“梅花”臺風期間江蘇輻射沙洲海域風暴潮增水研究

俞亮亮，陸培東，陳可鋒

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210024;2.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210024)

風暴潮系指由于強烈的大氣擾動——如強臺風和氣壓驟變所招致的海面異常升高的現象［1］。這種水面異常急劇升高，往往引發災害，它不僅破壞海岸工程，吞噬良田，還給沿海人民的生命財產造成巨大損失。我國是世界上風暴潮災害最為嚴重的國家之一，近20年來造成的直接經濟損失高達2 443.64 億元，且呈波動上升趨勢［2］。

江蘇作為沿海經濟開發重要省份，特大風暴潮災害一直是主要自然災害之一。前人在渤海灣、珠江口及長江口的風暴潮增水研究中已有較多成果［3-7］，而對于江蘇輻射沙洲海域的風暴潮研究，由于其復雜的地形和潮汐環境，成果較少。因此，了解和掌握臺風作用下，輻射沙洲海域風暴潮增水的特征和規律，對江蘇的經濟、社會發展具有重要意義和必要性。

江蘇風暴潮災害頻繁，根據1949 ～2010年統計結果，60年來影響江蘇的臺風記錄共有194 次，臺風類型可分為5 種，如圖1 所示。其中對江蘇產生嚴重影響的類型為近?；顒有?、正面登陸型和登陸北上東［8］，三種類型中又屬近?；顒有途佣啵?4%。1109 號“梅花”(Muifa)臺風為最近一次影響江蘇的臺風，于2011年8月6日～8日途經江蘇外海后在朝鮮半島登陸。比較圖1 與圖2 中“梅花”臺風路徑，可以看到“梅花”臺風屬于典型的近?；顒有?。利用2010年9月布設在輻射沙洲南翼小廟洪水道大唐電廠碼頭的臨時觀測點連續一年的觀測結果和太陽島站資料，得到“梅花”臺風期間測點潮位、風向風速、海浪、泥沙的變化過程。以“梅花”臺風期間實測數據為驗證資料，通過建立黃海天文潮與風暴潮耦合數學模型，分析近?；顒有团_風作用下，輻射沙洲流場變化及風暴潮增水空間分布特征。

圖1 影響江蘇的臺風類型及比例Fig.1 The types and percentage of typhoon affecting Jiangsu

1 風暴潮數值模型

1.1 基本方程與計算方法

本模式是建立在荷蘭Delft3D 水動力學計算軟件的基礎上，方程建立在正交曲線坐標系(ξ，η)中，在垂直方向上采用σ 坐標，數值計算方法采用ADI 法［9］?；痉匠倘缦?

沿水深積分的連續方程:

ξ 和η 方向的動量方程:

式中:f 為柯式力，f=2Ωsinφ，Pξ和Pη是壓強梯度，Fξ和Fη是水平雷諾應力不平衡性，νv為垂直渦粘性系數。

在計算域內和深水的開邊界處，既要考慮天文潮的作用，又要考慮臺風的作用，天文潮的作用是通過在邊界上給定主要分潮作為驅動力以實現，而臺風作用主要是氣壓和風，是通過靜壓假設和自由表面條件來實現的。

根據靜壓假設:

根據自由表面條件:

式中:θ 是風拖拽力和η 的夾角;VH是水平粘滯系數;τs為風應力，其中，ρ0是空氣密度，U10是海平面以上10 m 處的風速，Cd是風拖拽力系數，與U10相關。

1.2 模型范圍及邊界條件

圖2 模型范圍及驗證結果Fig.2 Computed domain and track calibration of“Muifa”

由于研究范圍大，為達到精度要求，建立了兩個數學模型——東中國海模型和黃海模型(圖2)。東中國海模型范圍為117°～131°E，24°～41°N，包括了臺灣海峽、東海、黃海和渤海，大洋潮波開邊界取在琉球群島和臺灣海峽，模型網格尺度2' ×2'，網格數324 ×480。黃海模型范圍為119.2° ～127.1°E，28.2° ～38.2°N，北至山東靖海角，南到錢塘江灣以南，網格尺度200 ～2 000 m，網格數889×786。

陸邊界取法向流量為零，開邊界東中國海模型采用復合潮波過程線控制，給定八個主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q2、P1)的調和常數，根據《英國潮汐表》，選取本區域內91 個驗潮站的M2、S2、K1、O14 個分潮的調和常數作為驗證資料。驗證結果顯示四個主要分潮的振幅絕對值誤差分別為9.4 cm、2.5 cm、3.6 cm 和4.0 cm，遲角絕對值平均誤差分別為7.50°、6.52°、4.86°和9.4°，潮流的相位與驗證資料基本一致，驗證的詳細結果見文獻［10］。黃海模型開邊界采用潮位控制，由東中國海模型提供。

