臺風“米娜”影響下的杭州灣風暴潮特征及對咸潮的影響

左常圣，黃清澤，潘嵩，任興元

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.自然資源部寧德海洋中心，福建寧德 352000）

0 引言

風暴潮災害在我國海洋災害中影響最大，導致的直接經濟損失也最為嚴重[1-2]，已成為我國海洋防災減災面臨的重大挑戰(zhàn)之一[3]。臺風風暴潮是浙江沿海地區(qū)主要的海洋災害之一[4]，風暴增水會造成杭州灣海域持續(xù)高水位，枯水期則會加劇咸潮入侵，影響錢塘江取水安全[5]。

風暴潮的研究方法包括理論方法、統(tǒng)計預報方法和數(shù)值模擬方法[6]。20 世紀80 年代以來我國風暴潮數(shù)值模擬取得了長足發(fā)展，在各個海區(qū)的應用中都取得了良好的效果[7-8]。在強潮海區(qū)，風暴潮和天文潮的非線性相互作用是影響臺風風暴增減水特征的重要因素之一，特別是在淺海區(qū)域，兩者的非線性相互作用更為明顯[9-10]，近年來國內外學者對此做了許多探討，結果表明考慮了天文潮-風暴潮非線性耦合作用的數(shù)值模擬結果可以更好地反應研究海域的風暴增減水特征[11-12]。徑流與潮汐是河口咸潮入侵的主要因素，而海平面上升和風暴增水等因素會加劇河口的咸潮入侵災害[5]。隨著全球氣候變暖，襲擊我國沿海的熱帶氣旋的頻次與強度都有所增加[13-14]。錢塘江河口是典型的強潮河口，咸潮入侵是影響河口段用水水質安全的重要制約因素，是咸潮入侵研究的重點關注區(qū)，認識風暴潮期間錢塘江咸潮入侵的特點具有重要的意義。2019年9月30日—10月2日，臺風“米娜”影響福建、浙江和江蘇沿海，期間沿海最大風暴增水超過110 cm，風暴增水加劇了錢塘江口咸潮入侵。

1 數(shù)據(jù)簡介

1918 號臺風“米娜”特征數(shù)據(jù)來自中央氣象臺臺風官網（網址：http://typhoon.nmc.cn/web.html）。臺風“米娜”于2019年10月1日20時30分（北京時，下同）在浙江省舟山市普陀區(qū)沈家門沿海以臺風級別登陸，登陸時中心氣壓為980 hPa，中心最大風力為9級。

潮位數(shù)據(jù)來源于自然資源部以及地方海洋站的觀測數(shù)據(jù)，包括蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門4 個潮位站，數(shù)據(jù)的時間范圍為2019年9月28日—10月5日，各潮位站位置見圖1，其中，岱山站和沈家門站距離臺風“米娜”的移動路徑較近，蘆潮港站和灘滸站位于臺風移動路徑西側。天文潮數(shù)據(jù)來源于國家海洋信息中心潮汐預報結果。錢塘江河口的咸潮入侵數(shù)據(jù)來源于中國沿海海平面變化影響調查業(yè)務化成果。

圖1 舟山附近海域水深（a）及計算網格（b）Fig.1 Depth and grid around Zhoushan sea area

2 風暴潮模型設置與驗證

2.1 ADCIRC模型

為了能夠較好地模擬風暴潮在近岸曲折岸線、復雜地形中的傳播過程，本文應用ADCIRC 模型開展了杭州灣附近海域的風暴潮數(shù)值模擬。ADCIRC采用廣義波動連續(xù)方程GWCE（Generalized Wave Continuity Equation）求解水位。在笛卡爾坐標系下連續(xù)方程和運動方程如下：

其中：

垂向積分二維動量方程如下：

式中：ζ為水位；U、V分別為x、y方向垂向平均流速；H為總水深；f為科氏力參數(shù)；Ps為氣壓；ρ0為水密度；η+γ為地潮及潛潮等引起的水位；τsx、τsy、τbx、τby為海表面切應力和底切應力；Dx、Dy、Bx、By分別為側向應力梯度和動量耗散項。

2)冷水年,菲律賓反氣旋的存在使得副高西伸加強,顯著加強了其西側暖濕氣流向江南地區(qū)輸送,高層輻散抽吸作用導致江南地區(qū)對流上升運動增強,暖水年相反,表明冷(暖)水年對應著江南雨季降水偏多(少)。

