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(fēng)暴潮災(zāi)害在我國海洋災(zāi)害中影響最大，導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失也最為嚴(yán)重[1-2]，已成為我國海洋防災(zāi)減災(zāi)面臨的重大挑戰(zhàn)之一[3]。臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮是浙江沿海地區(qū)主要的海洋災(zāi)害之一[4]，風(fēng)暴增水會(huì)造成杭州灣海域持續(xù)高水位，枯水期則會(huì)加劇咸潮入侵，影響錢塘江取水安全[5]。

風(fēng)暴潮的研究方法包括理論方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和數(shù)值模擬方法[6]。20 世紀(jì)80 年代以來我國風(fēng)暴潮數(shù)值模擬取得了長足發(fā)展，在各個(gè)海區(qū)的應(yīng)用中都取得了良好的效果[7-8]。在強(qiáng)潮海區(qū)，風(fēng)暴潮和天文潮的非線性相互作用是影響臺(tái)風(fēng)風(fēng)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(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了許多探討，結(jié)果表明考慮了天文潮-風(fēng)暴潮非線性耦合作用的數(shù)值模擬結(jié)果可以更好地反應(yīng)研究海域的風(fēng)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(fēng)暴增水等因素會(huì)加劇河口的咸潮入侵災(zāi)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(qiáng)度都有所增加[13-14]。錢塘江河口是典型的強(qiáng)潮河口，咸潮入侵是影響河口段用水水質(zhì)安全的重要制約因素，是咸潮入侵研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，認(rèn)識(shí)風(fēng)暴潮期間錢塘江咸潮入侵的特點(diǎn)具有重要的意義。2019年9月30日—10月2日，臺(tái)風(fēng)“米娜”影響福建、浙江和江蘇沿海，期間沿海最大風(fēng)暴增水超過110 cm，風(fēng)暴增水加劇了錢塘江口咸潮入侵。

1 數(shù)據(jù)簡介

1918 號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”特征數(shù)據(jù)來自中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)官網(wǎng)（網(wǎng)址：http://typhoon.nmc.cn/web.html）。臺(tái)風(fēng)“米娜”于2019年10月1日20時(shí)30分（北京時(shí)，下同）在浙江省舟山市普陀區(qū)沈家門沿海以臺(tái)風(fēng)級(jí)別登陸，登陸時(shí)中心氣壓為980 hPa，中心最大風(fēng)力為9級(jí)。

潮位數(shù)據(jù)來源于自然資源部以及地方海洋站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門4 個(gè)潮位站，數(shù)據(jù)的時(shí)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(tái)風(fēng)“米娜”的移動(dòng)路徑較近，蘆潮港站和灘滸站位于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑西側(cè)。天文潮數(shù)據(jù)來源于國家海洋信息中心潮汐預(yù)報(bào)結(jié)果。錢塘江河口的咸潮入侵?jǐn)?shù)據(jù)來源于中國沿海海平面變化影響調(diào)查業(yè)務(wù)化成果。

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

2 風(fēng)暴潮模型設(shè)置與驗(yàn)證

2.1 ADCIRC模型

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

其中：

垂向積分二維動(dòng)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(yīng)力和底切應(yīng)力；Dx、Dy、Bx、By分別為側(cè)向應(yīng)力梯度和動(dòng)量耗散項(xiàng)。

2)冷水年,菲律賓反氣旋的存在使得副高西伸加強(qiáng),顯著加強(qiáng)了其西側(cè)暖濕氣流向江南地區(qū)輸送,高層輻散抽吸作用導(dǎo)致江南地區(qū)對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),暖水年相反,表明冷(暖)水年對(duì)應(yīng)著江南雨季降水偏多(少)。

2.2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型

本文在進(jìn)行臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬過程中，采用高橋公式[15]計(jì)算臺(tái)風(fēng)的氣壓場(chǎng)：

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用梯度風(fēng)和移行風(fēng)疊加而成：

梯度風(fēng)風(fēng)速由氣壓場(chǎng)通過梯度風(fēng)關(guān)系得到：

臺(tái)風(fēng)移行風(fēng)場(chǎng)采用宮崎正衛(wèi)公式[16]計(jì)算：

式中：r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離；R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；P∞為外圍氣壓；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；f為科氏參數(shù)；θ為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的連線與正東方向的夾角；β為梯度風(fēng)和海面風(fēng)的夾角；Vx、Vy分別為臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)外圍考慮背景風(fēng)場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)中心附近仍使用臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)，構(gòu)造出合成的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。合成方法為：

式中：為合成風(fēng)場(chǎng)；為臺(tái)風(fēng)模型風(fēng)場(chǎng)；為背景風(fēng)場(chǎng)；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(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為背景風(fēng)場(chǎng)，該數(shù)據(jù)同化了QuickSCAT、ASCAT、Windsat 等多種海洋被動(dòng)微波和散射計(jì)遙感平臺(tái)采集的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h。

