寒潮及強(qiáng)冷空氣過境對沿岸水位的影響

張虹

（浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 舟山市 316000）

寒潮及強(qiáng)冷空氣過境對沿岸水位的影響

張虹

（浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 舟山市 316000）

通過分析2016年1月1日-2016年4月30日舟山海域的水文及氣象數(shù)據(jù)，研究了該區(qū)域寒潮及強(qiáng)冷空氣事件對沿岸水位的影響，并討論了引起水位變化的各個(gè)機(jī)制。結(jié)果表明：一次寒潮或冷空氣過程中，寒潮過境時(shí)氣壓先下降然后驟升，隨著氣壓升高，溫度驟降，風(fēng)速發(fā)生4～5次的切變，且風(fēng)速增大，寒潮及強(qiáng)冷空氣過境之前的西南風(fēng)帶來水位的升高，水溫降低。寒潮及強(qiáng)冷空氣過境后水位下降，逐漸回到平均水位狀態(tài)。水溫也呈現(xiàn)隨著寒潮過境驟減的過程，回到平均狀態(tài)。通過量化及分析，風(fēng)是造成水位變化的主導(dǎo)因素，氣壓其次，波浪作用很小，科氏力的影響在本問題中的貢獻(xiàn)最小。

寒潮；強(qiáng)冷空氣；風(fēng)暴潮；水位；風(fēng)

風(fēng)暴潮是由臺風(fēng)、氣旋、強(qiáng)寒潮等持續(xù)時(shí)間較長的風(fēng)暴系統(tǒng)影響下所引起局部海域海面非周期異常升高的一種海洋自然現(xiàn)象。風(fēng)暴潮通常有熱帶風(fēng)暴潮和溫帶風(fēng)暴潮之分，由熱帶風(fēng)暴系統(tǒng)（臺風(fēng)、颶風(fēng)）引起的稱為熱帶風(fēng)暴潮，多發(fā)生在夏秋季節(jié)，其破壞力一般較強(qiáng)；由溫帶風(fēng)暴系統(tǒng)（溫帶氣旋、強(qiáng)寒潮等）引起的稱為溫帶風(fēng)暴潮，多發(fā)生在冬春季節(jié)，它所引起的水位變化通常沒有熱帶風(fēng)暴潮引起的風(fēng)暴潮那么強(qiáng)，其變化較為平緩，但是仍然可以給沿岸和港口運(yùn)輸造成一定的影響，也可以對泥沙輸運(yùn)及海岸變遷有持續(xù)的作用[1]。

寒潮是指大規(guī)模冷空氣（在氣壓場上為冷高壓）由亞洲大陸西部或西北部侵襲中國時(shí)的強(qiáng)降溫天氣過程。在天氣預(yù)報(bào)中，因北方冷空氣入侵造成24小時(shí)內(nèi)降溫10℃，并且過程最低氣溫達(dá)5℃以下時(shí)定義為寒潮天氣過程。有時(shí)北方冷空氣的入侵雖然達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但降溫也很顯著，則一般稱為強(qiáng)冷空氣。寒潮天氣是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動過程，在寒潮或冷空氣前鋒經(jīng)過的地區(qū)不僅有強(qiáng)烈的降溫，還時(shí)常伴有大風(fēng)、降雨、降雪、雨淞或霜凍等現(xiàn)象，其中大風(fēng)的破壞作用位居首位，其次為降溫的影響。寒潮最早可以出現(xiàn)于9月下旬，最晚通常結(jié)束于次年5月份。春季的3月和秋季的10－11月期間是寒潮和強(qiáng)冷空氣活動最頻繁的季節(jié)，也是易造成財(cái)產(chǎn)的重大損失乃至人員傷亡[2,3]的時(shí)期。

