影響長江口深水航道驟淤的非常態(tài)天氣過程Ⅰ:臺風(fēng)的路徑特征及數(shù)值驗證

黃華聰,賈 曉,2,路川藤

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海 201201; 2.上海交通大學(xué)水動力學(xué)教育部重點實驗室,上海 200240;3.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所,江蘇 南京 210029)

影響長江口深水航道驟淤的非常態(tài)天氣過程Ⅰ:臺風(fēng)的路徑特征及數(shù)值驗證

黃華聰1,賈 曉1,2,路川藤3

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海 201201; 2.上海交通大學(xué)水動力學(xué)教育部重點實驗室,上海 200240;3.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所,江蘇 南京 210029)

為歸納長江口深水航道臺風(fēng)期驟淤的發(fā)生規(guī)律及特征,分析了發(fā)生驟淤時刻的氣象條件與對應(yīng)的波浪條件。研究發(fā)現(xiàn),牛皮礁站的波能與驟淤具有較好的相關(guān)性;從臺風(fēng)路徑上分析,長江口東側(cè)過境臺風(fēng)對航道的驟淤影響顯著。結(jié)合歷史臺風(fēng)路徑,選取3個典型路徑的臺風(fēng),選擇藤田-高橋圓形經(jīng)驗風(fēng)場和CFSR(climate forecast system reanalysis)風(fēng)場的混合風(fēng)場復(fù)演了臺風(fēng)場,然后采用SWAN模型模擬了不同路徑臺風(fēng)期間的波況,最后以牛皮礁站的淺水波能流為判別參數(shù),分析不同路徑臺風(fēng)對長江口深水航道驟淤的影響。研究表明長江口東側(cè)過境的臺風(fēng)是較易產(chǎn)生較大波能并進(jìn)一步誘發(fā)驟淤的典型臺風(fēng)路徑,這一分析結(jié)果與2010年以來的驟淤實測臺風(fēng)路徑結(jié)果吻合。

長江口深水航道;驟淤;臺風(fēng)路徑;藤田-高橋經(jīng)驗風(fēng)場;CFSR風(fēng)場;SWAN模型;波能

驟淤是港口航道工程十分關(guān)心的水沙事件,其因淤積量大且淤積時間短,給疏浚造成很大的壓力,甚至?xí)绊懙酱暗陌踩ê?。長江口深水航道位于長江口攔門沙河段,其含沙量高,鹽度適于絮凝淤積,且不時遭受非常態(tài)天氣,諸如臺風(fēng)、寒潮的影響。在長江口深水航道二期工程以來,屢次觀測到驟淤現(xiàn)象[1-2]。

已有多位學(xué)者從不同方面闡述了長江口深水航道的淤積機制,比如研究最大渾濁帶的絮凝因素[3]、長江口整合的動力場[4]及南導(dǎo)堤越堤水沙[5]等對淤積的潛在影響,但就長江口的驟淤問題,研究較少。目前驟淤計算方法主要源于黃驊港粉砂質(zhì)海岸航道的淤積計算[6-7],對于長江口大型河口區(qū)域的航道淤積適用性不強。

筆者在現(xiàn)有的驟淤量統(tǒng)計基礎(chǔ)上,從氣象要素和波浪要素與驟淤量的表征相關(guān)性入手展開分析,通過構(gòu)建風(fēng)場模型和SWAN模型,模擬特定臺風(fēng)過程下長江口深水航道口門處的波能,研究發(fā)生驟淤時刻的氣象條件與對應(yīng)的波浪條件。

1 長江口深水航道的驟淤概述

圖1 長江口河勢及周邊水文測站位置Fig.1 River map of Yangtze Estuary and the location of surrounding hydrological stations

