潘存鴻，潘冬子，鄭 君，陳 剛

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020)

0 引言

盡管世界上大約有450個河口存在涌潮[1]，但絕大多數(shù)涌潮較小，幾乎沒有欣賞價值。世界上涌潮最大的是亞馬遜河涌潮和錢塘江涌潮，前者位于熱帶雨林，交通不便，觀潮不易；后者涌潮潮景多變，且兩岸交通方便，是世界上最有欣賞價值的涌潮[2]。錢塘江河口夏、秋季常受臺風影響，在臺風期間，受臺風氣壓場和風場的影響，往往引起涌潮高度增加、涌潮流速加大、涌潮傳播速度加快。錢塘江年最大涌潮幾乎都發(fā)生在臺風期間，此時涌潮最為壯觀，同時對涉水工程的破壞力也最大。既要保護錢塘江涌潮資源，又要減少涌潮帶來的災害，因此，研究臺風對錢塘江涌潮的影響，具有重要的學術(shù)意義和現(xiàn)實意義。

臺風對涌潮的作用可分為直接和間接兩個方面[3]，前者是臺風期間較大的局地風場直接造成涌潮特征變化；后者是臺風引起涌潮起潮點下游河段潮汐變化，間接影響涌潮特征。最近幾十年來，學者對涌潮水動力特性[3-7]，涌潮傳播規(guī)律[8-9]，涌潮流速[2,5-6,10]，湍流特性[11-12]，涌潮作用力[13-14]，涌潮對河口鹽度[15-16]、泥沙輸移[17-18]和沉積[19]的影響，涌潮景觀影響評價[20]等進行了多角度的研究，但臺風對涌潮的作用研究罕見報道。張舒羽 等[21]應用二維涌潮數(shù)學模型在概化河道中計算分析了恒定風場對涌潮的直接影響，潘存鴻 等[22]應用FVCOM三維模型探討了錢塘江涌潮對恒定順風和逆風風場的直接響應。

本文重點研究臺風對涌潮的間接影響。基于長時間序列實測潮位資料和臺風資料，結(jié)合天文潮調(diào)和分析，研究臺風對錢塘江河口涌潮起潮點下游河段潮汐的影響，進而探討因潮汐變化引起的錢塘江涌潮高度、陡度、傳播速度、到達時間和涌潮流速等變化。研究成果可為涌潮預報和涌潮防災提供技術(shù)支撐。

1 影響杭州灣的臺風特征

杭州灣位于從灣頂澉浦至灣口南匯嘴—鎮(zhèn)海斷面的海域，長98 km，灣口寬98 km，灣頂寬16.5 km，水域面積約5 500 km2[2]，見圖1。杭州灣屬典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，大多數(shù)年份都受臺風的影響。根據(jù)臺風路徑，對杭州灣有影響的臺風主要可分為3類：第1類為浙江登陸的臺風，也包括登陸上海的杭州灣北岸臺風，其對杭州灣的影響最大；第2類為途經(jīng)浙江沿海北上的臺風，其對杭州灣的影響為其次；第3類為浙江以南登陸的臺風，其對杭州灣的影響相對較小。

圖1 錢塘江河口及杭州灣示意圖Fig.1 Sketch map of the Qiantang River and Hangzhou Bay

1950—2018年臺風每年發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(圖2)表明，西北太平洋臺風發(fā)生次數(shù)(包括中國南海)存在明顯年際變化，最多時為40次/a(1950年)，最少時為11次/a(1998年)。臺風發(fā)生次數(shù)的年代際變化趨勢不明顯，除1950—1959年次數(shù)較多，可達319次/10 a，其余均集中在224～254次/10 a(表1)。由此表明最近30 a 西北太平洋臺風次數(shù)未出現(xiàn)增多現(xiàn)象。

圖2 西北太平洋每年臺風次數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Number of typhoons per year in the Northwest Pacific Ocean