不同類型的天氣狀況,所帶來的風(fēng)暴潮特征也不盡相同，根據(jù)不同要素可以分為臺風(fēng)風(fēng)暴潮、溫帶風(fēng)暴潮，從本文所要討論的寒潮型風(fēng)暴潮也有不同類型，一部分是屬于溫帶風(fēng)暴潮的一種。對于溫帶風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)比較領(lǐng)先的是英國海洋學(xué)家Heaps提出的自動化溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)方法“海模式”（Sea Model）[4]，該方法最早以10層大氣模式輸入一個(gè)二維流體動力學(xué)方程組作為外力，計(jì)算出不列顛諸島大陸架逐時(shí)全過程風(fēng)暴潮變化值。

1981年，Chuang[5]等研究發(fā)現(xiàn)冷鋒可以引發(fā)明顯的潮下帶水位振蕩（低頻）和運(yùn)輸，這對港灣和河口的水體交換非常重要。2005年David M.Schuultz[6]對冷鋒的過境以及風(fēng)的切變做了詳細(xì)的綜述。中國對風(fēng)暴潮的研究始于20世紀(jì)60年代，1982年，馮士筰出版了《風(fēng)暴潮導(dǎo)論》[7]，分別從封閉和半封閉海域級大洋大陸架的風(fēng)暴潮問題出發(fā)，根據(jù)不同海域的動力特征，研究了風(fēng)暴潮解析的動力特征，并揭示了風(fēng)暴潮的內(nèi)在動力機(jī)制，建立了我國風(fēng)暴潮研究的理論體系。1998年，曹海峰[8]就闡釋了寒潮型風(fēng)暴潮和寒潮巨浪的重要性，提示海洋預(yù)報(bào)工作中應(yīng)對寒潮預(yù)報(bào)的重視。2007年，季致建、李邦憲，等[9]詳細(xì)地從氣象角度對浙江省54年的寒潮氣候及時(shí)空分布做了分析。同年，李鑫[10]分別對影響渤海海域的兩大風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其造成風(fēng)暴潮增減水及其潮流場時(shí)空特征的特點(diǎn)。2010年，趙鵬[11]按照寒潮爆發(fā)路徑，運(yùn)用FVCOM模式對渤海中由寒潮引發(fā)的風(fēng)暴潮進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了寒潮風(fēng)暴潮對渤海的西南沿岸造成危害較大。

從國內(nèi)外的進(jìn)展史也可以看出，大多數(shù)研究者[12-16]致力于通過數(shù)值模擬的方法研究風(fēng)暴潮成因、現(xiàn)象及影響，而且國內(nèi)大多研究者[17]也是從氣象角度研究的。而通過采集實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合海氣相互作用來研究寒潮過境對水位影響的研究甚少，所以本文致力于研究舟山海域的寒潮風(fēng)暴潮。舟山海域由群島組成，地形特殊，寒潮風(fēng)暴潮造成的影響也十分明顯，尤其對近岸造成的影響更值得關(guān)注。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域和數(shù)據(jù)

本文所研究的舟山海域?qū)儆陂L江口南測、杭州灣外緣的東海海域。地理座標(biāo)東經(jīng)121°30′－123°25′，北緯 29°32′－31°04′。舟山市地處溫帶，表現(xiàn)出突出的季風(fēng)海洋性氣候特點(diǎn)，冬暖夏涼、雨量充沛，日照充足。春夏盛行東南偏南風(fēng)，冬季盛行西北偏北風(fēng)。一年中7－9月為臺風(fēng)季節(jié)，臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴十分頻繁，與之帶來的暴雨強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長，容易引起臺風(fēng)風(fēng)暴潮。該海域潮汐規(guī)律為不正規(guī)半日潮，即一天內(nèi)出現(xiàn)2次高潮和2次低潮。不同的天氣系統(tǒng)所引起的舟山海域風(fēng)暴潮的特征也有差異，在舟山海域風(fēng)暴潮的主要天氣系統(tǒng)一般由夏季的熱帶風(fēng)暴潮以及冬季的寒潮風(fēng)暴潮構(gòu)成。

