affected acreage at every moment; The dotted lines stand for the total affected acreage.)

圖15天文潮(左)和臺風(fēng)(右)情況下灣內(nèi)水體對灣外的影響范圍(a)和面積(b)

Fig.15The area affected by the water outflow from Hangzhou Bay under the tidal condition(left) and typhoon-tidal condition (right)

3.3 不同路徑的臺風(fēng)對杭州灣水體來源與出流的影響

鄭東升等[36]研究風(fēng)場對渤海灣水交換的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：風(fēng)向決定風(fēng)場對水交換是否有影響，風(fēng)速大小決定影響的程度。不同路徑的臺風(fēng)在杭州灣附近的風(fēng)向不相同，因此不同路徑的臺風(fēng)對水交換的影響也不相同。7場臺風(fēng)過程除0004和0807號在計(jì)算過程中約為10～11級風(fēng)，其余5場約為12～13級風(fēng)。本文在這里只考慮風(fēng)向?qū)λ粨Q的影響，風(fēng)速的影響在以后的研究中討論。0008臺風(fēng)過程中灣內(nèi)水體的來源與出流情況見圖13，其余6場臺風(fēng)則如圖16所示。

在3.2節(jié)臺風(fēng)對灣內(nèi)水體來源的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在0807臺風(fēng)的作用下，可以進(jìn)入灣內(nèi)的水體量減少了約6%，與其路徑平行的0004號臺風(fēng)增量也只有43%。分析兩場臺風(fēng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臺風(fēng)在臺灣島附近登陸北上或者不登陸繼續(xù)北上時(shí)，臺風(fēng)路徑基本與杭州灣的走向垂直，臺風(fēng)中心位于杭州灣左側(cè)，臺風(fēng)移動(dòng)過程中，風(fēng)場由東南向順時(shí)針轉(zhuǎn)為西南向，抑制長江水北下，促進(jìn)水從北部及灣口中部區(qū)域流出。從圖16(a)和(d)可以看出，0004和0807號臺風(fēng)對長江水進(jìn)入杭州灣有顯著的抑制作用，而促進(jìn)灣內(nèi)水體從杭州灣北岸流出。

1109臺風(fēng)也屬于南北向路徑的臺風(fēng)，與另外2條南北向路徑臺風(fēng)不同的是：其臺風(fēng)中心位于杭州灣的東側(cè)，臺風(fēng)過程中影響杭州灣的風(fēng)場由東北向逆時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)槲飨虼龠M(jìn)長江水進(jìn)入杭州灣；在灣南部的風(fēng)場為東南向，促進(jìn)灣內(nèi)的水從南部流出(見圖16(e))。

3個(gè)東西向的臺風(fēng)中，0008和0216臺風(fēng)的中心位于灣的西側(cè)，在臺風(fēng)移動(dòng)的過程中，杭州灣附近的臺風(fēng)由北向順時(shí)針轉(zhuǎn)為東北向，最終轉(zhuǎn)為東南向；而1210臺風(fēng)的中心位于杭州灣右側(cè)，在杭州灣附近產(chǎn)生的風(fēng)場由北向逆時(shí)針轉(zhuǎn)為西南。3場臺風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴余流場都與1109相似，灣北部東南向，灣南部西南向，因而灣內(nèi)水體的來源與流出區(qū)域也比較相似(見圖13，圖16(b),16(f))。

轉(zhuǎn)向型臺風(fēng)0515在移動(dòng)過程中，杭州灣附近的風(fēng)場由東北順時(shí)針轉(zhuǎn)為西南，產(chǎn)生的風(fēng)暴余流場比較混亂，但灣北部有向南的分量，促進(jìn)長江水進(jìn)入杭州灣，而對于能夠從灣內(nèi)出來的水體范圍無明顯規(guī)律(見圖16(c))。

綜上，雖然臺風(fēng)在移動(dòng)的過程中，風(fēng)場的方向不盡相同，但是只有南北向從臺灣島附近登陸或者不登陸直接北上的臺風(fēng)會(huì)促進(jìn)杭州灣內(nèi)水體從杭州灣北部流出，抑制長江水進(jìn)入杭州灣；其余路徑的臺風(fēng)都促進(jìn)長江水進(jìn)入杭州灣，除轉(zhuǎn)向型路徑外，其余路徑還促進(jìn)灣內(nèi)的水從南部流出，只是由于臺風(fēng)強(qiáng)度的不同，影響的大小也不一樣。

4結(jié)論

在杭州灣及其臨近海域二維潮汐潮流模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合拉格朗日粒子追蹤方法，模擬了不同臺風(fēng)過程中杭州灣水體交換的情況，得出結(jié)論如下：

(1)大多臺風(fēng)能夠促進(jìn)灣外水進(jìn)入灣內(nèi)，灣外參與交換的水體增加量因臺風(fēng)強(qiáng)度和路徑的不同最少是原來的0.43倍，最大可以達(dá)到7.04倍；臺風(fēng)也會(huì)促進(jìn)灣內(nèi)水體的出流，灣內(nèi)參與交換的水體增加量至少是原來的0.11倍，最大可達(dá)到1.61倍。

(2)當(dāng)一場臺風(fēng)影響杭州灣時(shí)，72h的水交換量可以提高0.2～1.7倍。與天文潮作用相比，要交換相同的量，臺風(fēng)情景時(shí)所需要的時(shí)間可縮短約0.6～7.5倍。臺風(fēng)作用下杭州灣內(nèi)水體對灣外的影響區(qū)域發(fā)生改變，影響面積也顯著增大。

(3)不同路徑的臺風(fēng)對杭州灣參與交換的水體來源及灣內(nèi)水體的出流影響區(qū)域不同，南北向從臺灣島附近登陸或者不登陸直接北上的臺風(fēng)促進(jìn)杭州灣內(nèi)的水從灣北部流出，抑制長江水進(jìn)入杭州灣；轉(zhuǎn)向型路徑促進(jìn)長江水進(jìn)入杭州灣，對灣內(nèi)水體出流的區(qū)域影響不明顯；其余路徑臺風(fēng)都促進(jìn)長江徑流進(jìn)入杭州灣并促進(jìn)灣內(nèi)的水從北部流出。

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責(zé)任編輯龐旻

Quantitative Study on Water Exchange Affected by Typhoons in the Hangzhou Bay

XU Ling-Jing1, YANG Bo1, JIANG Wen-Sheng2

(Ocean University of China, 1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences; 2.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

Abstract：A 2D numerical model of storm surge is established based on ADCIRC model in the Hangzhou Bay. The Particle Tracking Method is used to study the water exchange according to the model results under the tidal condition and typhoon-tidal condition respectively. The influences of typhoons on water exchange in Hangzhou Bay are quantitatively analyzed. Results show that when the bay is affected by strong typhoons, the outflow water area inside the bay can increase 1.6 times compared to conditions that only forced by tide, while the inflow area outside the bay can increase 7 times. And the affected area of outflow water can increase 31%, the water exchange rate can increase 1.7 times compared with those under tidal conditions. It also reveals that typhoons with different paths have different influences on the water exchange of Hangzhou Bay.

Key words:Hangzhou Bay; water exchange; typhoon; numerical simulation

基金項(xiàng)目：? 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201205017-3)；國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406401)資助

收稿日期：2015-08-05；

修訂日期：2015-11-12

作者簡介：許靈靜(1991-)，女，碩士生。E-mail：lingjingxu2016@126.com ??通訊作者：E-mail: yang.bo@ouc.edu.cn

中圖法分類號：P731.27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)06-029-13

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150280

Supported by Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean (201205017-3)； NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1406401)