丁玉梅，丁 磊

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

我國(guó)是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，海洋災(zāi)害給沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅，其中風(fēng)暴潮災(zāi)害是各種海洋災(zāi)害之首．我國(guó)海岸線(xiàn)漫長(zhǎng)，南北縱跨溫帶和熱帶．在夏秋季節(jié)，東南沿海由于頻繁遭受臺(tái)風(fēng)的襲擊，容易發(fā)生臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，對(duì)黃渤海也會(huì)造成影響．8509號(hào)臺(tái)風(fēng)、9216號(hào)臺(tái)風(fēng)、9711號(hào)臺(tái)風(fēng)和 0509號(hào)臺(tái)風(fēng)，都引發(fā)了渤海風(fēng)暴潮，并對(duì)渤海沿岸經(jīng)濟(jì)造成一定的損失．在春秋過(guò)渡季節(jié)，渤海和黃海北部是冷暖空氣交匯的地方，冬季容易受冷空氣和寒潮大風(fēng)的襲擊，有利于溫帶風(fēng)暴潮的發(fā)展[1-3]．近年來(lái)我國(guó)風(fēng)暴潮的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都有所增加，每年由于風(fēng)暴潮災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億元[4-5]．

為減少風(fēng)暴潮災(zāi)害可能造成的損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行了大量研究．Zheng等[6]應(yīng)用FVCOM模型模擬了墨西哥灣颶風(fēng) Ike風(fēng)暴潮，指出風(fēng)暴潮主要是由于海面颶風(fēng)和低氣壓引起，也受大陸架的幾何形狀和水深的影響．傅賜福等[7]利用改進(jìn)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)合成實(shí)驗(yàn)，采用一套基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的高分辨率風(fēng)暴潮模式(ADCIRC)和溫帶風(fēng)暴潮模式(CES)分別對(duì)幾次典型溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果在增水趨勢(shì)、峰值和峰值時(shí)間上與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致．Feng等[8]模擬了各種典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程，利用ADCIRC模型，研究了不同臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)天津港風(fēng)暴潮的影響．

在渤海風(fēng)暴潮研究中，對(duì)于溫帶和寒潮風(fēng)暴潮研究較多，多數(shù)關(guān)注站位增水的研究，很少考慮增水分布和流場(chǎng)的分布．目前多數(shù)風(fēng)暴潮模擬過(guò)程局限于二維空間，研究風(fēng)暴潮增水的變化，模擬岸線(xiàn)基于矩形網(wǎng)格或者正交網(wǎng)格，對(duì)岸線(xiàn)的擬合存在較大的誤差，對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水分布和流場(chǎng)變化研究不多，針對(duì)岸線(xiàn)變化對(duì)風(fēng)暴潮影響的研究也較少．本文基于FVCOM 近岸海洋模型，建立了渤海風(fēng)暴潮三維數(shù)值模型．模型使用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜岸線(xiàn)的擬合．采用大小網(wǎng)格嵌套模型，克服了由于計(jì)算區(qū)域的擴(kuò)大帶來(lái)的對(duì)空間步長(zhǎng)的限制，對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行局部加密，提高了模型的分辨率．利用該模型，研究了渤海臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水和流場(chǎng)的變化特征，以及岸線(xiàn)變化對(duì)風(fēng)暴潮的響應(yīng)．

1 計(jì)算區(qū)域及模型設(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，目前廣泛用于河口和復(fù)雜岸線(xiàn)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(yùn)動(dòng)，保證水體動(dòng)量、質(zhì)量和能量的守恒．模型的控制方程組參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]．文中大區(qū)模型的計(jì)算區(qū)域包括黃渤海，開(kāi)邊界設(shè)在長(zhǎng)江口北岸到韓國(guó)濟(jì)州島連線(xiàn)．小區(qū)模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)渤海海域，開(kāi)邊界設(shè)在渤海海峽的東部．研究區(qū)域的地形、水深及Winnie臺(tái)風(fēng)路徑如圖1所示．

模型中水深數(shù)據(jù)采用 Choi等[10](Laboratory for Coastal and Ocean Dynamics Studies Sungkyunkwan University)提供的 1′×1′的東中國(guó)海的水深數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格點(diǎn)上．渤海灣地區(qū)的岸線(xiàn)數(shù)據(jù)是通過(guò)衛(wèi)星反演獲得2000年高分辨率岸線(xiàn)[11]，分辨率為0.001°．

