寒潮引起的江蘇沿海風(fēng)暴潮潮位分布規(guī)律研究

周天逸，譚 亞*，謝當(dāng)漢

(1.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0　引言

江蘇沿海位于我國東部沿海的中段，地處中緯度地區(qū)，由于特殊的地理位置，同時遭受到臺風(fēng)風(fēng)暴潮和溫帶風(fēng)暴潮過程的影響[1, 2]。雖然寒潮的風(fēng)力量級可能無法達(dá)到臺風(fēng)的量級，但由于寒潮發(fā)生時，常伴有長時間持續(xù)性大風(fēng)作用，海域的水體受大風(fēng)影響不斷沿單方向堆積，潮位不斷抬升，對沿海的經(jīng)濟(jì)作業(yè)、生產(chǎn)生活等造成影響[3]。寒潮是大氣環(huán)流調(diào)整時發(fā)生多層氣流演變的天氣過程，當(dāng)北方強(qiáng)冷空氣流與南方北抬的暖濕氣流相遇，隨著強(qiáng)冷氣流積蓄了充分的抗衡暖濕氣流的能量時，便會產(chǎn)生大規(guī)模冷空氣向南侵襲的過程，形成寒潮風(fēng)暴[4]。江蘇沿海位于北半球中緯度附近，是冷暖氣流頻繁交匯的地區(qū)，寒潮目前已是冬半年影響江蘇的主要災(zāi)害性天氣之一[1]。

江蘇省擁有65.3萬km2灘涂濕地面積，居全國最高[5]。無論是養(yǎng)殖業(yè)還是現(xiàn)在已經(jīng)得到突破的鹽水種植業(yè)，灘涂農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的開發(fā)可以為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)[6]，因此對于江蘇沿海寒潮的研究具有重大意義。前人對于渤海灣的寒潮風(fēng)暴潮研究較多，李鑫[7]、趙鵬[8]、章衛(wèi)勝[9]、張金善[10]等都對渤海灣寒潮的增水?dāng)?shù)值模擬、潮流場分布和風(fēng)險(xiǎn)分析等進(jìn)行過研究。針對江蘇沿海，周建春等基于SWAN模型模擬了江蘇沿海寒潮風(fēng)浪場的時空分布，進(jìn)行的特征分析表明，有效波高分布與風(fēng)場分布基本一致，寒潮風(fēng)浪在江蘇沿海北部影響較為顯著，輻射沙洲附近由于其特殊地形影響相對較小[11]。付元沖等建立了長江口及鄰近區(qū)域的溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型，對其增水的特征和機(jī)制進(jìn)行了討論[12]。

目前對于江蘇省沿海寒潮風(fēng)暴潮位的數(shù)值模擬和空間分布規(guī)律的研究尚存在空白，因此本文建立了江蘇沿海天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，利用其模擬了最不利寒潮情況發(fā)生時的潮位過程，并分析了此時江蘇海域的潮位變化情況和分布規(guī)律。

1　典型寒潮過程

參考《海洋災(zāi)害公報(bào)》中寒潮的信息以及南通沿海3個潮位觀測站(大洋港閘、遙望港閘和小洋口閘)1979年以來受寒潮的影響情況，結(jié)合再分析風(fēng)場資料，進(jìn)一步精確時間范圍，得到了9次影響江蘇的典型寒潮過程，具體寒潮及發(fā)生時間見表1。由于寒潮對潮位的影響主要表現(xiàn)在長時間的大風(fēng)一直作用于水體，水體不斷堆積，潮位逐漸高于正常潮位。本次篩選寒潮的依據(jù)是根據(jù)《寒潮等級》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21987─2008)[13]對一次寒潮的規(guī)定：對局地而言，冷空氣影響后，日最低氣溫下降幅度24 h≥8 ℃，或48 h≥10 ℃，或72 h≥12 ℃，且最低氣溫≤4 ℃以及寒潮發(fā)生過程中平均風(fēng)速不小于10 m/s。