長江口12.5 m深水航道橫貫長江口攔門沙,周邊河勢及長江口主要水文站點見圖1。航道自2010年3月貫通以來,在發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時,回淤量時空分布高度集中的問題也非常突出,每年需投入大量的維護(hù)疏浚費用。長江口12.5 m深水航道回淤包括常態(tài)回淤和由臺風(fēng)、寒潮大風(fēng)等惡劣自然因素引起的驟淤。臺風(fēng)、寒潮引起的航道驟淤由于作用時間短、淤積范圍集中,對航道水深的維護(hù)造成極大困難。

驟淤本質(zhì)是特定條件下產(chǎn)生的快速淤積過程。實際上巨型河口深水航道內(nèi)的驟淤,因為其他物理過程(典型如潮流)的作用以及疏浚作業(yè)的持續(xù)性,無法得到嚴(yán)格準(zhǔn)確的驟淤量。根據(jù)前后對比法得到的驟淤量,反映的是一段時間內(nèi)淤積的增加,可以準(zhǔn)確反映驟淤的發(fā)生與否。

據(jù)長江口深水航道管理局統(tǒng)計,2010—2014年航道回淤總量年均約為8.6×107m3,其中常態(tài)回淤年均約為7.6×107m3,驟淤量年均1.0×107m3左右。

2 波能與驟淤的關(guān)系

河流及海岸中的泥沙起懸、落淤能夠受到臺風(fēng)的影響,主要是以風(fēng)浪為中間媒介,將風(fēng)能傳遞到水體。研究表明,在波浪潮流作用下,泥沙極易揚起,風(fēng)浪停息后,泥沙又極易沉積,造成港口航道驟淤[8-9]。有部分學(xué)者嘗試分析波浪動力與長江口深水航道淤積的相關(guān)性[10]。近年來波能流(或稱波功率,簡稱為波能)作為波浪綜合作用指標(biāo)參數(shù),通常被用來直接統(tǒng)計其與淤積的表征相關(guān)性。劉猛等[11]采用深水波能公式計算了長江口波能與淤積的相關(guān)性。本文以淺水波能為特征參數(shù),分析驟淤與波能的相關(guān)性。

波能是波浪在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位波峰寬度上的能量。以深水規(guī)則波為例,其等于單寬波峰線長度的波浪作用在與波峰線平行的一個豎直面上各點的力與波浪的水質(zhì)點通過此豎直面上各相應(yīng)點的流速之積的總和在一個波周期內(nèi)的平均值。

[12],單個淺水規(guī)則波的波能:

(1)

式中:ρ——水體密度;g——重力加速度;H——波高;T——周期;k——波數(shù);h——水深。

式(1)表達(dá)的是時域中,單位時間內(nèi)特定波高周期下的波能,而在實際測量中不可能測量時域上每一波浪的尺度參數(shù)。以長江口3個水文站為例(圖1),能夠表達(dá)波況的參數(shù)僅有最大波高Hmax、有效波高Hs、有效周期Ts、平均波高Hm及平均周期Tm等一系列頻域參數(shù)。

為了合理評估牛皮礁站水域的波能,將頻域上的波要素按照相應(yīng)的時間比例拓展在時域上。即將特征時間段(測站為1 h間隔的散點數(shù)據(jù))分成2段,其中1/3時間段的波能計算采用Hs和Ts,剩余時間的波能計算采用Hm和Tm,然后將各自得到的波能乘以相應(yīng)的時間,得到給定頻域波要素下特征時間段內(nèi)的總波能。以長江口水文站為例,1 h的總波能為

Q=1 200Ps+2 400Pm

(2)

式中:Ps、Pm——依據(jù)有效波參數(shù)、平均波參數(shù)計算的波能。

牛皮礁站(圖1)位于長江口深水航道口門內(nèi)約2 km處,能夠較好地代表輸入北槽的波能。以發(fā)生臺風(fēng)頻次較高的2012年為例,牛皮礁站實測數(shù)據(jù)計算的波能與發(fā)生驟淤的時間區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系見圖2。由圖2可以看出,驟淤時間區(qū)間內(nèi),牛皮礁站的實測波能均較大。如果以牛皮礁站Hs>1.0 m為一次臺風(fēng)過程的統(tǒng)計時段,對該時段內(nèi)的波能進(jìn)行積分,就可以得到單次臺風(fēng)過程單位面積水體的總波能。

