舟山本島海域“煙花”臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴高潮位研究

黃世昌，謝亞力，嚴(yán)聿晗，劉 勇，于普兵

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020)

浙江沿海地勢(shì)低平，依靠海塘工程防潮擋浪，保護(hù)當(dāng)?shù)厝嗣裆拓?cái)產(chǎn)安全。由于特殊的地理位置和氣候條件，浙江沿海每年夏秋季節(jié)經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)侵襲。近年來(lái)，由于全球氣候變暖等因素的影響，極端性天氣氣候事件增多，熱帶氣旋中生成臺(tái)風(fēng)（包括臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）的比例升高，登陸或嚴(yán)重影響浙江的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率呈上升態(tài)勢(shì)，而且臺(tái)風(fēng)北移登陸的次數(shù)增多，對(duì)舟山本島及鄰近島嶼的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)威脅越來(lái)越大。自1997年8月“溫妮”臺(tái)風(fēng)造成舟山歷史高潮位以后，2021年“煙花”臺(tái)風(fēng)在舟山定海登陸造成的高潮位接近歷史高值，并高于170.26 km海塘的設(shè)計(jì)高潮位，造成濱海街道一定程度的淹沒(méi)，約5 km的海塘和堤防護(hù)岸以及水閘等受到不同程度損壞。由于舟山本島所在海域，即以本島為中心至甬江口、廟子湖、岱山和六橫的區(qū)域，潮位長(zhǎng)期測(cè)站較少，潮波變化復(fù)雜，且以往在舟山登陸的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)個(gè)例不多，已有研究主要集中在全省尺度范圍的沿海風(fēng)暴潮[1-7]，對(duì)于該海域的風(fēng)暴高潮位的認(rèn)識(shí)不足，本島周邊海塘的設(shè)計(jì)高潮位取值往往直接采用本島定海站，未顧及島周邊風(fēng)暴高潮位差異性。本海域是舟山經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，也是寧波-舟山港集輸運(yùn)的主要集中地，因此，開(kāi)展本島海域臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴高潮位研究，有利于區(qū)域風(fēng)暴潮災(zāi)害防御，對(duì)于海塘防御臺(tái)風(fēng)能力的準(zhǔn)確評(píng)估和堤防設(shè)計(jì)具有重要意義。本文建立高分辨率的天文潮和風(fēng)暴潮耦合的數(shù)值模式，考慮淺水區(qū)長(zhǎng)波間非線性作用，分析計(jì)算“煙花”臺(tái)風(fēng)在舟山本島及鄰近登陸時(shí)風(fēng)暴高潮位的分布及其特性。

1 研究區(qū)域概況

舟山海域島礁眾多，星羅棋布，呈東西成行、南北成列、面上成群的分布格局，東北部以小島為主，大島多集中在本島周邊海域（見(jiàn)圖1），包括岱山島和舟山本島及其六橫島等。群島島嶼的分布格局造就了眾多大小不等水道，自東向西，條帚門(mén)、蝦峙門(mén)和清滋門(mén)水道并列；過(guò)佛渡水道、有冊(cè)子水道和金塘水道相銜接；島嶼包圍的較開(kāi)闊海域發(fā)育有水下平原，如峙頭洋、黃大洋和灰鱉洋海域的水下平原。因此，舟山本島海域形成以侵蝕沖刷溝槽與水下平原相組合的水下地貌特征。多數(shù)水道水深在30 m以上，最大水深可達(dá)110 m，水下平原水深在15 m以?xún)?nèi)。本海域受東海潮波控制，外海潮波具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)特性，到近岸區(qū)后受峽道、岸線等局部地形限制，呈現(xiàn)出往復(fù)流特性。舟山海域?qū)僦械葟?qiáng)潮海區(qū)，長(zhǎng)期站平均潮差在2.0～3.0 m。據(jù)2005年1月大范圍潮位觀測(cè)[8]，定海站處于本島海域中心位置，平均潮差1.93 m，均少于東部的沈家門(mén)站（2.24 m）和西部的鎮(zhèn)海(1.99 m) ，也少于北部岱山站（2.03 m）和南部的六橫站（2.33 m）；此后2018年[9]和2019年[10]上述部分測(cè)站的潮位測(cè)量也顯示定海站的潮差總體小于周邊潮差。本海域自1949年以來(lái)，定海歷史最大增水1.60 m[11]，為1956年5612號(hào)臺(tái)風(fēng)造成，歷史高潮位由9711號(hào)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生。1949年1月至2021年8月，登陸浙江臺(tái)風(fēng)共有46次，近20年來(lái)登陸臺(tái)風(fēng)北移明顯，強(qiáng)度加強(qiáng)，其中登陸舟山本島的臺(tái)風(fēng)有2次，外圍登陸2次，均發(fā)生在近5年內(nèi)；登陸時(shí)氣壓小于960 hPa的臺(tái)風(fēng)有7次，即0414號(hào)、200509號(hào)、200515號(hào)、200608號(hào)（“桑美”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）、0717號(hào)、1211號(hào)和1909號(hào)（“利奇馬”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）。20世紀(jì)后50年間登陸浙江的臺(tái)風(fēng)僅3次，即9417號(hào)、9711號(hào)和5612號(hào)臺(tái)風(fēng)。