圖1 研究區(qū)域

本文采用level troll 500潮位計(jì)在舟山市長峙島新城碼頭采集的水位數(shù)據(jù)，采樣間隔為20 min。結(jié)合2016年1月1日－4月30日的氣象數(shù)據(jù)對比研究，該數(shù)據(jù)是由NOAA衛(wèi)星提供，時(shí)間間隔為1 h。因?yàn)橹凵胶Ｓ蚴且园肴粘睘橹鳎员狙芯繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過求步長為25 h的滑動平均，得到濾波后的水位和氣壓、溫度等氣象要素的變化曲線，同時(shí)按照氣象要素的定義對比寒潮及強(qiáng)冷空氣過境前后水位、風(fēng)速大小的變化和風(fēng)向的轉(zhuǎn)變過程。

2 分析方法及結(jié)果

為了直觀地觀察風(fēng)速風(fēng)向的變化，本文通過

式中，speed表示風(fēng)速矢量大小，u、v分別公式（1）將風(fēng)向風(fēng)速的起點(diǎn)歸到一條水平線上，線段的長度表示風(fēng)速大小，公式（1）如下：

表示風(fēng)速大小在水平和垂直方向的分量，θ表示風(fēng)向。

圖2 （b） 2016.1.1-2016.2.24日55天的水位變化圖

首先從圖2（a）2016.1.1-2016.2.24日的風(fēng)速風(fēng)向圖中看，在這55天內(nèi)雖然大多數(shù)的風(fēng)為西北風(fēng)，但是這段時(shí)間內(nèi)風(fēng)向發(fā)生了大約十幾次的變化，當(dāng)西北風(fēng)逐漸增大時(shí)也預(yù)示著冷鋒的到來。在由西北風(fēng)逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng)前，西北風(fēng)風(fēng)速先增大后減小，當(dāng)切變成西風(fēng)時(shí)風(fēng)速達(dá)到最小，然后繼續(xù)切變成東南風(fēng)，風(fēng)速開始逐漸增大，這些可以通過溫度、地面氣壓等天氣要素來檢驗(yàn)。將圖（a）和圖（b）對比起來，可以直觀地看出，當(dāng)舟山海域冬季主要受西北風(fēng)吹拂時(shí)，水位大多呈下降趨勢，而受東南風(fēng)卻能帶來增水，風(fēng)速越大時(shí)，水位的動蕩幅度也隨之增大，其中最明顯的一次落差就發(fā)生在1月22日－1月25日期間。

2.1 一月份的寒潮降臨

通過查詢中央氣象臺發(fā)布的資料，可以分析出，2015年12月30日，位于冰島的強(qiáng)大氣旋式風(fēng)暴將北大西洋的熱量帶向北極地區(qū)。于是，北極地區(qū)變暖，使通常溫度在-20℃左右的北極突然升溫至0℃以上，而中緯度地區(qū)變冷，北極濤動12月的正位相轉(zhuǎn)為強(qiáng)負(fù)位，這樣的相位轉(zhuǎn)換與我國的冷空氣活動有著密切的關(guān)系。正是在這個(gè)氣旋式風(fēng)暴排擠下，北極渦旋被迫離開極地，攜帶冷空氣一路南下。南下的冷空氣，會和從孟加拉灣來的較強(qiáng)暖濕氣流交匯，給我國帶來明顯的雨雪天氣。