2.2 臺風風場模型

本文在進行臺風風暴潮數(shù)值模擬過程中，采用高橋公式[15]計算臺風的氣壓場：

臺風風場采用梯度風和移行風疊加而成：

梯度風風速由氣壓場通過梯度風關系得到：

臺風移行風場采用宮崎正衛(wèi)公式[16]計算：

式中：r為計算點到臺風中心的距離；R為臺風最大風速半徑；P∞為外圍氣壓；P0為臺風中心氣壓；f為科氏參數(shù)；θ為計算點到臺風中心的連線與正東方向的夾角；β為梯度風和海面風的夾角；Vx、Vy分別為臺風中心移速在正東和正北方向的分量；c1、c2為訂正系數(shù)。此外，在臺風外圍考慮背景風場，臺風中心附近仍使用臺風模型風場，構造出合成的臺風風場。合成方法為：

式中：為合成風場；為臺風模型風場；為背景風場；c=（r-R1）/（R2-R1），R1、R2取值為常數(shù)，分別為200 km 和400 km。

文中使用CCMP（Cross Calibrated Multi-Platform）海面風場數(shù)據(jù)作為背景風場，該數(shù)據(jù)同化了QuickSCAT、ASCAT、Windsat 等多種海洋被動微波和散射計遙感平臺采集的海面風場數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h。

2.3 模型設置

研究區(qū)域為舟山群島附近海域，該海域島嶼眾多，岸線曲折，海底地形復雜。為充分考慮大范圍水體傳播和大尺度天氣過程的影響，提高風暴潮模擬的準確度，模型計算范圍涵蓋渤海、黃海以及東海的大部分區(qū)域（見圖1）。模型網格在外海開邊界附近空間分辨率最低為62 km，在舟山附近海域進行局部加密，最高空間分辨率為120 m，模型網格三角形個數(shù)為110 454，節(jié)點數(shù)為58 400。模型水深采用GEBCO（General Bathymetric Chart of Oceans）地形數(shù)據(jù)插值得到，該數(shù)據(jù)由政府間海洋學委員會（Intergovernmental Oceanographic Commission）和國際水道測量組織（International Hydrographic Organization）提供，在近岸地區(qū)采用海圖水深進行訂正。模型采用冷啟動，即初始時刻流速和水位均設為0。在開邊界處利用日本國家天文臺建立的NAO99 中的8 個主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1）進行驅動，表面的風場和氣壓場由2.2 節(jié)建立的臺風場模型計算得到。模式中時間步長為3 s，模擬時間為2019年9月25日—10月5日。

2.4 模型驗證

2.4.1 潮位驗證

對模型模擬的潮位結果進行驗證，選取舟山附近海域的蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門4個驗潮站的逐時潮位和模擬結果進行對比，對比時間為9 月28日—10 月5 日。各驗潮站對比結果見圖2，圖中黑色實線為潮位實測值，紅色實線為模擬值。從圖中可以看出各驗潮站潮位的實測值和模擬值結果吻合良好，變化趨勢基本一致。經過誤差統(tǒng)計，蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門這4個驗潮站模擬逐時潮位的平均絕對誤差分別為22 cm、19 cm、10 cm和14 cm。

圖2 潮位實測和模擬對比Fig.2 Comparison of measured and simulated astronomical tides

2.4.2 風暴增水驗證

在風暴增水過程中，天文潮-風暴潮之間的非線性相互作用也是不可忽略的重要影響因子。為了分析臺風“米娜”影響期間，舟山附近海域天文潮-風暴潮之間的非線性作用，利用建立的風暴潮模型進行兩組數(shù)值試驗，其中，控制試驗中模型由氣象強迫和潮強迫共同驅動，得到的水位為ηT+S，無潮試驗中模型僅由氣象強迫進行驅動，得到的水位為ηS。天文潮-風暴潮的非線性作用ηI=ηT+S-ηT-ηS，式中ηT為天文潮模擬結果得到的水位。