由歷年的驟淤量和波能相關(guān)關(guān)系(圖3)可以看出,驟淤和波能存在很好的相關(guān)性。該現(xiàn)象在以前諸多研究中得到過一定程度的分析,主要認(rèn)為是波能的增加引起海床孔隙水壓變化導(dǎo)致泥沙起懸增多等諸多因素導(dǎo)致。

圖2 牛皮礁站波能與驟淤時間區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Correspondenc between wave energy and time intervals of sudden siltation in Niupijiao Station

圖3 牛皮礁站波能與驟淤量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation analysis between wave energy and sudden siltation in Niupijiao Station

類型名稱氣壓/hPa十級風(fēng)圈半徑/km牛皮礁最大風(fēng)速/(m·s-1)最大風(fēng)速時相應(yīng)的風(fēng)向/(°)東側(cè)過境布拉萬95515019.2350南側(cè)登陸?？?5018016.6101南側(cè)登陸西側(cè)過境麥德姆99015.6173

圖4 3種典型臺風(fēng)的路徑Fig.4 Paths of three typical typhoons

3 典型路徑臺風(fēng)及風(fēng)場驗證

為了分析何種類型的臺風(fēng)能夠使輸入北槽的波

能明顯增加,選取3種典型路徑的臺風(fēng),采用圓形梯度風(fēng)場耦合CFSR背景風(fēng)場的混合風(fēng)場數(shù)據(jù),驗證了長江口周邊的風(fēng)場。

3.13種典型路徑臺風(fēng)

根據(jù)臺風(fēng)的登陸位置和影響范圍,在2010年以后發(fā)生的臺風(fēng)內(nèi),選取影響長江口水域的3種典型路徑的臺風(fēng)過程(表1),其路徑(參考浙江臺風(fēng)網(wǎng))見圖4。

3.2圓形風(fēng)場模式概述

進(jìn)行氣旋風(fēng)場模擬時,首先需選擇合適的臺風(fēng)氣壓場模式。本文中采用國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的臺風(fēng)暴潮模式[13],當(dāng)距臺風(fēng)中心距離r<2R0(R0為臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑)時采用藤田模式,當(dāng)r≥2R0時采用高橋模式計算氣壓場,移行風(fēng)速采用Veno Takeo公式。實踐證明,在合理選擇最大風(fēng)速半徑的前提下,這種方法基本能夠模擬海面上的氣旋風(fēng)場。

3.3CFSR風(fēng)場概述

CFSR(NCEP climate forecast system reanalysis)是由NCEP(national centers for environmental prediction)設(shè)立的全球高精度氣象后分析系統(tǒng),其可以給出風(fēng)浪計算所關(guān)心的高地理精度(0.3°×0.3°)的海面氣象預(yù)估場。自2011年以來,CFSR 已經(jīng)升級至CFSV2(climate forecast system version 2),其可以認(rèn)為是CFSR的拓展版本,可以給出精度達(dá)0.2°×0.2°的氣象數(shù)據(jù)[14-15]。

CFSR氣象數(shù)據(jù)實際經(jīng)過諸多氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同化處理,大范圍的數(shù)據(jù)可信,并且其精度基本可以滿足圓形風(fēng)場外圍的風(fēng)場同化[16],在相關(guān)研究中已經(jīng)有較廣泛應(yīng)用(歷史文獻(xiàn)通常引用了其歷史資料,稱之為NCEP背景風(fēng)場)。

