登陸臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口口門(mén)水域的影響*

張國(guó)慶，韓 露，徐 斌，王元葉

(上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201)

影響東海海域的臺(tái)風(fēng)主要有兩類(lèi)[1-2]:1)由于太平洋次表層偏暖，生成于西北太平洋(150°E以西)的臺(tái)風(fēng)，易于向西北移動(dòng)，過(guò)境東海，甚至登陸沿岸，造成直接影響；2)由于西太平洋次表層處于冷狀態(tài)，季風(fēng)槽位置偏南，臺(tái)風(fēng)生成于150°E以東海域，移動(dòng)路徑易于在130°E附近向東北偏轉(zhuǎn)，在東海海域形成長(zhǎng)周期涌浪，造成間接影響。第2類(lèi)臺(tái)風(fēng)是長(zhǎng)江口附近水域最為多發(fā)的臺(tái)風(fēng)類(lèi)型，該類(lèi)臺(tái)風(fēng)易產(chǎn)生較大波能[3]。受東側(cè)過(guò)境臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向變化影響，長(zhǎng)江口附近水域波高及波周期明顯增大[4]。孫亞珍等[5]指出臺(tái)風(fēng)自東側(cè)過(guò)境期間波浪以混合浪為主，且以涌浪為主的混合浪；陳曉斌等[6]模擬出臺(tái)風(fēng)中心距觀測(cè)點(diǎn)不同的距離范圍內(nèi)時(shí)，混合浪中風(fēng)浪、涌浪的占比不同，在長(zhǎng)江口附近水域表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)中心距觀測(cè)點(diǎn)600～1 000 km時(shí)涌浪作為先行波最先顯現(xiàn)，200～600 km范圍內(nèi)主要以風(fēng)浪為主。受限于長(zhǎng)江口正面登陸臺(tái)風(fēng)的實(shí)測(cè)資料較少，以往成果主要集中在東側(cè)過(guò)境臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口附近水域的影響。

本文基于上海河口海岸科學(xué)研究中心自主搭建的“長(zhǎng)江口水文、泥沙、波浪自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”觀測(cè)得到的風(fēng)速風(fēng)向、波浪、潮位、流速、流向等現(xiàn)場(chǎng)資料(圖1、表1)，重點(diǎn)分析正面登陸臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間對(duì)長(zhǎng)江口水域風(fēng)速和風(fēng)向、有效波高與有效波周期、增水及垂直于航道軸線的橫向流速分量的影響，并研究不同潮位、不同波高背景下，長(zhǎng)江口口門(mén)處橫向流速變化特征，探討東側(cè)過(guò)境臺(tái)風(fēng)與正面登陸臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口的不同影響，為后續(xù)臺(tái)風(fēng)影響下水體背景含沙量變化提供動(dòng)力依據(jù)，為深入研究航道浮泥生成及驟淤形成機(jī)理提供參考。

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)位置

表1 各站點(diǎn)觀測(cè)要素

1 2018年登陸臺(tái)風(fēng)

初步統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江口12.5 m深水航道開(kāi)通以來(lái)的2010—2018年，累計(jì)遭受臺(tái)風(fēng)侵襲近30次，多發(fā)生在年內(nèi)7—9月。2018年，影響長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)累計(jì)6次，分別為“安比”“云雀” “摩羯”“溫比亞”“蘇力”“康妮”。其中“安比”“云雀”“溫比亞”分別登陸上海崇明、金山及浦東新區(qū)。

1949年至今，上海先后遭遇9種臺(tái)風(fēng)登陸，登陸風(fēng)速介于15～40 ms，登陸地點(diǎn)分布在金山、奉賢、浦東及崇明等沿海區(qū)域，其中多數(shù)是在浙江中北部登陸以后北上再經(jīng)過(guò)杭州灣登陸上海，而從海上西行直接登陸上海的臺(tái)風(fēng)較為少見(jiàn)。2018年，直接登陸上海的臺(tái)風(fēng)累計(jì)達(dá)3次，其登陸頻次之高、發(fā)生間隔之短均達(dá)歷史之最，見(jiàn)表2。

表2 1949年以來(lái)登陸長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)及相關(guān)參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于溫州臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(http:www.wztf121.com);2014年以前的臺(tái)風(fēng)已無(wú)法追溯其官方中文名稱(chēng)。