圖1 舟山本島海域形勢(shì)（潮位站）Fig. 1 Map of Zhoushan island with tidal stations

“煙花”臺(tái)風(fēng)于2021年7月18日形成，過(guò)程中心氣壓最低達(dá)955 hPa，于7月25日12時(shí)30分在浙江舟山定海登陸，登陸時(shí)中心氣壓965 hPa，風(fēng)力13級(jí)，移動(dòng)速度達(dá)15 km/h，登陸后西北行，于7月26日9時(shí)再次在杭州灣北岸登陸。臺(tái)風(fēng)路徑見(jiàn)圖2?！盁熁ā迸_(tái)風(fēng)定海登陸時(shí)恰逢天文潮大潮汛，天文高潮位疊加增水造成舟山本島海域2000年以來(lái)的最高潮位。

圖2 “煙花”臺(tái)風(fēng)實(shí)際路徑和假定路徑Fig. 2 Actual and assumed path of Typhoon In-fa

2 計(jì)算模型的建立

選用浙江省水利河口研究院開(kāi)發(fā)的河口、海岸和海洋潮汐二維模型[12]作為天文潮與風(fēng)暴潮耦合計(jì)算的基礎(chǔ)。該模型可以用粗網(wǎng)格將開(kāi)邊界布置于天文潮與增水基本是線性關(guān)系的深水海域；以任意三角形剖分計(jì)算區(qū)域，采用網(wǎng)格中心格式（Cell-Centered，CC）布置變量，即將水位和流速等變量定義在單元中心，控制體即為網(wǎng)格單元，采用KFVS格式求解；采用干-濕網(wǎng)格法處理動(dòng)邊界問(wèn)題，這對(duì)于沿海存在大片灘涂的情況尤其重要。模型計(jì)算范圍基本囊括臺(tái)風(fēng)第一警戒線，涵蓋渤海、黃海、東海、日本海、朝鮮海峽、臺(tái)灣海峽、長(zhǎng)江口、杭州灣，錢(qián)塘江上游邊界至富春江電站，并對(duì)舟山本島海域局部加密網(wǎng)格。模型采用的網(wǎng)格由48 316個(gè)單元和26 231個(gè)節(jié)點(diǎn)組成(圖3)，其中最小邊長(zhǎng)約100 m，最大邊長(zhǎng)約67 000 m。長(zhǎng)江口、浙江沿海及錢(qián)塘江河口均采用最近年份的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，其余海域地形采用我國(guó)最新發(fā)布的海圖。除臺(tái)灣海峽和對(duì)馬海峽局部加糙外，外海曼寧系數(shù)取值范圍均為0.016～0.018；在杭州灣，曼寧系數(shù)的取值范圍為0.008～0.012。風(fēng)暴潮計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)浪作用對(duì)水位的影響。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格及其局部放大圖Fig. 3 Computational grid and local grid view

海域開(kāi)邊界包括靜壓水位及天文潮位。天文潮位由全球潮波模型TPXO6[13]提供，采用10個(gè)分潮推算，包含8個(gè)主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1，以及2個(gè)長(zhǎng)周期分潮Mf和Mn，基本能夠構(gòu)造出外海深水處真實(shí)的天文潮過(guò)程。西、南、東3條開(kāi)邊界處的水位由式（1）給出：