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，江蘇海域寒潮發(fā)生時間主要集中在秋末、冬季和初春3個季節(jié)，風(fēng)向一般是北向風(fēng)偏多，與沿海岸線呈小角度入射狀態(tài)，體現(xiàn)為西北偏北以及東北偏北。綜合大風(fēng)持續(xù)時間、日均溫差值以及最大風(fēng)速考慮，序號1、2、6和9這4場寒潮強(qiáng)度相對較大。綜合風(fēng)速和大風(fēng)持續(xù)時間來看，序號6和9這兩場寒潮過程以及風(fēng)向比較具有代表性。本文選取序號9的寒潮(141008號寒潮)作為研究對象。

表1　江蘇海域典型寒潮出現(xiàn)相關(guān)時間及風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

2　模型建立與驗(yàn)證

為建立江蘇近海二維天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，選擇丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE21的Flow Model模塊。MIKE21被廣泛應(yīng)用于風(fēng)、浪、流等引起的水動力現(xiàn)象的研究，其水動力模塊涵蓋河、湖、海及近岸區(qū)域，還可考慮風(fēng)、浪、流的影響[14]。

2.1　模型范圍與網(wǎng)格劃分

江蘇近海天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型范圍如圖1所示，從長江口至成山頭，自南31 °N至北37 °N，東起124 °E，西至海岸邊界。如圖2所示，模型采用無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散，近岸最小網(wǎng)格為300 m。整個計(jì)算區(qū)域包括74905個網(wǎng)格點(diǎn)、146533個網(wǎng)格單元。時間步長取30 s。本模型的水下地形資料基準(zhǔn)面為1985國家高程基準(zhǔn)。

2.2　邊界條件

模型的開邊界包括南、東、北3個水域邊界，沿逆時針方向布置有135個網(wǎng)格點(diǎn)，每個邊界網(wǎng)格點(diǎn)均由逐時的潮位過程作為邊界條件。

2.3　風(fēng)場和氣壓場條件

模型所用的風(fēng)場是基于歐洲ECMWF再分析風(fēng)場的資料[15]，時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°×0.125°，根據(jù)再分析風(fēng)場的數(shù)據(jù)在計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行插值。為檢驗(yàn)風(fēng)場的準(zhǔn)確性，本文選取141008號寒潮發(fā)生時，將模型風(fēng)場與蠣岈山測站實(shí)測的風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓進(jìn)行比對，由圖3～圖5可知，結(jié)果吻合較好。

2.4　模型驗(yàn)證

141008號寒潮于2014年10月6日在歐亞中高緯度地區(qū)生成，在新西伯利亞區(qū)域形成了較強(qiáng)冷渦，隨著冷空氣的不斷堆積，冷渦東移，受鄂霍次克海高脊阻擋，冷空氣堆積加強(qiáng)，8日轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)鋒區(qū)，此時蒙古冷高壓強(qiáng)盛。11日受副熱帶高壓北上的影響，鄂霍次克海高脊消失，冷空氣東移南下，蒙古冷高壓隨之東移南下，寒潮爆發(fā)。爆發(fā)的冷空氣在南移過程中帶來了大面積降溫降水[16]。受本次寒潮影響，江蘇海域在10～13日出現(xiàn)大面積降溫降水，且寒潮過程中的持續(xù)性NNW大風(fēng)使沿海水體不斷堆積，沿海潮位有明顯升高。

圖1　模型計(jì)算范圍

圖2　模型計(jì)算網(wǎng)格

圖3　再分析風(fēng)向與實(shí)測風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖4　再分析風(fēng)向與實(shí)測風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖5　再分析氣壓與實(shí)測氣壓對比

選取寒潮影響江蘇海域的時間(2014年10月11日12：00到2014年10月14日00:00)作為計(jì)算起止時間，圖6為141008號寒潮作用時4個觀測站(蠣岈山、大豐、連云港、響水)的潮位模擬驗(yàn)證結(jié)果。由圖可知，4個測站的實(shí)測最高潮位與模擬最高潮位分別相差0.17、0.24、0.22、0.16 m，其中相位偏差不超過0.5 h，說明模型計(jì)算結(jié)果較為合理。