1.1 10號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”

“安比”生成于東側(cè)太平洋洋面，影響時(shí)段為2018-07-18—2018-07-24，2018-07-20T08:00時(shí)發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；2018-07-22T12:30登陸上海崇明東部，風(fēng)力10級(jí)、風(fēng)速28 ms、中心氣壓98.0 kPa；登陸后中心風(fēng)力減弱，隨后北上，直至消亡。期間，長(zhǎng)江口站風(fēng)速、風(fēng)向資料顯示風(fēng)力在6級(jí)以上持續(xù)時(shí)段主要是2018-07-21—2018-07-23；短時(shí)最大風(fēng)速為31.1 ms(2018-07-22T07:50)，短時(shí)強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|北向，見(jiàn)圖2。

圖2 “安比”登陸期間長(zhǎng)江口站風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖及矢量圖

1.2 12號(hào)臺(tái)風(fēng)“云雀”

“云雀”生成于東側(cè)太平洋洋面，影響時(shí)段為2018-07-25—2018-08-03，于2018-07-26T02:00發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；2018-08-03T11:00登陸上海金山西部，風(fēng)力9級(jí)、風(fēng)速23 ms、中心氣壓98.5 kPa；登陸后中心風(fēng)力減弱，直至消亡。期間，長(zhǎng)江口站風(fēng)速風(fēng)向資料顯示風(fēng)速在6級(jí)以上持續(xù)時(shí)段主要是2018-08-02—2018-08-03；短時(shí)最大風(fēng)速為25.7 ms(2018-08-03T01:50)，短時(shí)強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|北向，見(jiàn)圖3。

圖3 “云雀”登陸期間長(zhǎng)江口站風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖及矢量圖

1.3 18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”

“溫比亞”生成于東側(cè)太平洋洋面，影響時(shí)段為2018-08-15—2018-08-20，于2018-08-16T21:00發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；2018-08-17T04:00登陸上海浦東新區(qū)南部沿海，風(fēng)力10級(jí)、風(fēng)速25 ms、中心氣壓98.2 kPa；登陸后風(fēng)力略有衰減，向西挺進(jìn)，直至消亡。期間，長(zhǎng)江口站風(fēng)速風(fēng)向資料顯示風(fēng)速在6級(jí)以上持續(xù)時(shí)段主要是2018-08-16—2018-08-27；短時(shí)最大風(fēng)速為26.1 ms(2018-08-16T19:20)，短時(shí)強(qiáng)風(fēng)向?yàn)闁|北向，見(jiàn)圖4。

圖4 “溫比亞”登陸期間長(zhǎng)江口站風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖及矢量圖

2 登陸臺(tái)風(fēng)對(duì)河口產(chǎn)生的影響

2.1 波浪特征值變化

常態(tài)天氣下，長(zhǎng)江口口門(mén)處波浪有效波高平均值介于0.61～0.95 m，有效波周期平均值在4.2～4.7 s，見(jiàn)圖5。非常態(tài)天氣下，波浪要素變化主要與臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力、中心移速等有關(guān)，隨著臺(tái)風(fēng)接近和到達(dá)長(zhǎng)江口，風(fēng)浪達(dá)到最大值[7]。

注：統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2014年11月—2015年10月，期間無(wú)明顯大風(fēng)過(guò)程。圖5 牛皮礁站有效波高與有效波周期頻率

2018年，臺(tái)風(fēng)“安比”“云雀”及“溫比亞”過(guò)境期間風(fēng)速大、風(fēng)力強(qiáng)，口門(mén)處有效波高明顯增大(圖6)，有效波高與風(fēng)速的時(shí)間變化具有一致性，即風(fēng)力增強(qiáng)，有效波高有所增大；風(fēng)力減弱，有效波高呈明顯衰減。值得注意的是，3次臺(tái)風(fēng)登陸后，有效波周期也隨之減小，與常態(tài)天氣下有效波周期平均值相當(dāng)，未出現(xiàn)東側(cè)過(guò)境臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向后的長(zhǎng)周期涌浪[8]。由此可知，臺(tái)風(fēng)登陸前具有明顯的風(fēng)浪特征，且登陸后未形成長(zhǎng)周期涌浪傳入長(zhǎng)江口。