圖3 （a） 1月23日0時(shí)地面氣壓分布圖

圖3 （b） 1月25日21時(shí)地面氣壓分布圖

受到東移南下冷空氣和偏南暖濕氣流影響，從1月20日開始，在一個(gè)阻塞高壓的推波助瀾下，極地渦旋將大舉南侵；配合深厚的南支西風(fēng)波動輸送水汽，我國南方出現(xiàn)大范圍雨雪天氣，從圖4中可以看到，在1月22日的最高壓之前還有一個(gè)極大值產(chǎn)生于1月17日附近，這是一個(gè)冷鋒過境，導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生極小值，此時(shí)風(fēng)由西北風(fēng)逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng)，同時(shí)水位下降產(chǎn)生一個(gè)極小值。而到1月22日開始，從圖3的地面氣壓分布圖來看，從西伯利亞來的“霸王級”寒潮降臨，大尺度的渦旋盤踞在西伯利亞地區(qū)，這次的極地渦旋尺度大、強(qiáng)度強(qiáng)、位置偏南，冷空氣在此不斷集聚、堆積，最終爆發(fā)南下，我國大江南北的多地均有強(qiáng)降雪。中東部地區(qū)自北向南出現(xiàn)大風(fēng)和強(qiáng)降溫天氣。近日一些報(bào)道中氣象專家認(rèn)為，通常情況下，北極渦旋并不會輕易離開北極地區(qū)。從22日開始壓力呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢，在24日達(dá)到最大值后開始下降，空氣溫度從圖中也能很明顯的看出冷鋒的段落，從22號開始空氣溫度開始明顯下降，于24日達(dá)到最低后有一個(gè)短時(shí)間的反彈，這可能是由當(dāng)時(shí)的外界因素導(dǎo)致或者人為造成，之后又回到最低值在冷鋒過境后開始逐漸上升。從圖2（a）中可以看出風(fēng)速風(fēng)向從18號左右到30號，經(jīng)歷了4～5次切變，由西北風(fēng)切變到東南偏南風(fēng)，

圖4 1月19日-1月29日各要素時(shí)間序列圖

圖5-1 2月9日-2月19日各要素時(shí)間序列圖

東南風(fēng)風(fēng)速明顯增大，呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水位從20號開始有明顯的升高，到22號達(dá)到最高值后開始下降，至25日達(dá)到最低值，之后有一個(gè)水位的回彈，隨后反彈的減少意味著平均水位狀態(tài)，從對應(yīng)的時(shí)間來看西北風(fēng)基本帶來減水，而東南偏南風(fēng)會使得水位有所上升。本次冷鋒過境的水溫以一個(gè)較穩(wěn)定的下降趨勢從大約11℃下降到9℃左右，冷鋒過境后水溫慢慢回復(fù)到9.8℃并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過對水位和水溫進(jìn)行滑動平均濾波后，減少了很多外因?qū)е碌炔灰?guī)律的變化，最后呈現(xiàn)類似的趨勢。

2.2 兩次強(qiáng)冷空氣過境

相對于寒潮的定義，舟山海域上有一些明顯的強(qiáng)冷空氣過境，并未達(dá)到寒潮的級別，但對造成的影響依舊不容忽視。從圖5-1 a中可以分析出，這一次強(qiáng)冷空氣的過程中氣壓的極值產(chǎn)生于2月13日-15日的時(shí)候，2月12日后氣壓以很快的速度穩(wěn)步上升，于2月14日達(dá)到氣壓最大值并在波動中持續(xù)維持高壓，圖5-1 b中2月13日開始風(fēng)向由原本的西北風(fēng)呈逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng)，且東南偏南風(fēng)顯著增大，并經(jīng)歷了4～5次切變。冷鋒的過境帶來冷空氣，圖5-1 d中水溫迅速從9.2℃降低下降至15日達(dá)到最低值8.5℃左右，15日之后有一個(gè)反彈緊隨其后的增加意味著水位平均狀態(tài)。水溫的這種變化很可能是由于冷鋒過境前東北風(fēng)帶來了暖濕的空氣，而冷鋒過境后的西南風(fēng)更為干冷。圖5-1 c中水位從13日開始出現(xiàn)明顯增加，14日達(dá)到最大值后立即減小，增減水達(dá)到月0.4 m左右，在15日結(jié)束之后有一個(gè)反彈的水位。17日時(shí)水位再次上升，盡管程度較輕，隨后反彈隨后的減少意味著平均水位狀態(tài)?？諝鉁囟鹊娜疹l率與半日潮的水位變化是相似的。