采用 2000年的渤海岸線(xiàn)，對(duì)渤海潮汐和風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行模擬．大區(qū)模型在渤海近岸的分辨率為1,000,m，逐漸向外增加到開(kāi)邊界30,000,m．網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是 14,633個(gè)，三角形單元個(gè)數(shù)是 28,236個(gè)，開(kāi)邊界節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是 18個(gè)．對(duì)小區(qū)模型進(jìn)行了精細(xì)網(wǎng)格劃分，在渤海灣沿岸附近分辨率為 300,m，隨著離岸距離的增加，分辨率依次變化為 1,000,m、2,000,m、4,000,m 和 8,000,m，到渤海海峽開(kāi)邊界區(qū)域，達(dá)到10,000,m．網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為 66,040個(gè)，三角形單元個(gè)數(shù)為129,710個(gè)，開(kāi)邊界節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為27個(gè)．單元模型采用正壓模型，溫度和鹽度分別為 10,℃和 30．外模時(shí)間步長(zhǎng)為 3,s，內(nèi)外模時(shí)間步長(zhǎng)之比為 10∶1．采用OTPS(the Oregon State University Tidal Prediction Software)潮預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)水位進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選取 8 個(gè)主要分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1合成大區(qū)模型開(kāi)邊界潮位，大區(qū)模型的計(jì)算結(jié)果為小區(qū)模型提供開(kāi)邊界水位條件．大小區(qū)模型使用的風(fēng)場(chǎng)均為中尺度氣象預(yù)報(bào)模型(WRF)模擬的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率是每3,h一次，空間分辨率是0.1°×0.1°．

圖1 研究區(qū)域的地形及水深和Winnie臺(tái)風(fēng)路徑Fig. 1 The terrain and water depth of the studied region and the tracks of Typhoon Winnie(Blue line)

2 模型驗(yàn)證

首先對(duì)渤海潮汐過(guò)程進(jìn)行模擬，利用 T-tide軟件，對(duì)渤海各個(gè)主要分潮進(jìn)行了調(diào)和分析，與海圖和驗(yàn)潮站潮汐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行校正，使模型能夠較好反映渤海潮汐過(guò)程．調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)與海圖對(duì)比基本一致，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也基本一致．圖2分別為模擬的渤海海域M2、K1分潮的等振幅和等遲角圖．潮汐模擬及誤差分析參見(jiàn)文獻(xiàn)[12-13]．

建立了渤海風(fēng)暴潮模型，對(duì) 1997年 8月渤海Winnie臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)天津港的風(fēng)暴潮增水模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行對(duì)比分析(圖3)．在風(fēng)暴潮增水前期，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)增水趨勢(shì)基本一致；在風(fēng)暴潮中期，模擬天津港最大增水是2.04,m，實(shí)測(cè)最大增水 1.99,m，相對(duì)誤差為 0.025；在增水的后期，誤差較大，相關(guān)系數(shù)為 0.78．其原因可能是風(fēng)場(chǎng)模擬或者底摩擦系數(shù)的影響．模擬結(jié)果表明，建立的渤海風(fēng)暴潮模型對(duì)風(fēng)暴潮增水極值及趨勢(shì)的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，可以用來(lái)研究渤海海域的風(fēng)暴潮過(guò)程．

圖2 模擬的渤海海域 M2和 K1分潮的等振幅和等遲角圖Fig. 2 Simulated co-amplitude(in meters)and cophase (in degrees)maps of M2 and K1 tidal elevations in Bohai Sea

圖3 天津港1997年8月Winnie臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 3 Simulated and observed storm surge heights at Tianjin Port in August 1997

3 模擬結(jié)果分析

3.1 渤海海域風(fēng)暴潮增水變化

東北方向大風(fēng)容易引發(fā)渤海風(fēng)暴潮．渤海風(fēng)暴潮影響最大的區(qū)域?yàn)椴澈?，其次是萊州灣(圖4)．風(fēng)暴潮初期，由于受 Winnie臺(tái)風(fēng)的影響，黃海中部和北部的水體經(jīng)渤海海峽進(jìn)入渤海中西部．初始階段，在東北風(fēng)的作用下，1997年8月19日23時(shí)，萊州灣出現(xiàn)少量增水．在激振階段，萊州灣增水逐漸增大，隨后，渤海灣出現(xiàn)明顯增水，并逐漸增強(qiáng)．增水幅度達(dá)到高峰，維持在 2.0～2.5,m，持續(xù)時(shí)間約6,h．余振階段，渤海灣和萊州灣的增水幅度下降，受風(fēng)向的影響，萊州灣增水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，遼東灣呈現(xiàn)顯著減水趨勢(shì)．此次臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，渤海灣和萊州灣呈現(xiàn)較大增水，增水較大的是天津港、黃驊港和羊角溝港海域，遼東灣減水明顯(圖4)．