圖6 三大臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間牛皮礁站最大風(fēng)速、有效波高、有效波周期逐時(shí)變化

2.2 水位變化

同時(shí)，臺(tái)風(fēng)“安比”“云雀”及“溫比亞”登陸前，均出現(xiàn)不同程度的增水，見(jiàn)圖7。其中，“安比”過(guò)境期間最大波高為5.46 m、對(duì)應(yīng)最大波周期12.5 s(2018-07-22T04:00)，“云雀”最大波高為4.51 m、對(duì)應(yīng)最大波周期9.5 s(2018-08-03T04:00)，“溫比亞”最大波高為5.10 m、對(duì)應(yīng)最大波周期10.0 s(2018-08-16T22:00)。相應(yīng)地，口內(nèi)北槽中站風(fēng)后最大增水分別為64、50和68 cm。最大增水出現(xiàn)時(shí)刻與最大波高出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，最大波高基本均出現(xiàn)在登陸前1日的高潮時(shí)(圖9中的虛線框)。

圖7 北槽中站潮位變化

2.3 流速和流向變化

臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，長(zhǎng)江口附近水域波高增大，水位抬升，同時(shí)口門(mén)處水動(dòng)力場(chǎng)也發(fā)生變化。對(duì)牛皮礁浮標(biāo)各層水體流速、流向進(jìn)行正交分解，定義垂直航道方向?yàn)闄M向，由南向北為正。圖8為臺(tái)風(fēng)“安比”和“溫比亞”登陸前后橫向流速分量變化過(guò)程。由圖8a)可知，“安比”登陸前后恰逢天文小潮，潮動(dòng)力較弱；當(dāng)有效波高在2 m以下時(shí)，口門(mén)處由南向北橫向流速分量變化與漲潮過(guò)程一致，隨著潮位升高，橫向流速增大，橫向流速明顯受潮汐控制；當(dāng)有效波高達(dá)到2 m以上時(shí)，口門(mén)處由南向北的橫向流速受到明顯抑制，0.4H層以上(H為水深)水體橫向流速分量減小明顯。該現(xiàn)象在“溫比亞”過(guò)境期間也有所顯現(xiàn)，見(jiàn)圖8b)。

注：粗虛線框?qū)?yīng)時(shí)段內(nèi)有效波高在2 m以上；細(xì)虛線框?qū)?yīng)時(shí)段為漲潮過(guò)程。

圖8“安比”和“溫比亞”登陸前后橫向流速分量變化過(guò)程

謝軍等[9]基于三維潮流、泥沙數(shù)值模擬指出，受臺(tái)風(fēng)影響潮流特征與正常天氣下有所不同，且在漲潮期間比較明顯。然而，由于無(wú)實(shí)測(cè)波向資料，無(wú)法定量論證不同登陸位置對(duì)口門(mén)處橫向流速分量的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1)臺(tái)風(fēng)“安比”“云雀”“溫比亞”登陸期間，口門(mén)附近水域水動(dòng)力條件發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：

①臺(tái)風(fēng)登陸前有效波高與有效波周期達(dá)到最大，登陸后有效波周期減小至常態(tài)天氣水平，未出現(xiàn)長(zhǎng)周期涌浪。

②臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致河口水域增水明顯，最大增水出現(xiàn)時(shí)刻與最大波高出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，均為登陸前高潮時(shí)。

③臺(tái)風(fēng)登陸前，有效波高在2 m以下時(shí)，口門(mén)處橫向流速分量與潮汐變化過(guò)程一致，漲潮期間，存在明顯的由南向北的橫向流速分量；當(dāng)有效波高達(dá)到2 m以上時(shí)，口門(mén)處由南向北的橫向流速分量受到明顯抑制。

2)下階段，將在現(xiàn)有結(jié)果基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析臺(tái)風(fēng)對(duì)水體不同深度處懸沙含沙量的影響，探討臺(tái)風(fēng)是如何改變水體背景含沙量，總結(jié)臺(tái)風(fēng)影響下表層懸沙與近底高濃度泥沙的不同輸移路徑，為長(zhǎng)江口12.5 m深水航道驟淤研究提供參考。