2.3 模型設(shè)置

研究區(qū)域?yàn)橹凵饺簫u附近海域，該海域島嶼眾多，岸線曲折，海底地形復(fù)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(fēng)暴潮模擬的準(zhǔn)確度，模型計(jì)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(wǎng)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(jìn)行局部加密，最高空間分辨率為120 m，模型網(wǎng)格三角形個(gè)數(shù)為110 454，節(jié)點(diǎn)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(xué)委員會(huì)（Intergovernmental Oceanographic Commission）和國際水道測(cè)量組織（International Hydrographic Organization）提供，在近岸地區(qū)采用海圖水深進(jìn)行訂正。模型采用冷啟動(dòng)，即初始時(shí)刻流速和水位均設(shè)為0。在開邊界處利用日本國家天文臺(tái)建立的NAO99 中的8 個(gè)主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，表面的風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)由2.2 節(jié)建立的臺(tái)風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算得到。模式中時(shí)間步長為3 s，模擬時(shí)間為2019年9月25日—10月5日。

2.4 模型驗(yàn)證

2.4.1 潮位驗(yàn)證

對(duì)模型模擬的潮位結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選取舟山附近海域的蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門4個(gè)驗(yàn)潮站的逐時(shí)潮位和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比時(shí)間為9 月28日—10 月5 日。各驗(yàn)潮站對(duì)比結(jié)果見圖2，圖中黑色實(shí)線為潮位實(shí)測(cè)值，紅色實(shí)線為模擬值。從圖中可以看出各驗(yàn)潮站潮位的實(shí)測(cè)值和模擬值結(jié)果吻合良好，變化趨勢(shì)基本一致。經(jīng)過誤差統(tǒng)計(jì)，蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門這4個(gè)驗(yàn)潮站模擬逐時(shí)潮位的平均絕對(duì)誤差分別為22 cm、19 cm、10 cm和14 cm。

圖2 潮位實(shí)測(cè)和模擬對(duì)比Fig.2 Comparison of measured and simulated astronomical tides

2.4.2 風(fēng)暴增水驗(yàn)證

在風(fēng)暴增水過程中，天文潮-風(fēng)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(tái)風(fēng)“米娜”影響期間，舟山附近海域天文潮-風(fēng)暴潮之間的非線性作用，利用建立的風(fēng)暴潮模型進(jìn)行兩組數(shù)值試驗(yàn)，其中，控制試驗(yàn)中模型由氣象強(qiáng)迫和潮強(qiáng)迫共同驅(qū)動(dòng)，得到的水位為ηT+S，無潮試驗(yàn)中模型僅由氣象強(qiáng)迫進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得到的水位為ηS。天文潮-風(fēng)暴潮的非線性作用ηI=ηT+S-ηT-ηS，式中ηT為天文潮模擬結(jié)果得到的水位。

圖3 為1918 號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”影響期間，舟山附近海域4 個(gè)驗(yàn)潮站風(fēng)暴增水的實(shí)測(cè)值和模擬值，圖中黑色實(shí)線為實(shí)測(cè)值，紅色實(shí)線為控制試驗(yàn)?zāi)M值ηSI，藍(lán)色實(shí)線為無潮試驗(yàn)?zāi)M值ηS。表1為臺(tái)風(fēng)“米娜”過程各站實(shí)測(cè)和模擬最大增水和最大增水時(shí)間。如圖3 所示，考慮天文潮作用的控制試驗(yàn)得到的風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)的風(fēng)暴增水吻合得更好，蘆潮港、灘滸、岱山和沈家門站控制試驗(yàn)得到的最大風(fēng)暴增水和實(shí)測(cè)最大風(fēng)暴增水的絕對(duì)誤差分別為6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。僅考慮氣象強(qiáng)迫的無潮試驗(yàn)則低估了最大風(fēng)暴增水，其得到的各站最大風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)最大增水的絕對(duì)誤差超過10 cm。在對(duì)臺(tái)風(fēng)“米娜”風(fēng)暴增水進(jìn)行模擬時(shí)，天文潮-風(fēng)暴潮之間的非線性作用是不可忽略的，本文建立的風(fēng)暴潮模型能夠較準(zhǔn)確地模擬臺(tái)風(fēng)“米娜”引起的風(fēng)暴增水過程。

表1 臺(tái)風(fēng)“米娜”期間最大增水情況Tab.1 The maximum storm surge during Typhoon"Mitag"

圖3 風(fēng)暴增水實(shí)測(cè)和模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of measured and simulated storm surge

