海平面上升對渤海風(fēng)暴潮增水的影響
——以“0310”寒潮風(fēng)暴潮為例

李 琮，丁玉梅，趙 亮

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；2. 天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457)

風(fēng)暴潮是大氣異常擾動造成的海水劇烈升降現(xiàn)象，包括由強風(fēng)引起的溫帶或者寒潮風(fēng)暴潮和由熱帶氣旋導(dǎo)致的氣壓驟變引起的臺風(fēng)風(fēng)暴潮[1].風(fēng)暴潮災(zāi)害是我國沿海地區(qū)最嚴重的海洋災(zāi)害.渤海是典型的半封閉海灣型內(nèi)陸架淺海，由于其地理位置的特殊性，渤海更容易遭受臺風(fēng)風(fēng)暴潮和寒潮風(fēng)暴潮的威脅[2–3].隨著環(huán)渤海經(jīng)濟圈的不斷發(fā)展，對渤海風(fēng)暴潮的防災(zāi)減災(zāi)需求也在增加.

受氣候變化影響，全球平均海平面持續(xù)表現(xiàn)為上升趨勢.海平面上升將嚴重影響沿海地區(qū)的生產(chǎn)建設(shè)活動，也通過影響近海潮波，引起主要分潮的遲角和潮差發(fā)生變化，對風(fēng)暴潮增水產(chǎn)生一定的影響[4–7]，張平等[8]預(yù)測，海平面上升疊加風(fēng)暴潮對2050年中國海洋經(jīng)濟損失影響較大.國內(nèi)外學(xué)者[9–12]對海平面變化和風(fēng)暴潮過程進行了很多研究.Kopp等[13]基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告，針對未來溫室氣體排放不同情景，對全球平均海平面的變化概率進行了預(yù)測分析.Zhang等[14]以2003年的伊莎貝爾(Isabel)颶風(fēng)為例，研究了海平面變化對半封閉切薩皮克灣(Chesapeake Bay)風(fēng)暴潮的影響，預(yù)測在2050年和2100年氣候條件下，海平面變化對風(fēng)暴潮增水的影響較小.張吉等[15]利用海洋環(huán)流模式(parallel ocean program，POP)，在代表性濃度路徑RCP 4.5情景下，預(yù)測21世紀南海平均海平面在10年間上升15～39cm.于宜法等[16]研究了海平面上升對東中國海潮波變化的影響，指出海平面上升導(dǎo)致風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇.高志剛[17]指出，東中國海風(fēng)暴潮受海平面上升的影響，海平面上升導(dǎo)致風(fēng)暴潮增減水效應(yīng)也隨之增加，風(fēng)暴潮增水極值隨海平面上升而減小，由于量值較小因此對風(fēng)暴潮影響不大.仉天宇等[18]指出，海平面上升導(dǎo)致河北黃驊臺風(fēng)風(fēng)暴潮漫灘風(fēng)險增加.宗虎城等[19]指出，海平面上升后，與風(fēng)暴潮和天文潮產(chǎn)生非線性作用，引起超高水位，黃浦江口風(fēng)暴潮的凈升高值大于海平面上升的值.謝洋[20]指出，海平面上升導(dǎo)致的風(fēng)暴潮增水極值差值空間分布不一致，海平面上升導(dǎo)致珠江口風(fēng)暴潮增水極值減少了3%～5%.莊圓等[21]基于驗潮站數(shù)據(jù)，根據(jù)皮爾森統(tǒng)計模型指出，代表性濃度路徑RCP8.5情景下，海平面上升顯著縮短中國沿海地區(qū)極值水位的重現(xiàn)期.

海平面變化對不同海域風(fēng)暴潮增水的影響存在差異，但是對其動力機制的分析很少，未來海平面上升對渤海海域風(fēng)暴潮變化的影響也鮮有報道.渤?！?310”風(fēng)暴潮是渤海周邊海域近年來遭受的一次較為嚴重的寒潮風(fēng)暴潮，具有典型的寒潮風(fēng)暴潮特征.本文利用有限體積近岸海洋動力學(xué)模型FVCOM，以對應(yīng)時段的模擬風(fēng)場作為強迫條件，對渤?！?310”寒潮風(fēng)暴潮進行數(shù)值模擬，研究海平面上升對渤海寒潮風(fēng)暴潮增水的影響.

1 計算區(qū)域和模型設(shè)置

1.1 模型設(shè)置

FVCOM模型是基于三角網(wǎng)格和有限體積法的三維近海海洋模式，適用于對河口和復(fù)雜岸線的模擬，模型所使用的有限體積法能夠從通量的角度考慮水體的運動，保證水體動量、質(zhì)量和能量的守恒[22].