圖4 渤海3個(gè)典型時(shí)刻的風(fēng)暴潮增水和風(fēng)場(chǎng)圖Fig. 4 Simulated surge level and wind field at three typical times in Bohai Sea

3.2 渤海灣三大海域風(fēng)暴潮增水變化

1997年 8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風(fēng)暴潮增水分布如圖5所示．

圖5 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風(fēng)暴潮增水分布Fig. 5 Simulated maximum storm surge level in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

曹妃甸港海域位于渤海灣灣口北側(cè)，風(fēng)暴潮期間，自東北向西南方向，最大增水逐漸增加，從 1.1,m到 1.4,m．但是，考慮到曹妃甸港海域整體水位不高，因此，危害程度不大．天津港海域位于渤海灣的最西端，受風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)的影響，港區(qū)自西向東風(fēng)暴潮增水逐漸增加，近岸海域最大增水達(dá)到 2.1,m．在海域北部和西南部局部最大增水達(dá)到 2.2,m．由于天津港海域的最高水位平均在 5.0,m，達(dá)到或者超過(guò)警戒水位(警戒水位 4.8,m)，因此，風(fēng)暴潮災(zāi)害的危害程度較大．黃驊港海域位于古黃河沖積區(qū)，與上述兩個(gè)海域不同，該港口附近海域水淺坡緩．風(fēng)暴潮期間，在港區(qū)的西北部和東南部，風(fēng)暴潮最大增水逐漸增加，北部近岸達(dá)到 2.3,m 左右．考慮到黃驊港水位較高，平均水位達(dá)到 5.0,m，超過(guò)了警戒水位，因此，風(fēng)暴潮災(zāi)害的危害程度較大．

3.3 渤海灣三大海域風(fēng)暴潮流場(chǎng)的變化

利用模擬結(jié)果，將潮汐和風(fēng)生流總流場(chǎng)減去僅有潮流驅(qū)動(dòng)的流場(chǎng)，研究了 Winnie臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程中風(fēng)暴潮流場(chǎng)的分布．其中，流場(chǎng)分布選取的是風(fēng)暴潮期間漲潮時(shí)的瞬時(shí)流場(chǎng)，流速選取的是風(fēng)暴潮期間72,h的平均流速(圖6、圖7)．

圖6 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風(fēng)暴潮期間增水時(shí)的風(fēng)暴潮流場(chǎng)分布(總流場(chǎng)減去潮流)Fig. 6 Simulated stormy current field caused by typhoon in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

大風(fēng)作用使海區(qū)潮流動(dòng)力失衡，流場(chǎng)變化較大，同時(shí)增加了水流沿堤、沿岸流動(dòng)的趨勢(shì)[14-16]．臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)暴潮流場(chǎng)的影響主要集中在海堤前沿附近，流場(chǎng)受風(fēng)場(chǎng)、地形及岸線(xiàn)的影響很大，在海堤附近，流速較大，流場(chǎng)分布和平均流速的變化一致(圖 6和圖7)．風(fēng)暴潮平均流速沿著等深線(xiàn)呈帶狀分布，與岸線(xiàn)和等深線(xiàn)基本平行，影響范圍主要集中在近岸附近．在靠近岸線(xiàn)的附近，流速減少；在距離岸線(xiàn)一定距離的小范圍內(nèi)，特別是在圍堤附近，流速增大；隨著離岸距離的增大，流速逐漸減弱，灣內(nèi)開(kāi)闊的海域，流速的變化比較平緩[17-19]．渤海灣水動(dòng)力條件的變化將會(huì)導(dǎo)致近岸海域產(chǎn)生相應(yīng)的沖淤變化，導(dǎo)致工程海域附近的泥沙、污染物的運(yùn)移規(guī)律發(fā)生變化．

圖7 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風(fēng)暴潮期間風(fēng)暴潮平均流速分布Fig. 7 Simulated mean stormy velocity(color shading，in meters per second)of typhoon in August 1997 at Caofeidian Port，Tianjin Port and Huanghua Port

在曹妃甸港海域，大風(fēng)對(duì)近岸影響較大，水體基本呈自東向西流動(dòng)．在近岸南部，近岸流速呈增加趨勢(shì)，平均流速在 0.1～0.2,m/s．在北部近岸由于建筑物的阻水效應(yīng)，風(fēng)暴潮潮流明顯減弱．

在天津港海域，水流呈現(xiàn)出沿建筑物邊緣流動(dòng)的特點(diǎn)．由于黃海水體的作用以及港口建筑物的阻水效應(yīng)，對(duì)港口附近的流場(chǎng)要強(qiáng)于近岸流場(chǎng)．港口附近流場(chǎng)平均流速在0.1～0.15,m/s．港口附近多為西向流和偏西南方向的沿岸流．近岸流速基本表現(xiàn)為減少趨勢(shì).