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)暴增水特征分析

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

3.2 天文潮-風(fēng)暴潮非線性作用

圖5為臺(tái)風(fēng)“米娜”期間各站天文潮、風(fēng)暴增水、純風(fēng)暴增水和天文潮-風(fēng)暴潮的非線性作用增水的變化曲線。臺(tái)風(fēng)“米娜”期間，天文潮-風(fēng)暴潮的非線性作用在漲潮、落潮階段達(dá)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(gè)站的天文潮-風(fēng)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(gè)值明顯大于純風(fēng)暴增水。臺(tái)風(fēng)“米娜”引起的最大風(fēng)暴增水發(fā)生在低潮附近，在風(fēng)暴增水達(dá)到最大值的過程中，各站的天文潮-風(fēng)暴潮非線性作用增水分別為24 cm、26 cm、14 cm 和4 cm，使得風(fēng)暴增水也有所增加。

圖5 天文潮-風(fēng)暴潮變化曲線Fig.5 Time series of astronomical tide-storm surge

4 臺(tái)風(fēng)“米娜”對(duì)錢塘江咸潮入侵的影響

4.1 錢塘江咸潮入侵特點(diǎn)

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(dá)到最大，8—12 月徑流量相對(duì)較小，同時(shí)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(yán)重。8—10 月也是臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害的高發(fā)期，風(fēng)暴增水抬升了水位，增大向陸斜壓力，會(huì)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(yán)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(tái)風(fēng)“米娜”影響，錢塘江發(fā)生較明顯的咸潮入侵，在臺(tái)風(fēng)“米娜”作用期間，南星水廠取水口超標(biāo)41 h，最大氯度值達(dá)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(tái)風(fēng)期間錢塘江咸潮入侵特點(diǎn)

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

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

表3 為臺(tái)風(fēng)期間錢塘江咸潮入侵和水位情況。對(duì)臺(tái)風(fēng)“米娜”期間的錢塘江監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的日最大氯度值與灘滸站日最大水位變化的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)約為0.88，入侵程度變化過程與風(fēng)暴增水過程基本一致。如圖7 所示，在臺(tái)風(fēng)登陸前0.5 h 左右（1 日20 時(shí)），杭州灣—舟山群島附近海域均出現(xiàn)明顯的風(fēng)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(nèi)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(dāng)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(tái)風(fēng)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(jié)論

利用海洋數(shù)值模型ADCIRC 建立杭州灣水動(dòng)力模型，經(jīng)驗(yàn)證模型能夠較為真實(shí)地模擬杭州灣及附近海域的水動(dòng)力環(huán)境及風(fēng)暴增減水特征，在此基礎(chǔ)上分析了臺(tái)風(fēng)“米娜”影響期間杭州灣風(fēng)暴增減水的時(shí)空分布特征及對(duì)錢塘江咸潮入侵的影響。主要結(jié)論如下：

①臺(tái)風(fēng)“米娜”期間，杭州灣最大風(fēng)暴增水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)登陸前后1 h 內(nèi)，蘆潮港站、灘滸站、岱山站和沈家門站的最大風(fēng)暴增水分別為92 cm、111 cm、83 cm 和74 cm，臺(tái)風(fēng)登陸后，隨著風(fēng)向的轉(zhuǎn)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(duì)臺(tái)風(fēng)“米娜”風(fēng)暴增水進(jìn)行模擬時(shí)，考慮天文潮作用的控制試驗(yàn)得到的風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)吻合得更好，在各站控制試驗(yàn)得到的最大風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)的絕對(duì)誤差分別為6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。而僅考慮氣象強(qiáng)迫的無潮試驗(yàn)低估了最大風(fēng)暴增水，其得到的各站最大風(fēng)暴增水與實(shí)測(cè)的絕對(duì)誤差超過10 cm。天文潮-風(fēng)暴潮之間的非線性作用對(duì)臺(tái)風(fēng)“米娜”風(fēng)暴增水的影響明顯，臺(tái)風(fēng)“米娜”引起的最大風(fēng)暴增水發(fā)生在低潮附近，在風(fēng)暴增水達(dá)到最大值的過程中，各站天文潮-風(fēng)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(qiáng)度，風(fēng)暴增水會(huì)在一定程度上加劇咸潮入侵災(zāi)害，臺(tái)風(fēng)“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(dá)到776 mg/L，影響取水安全。因此在臺(tái)風(fēng)期間需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提前做好相關(guān)預(yù)報(bào)，采取增大淡水流量和關(guān)閉取水口等措施進(jìn)行科學(xué)應(yīng)對(duì)。

錢塘江河口風(fēng)暴潮期間咸淡水混合動(dòng)力過程復(fù)雜，臺(tái)風(fēng)期間的降雨、風(fēng)浪等因素都會(huì)影響咸潮入侵的特征，本文主要基于臺(tái)風(fēng)“米娜”期間杭州灣周邊海域風(fēng)暴增水的數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)測(cè)資料，論述了臺(tái)風(fēng)對(duì)咸潮入侵的影響。下一步需收集更多相關(guān)資料，通過耦合數(shù)值分析等手段探討臺(tái)風(fēng)期間錢塘江咸潮入侵的動(dòng)力機(jī)制。