式中：ζ0為邊界處的潮位；ζp為邊界處?kù)o壓水位；i=1～10，分別對(duì)應(yīng)上述分潮；A和α分別為分潮在3條邊界處的振幅和相角；ωi為分潮的角頻率。

風(fēng)暴潮計(jì)算中，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的計(jì)算是重要的環(huán)節(jié)。通常使用參數(shù)風(fēng)模型作為計(jì)算風(fēng)暴潮的風(fēng)強(qiáng)迫力，其優(yōu)點(diǎn)首先是便于使用，且能反映熱帶風(fēng)暴的主要風(fēng)場(chǎng)特征，其次是能夠用于研究臺(tái)風(fēng)參數(shù)的改變對(duì)風(fēng)暴潮的影響。通過(guò)輸入臺(tái)風(fēng)路徑與中心氣壓計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，本文選用Jelesnianski氣壓場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)模型[14]，其計(jì)算式如下：

式中：R為最大風(fēng)速半徑；r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離；V0為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度；WR為臺(tái)風(fēng)域內(nèi)R處的最大風(fēng)速，采用ATKINSON-HOLLIDY提出的風(fēng)-壓關(guān)系式計(jì)算[15]；A=-[(x-xc)sinθ+(y-yc)cosθ]；B=(x-xc)cosθ-(y-yc)sinθ；(x,y)、(xc,yc)分別為計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)和臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)；θ為流入角；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，P∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處的大氣壓（計(jì)算中取1 010 hPa）。β為臺(tái)風(fēng)風(fēng)速距離衰減系數(shù)。最大風(fēng)速半徑R=Rk-0.4(P0-900)+0.01(P0-900)2，其中Rk為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，推薦值為40，也可由氣壓或風(fēng)速的擬合精度予以調(diào)節(jié)，本文取推薦值。

模型較好地模擬了舟山本島海域定海、岱山和甬江口3個(gè)測(cè)站的風(fēng)暴高潮位過(guò)程，高潮位模擬誤差在10 cm以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖4），可以反映本海域“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程的風(fēng)暴高潮位。

圖4 岱山、定海、甬江口站潮位驗(yàn)證（2021年7月23—26日）Fig. 4 Comparison of observed and simulated tidal elevations at the Daishan, Dinghai and Yongjiangkou stations (July 23—26, 2021)

3 風(fēng)暴潮模擬結(jié)果分析

3.1 實(shí)際登陸路徑時(shí)風(fēng)暴潮高潮位分析

3.1.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮位實(shí)測(cè)過(guò)程特征 風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程見(jiàn)圖5。本海域?yàn)榘肴粘焙^(qū)，一天中出現(xiàn)2個(gè)高潮2個(gè)低潮，日不等現(xiàn)象明顯，夏季夜潮高潮位顯著高于日潮高潮位?！盁熁ā迸_(tái)風(fēng)登陸過(guò)程形成的風(fēng)暴潮增水屬于不典型的增水過(guò)程，增水過(guò)程曲線的初振、激振和余振3個(gè)階段不明顯。在臺(tái)風(fēng)登陸前兩天已經(jīng)出現(xiàn)增水，在登陸的激振階段約1 d的時(shí)間內(nèi)增水值變化不大，基本呈現(xiàn)平臺(tái)特征，沒(méi)有明顯大突起的峰值，增水曲線在臺(tái)風(fēng)登陸后緩慢下降。岱山、定海和甬江口站處于浙江沿海潮差最小的海區(qū)，風(fēng)暴潮與天文潮的耦合作用相對(duì)較弱，同時(shí)三站位于舟山島群島內(nèi)側(cè)，周?chē)Ｓ蛳嗤?，有眾多的深槽通道起到濾波作用，因此，三站的增水過(guò)程波動(dòng)較弱。由于“煙花”臺(tái)風(fēng)增水激振階段具有平臺(tái)特點(diǎn)，風(fēng)暴高潮位容易出現(xiàn)在天文潮大潮汛時(shí)期?！盁熁ā迸_(tái)風(fēng)過(guò)程，定海站最高潮位出現(xiàn)在登陸前一個(gè)潮汛，即7月24日23時(shí)，風(fēng)暴高潮位3.12 m（85國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同）；登陸時(shí)，已是定海日潮天文高潮位過(guò)后，天文潮高潮位不等造成的差異約1.0 m，登陸時(shí)天文潮位又比當(dāng)時(shí)的高潮位低，日潮風(fēng)潮高潮位僅2.22 m。海域西部測(cè)站（甬江口）臺(tái)風(fēng)增水大于東部定海與岱山約0.5 m，究其原因?yàn)闁|部水域連通，風(fēng)暴擾動(dòng)導(dǎo)致海水堆積較沿岸小。