根據(jù)1950—2018年實測資料統(tǒng)計，以杭州灣出現(xiàn)>0.5 m的風暴增水為標準，影響杭州灣的臺風共有124次，平均每年1.8次，其中在浙江登陸的有 29次，占23.4%；浙江沿海北上的有70次，占56.5%；浙江以南登陸的有25次，占20.2%(表1)。由表可知，1950—1979年影響杭州灣的臺風次數(shù)較少，平均每年1次左右，20世紀80年代以來臺風次數(shù)明顯增多，1990—2018年的近30 a間，平均每年達到2.6次。

表1 影響杭州灣的臺風及西北太平洋臺風統(tǒng)計Tab.1 Statistics of typhoons affecting the Hangzhou Bay and the Northwest Pacific

圖3為影響杭州灣的臺風發(fā)生次數(shù)在年內(nèi)的分布。由圖可知臺風發(fā)生在5月至10月之間，其中8月和9月最多，分別占34.7%和29.8%；其次為7月和10月，分別占16.1%和12.9%；最少的為6月和5月，分別占5.6%和0.8%。

圖3 影響杭州灣臺風的年內(nèi)分布Fig.3 Monthly distribution of typhoons affecting the Hangzhou Bay

2 臺風對錢塘江河口潮汐的影響

臺風通過改變氣壓場和風場對潮汐產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：通過增減水抬高或者降低高、低潮位，引起潮差增大或減??；通過改變高、低潮位出現(xiàn)時間，引起漲、落潮歷時變化；通過改變水深、潮動力，加上風生流等作用改變潮波傳播速度。從臺風對涌潮影響角度，本文主要探討臺風對潮汐中的低潮位、潮差、潮到時間、漲潮歷時等4個因素的影響。

澉浦潮位站有長時間序列的潮汐觀測資料(資料來自浙江省水文管理中心)，同時也是離錢塘江涌潮起潮點下游最近的潮位站，因此本文以澉浦潮位站為代表分析臺風對潮汐的影響。選取1950—2018年間對杭州灣影響較大的10次典型臺風為代表進行分析，臺風的具體信息見表2。10次臺風中，8次在浙江登陸，1次在福建福鼎登陸，1次為浙江沿海北上(在臺州外海轉(zhuǎn)向)；6次發(fā)生在大潮期，1次在中潮期，3次在小潮期；按照臺風強度，包括超強臺風(1次)、強臺風(6次)、臺風(2次)和強熱帶風暴(1次)。雖然臺風摩羯在浙江溫嶺登陸時只有強熱帶風暴強度，但恰遇天文大潮，澉浦站漲、落潮潮差分別達 9.10 m 和 9.15 m，均打破了澉浦站最大漲、落潮潮差的歷史記錄，并且高潮位僅次于歷史最高潮位。

表2 對杭州灣影響較大的10次臺風Tab.2 Ten typhoons affecting greatly on the Hangzhou Bay

圖4為臺風溫黛、溫妮和摩羯期間實測潮位與天文潮潮位過程的比較，其中澉浦站天文潮根據(jù)澉浦站 1 a 完整的實測逐時潮位資料利用100多個分潮優(yōu)化計算得到。由圖4可知，臺風期間大多數(shù)高、低潮位抬高，臺風越強，潮位抬高越多，即增水越大，如超強臺風溫黛的增水大于臺風溫妮，后者增水又大于強熱帶風暴摩羯。

圖4 3次臺風期間澉浦站實測潮位和天文潮對比Fig.4 Comparison between measured tidal level and astronomical tide at Ganpu station during three typhoons

圖5展示了臺風期間4個潮周期(臺風登陸前或轉(zhuǎn)向前2個、登陸或轉(zhuǎn)向時段1個、登陸后或轉(zhuǎn)向后1個)澉浦站低潮位的變化(澉浦實測低潮位與天文潮低潮位之差)。由圖可知，在10次臺風期間的40個潮周期中，只有2個潮周期的低潮位下降，出現(xiàn)在臺風溫黛期間最后1個潮周期(即臺風登陸后)和臺風摩羯期間第1個潮周期，下降值分別為0.05 m和0.12 m，其余38個潮周期低潮位均為抬高，其中抬高1～2 m的為5個，2～3 m 的為2個，3 m以上的為1個(臺風溫黛)。10次臺風期間澉浦站低潮位平均抬高0.76 m。