3.4風(fēng)場驗證

將圓形風(fēng)場和CFSR背景風(fēng)場進(jìn)行耦合,可以得到適用的混合風(fēng)場。以牛皮礁站和浦東機場(數(shù)據(jù)源自weather underground)為例,3個臺風(fēng)的合成風(fēng)場與實測風(fēng)場的數(shù)據(jù)對比見圖5和圖6。其中牛皮礁站點風(fēng)速經(jīng)過高度折算,自實測的25 m高程風(fēng)速折算至標(biāo)準(zhǔn)10 m高程,高度折減系數(shù)0.88[17]。由圖5和圖6看出, 2個站點的風(fēng)速、風(fēng)向過程模擬較好,可以以此為輸入條件計算長江口水域的波浪場。

圖5 牛皮礁站風(fēng)場驗證Fig.5 Validations of wind fields in NPJ Sites

圖6 浦東機場站風(fēng)場驗證Fig.6 Validations of wind fields in PVG Sites

4 海浪數(shù)值模擬及波能統(tǒng)計

采用SWAN模型計算長江口深水航道口門處的分向波能,并分析影響顯著的臺風(fēng)路徑。

4.1模型簡介

SWAN模型是時下最新的第3代海浪數(shù)學(xué)模型[18-20],其在WAM模型基礎(chǔ)上改進(jìn)了算法并且加入了額外的淺水控制項。SWAN模型對不同水深的適應(yīng)性較好,且較為全面地考慮了包括能量輸入、損耗和非線性相互作用等在內(nèi)的一系列源匯項;模型以不規(guī)則譜型的方向譜表示真實海浪的隨機性特征,模擬結(jié)果更接近真實海浪。SWAN模型采用動譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程。

SWAN模型在對波浪成長的譜型沒有任何先驗限制的條件下,求解了動譜能量平衡方程,且在深水域使用了相同的源項,包括風(fēng)能輸入、海浪成長、白帽耗散及四波相互作用;而在淺水域中,源項補充了包括底摩阻損耗、三波相互作用和水深引起的破碎等。

SWAN模型采用全隱式差分格式,且可以調(diào)節(jié)系數(shù)的取值決定譜空間的差分格式是偏于迎風(fēng)格式或中心格式,即決定在譜空間和方向空間的數(shù)據(jù)離散格式和收斂性強弱,在淺水海域的模擬中更穩(wěn)定且節(jié)省時間。

4.2海浪模型驗證

以長江口2個典型水文站的波浪過程為例,3個典型臺風(fēng)路徑下,牛皮礁站和長江口站的波高和周期驗證情況見圖7和圖8。

由圖7和圖8可見,SWAN模型計算的臺風(fēng)浪過程與實測基本吻合,其計算結(jié)果能夠較好地代表長江口水域在臺風(fēng)期間的波況。

圖7 牛皮礁站波況過程驗證Fig.7 Validations of wave conditions in NPJ Sites

圖8 長江口站波況過程驗證Fig.8 Validations of wave conditions in CJK Sites

4.3波能時序分布

根據(jù)數(shù)值計算,3個臺風(fēng)情況下,長江口站波能與牛皮礁站波能沿時間序列的分布見圖9。

圖9 牛皮礁站和長江口站波能變化特征Fig.9 Characteristics of wave energy changes during three typical typhoons(NPJ and CJK Sites)

圖10 引起長江口明顯驟淤的臺風(fēng)路徑(2010年后)Fig.10 Paths of typhoons inducing sudden siltation in Yangzi Estuary (after 2010)

由圖9可以看出,盡管“?？迸_風(fēng)與“布拉萬”臺風(fēng)在長江口氣象站的風(fēng)速相近,均為18 m/s左右,但其在長江口形成的波能較小。上述現(xiàn)象的原因是南側(cè)登陸臺風(fēng)在嵊泗東部海域波高較大,但受東南側(cè)嵊泗列島的遮蔽,其產(chǎn)生的SE向浪在向長江口水域傳播過程中波能衰減明顯。