圖5-2 2月17日-2月27日各要素時(shí)間序列圖

3 討論

從近年來寒潮影響的實(shí)況看，近海域的水體運(yùn)動反映特征主要有兩種情況：一是由于大風(fēng)和伴隨大風(fēng)擾動的大氣壓力改變等導(dǎo)致海面出現(xiàn)風(fēng)暴潮,沿海潮位隨風(fēng)勢猛漲。二是以快速過境風(fēng)力突發(fā)性猛增為主，氣壓驟變,海面波浪增大,而潮位漲勢未予明顯聯(lián)動。寒潮過程中，冷鋒前往往是一個(gè)潮濕的暖氣團(tuán)以及相對溫暖的南風(fēng)；過境時(shí)：壓力下降，伴有降水；鋒后：壓力回升，空氣溫度和濕度迅速下降，天氣晴好，風(fēng)多轉(zhuǎn)向?yàn)楸憋L(fēng)。而就這幾次冷鋒過境，舟山海域的鋒前暖濕氣流由東北風(fēng)帶來，當(dāng)寒潮過境時(shí)發(fā)生4～5次切變?yōu)槲髂巷L(fēng)，冷鋒過境的顯著特征為：（1）風(fēng)速切變（2）氣壓驟降（3）快速溫度減少的氣團(tuán)進(jìn)入更冷的氣團(tuán)。

本文從研究的1月份那次強(qiáng)寒潮來討論，由風(fēng)引起的水位變化包括下面幾個(gè)影響機(jī)制[2]：（1）風(fēng)應(yīng)力作用,（2）波浪效果,（3）氣壓效應(yīng),（4）科里奧利(地球自轉(zhuǎn))的效果。根據(jù)風(fēng)壓與表面引起的氣壓梯度力之間主要是一個(gè)準(zhǔn)平衡的關(guān)系[2]，可以得到：

ζ是相對于海平面的水位，x是水平方向上的速度，τs和τb是表面和地面切應(yīng)力,其中表面和地面的切應(yīng)力表示為τs=ρa(bǔ)CDW2,τb=ρCDV2,ρa(bǔ)是空氣密度1.293 kg/m3，W是風(fēng)速，在東南風(fēng)吹拂下的水位升高，1月22日時(shí)達(dá)到最大值，從圖4b中得出此時(shí)最強(qiáng)的向著岸界吹得東南風(fēng)的風(fēng)速達(dá)到25 m/s，V是流速,通過大量對舟山海域流速的測量記載平均流速大于0.7 m/s，這里取平均值0.1 m/s，CD是表面/底部拖曳阻力系數(shù)，范圍是在1.3*10-3～3.4*10-3（Dean&Dalrymple）[2]，本文中取1.5*10-3。從圖1中觀察風(fēng)場影響的舟山這個(gè)狹長的海域的L根據(jù)圖例可以算出大約為13 km,由

其中ρ為水的密度1 020 kg/m3， g都取9.8 m/s，L～33 km，h從圖4中求得平均水位為2.3 m，由公式（3）可以估算出由風(fēng)引起的水位變化為0.26 m。

研究表明空氣壓力下降1毫巴（相對于平均壓力外的天氣系統(tǒng)）相當(dāng)于一個(gè)近似0.01 m的水位上升[24]

ΔP為氣壓變化值，用第一個(gè)案例來研究，在當(dāng)風(fēng)向切變到東南風(fēng)后，對應(yīng)的氣壓上升約7 hpa，根據(jù)換算1 hpa=1 mbar,即ΔP取7 mbar，由公式（4）可以估算出由壓力引起的水位變化為0.07 m。同樣的根據(jù)海浪經(jīng)驗(yàn)公式[2]

Hs為有效波高，通過查閱舟山海域平均實(shí)際波高的記載，可以通過實(shí)際波高計(jì)算出來，第一個(gè)案例中鋒面過境時(shí)的有效波高Hs取0.33,由公式（5）可以估算出由波浪引起的水位變化為0.06 m。由科氏力引起的水位變化可以表示為