3　寒潮風(fēng)暴潮潮位的分布規(guī)律

為了設(shè)計(jì)寒潮風(fēng)暴潮和天文潮的最不利組合，估算寒潮作用下最大可能出現(xiàn)的異常高潮位，確定異常高潮位的空間分布規(guī)律。本次研究選取2002年最高天文潮位(2002年10月8日0:40)，與141008號寒潮組成最不利組合。

通過上文建立的數(shù)值模型，模擬最不利組合下的風(fēng)暴潮位，由圖7可以看出在141008號寒潮大風(fēng)作用下，蠣岈山站的最高潮位達(dá)4.38 m，其中寒潮引起的增水最大達(dá)1.66 m，超過1.0 m以上的增水達(dá)11 h。

圖6　4個測站寒潮過程潮位模擬驗(yàn)證結(jié)果

圖7　最不利組合下蠣岈山潮位過程線對比

當(dāng)蠣岈山達(dá)到最高潮位時，江蘇沿海的潮位分布如圖8所示，由寒潮風(fēng)暴引起的增水分布如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)在寒潮大風(fēng)影響下，分別以弶港和蠣岈山為中心，呈扇形散開的近海區(qū)域有明顯的增水，離岸線較遠(yuǎn)處的海域增水接近1.0 m，離弶港較近的海域增水可達(dá)1.5 m甚至更高。

以蠣岈山站達(dá)到最高潮位的時刻為參考，圖10為大風(fēng)引起的江蘇近海海域在蠣岈山站達(dá)到最高潮位前6 h的寒潮增水變化情況?？v觀這6個時刻的增水變化可以發(fā)現(xiàn)，在NNW大風(fēng)的持續(xù)性作用下，前6 h已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的增水，且增水的主要區(qū)域以輻射沙脊群區(qū)域?yàn)橹?，平均增水可達(dá)0.5 m；在這片海域里，尤其以弶港為中心的扇形近海區(qū)域和以蠣岈山為中心的另一扇形近海區(qū)域，由寒潮引起的風(fēng)暴增水明顯高于其他鄰近海域。在本次寒潮的作用下，這兩個區(qū)域的寒潮增水在1.5 ～ 2.0 m，屬于寒潮引起的風(fēng)暴潮增水敏感區(qū)域。

圖8　江蘇近海寒潮引起的潮位分布

4　結(jié)論與展望

本章基于MIKE21的Flow Model模塊和ECMWF再分析風(fēng)場，建立了江蘇沿海天文潮-風(fēng)暴潮耦合數(shù)值模型，驗(yàn)算了141008號寒潮發(fā)生時潮位的變化情況，驗(yàn)算結(jié)果顯示江蘇近海風(fēng)暴潮-天文潮耦合數(shù)學(xué)模型可以合理模擬本海域寒潮發(fā)生時潮位變化情況。

利用該模型模擬了影響江蘇的141008號寒潮在天文大潮發(fā)生時江蘇沿海的潮位分布和寒潮風(fēng)暴增水分布情況，結(jié)果表明蠣岈山站在141008號寒潮的影響下，海域增水超過50 cm的時間接近7 h，最大增水約100 cm。并給出了蠣岈山站在寒潮大風(fēng)作用下達(dá)到最高潮位前6個時刻的江蘇近海風(fēng)暴增水變化情況。根據(jù)模型模擬的潮位和沿海的寒潮風(fēng)暴增水變化可知，在NNW寒潮大風(fēng)影響下，分別以弶港和蠣岈山為中心，呈扇形散開的近海區(qū)域的增水明顯高于其他鄰近海域，增水可達(dá)1.5 m甚至更高。

圖9　江蘇近海寒潮引起的增水分布

圖10　江蘇近海寒潮引起的逐時增水分布

寒潮由于風(fēng)向、風(fēng)速、持續(xù)時間的不同，都會對增水造成不同的影響。下一階段可以考慮從不同的風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場的持續(xù)時間入手構(gòu)建不同的最不利組合，研究其對海域潮位的影響。

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