圖3 為1918 號臺風“米娜”影響期間，舟山附近海域4 個驗潮站風暴增水的實測值和模擬值，圖中黑色實線為實測值，紅色實線為控制試驗模擬值ηSI，藍色實線為無潮試驗模擬值ηS。表1為臺風“米娜”過程各站實測和模擬最大增水和最大增水時間。如圖3 所示，考慮天文潮作用的控制試驗得到的風暴增水與實測的風暴增水吻合得更好，蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門站控制試驗得到的最大風暴增水和實測最大風暴增水的絕對誤差分別為6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。僅考慮氣象強迫的無潮試驗則低估了最大風暴增水，其得到的各站最大風暴增水與實測最大增水的絕對誤差超過10 cm。在對臺風“米娜”風暴增水進行模擬時，天文潮-風暴潮之間的非線性作用是不可忽略的，本文建立的風暴潮模型能夠較準確地模擬臺風“米娜”引起的風暴增水過程。

表1 臺風“米娜”期間最大增水情況Tab.1 The maximum storm surge during Typhoon"Mitag"

圖3 風暴增水實測和模擬值對比Fig.3 Comparison of measured and simulated storm surge

3 結果與分析

3.1 風暴增水特征分析

圖4 為臺風“米娜”影響期間各站實測逐時風速、風向和風暴增水變化曲線，紅色垂線代表臺風登陸時間。9 月30 日—10 月1 日，各站風速開始緩慢增大，風向開始轉變，沈家門站的風速從最開始的1.9 m/s增大到11.0 m/s，風向從東向轉換為北向；各站的風暴增水呈現(xiàn)振幅較小的波動，隨著臺風“米娜”逐漸靠近舟山群島，各站的風速開始迅速增大，均出現(xiàn)明顯的風暴增水過程。岱山站的風速存在兩個峰值，在1 日14 時達到第一個峰值（風速為24.0 m/s），在1 日20 時達到第二個峰值（風速為22.0 m/s），與其他各站風速達到峰值的時間較為接近，均發(fā)生在臺風“米娜”登陸前后的2 h內。臺風登陸前，蘆潮港站、岱山站和灘滸站的風暴增水均呈上升趨勢，風暴增水最大值分別為92 cm、83 cm 和111 cm，最大風暴增水的出現(xiàn)時間較為接近，均發(fā)生在臺風登陸前后1 h 內，而沈家門站距離臺風中心較近，在臺風登陸前風速略有減小，風向轉變，其增水在1 日16 時就達到了最大值74 cm。臺風在登陸后開始逐漸遠離杭州灣海域，各站風向轉變、風速減小、風暴增水逐漸減小，甚至開始出現(xiàn)負增水。

3.2 天文潮-風暴潮非線性作用

圖5為臺風“米娜”期間各站天文潮、風暴增水、純風暴增水和天文潮-風暴潮的非線性作用增水的變化曲線。臺風“米娜”期間，天文潮-風暴潮的非線性作用在漲潮、落潮階段達到最大值，且在落潮階段的最值大于漲潮階段，蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門這4 個站的天文潮-風暴潮非線性作用增水的最大值分別為35 cm、41 cm、21 cm 和24 cm ，這個值明顯大于純風暴增水。臺風“米娜”引起的最大風暴增水發(fā)生在低潮附近，在風暴增水達到最大值的過程中，各站的天文潮-風暴潮非線性作用增水分別為24 cm、26 cm、14 cm 和4 cm，使得風暴增水也有所增加。

圖5 天文潮-風暴潮變化曲線Fig.5 Time series of astronomical tide-storm surge

4 臺風“米娜”對錢塘江咸潮入侵的影響

4.1 錢塘江咸潮入侵特點

圖6 為錢塘江咸潮入侵月際變化示意圖，從中可以看出，影響錢塘江咸潮入侵程度的因素有徑流、潮汐、海平面等。錢塘江的徑流在每年6、7月達到最大，8—12 月徑流量相對較小，同時由于8—11月錢塘江沿海處于季節(jié)性高海平面期，在疊加錢塘江大潮的影響下，8—11 月錢塘江易發(fā)生咸潮入侵，其中9—10 月最為嚴重。8—10 月也是臺風風暴潮災害的高發(fā)期，風暴增水抬升了水位，增大向陸斜壓力，會加劇咸潮入侵。

圖6 2012—2019年錢塘江咸潮入侵月際變化示意圖Fig.6 Inter-monthly variation of salt-tide intrusion of Qiantang River during 2012 to 2019