圖5 天文潮位、風(fēng)暴潮位和臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程（豎線代表登陸時(shí)刻）Fig. 5 Process of astronomical tidal level, storm tidal level and surge

3.1.2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴高潮位的特征 臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程的最高潮位形成于“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸前一個(gè)潮過(guò)程的高潮位。“煙花”臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)暴高潮位分布見(jiàn)圖6。

圖6 “煙花”臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)暴高潮位分布（實(shí)際臺(tái)風(fēng)路徑）（單位：m）Fig. 6 Distribution of storm tidal level during Typhoon In-Fa （real routine）（unit: m)

舟山本島海域風(fēng)暴潮疊加天文潮的風(fēng)暴潮波自SE往NW傳播。當(dāng)六橫達(dá)到風(fēng)暴高潮位時(shí)（圖6（a）），中部海域風(fēng)暴潮位總體上高于東部海域，中部六橫站點(diǎn)附近風(fēng)暴潮位呈現(xiàn)高值區(qū)；東部風(fēng)暴潮位高于西部海域。當(dāng)風(fēng)暴潮潮峰過(guò)六橫到達(dá)定海站點(diǎn)（圖6（b）），海域風(fēng)暴潮位呈現(xiàn)東低西高，東部廟子湖和朱家尖站點(diǎn)風(fēng)暴潮位低于西部甬江口風(fēng)暴潮位。風(fēng)暴潮潮峰到達(dá)甬江口時(shí)，海域風(fēng)暴潮位同樣呈現(xiàn)東低西高。本島海域風(fēng)暴高潮位主要體現(xiàn)為本島自東向西風(fēng)暴高潮位抬高，中部局部海域風(fēng)暴高潮位出現(xiàn)低值區(qū)（圖6（c）和表1），西部甬江口風(fēng)暴高潮位（3.51 m）高于中部定海（3.04 m）和東部廟子湖（2.87 m），定海至朱家尖間海域低于周邊測(cè)站（岱山、甬江口），各測(cè)站風(fēng)暴高潮位相差可達(dá)0.64 m。

表1 “煙花“臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程主要測(cè)站的風(fēng)暴高潮位和增水計(jì)算值Tab. 1 Simulated storm high tide level (SHTL) and surge at the stations during the landfall of Typhoon In-Fa 單位：m

臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)遭遇的潮過(guò)程天文潮高潮位較低，舟山本島海域形成的風(fēng)暴高潮位普遍較低，定海站高潮位仍低于岱山站和甬江口站（表1）。

3.1.3 風(fēng)暴高潮位與天文潮及增水的關(guān)系 浙江沿海的潮波系統(tǒng)主要由東海前進(jìn)潮波系統(tǒng)控制。本海區(qū)屬于杭州灣口南岸退化旋轉(zhuǎn)潮波區(qū)域，由于杭州灣的納潮效應(yīng)，近岸遲角線以舟山本島為中心，向杭州灣內(nèi)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入灣內(nèi)的潮波等遲角線與等振幅線走向基本一致。舟山本島海域M2分潮振幅1.2～1.4 m，海區(qū)定海以北、南和西均比定海站潮差大，S2分潮也有類(lèi)似的特點(diǎn)[16]。7月24日天文高潮位本島海域總體上天文高潮位自東向西遞增，但在定海附近形成天文高潮位的低值區(qū)（圖7（a）），這一分布與M2和S2分潮的等振幅線分布一致。

圖7 “煙花“臺(tái)風(fēng)期間天文潮高潮位和增水（實(shí)際臺(tái)風(fēng)路徑）（單位：m）Fig. 7 Astronomical tidal level and surge during Typhoon In-Fa （real routine）（unit: m)