圖5 臺風期間澉浦站低潮位變化Fig.5 Changes of low tide level at Ganpu station during typhoons

圖6揭示了臺風期間4個潮周期澉浦站的潮差相對變化(澉浦實測潮差與天文潮潮差的相對變化)。在10次臺風期間(40個潮周期)，潮差平均增大0.26 m，其中潮差增大占80%。其中5次臺風期間，潮差均為增大；5次臺風期間，潮差有增有減，但以增大為主。其中潮差絕對值增大、減小最多的分別達1.11 m(臺風燦鴻)和1.73 m(臺風海葵)，這兩個臺風期間潮差相對值增大、減小也最多，分別達22.8%(臺風燦鴻)和26.5%(臺風海葵)。

圖6 臺風期間澉浦站潮差變化Fig.6 Changes of tidal range at Ganpu station during typhoons

圖7為臺風期間連續(xù)4個潮周期澉浦站潮到時間(即澉浦站實測潮到時間與天文潮潮到時間之差)變化圖，負值表示實測潮到時間早于天文潮，正值表示實測潮到時間晚于天文潮。在10次臺風期間，大多數(shù)潮的潮到時間提早，20%的潮期延遲，其中連續(xù)4個潮的潮到時間均提早的為3次，有提早也有延遲的為7次。從時間量值上看，在10次臺風期間，有8次的潮到時間提早超過30 min，其中4次時間提早超過1 h，最大提早時間達1 h 34 min，出現(xiàn)在臺風溫妮發(fā)生期間；而潮到時間延遲最多僅為10 min，發(fā)生在臺風麥莎和摩羯期間。10次臺風期間澉浦站潮到時間平均提早23 min。

圖7 臺風期間澉浦站潮到時間變化Fig.7 Changes of tidal arrive time at Ganpu station during typhoons

圖8為臺風期間連續(xù)4個潮周期的澉浦站漲潮歷時相對變化(即澉浦站實測漲潮歷時與天文潮漲潮歷時之差)，負值表示實測漲潮歷時短于天文潮，正值表示實測漲潮歷時長于天文潮。40個潮周期的漲潮歷時表現(xiàn)為有增有減，平均縮短5 min，相對縮短為1.2%。40個潮周期中漲潮歷時縮短的為19個，占47.5%，最多縮短94 min(臺風溫黛)，相對縮短25.8%。臺風溫妮期間，漲潮歷時增長最多，為46 min，相對增長14.6%。在臺風瑪麗和菲特發(fā)生期間，連續(xù)4個潮周期的漲潮歷時均增加。

圖8 臺風期間澉浦站漲潮歷時變化Fig.8 Changes of duration of flood tide at Ganpu station during typhoons

綜上所述，臺風可導致澉浦站低潮位、潮差、潮到時間、漲潮歷時等潮汐要素發(fā)生變化，而這些潮汐變化會間接影響涌潮。

3 臺風對錢塘江涌潮的影響

根據(jù)以上分析可知，臺風會對涌潮河段下游澉浦站的潮汐特征產(chǎn)生影響，下面探討臺風對涌潮河段上游鹽官站的潮汐和涌潮的影響。鹽官為知名的涌潮觀賞勝地，同時建有潮位站，有長期的潮汐觀測資料(本文觀測資料來自浙江省水文管理中心)，現(xiàn)以鹽官站為例分析之。

3.1 對涌潮高度的影響

鹽官站距離澉浦站約51 km。涌潮在澉浦站上游形成后，沿著錢塘江向內(nèi)逐漸增大，在鹽官站涌潮達到最大，在鹽官以上河段又逐漸減小。潮差是影響涌潮高度的最重要因素，在其它條件相同情況下，潮差越大，涌潮越強。根據(jù)2010年10月鹽官站涌潮的實測資料(2010年10月1日—30日，資料來自浙江省河海測繪院)，涌潮高度Δh與潮差Ay的相關關系為(相關系數(shù)為0.98)[5]