表2 為2019 年錢塘江咸潮入侵情況。2019 年9—12月錢塘江發(fā)生了6次較明顯的咸潮入侵過程，均發(fā)生在天文大潮期，6 次咸潮入侵期間的富春江平均下泄流量為225 m3/s，最嚴重的一次發(fā)生在11 月25 日—12 月1 日，期間富春江平均下泄量為170 m3/s，南星水廠最大氯度值為2 670 mg/L。9 月28 日—10 月2 日富春江平均下泄量為452 m3/s，期間恰逢臺風“米娜”影響，錢塘江發(fā)生較明顯的咸潮入侵，在臺風“米娜”作用期間，南星水廠取水口超標41 h，最大氯度值達到776 mg/L。

表2 2019年錢塘江咸潮入侵情況Tab.2 Salt-tide intrusion of Qiantang River in 2019

4.2 “米娜”臺風期間錢塘江咸潮入侵特點

圖7為風暴增水空間分布圖。通過刻畫風暴潮期間典型時刻的增減水的空間分布，分析臺風“米娜”影響期間杭州灣附近海域風暴增水的特點以及對錢塘江咸潮入侵的影響。10 月1 日，臺風“米娜”位于舟山群島南部海域，此時在杭州灣附近海域出現(xiàn)一個明顯增水過程。

圖7 杭州灣風暴增水空間分布Fig.7 Spatial distribution of storm surge in Hangzhou Bay

表3 為臺風期間錢塘江咸潮入侵和水位情況。對臺風“米娜”期間的錢塘江監(jiān)測站點的日最大氯度值與灘滸站日最大水位變化的時間序列進行相關性分析，相關系數(shù)約為0.88，入侵程度變化過程與風暴增水過程基本一致。如圖7 所示，在臺風登陸前0.5 h 左右（1 日20 時），杭州灣—舟山群島附近海域均出現(xiàn)明顯的風暴增水，且由于受海底地形、水深條件和地理位置條件影響，杭州灣內部海域的海水輻聚作用明顯，增水明顯高于外部島嶼附近海域的增水，最大增水幅度超過100 cm，當日南星水廠最大氯度值為776 mg/L，為本次影響過程的最高值。

表3 臺風期間錢塘江氯度值和水位情況Tab.3 Chlorine value and water level of Qiantang River during typhoon

5 結論

利用海洋數(shù)值模型ADCIRC 建立杭州灣水動力模型，經驗證模型能夠較為真實地模擬杭州灣及附近海域的水動力環(huán)境及風暴增減水特征，在此基礎上分析了臺風“米娜”影響期間杭州灣風暴增減水的時空分布特征及對錢塘江咸潮入侵的影響。主要結論如下：

①臺風“米娜”期間，杭州灣最大風暴增水發(fā)生在臺風登陸前后1 h 內，蘆潮港站、灘滸站、岱山站和沈家門站的最大風暴增水分別為92 cm、111 cm、83 cm 和74 cm，臺風登陸后，隨著風向的轉變，杭州灣附近海域增水逐漸減小，并出現(xiàn)減水現(xiàn)象。

②在對臺風“米娜”風暴增水進行模擬時，考慮天文潮作用的控制試驗得到的風暴增水與實測吻合得更好，在各站控制試驗得到的最大風暴增水與實測的絕對誤差分別為6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。而僅考慮氣象強迫的無潮試驗低估了最大風暴增水，其得到的各站最大風暴增水與實測的絕對誤差超過10 cm。天文潮-風暴潮之間的非線性作用對臺風“米娜”風暴增水的影響明顯，臺風“米娜”引起的最大風暴增水發(fā)生在低潮附近，在風暴增水達到最大值的過程中，各站天文潮-風暴潮非線性作用增水分別為24 cm、26 cm、14 cm和4 cm。

③錢塘江咸潮入侵程度主要取決于徑流和潮汐強度，風暴增水會在一定程度上加劇咸潮入侵災害，臺風“米娜”期間10 月1 日灘滸站最大增水為111 cm，同日南星水廠最大氯度值達到776 mg/L，影響取水安全。因此在臺風期間需加強監(jiān)測，提前做好相關預報，采取增大淡水流量和關閉取水口等措施進行科學應對。

錢塘江河口風暴潮期間咸淡水混合動力過程復雜，臺風期間的降雨、風浪等因素都會影響咸潮入侵的特征，本文主要基于臺風“米娜”期間杭州灣周邊海域風暴增水的數(shù)值模擬結果以及實測資料，論述了臺風對咸潮入侵的影響。下一步需收集更多相關資料，通過耦合數(shù)值分析等手段探討臺風期間錢塘江咸潮入侵的動力機制。