根據(jù)上述研究,強度相近的臺風(fēng),路徑在東側(cè)過境的臺風(fēng)更容易在長江口產(chǎn)生較大的波能并進(jìn)一步誘導(dǎo)驟淤的產(chǎn)生。根據(jù)長江口航道管理局統(tǒng)計的數(shù)據(jù),自2010年以來,引發(fā)驟淤的臺風(fēng)多數(shù)為東側(cè)過境臺風(fēng),部分由東側(cè)過境臺風(fēng)與其他路徑臺風(fēng)疊加影響,此與本文的研究結(jié)論相吻合,見圖10。

5 結(jié) 語

a. 北槽口內(nèi)牛皮礁站的波能與驟淤存在相關(guān)性。

b. 基于經(jīng)驗風(fēng)場和CFSR風(fēng)場的耦合數(shù)據(jù),構(gòu)建了3種典型路徑的臺風(fēng)風(fēng)場,并采用SWAN模型模擬了長江口的波浪場,研究結(jié)果表明該種方法能夠較好地復(fù)演長江口水域臺風(fēng)期間的波況。

c. 研究表明長江口東側(cè)海域過境臺風(fēng)更有可能造成北槽波能集中,為影響驟淤的典型天氣過程,數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果相吻合。

需要指出,本文針對的是汛期臺風(fēng)期間的驟淤與氣象過程的相關(guān)性分析。而在歷史上,寒潮大風(fēng)期間,長江口深水航道也發(fā)生過偶然性驟淤現(xiàn)象,2010—2015年間共發(fā)生2次。寒潮大風(fēng)引起的驟淤和臺風(fēng)期間的驟淤從空間分布至誘發(fā)機制上均可能存在差異,本文沒有統(tǒng)計在內(nèi),今后將深入研究。

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TheextraordinaryweatherprocessinducingsuddensiltationindeepwaternavigationchannelofYangtzeEstuaryIthetyphoonpathcharacteristicsandnumericalverification

HUANGHuacong1,JIAXiao1,2,LUChuanteng3

(1.ShanghaiEstuarineandCoastalScienceResearchCenter，Shanghai201201，China；2.MOEKeyLaboratoryofHydrodynamics,SchoolofNAOCE,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China; 3.RiverandHarborEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

To summarize the occurrence regularity and characteristics of sudden siltation during typhoon period in the deepwater navigation channel of Yangtze Estuary, the meteorological conditions and corresponding wave conditions during sudden siltation are analyzed. The results show that the wave energy correlates well with the siltation in NPJ station. The analysis of typhoon paths suggests that the sudden siltation in the navigation channel is significantly influenced by the taphoon passing through the east part of Yangtze Estuary. In this study, three typical typhoon paths are selected with reference to the historic typhoon paths in Yangtze Estuary, and the typhoon field was replicated by combing the empirical circular(Fujita and Takahashi)wind field and CFSR(climate forecast system reanalysis)wind field. SWAN model is then used to simulate the wave conditions under different typhoons paths. Finally, the effects of different typhoon paths on the sudden siltation are analyzed by taking the shallow water wave energy in NPJ station as the discriminant parameter. The study indicates that the typhoon passing through the east area of the Yangtze Estuary is found to be a typical typhoon path, which can readily induce relatively large wave energy and subsequent sudden siltation. And such analysis result agrees well with that of measured typhoon path causing sudden siltation since 2010.

deep water channel of Yangtze Estuary; sudden siltation; typhoon path; Fujita-Takahashi wind field; CFSR wind field; SWAN wave model; wave energy

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.009

2016-07-26

國家自然科學(xué)基金青年基金(41206072);2016年港口航道泥沙交通行業(yè)重點實驗室開放基金(Yn216001)

黃華聰(1994—),男,江西贛州人,實習(xí)研究員,主要從事港口航道、海岸與近海工程研究。E-mail:huanghc1994@126.com

TV148;P732

A

1000-1980(2017)05-0432-07