Δh=0.95Ay-2.24

(1)

式中：Ay為鹽官站潮差,單位為m；Δh為涌潮高度,單位為m。

在非洪水期，鹽官和澉浦兩站的潮汐特征具有很好的相關性，相關系數(shù)達0.98(超過99%的置信度)?；趦烧就綄崪y1個月的潮位資料，得到兩站潮差的相關公式：

Ay=0.72Ag-0.51

(2)

式中：Ag為澉浦站潮差，單位為m。

根據(jù)公式(1)和(2)得到鹽官涌潮高度Δh與澉浦潮差Ag的關系式為

Δh=0.68(Ag-4.0)

(3)

上式表明，當澉浦站潮差大于鹽官站產(chǎn)生涌潮的臨界潮差4 m時，澉浦站潮差每增大1 m，鹽官站涌潮高度增大0.68 m。前文對10次臺風期間的分析結(jié)果表明，澉浦站潮差增大、減小最多分別為1.11 m和1.73 m，由此得到鹽官站涌潮高度相應增大0.75 m和減小1.18 m。鹽官的涌潮高度一般小于2 m，在極端情況下(如臺風燦鴻和臺風?？?，臺風對涌潮高度的影響顯著。但就平均而言，臺風期間澉浦站潮差平均增大0.26 m，相應鹽官涌潮高度增大僅0.18 m，增大并不明顯。

3.2 對涌潮陡度的影響

在漲潮量相同的情況下，漲潮歷時越短，流量越大，水面漲率越大，水面坡降也越大，從而涌潮也越陡[6]。鹽官站的漲潮歷時與澉浦站的漲潮歷時密切相關，根據(jù)一個月同步實測資料(資料時間和來源同前)得到鹽官漲潮歷時Ty與澉浦漲潮歷時Tg的關系如下

Ty=0.48Tg+15.19

(4)

式中：T的單位為min。式(4)表明，澉浦站漲潮歷時每減小10 min，鹽官站漲潮歷時則相應減小4.8 min。根據(jù)前文分析結(jié)果，在10次臺風期間，澉浦站漲潮歷時增大、減小最多分別為46 min和 94 min，根據(jù)式(4)得到鹽官站漲潮歷時相應增大 22 min(13.2%)和減小45 min(25.0%)。目前有關涌潮陡度的實測資料極少，對它的認識還比較膚淺。假設涌潮陡度與漲潮歷時成反比，則臺風期間涌潮陡度最大可以增加25.0%。但平均而言，10次臺風期間澉浦站漲潮歷時平均縮短5 min，相對縮短僅為1.2%，鹽官漲潮歷時相應縮短2.4 min，與無臺風期間的漲潮歷時無明顯差異。

3.3 對涌潮傳播速度的影響

涌潮是漲潮波的前鋒，在涌潮河段潮波的傳播速度即為涌潮傳播速度。影響涌潮傳播速度的因素較多，在不考慮風場直接作用的條件下，潘存鴻 等[3]建立了涌潮傳播速度C的解析計算公式：

(5)

式中：uu為上游(潮前)落潮流速，單位：m/s；h為水深,單位：m；Δh為涌潮高度，Δh=hd-hu，其中hu和hd分別表示潮前(河側(cè))和潮后(海側(cè))水深,單位：m。在無涌潮河段，一般潮前落潮流速為零[2]，則式(5)可簡化為淺水波速公式。