黃驊港海域地形較為平坦，受渤海西支逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的潮波運(yùn)動(dòng)控制，海域潮流為明顯的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流，東北方向大風(fēng)作用下尤其突出．港堤兩側(cè)的潮流呈現(xiàn)沿堤流特性，流向幾乎垂直岸線(xiàn)，南北兩側(cè)近岸流速逐漸減少，在門(mén)口處形成橫流，在北側(cè)靠近門(mén)口處，流速較大，平均流速0.15～0.2,m/s．

3.4 岸線(xiàn)變化對(duì)渤海灣風(fēng)暴潮增水的影響

近年來(lái)，渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，興起圍填海的熱潮．從 2000年到 2010年的 10年間，渤海灣圍填海面積多達(dá) 600,km2，岸線(xiàn)增加 331.6,km[11]．海堤建設(shè)改變局地海岸岸線(xiàn)、地形，改變不同深度的海域面積和岸線(xiàn)長(zhǎng)度，會(huì)影響到海域的水動(dòng)力環(huán)境，并對(duì)風(fēng)暴潮過(guò)程造成一定的影響[20-21]．利用該模型，研究了2000年和2010年岸線(xiàn)變化后，渤海灣風(fēng)暴潮增水的變化．圍填海工程后，水深較淺的天津港和黃驊港東北部和西南部的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)在增加，在水深較大的曹妃甸港海域，受岸線(xiàn)變化的影響，風(fēng)暴潮增水明顯．曹妃甸港和天津港海域，由原來(lái)的一般強(qiáng)度風(fēng)暴潮災(zāi)害，改變?yōu)檩^大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害．黃驊港海域，由原來(lái)的較大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害增加為大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害[22-23](表1)．這需要在圍填海工程設(shè)計(jì)和堤防設(shè)計(jì)中引起重視．

表1 岸線(xiàn)變化前后對(duì)渤海灣臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害強(qiáng)度級(jí)別的影響Tab. 1 Effect of coastal engineering on the intensity of the storm surge disaster in Bohai Bay

4 結(jié) 語(yǔ)

基于 FVCOM 海洋動(dòng)力學(xué)模型，建立了渤海三維風(fēng)暴潮模型．采用大小網(wǎng)格嵌套的方法，對(duì)渤海近岸區(qū)域進(jìn)行加細(xì)模擬，提高了模型的模擬分辨率和準(zhǔn)確性．對(duì)渤海 Winnie臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了渤海風(fēng)暴潮增水及流場(chǎng)的分布特征，并研究了海岸工程對(duì)渤海灣臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的影響．

東北向的大風(fēng)容易引發(fā)渤海風(fēng)暴潮增水．風(fēng)暴潮期間，渤海灣增水明顯，萊州灣次之，遼東灣出現(xiàn)顯著減水．在渤海灣，曹妃甸港、天津港和黃驊港等近岸海域風(fēng)暴潮增水較大，流場(chǎng)發(fā)生較大改變，沿岸流、沿堤流增強(qiáng)．海岸工程的建設(shè)改變了岸線(xiàn)形態(tài)，渤海灣海域近岸工程后風(fēng)暴潮最大增水在增加．特別是在風(fēng)暴潮的中期，海岸工程使渤海灣風(fēng)暴潮水位增加，曹妃甸港、天津港和黃驊港海域的風(fēng)暴潮災(zāi)害強(qiáng)度都有不同程度的增大．

岸線(xiàn)變化對(duì)渤海灣海域風(fēng)暴潮增水影響明顯，在海岸工程和堤防設(shè)計(jì)中，需要考慮風(fēng)暴潮增水對(duì)海堤防護(hù)的不利影響．本文僅局限于個(gè)例進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果也有待于改進(jìn)．今后將會(huì)深入研究風(fēng)暴潮增水的動(dòng)力學(xué)機(jī)制以及岸線(xiàn)變化對(duì)渤海風(fēng)暴潮增水及流場(chǎng)變化的響應(yīng)．

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