“煙花”臺(tái)風(fēng)天文潮高潮位增水自東向西漸增（圖7（b）），風(fēng)暴潮水體在岸邊堆積，甬江口附近增水較大，東部朱家尖和廟子湖站增水0.6 m左右，到中部岱山和定海0.9 m左右，甬江口處出現(xiàn)1.2 m以上的增水值，本島南北海域增水基本接近，北部略大。過(guò)程最大增水分布與高潮位增水有一定的差異（圖7（c）），雖然增水仍然自東向西漸增，但本島南北海域增水呈現(xiàn)北部高于南部的局面?？梢?jiàn)，風(fēng)暴潮高潮位在海域中部的低值區(qū)與天文潮高潮位的低值區(qū)有關(guān)。

3.2 臺(tái)風(fēng)提前及移位登陸時(shí)風(fēng)暴高潮位分析

中央氣象臺(tái)在“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸前24 h預(yù)報(bào)的路徑為象山大目涂登陸（見(jiàn)圖1），考慮到該路徑登陸時(shí)舟山本島恰好位于臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑的右側(cè)，是最有利于舟山本島臺(tái)風(fēng)增水的登陸位置，選取該路徑作為假定路徑進(jìn)行對(duì)比分析?！盁熁ā芭_(tái)風(fēng)的風(fēng)暴高潮位發(fā)生在登陸前一個(gè)潮過(guò)程，登陸時(shí)潮位已較低，產(chǎn)生的風(fēng)暴高潮位比前者低，若“煙花”臺(tái)風(fēng)在7月24日夜潮高潮位登陸，則定海至岱山風(fēng)暴高潮位超過(guò)實(shí)際發(fā)生值0.2～0.4 m。臺(tái)風(fēng)在象山縣大目涂登陸與天文高潮位相遇，會(huì)造成本島周邊更高的風(fēng)暴高潮位，超過(guò)實(shí)際發(fā)生值0.2～0.8 m（表2）。臺(tái)風(fēng)在定海提前登陸，遭遇天文高潮位，風(fēng)暴高潮位分布仍呈東高西低局面，本島南北有一定的差異，北部大于南部，定海以西代表點(diǎn)（甬江口）比以東代表點(diǎn)（廟子湖和朱家尖）高出1 m。假定“煙花”臺(tái)風(fēng)在象山大目涂登陸遇當(dāng)?shù)靥煳母叱蔽?，風(fēng)暴高潮位仍為東部低、西部高，但中部低值區(qū)消失，風(fēng)暴高潮位的分布特征基本不變（圖8）。

表2 “煙花”臺(tái)風(fēng)移位及提前時(shí)主要測(cè)站的風(fēng)暴高潮位變化Tab. 2 Variation of storm high tidal level at main stations when the change of landing time and location of Typhoon In-Fa occurs 單位：m

圖8 “煙花”臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)暴高潮位分布(單位：m)Fig. 8 Distribution of storm high tidal level due to Typhoon In-Fa ( unit: m)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文計(jì)算分析了“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程舟山南部海域的風(fēng)暴高潮位分布，結(jié)合實(shí)測(cè)舟山南部海域及其周?chē)鷾y(cè)站的潮位過(guò)程，并對(duì)“煙花”臺(tái)風(fēng)提前和移位登陸后的風(fēng)暴高潮位進(jìn)行了預(yù)測(cè)?！盁熁ā迸_(tái)風(fēng)是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)沿東南-西北方向登陸舟山的首次臺(tái)風(fēng)，產(chǎn)生的風(fēng)暴高潮位接近歷史最高潮位，風(fēng)暴高潮位呈現(xiàn)“東低西高，中部形成低值區(qū)”的特征，與本海域天文潮高潮位在定海附近低值區(qū)有關(guān)。若“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸定海的時(shí)間提前，遭遇天文高潮位，產(chǎn)生的定海風(fēng)暴高潮位比現(xiàn)狀大約0.4 m，大目涂登陸則會(huì)引起更高的風(fēng)暴高潮位，風(fēng)暴潮潮峰傳播方向和風(fēng)暴高潮位特征基本與現(xiàn)狀“煙花”臺(tái)風(fēng)的結(jié)果一致，但中部低值區(qū)消失。舟山本島海域不同區(qū)域風(fēng)暴高潮位存在一定的差異，差值可達(dá)到0.5 m以上，加強(qiáng)周邊海域的潮位監(jiān)測(cè)，對(duì)推求當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)高潮位十分重要。

致謝：測(cè)站高潮位數(shù)據(jù)由浙江省水利廳海塘專(zhuān)班提供，在此表示感謝。