受臺風影響，潮前流速、潮前和潮后水深均會發(fā)生變化，從而影響涌潮傳播速度。一般情況下，受臺風增水的影響，低潮位抬高，引起水深加大，從而涌潮傳播速度加快。圖9為10次臺風期間連續(xù)4個潮周期澉浦—鹽官段潮波(涌潮)傳播速度變化。由于該段河道水深較淺，潮波傳播相對較慢，大多數(shù)潮周期的潮波傳播速度介于3～5 m/s。臺風期間連續(xù)4個潮周期，澉浦-鹽官段的潮波傳播速度有增有減，40個潮周期中傳播速度增大的占72.5%，增大10%以上的有13個，占32.5%。增大幅度明顯大于減小幅度，其中增幅最大可達138.9%，發(fā)生在臺風溫黛期間；最大減小幅度發(fā)生在臺風溫妮期間，僅-10.2%。臺風瑪麗、麥莎和摩羯發(fā)生期間，連續(xù)4個潮周期的潮波傳播速度均為增大。就平均而言，10次臺風期間潮波傳播速度平均為4.1 m/s，平均增大8.9%。

圖9 臺風期間澉浦—鹽官潮波傳播速度變化Fig.9 Changes of propagation speed of tide from Ganpu to Yanguan station during typhoons

3.4 對涌潮到達時間的影響

涌潮到達時間是涌潮預報中最重要的指標，對觀潮具有非常重要的意義。在涌潮河段，涌潮到達時間即為潮到時間。鹽官站涌潮到達時間既受下游澉浦站潮到時間的影響，還受到澉浦至鹽官段涌潮傳播速度的影響。因此，鹽官站涌潮到達時間的變化幅度要大于澉浦站潮到時間的變化幅度。就平均而言，臺風期間40個潮周期中鹽官站的涌潮到達時間平均提早37 min，比澉浦站的潮到時間平均提早14 min。圖10 為10次臺風期間鹽官站涌潮到達時間的變化，由圖可知，40個潮周期中有32個潮周期(占80%)的涌潮到達時間提早，最多提早3 h 33 min。臺風期間，涌潮到達時間延遲的僅占20%，且與提早時間相比，量值上也較小，延遲最多的為31 min。

圖10 臺風期間鹽官站涌潮到達時間變化Fig.10 Changes of arrival time of tidal bore at Yanguan station during typhoons

3.5 對涌潮流速的影響

若不考慮臺風產(chǎn)生的風生流，涌潮流速ud可表示為[3]

(6)

式中符號意義同前。據(jù)前文分析，臺風期間大多數(shù)情況下，一方面涌潮高度增大，另一方面低潮位抬高，即潮前水深增大。根據(jù)式(6)，二者對涌潮流速的作用恰好相反，因此，在不考慮臺風產(chǎn)生的風生流條件下，臺風期間的涌潮流速可能增大也可能減小。但是，即使涌潮流速不變，由于水深加大，單寬流量增大，對涉水工程的作用力也會增大。

4 結(jié)論

本文重點探討了臺風對涌潮的間接影響，即臺風引起涌潮起潮點下游澉浦站潮汐變化，間接影響鹽官站的涌潮特征。主要結(jié)論如下：

(1)臺風對潮汐的影響非常復雜，臺風造成涌潮起潮點下游澉浦站低潮位、潮差、潮到時間、漲潮歷時等發(fā)生變化。臺風期間澉浦站低潮位平均抬高0.76 m，潮差平均增大0.26 m，澉浦站潮到時間平均提早23 min，漲潮歷時平均縮短5 min。

(2)臺風通過影響澉浦站潮汐運動間接影響鹽官涌潮，導致涌潮高度、陡度、傳播速度、到達時間和流速等發(fā)生變化，且變化幅度較大。臺風期間鹽官站涌潮的高度平均增大0.18 m，涌潮的到達時間平均提早37 min，澉浦至鹽官段涌潮傳播速度平均增大8.9%，涌潮的陡度變陡，流速有增有減，但單寬流量增大。

臺風期間除上述臺風對涌潮間接影響外，還有局部風場對涌潮的直接影響，這些因素共同作用造成涌潮更為壯觀，對涉水工程的破壞力也更大，因而對觀潮安全和涌潮防災帶來了更大的挑戰(zhàn)。本研究成果有助于提高涌潮預報精度，并為涌潮防災提供技術(shù)支撐。