科里奧利力參數(shù)由所在緯度決定，f=2Ωsinθ～7.29*10-5,由公式（6）可以算出大約為ζcoriolis～0.01 m。

通過對以上4種機(jī)制所導(dǎo)致的水位變化總和ζ=ζwind+ζpressure+ζwave+ζcoriolis～0.40m，案例一中的水位升高約為0.42 m。將兩次強(qiáng)冷空氣過境分別作為第二個(gè)和第三個(gè)案例分別來求出4種機(jī)制所導(dǎo)致的水位變化情況如表1所示。從這3個(gè)案例的變化比較，用理論公式計(jì)算出來的水位升高的變化總是小于實(shí)際升高的量，但都在小范圍內(nèi)，因此認(rèn)為可以以此方法量化地表示各個(gè)機(jī)制的貢獻(xiàn)，可以看出其中風(fēng)占主導(dǎo)作用，壓力和波浪的作用也不容小覷，科氏力的影響很小，同時(shí)認(rèn)為可能是受到岸界因素的影響導(dǎo)致理論值總是小于實(shí)際測量值，這可能是后期可能要研究的方向，將岸界因素考慮進(jìn)去。

本文有兩點(diǎn)需要闡明，第一是從這三個(gè)案例分析還可以看出，溫度和壓力的變化相對于水位的變化有一些略微的滯后，這是因?yàn)镹OAA提供的舟山的氣象數(shù)據(jù)有大部分缺失的部分，所以本文采用了離舟山最近的寧波站的數(shù)據(jù)。第二是雖然本文研究的站位只有一個(gè)。針對這兩個(gè)問題，本文所研究的冷鋒系統(tǒng)比沿海地區(qū)海洋問題擁有更大的尺度。它是一個(gè)天氣事件，大約1 000公里尺度，從而影響面積大，每年冷空氣的大時(shí)間間隔為3～7 d，所以也能代表性的說明寒潮過境對水位的影響變化情況。本文的不足在于缺少實(shí)測精準(zhǔn)的流速數(shù)據(jù)、鹽度數(shù)據(jù)以及河道通量等，之后將致力于這些方面的觀測，討論寒潮過境時(shí)帶來的增水可能對沿岸造成的海水漫灘以及海水入侵等問題，同時(shí)考慮岸界條件以及結(jié)合模式驗(yàn)證，為人類的生產(chǎn)生活提供更好的預(yù)報(bào)及保護(hù)措施。

表1 研究2016年中三次案例中導(dǎo)致的水位變化的四種機(jī)制的貢獻(xiàn)

4 結(jié) 語

本文通過結(jié)合氣象因素研究寒潮過境對沿岸水位的影響得到的結(jié)論：

（1）冷鋒系統(tǒng)過境帶來冷而干的氣團(tuán)，氣壓升高，溫度降低。

（2）寒潮及強(qiáng)冷空氣過境的顯著特征：（1）風(fēng)速切變（2）氣壓驟降（3）快速溫度減少的氣團(tuán)進(jìn)入更冷的氣團(tuán)。西北風(fēng)發(fā)生4～5次切變?yōu)闁|南風(fēng)，呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，東南風(fēng)顯著增大，帶來增水效應(yīng)。

（3）寒潮及強(qiáng)冷空氣過境時(shí)，西北風(fēng)帶來減水效應(yīng)，過境后，東南風(fēng)帶來部分增水，水位可能發(fā)生回彈之后再減少到平均水位狀態(tài)。水溫也呈現(xiàn)隨著寒潮過境驟減的過程，并在過境后回升，空氣溫度的日頻率與半日潮的水位變化是相似的。

（4）引起水位變化的機(jī)制有4個(gè)：風(fēng)應(yīng)力作用、波浪效果、氣壓效應(yīng)、科里奧利（地球自轉(zhuǎn)）的效果，風(fēng)應(yīng)力作用占主導(dǎo)地位，氣壓效應(yīng)僅次于風(fēng)應(yīng)力，波浪效應(yīng)影響較小，而科里奧利力的影響是最小的,在小海灣等海域完全可以忽略。

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2017-05-20