模型研究的渤海區(qū)域如圖1所示，模型的計算區(qū)域包括整個渤海，開邊界設(shè)在渤海海峽以東的122.9°E附近.計算使用的水深數(shù)據(jù)采用分辨率為1′×1′的東中國海的水深數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格點上[23]，渤海灣海域的岸線數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星反演獲得的2010年高分辨率岸線，分辨率為0.001°×0.001°.模型所使用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖2所示.

圖1 模型研究的渤海區(qū)域Fig. 1 Model region in the Bohai Sea

圖2 模擬使用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig. 2 Unstructured grids used for the simulations

在渤海灣近岸的空間分辨率為300m；隨著離岸距離的不斷增大，逐漸變化為1000m、2000m、4000m和8000m；到開邊界處達到10000m.網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為12824個，單元個數(shù)為24656個，模型采用正壓模型，溫度和鹽度分別為10℃和30.外模時間步長為3s，內(nèi)模時間步長為30s.采用美國俄勒岡大學(xué)潮汐預(yù)報模式(OSU tidal prediction software，OTPS)預(yù)報的實時水位進行驅(qū)動，選取8個主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1合成模型開邊界潮位.風(fēng)場使用中尺度天氣預(yù)報模型(weather research forecast，WRF)模擬的風(fēng)場數(shù)據(jù)[24–25]，時間分辨率為每3h一次，空間分辨率為0.1°×0.1°.

1.2 情景設(shè)置

《2019年中國海平面公報》[26]數(shù)據(jù)顯示，我國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢，1980—2019年平均上升速率為3.4mm/a，渤海海域上升速率3.7mm/a，高于其他海域，且呈逐年增大趨勢.預(yù)計未來30年，渤海沿海海平面將上升55～180mm.IPCC第5次評估報告分析了代表性濃度路徑RCPs，其中RCP4.5是中短期適應(yīng)氣候變化的新情景，相對于其它路徑，RCP4.5是代表性濃度中間穩(wěn)定路徑，比較符合當(dāng)今的減排措施和效果[27].Kopp等[13]基于IPCC第5次評估報告，設(shè)置未來溫室氣體排放不同路徑，預(yù)測了全球平均海平面的變化.本文參考文獻[13]和文獻[27]，以2002年渤海海平面高度為基準，選取中等溫室排放代表性濃度路徑RCP4.5情景，研究海平面變化對渤海未來風(fēng)暴潮的影響(表1).

表1 各情境下渤海海平面高度上升數(shù)值Tab. 1 Sea level rise under each scenario in the Bohai Sea

在緯度比較高的渤海海域，受臺風(fēng)或者熱帶氣旋影響的概率較小，在秋冬過渡或者冬春過渡季節(jié)容易受到寒潮大風(fēng)的影響，造成寒潮風(fēng)暴潮增水.2003年10月，受北方強冷空氣影響，渤海沿岸發(fā)生了近10年來最強的一次寒潮風(fēng)暴潮的過程.在不同海平面上升情景設(shè)置中，利用2003年“0310”風(fēng)暴潮的風(fēng)場和潮汐過程作為強迫場進行數(shù)值模擬.

2 模型驗證

對渤海潮汐進行數(shù)值模擬，模擬時間是從2003年10月1日到10月31日，選取后25天的模擬數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，并與實測數(shù)據(jù)進行對比，對模型進行校正.調(diào)和分析得到的M2分潮等振幅和等遲角圖如圖3所示，與海圖對比基本特征相符.模擬得到的渤海海域的M2分潮的振幅和遲角數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比分析見表2，振幅絕對誤差均值為2.7cm，遲角絕對誤差均值5.9°，模擬得到的調(diào)和常數(shù)與實測數(shù)據(jù)對比基本吻合[28].

圖3 模擬的渤海M2分潮的等振幅(cm)和等遲角(°)圖Fig. 3 Simulated co-amplitude(in centimeters) and cophase(in degrees)maps of M2 constituent in the Bohai Sea

表2 渤海M2分潮調(diào)和常數(shù)觀測值和模擬值的比較Tab. 2 Comparison between the observed and simulated harmonic constants of M2 constituent in the Bohai Sea

對渤海2003年10月的“0310”寒潮風(fēng)暴潮過程進行數(shù)值模擬，模擬時間是從2003年10月1日到2003年10月17日，取10月10日到10月13日的數(shù)據(jù)進行分析，對模型進行驗證.圖4為塘沽站模擬與實測風(fēng)暴潮增水時間序列的對比分析.由圖4可知：對于風(fēng)暴潮增水過程中的變化趨勢和極值增水出現(xiàn)的時間點，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本一致，絕對誤差均值為0.27m.模擬數(shù)據(jù)在第一次增水極值發(fā)生時略低于實測數(shù)據(jù)，這可能是由于網(wǎng)格精度和局部水深精確度不夠所致，但不影響本文關(guān)于風(fēng)暴潮極值增水的比較研究.

圖4 塘沽2003年10月風(fēng)暴潮增水模擬與實測數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Simulated and observed storm surge heights at Tanggu Station in October 2003

3 結(jié)果分析

3.1 渤海風(fēng)暴潮增水過程分析

渤?！?310”寒潮風(fēng)暴潮的主要增水過程發(fā)生在2003年10月10日至13日，影響范圍覆蓋整個渤海海域，在渤海西岸的渤海灣和西南岸的萊州灣造成了明顯的風(fēng)暴潮增水.

模擬的渤海寒潮風(fēng)暴潮增水的空間分布如圖5所示.

圖5 模擬的渤海寒潮風(fēng)暴潮增水的空間分布Fig. 5 Distribution of extratropical storm surge height in the Bohai Sea

由圖5可知：在風(fēng)暴潮初振階段，渤海3個灣內(nèi)增減水?dāng)?shù)值均在0.8m以下；在風(fēng)暴潮激振階段，在東北大風(fēng)的作用下，渤海灣和萊州灣增水明顯，渤海灣沿岸增水超過1.0m，萊州灣沿岸增水接近1.0m，遼東灣沿岸出現(xiàn)明顯的減水過程；直到11日10時，渤海西南部增水?dāng)?shù)值繼續(xù)增大，渤海灣西部近岸區(qū)域出現(xiàn)超過1.5m的增水，其中最大增水達到1.8m，萊州灣灣底近岸區(qū)域增水也接近1.0m；在風(fēng)暴潮后期，渤海灣及萊州灣的增水明顯下降，遼東灣區(qū)域的減水分布消失.

3.2 海平面變化對渤海風(fēng)暴潮增水的影響

為直觀理解風(fēng)暴潮增水在不同海平面條件下的改變，將海平面上升后的塘沽站風(fēng)暴潮增水極值與原有海平面情況下的風(fēng)暴潮增水極值相減，得出海平面上升后的增水變化量圖(圖6).預(yù)測結(jié)果顯示，在渤海西部沿海地區(qū)，風(fēng)暴潮增水明顯減少，在風(fēng)暴潮過程中發(fā)生減水的遼東灣海域、渤海灣以東開闊海域和渤海中部開闊海域則出現(xiàn)了不同程度的正值分布，這反映出這些海域的減水?dāng)?shù)值也有所減少.

圖6 各情景下渤海風(fēng)暴潮增水變化量的分布Fig. 6 Distribution of the difference of storm surge height under each scenario

圖6顯示：2030年，海平面上升后，渤海灣西部沿海風(fēng)暴潮增水減少了0.1～0.2m，減幅為5%左右，其中塘沽和黃驊站較為明顯，萊州灣海域增水值變化較小，在遼東灣東北沿岸減水過程減弱，降低幅度為0.1～0.2m；在2050年，渤海灣西岸風(fēng)暴潮增水減少的區(qū)域發(fā)生了小幅的擴大，萊州灣海域變化仍不明顯，遼東灣海域東北沿岸風(fēng)暴潮減水顯著減少，減少值為0.1～0.2m；在2100年，渤海灣內(nèi)風(fēng)暴潮增水減少的區(qū)域進一步增大，萊州灣西部沿岸的風(fēng)暴潮增水出現(xiàn)了小范圍的下降，東部的減水區(qū)域則出現(xiàn)了減水幅度減少的現(xiàn)象，遼東灣海域風(fēng)暴潮減水幅度達到0.2m的海域向西北方向擴大.

3.3 海平面變化對渤海灣3個典型站位風(fēng)暴潮增水的影響

渤海寒潮風(fēng)暴潮期間，受影響最大的是渤海灣和萊州灣.塘沽、黃驊和曹妃甸站位是位于渤海灣西部的典型重要港口，受風(fēng)暴潮威脅較大.圖7顯示，在渤海灣典型站位，隨著海平面升高風(fēng)暴潮增水極值有稍微下降的趨勢.

圖7 海平面上升后渤海灣典型站位風(fēng)暴潮增水的變化Fig. 7 Changes in storm surge height at typical stations in Bohai Bay after sea level rise

渤海灣典型站位未來海平面上升后風(fēng)暴潮極值增水和極值水位的變化趨勢見表3.

表3 渤海灣典型站位在海平面上升情景中風(fēng)暴潮極值增水和極值水位的變化趨勢Tab. 3 Variation of maximum storm surge elevation and the first maximum water level at typical stations in Bohai Bay under sea level rise scenarios

從表3可以看出：渤海未來海平面上升后，渤海灣典型站位的風(fēng)暴潮極值增水和極值水位都有減少的趨勢，其中風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度較大.塘沽站地處渤海灣西端，是我國北方重要的國際貿(mào)易港口，在2030年，風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度為4.26%，在2100年，風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度達到16%以上.黃驊站位于天津港以南的渤海灣西南沿岸，在寒潮風(fēng)暴潮過程中，增水持續(xù)時間更長，水位更高，在2030年，風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度為2.25%，到2100年，風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度達到10%以上.曹妃甸站位于渤海灣灣口北側(cè)，風(fēng)暴潮增水自東向西逐漸增大，2030年風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度為8.49%，在2100年，風(fēng)暴潮極值增水減少的幅度達到19%以上.

3.4 影響機制分析

海平面上升改變了潮波系統(tǒng)的振幅和遲角，造成海面活動發(fā)生變化.由于渤海不規(guī)則半日潮占優(yōu)，因此主要研究海平面上升情景對M2分潮的振幅和遲角的影響.圖8為模擬的2030年、2050年、2100年的渤海M2分潮的等振幅和等遲角圖.

圖8 各情景下渤海M2分潮等振幅和等遲角圖Fig. 8 Simulated co-amplitude(in centimeters)and cophase(in degrees)maps of M2 constituent in the Bohai Sea under each scenario

隨著海平面上升，在渤海灣，M2分潮的等振幅線表現(xiàn)出向無潮點收縮的趨勢，振幅有增加的趨勢.M2分潮等遲角線呈逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，其旋轉(zhuǎn)角度可以達到約10°.在萊州灣內(nèi)的同潮時線發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn).同潮時線的偏轉(zhuǎn)，致使半日分潮在渤海灣、萊州灣等海域的潮汐位相提前.這與文獻[17，29]中的結(jié)論一致.風(fēng)暴潮產(chǎn)生的主要原因是由于潮汐和風(fēng)暴潮的非線性作用，由于潮汐水位和相位的改變導(dǎo)致渤海風(fēng)暴潮水位的變化，使風(fēng)暴潮增水出現(xiàn)改變，這與文獻[30–31]的分析一致.海平面上升后，由于潮汐振幅的增加，使渤海灣近岸潮汐高潮位升高.由于海平面上升后風(fēng)暴潮極值水位有減少的趨勢(見表3)，因此對應(yīng)的風(fēng)暴潮極值增水有相對減少的趨勢，但是相對于海平面上升，風(fēng)暴潮水位減少的量值較小.

海平面的變化影響了渤海的地形和水深，并對渤海風(fēng)暴潮造成一定的影響[9].渤海屬于半封閉的淺海，平均水深只有18m，風(fēng)暴潮的淺水效應(yīng)明顯.Dean等[32]利用方程(1)解釋了風(fēng)暴潮增水(ζ)、風(fēng)應(yīng)力(τa)、底應(yīng)力(τb)、海平面的尺度(L)和整個的風(fēng)暴潮水位(h＋ζ)相關(guān).

式中：參數(shù)k為經(jīng)驗常數(shù)；ρ為空氣密度；g為重力加速度；h為水深.

如上面方程所示，風(fēng)暴潮增水與風(fēng)暴潮水位成反比，如果風(fēng)應(yīng)力和底應(yīng)力是常數(shù)，海平面水位升高使渤海海域相對水深增加，導(dǎo)致渤海近岸海域的風(fēng)暴潮增水減少.

4 結(jié) 語

基于FVCOM海洋動力學(xué)模型，建立了渤海風(fēng)暴潮模型，以渤海寒潮風(fēng)暴潮為例，在代表性濃度路徑RCP4.5情景下，設(shè)置敏感實驗，模擬分析了海平面上升對渤海風(fēng)暴潮增水的影響.結(jié)果顯示，海平面上升情景下，渤海灣近岸和萊州灣西部海域風(fēng)暴潮極值增水有減少的趨勢，遼東灣等渤海東北部海域風(fēng)暴潮減水也有減少的趨勢.渤海灣3個典型站位的風(fēng)暴潮增水隨著海平面上升有減少的趨勢，預(yù)測到2100年，減小幅度約為10%～20%.分析原因主要是由于海平面上升改變了潮波的運動，使潮汐水位增加，同時海平面的上升使渤海水深相對增加，導(dǎo)致渤海近岸風(fēng)暴潮增水有減少的趨勢.模擬發(fā)現(xiàn)，海平面上升后風(fēng)暴潮極值水位減少的量遠小于海平面上升量，因此海平面的上升對風(fēng)暴潮極值水位的影響較小.未來的風(fēng)暴潮災(zāi)害，應(yīng)主要考慮海平面上升導(dǎo)致的風(fēng)暴潮水位的相對抬升的影響.