1.3 風場及氣壓場的計算

Delft3D 本身并未提供臺風的計算模塊，風場及氣壓場的計算采用美國環境預測中心(NECP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)等諸多科研機構于2000年共同開發的一種中尺度天氣預報模式WRF(weather research and forecasting model)。WRF 模式為完全可壓縮非靜力模式，水平方向采用Arakawa C 網格，垂直方向則采用地形跟隨質量坐標，時間積分采用三階或者四階的Runge-Kutta 算法。本次對“梅花”臺風的模擬中，采用雙重嵌套網格(粗網格D1 和細網格D2)，時間積分從2011年8月3日0:00 到8月9日0:00(UTC)共145 h，采用球面坐標系，氣象資料為NECP 和NCAR 提供的每隔6 h，分辨率為1° ×1°的FNL 全球分析資料(final operational global analysis)，垂直分層28 個不等間距層，長波輻射采用RRTM(rapid radiative transfer model)方案，短波輻射采用Dudhia 方案，微物理過程選用Purdue Lin 方案，邊界層采用YSU(yonsei university)方案，陸面過程參數化采用熱量擴散方案，近地面過程采用Monin-Obukhov 方案。粗網格D1 范圍為115° ～135°E，22°～42°N，網格中心125°E，32°N，格點數為100 ×100，格距6'，積云對流采用Kain-Fritsch 方案，時間步長為60 s;細網格D2 范圍為118° ～128°E，28° ～38°N，網格中心123°E，32°N，格點數為150 ×150，格距2'，不采用積云方案，時間步長為20 s。圖2 為模擬臺風路徑與通過衛星云圖定位的逐時臺風中心位置的比較，兩者走勢基本一致，最大誤差出現在登陸前，這主要是受陸域地形、建筑等復雜因素的影響，但誤差均在90 km 以內，其中江蘇段最大誤差不超過40 km。圖3 為“梅花”臺風期間大唐電廠站和太陽島站實測風速與模擬結果的比較。從以上結果可以看出，大唐電廠站風暴潮區段誤差基本在3 m/s 以內，最大為3.43 m/s;太陽島站最大誤差為4.83 m/s;整個過程計算風速與實測風速走勢一致，此模式較為準確地模擬了“梅花”臺風過程，能為風暴潮模型提供可靠的風場和氣壓場。

1.4 參數設置

風暴潮數學模型計算時糙率計算式為:n =n0+nk(h)，其中n0=0.012 ～0.016，nk(h)是受水深調節部分，渦動粘性系數取1 ～25，空氣密度取1.293 kg/m3，風力拖拽系數采用王秀芹［11］等人推薦的最佳分段公式Cd=(0.61 +0.063 ×U10)×10－3(6 ＜U10＜22)。時間積分與風場一致，時間步長東中國海模型取為60 s，黃海模型取為30 s。

1.5 模型驗證

2011年第9 號強臺風“梅花”于7月28日14 時在西北太平洋洋面上生成，8月8日18 時30 分前后在朝鮮西海岸北部沿海登陸?！懊坊ā迸_風最大風力16 級，最高風速55 m/s，瞬間最大陣風260 km/h，中心最低氣壓925 hPa。臺風于8月6日－8月8日(農歷七月初七到初九)經過江蘇輻射沙洲，為小潮期。圖4 為大唐電廠臨時站實測潮位、計算風暴潮位及天文潮位值，圖中顯示潮位過程與實測值相位基本一致，高潮位誤差均在20 cm 以內，低潮位誤差較大，在臺風到來之前表現為低潮位偏高，離開時則表現為低潮位偏低，導致這一現象的原因是多方面的，本身風場和氣壓場在近岸受地形影響較大，誤差較大，測站布置在淺灘上，臺風期間大波浪破碎引起的增水有較大影響［12］。

圖3 大唐電廠及太陽島站風速驗證Fig.3 Wind process curves of Datangdianchang and Taiyangdao

圖4 大唐電廠風暴潮位驗證結果Fig.4 Tidal level process curve of storm surge at Datangdianchang

2 風暴潮對輻射沙洲流場的影響

圖5 輻射沙洲地形圖及測點分布Fig. 5 Topography of radial sand ridegs and locations of stations

輻射沙洲區是一特殊的潮汐環境，東海前進潮波與南黃海旋轉駐波在弶港附近輻合，不僅使得輻射沙洲海域潮流動力強、潮差大，而且形成了以弶港為中心的輻聚-輻散的潮流流場(見圖5)。其中南部的小廟洪水道和北部的西洋水道分別主要受太平洋前進波和黃海旋轉駐波的控制，動力條件相對單一，而中部的陳家塢槽、苦水洋、黃沙洋和爛沙洋等水道受兩個潮波系統輻合的影響程度較大，動力條件比較復雜［13-16］。

“梅花”臺風自南向北穿過江蘇外海，對輻射沙洲流場的影響分為三個階段:第一階段(圖6(a))臺風中心位于長江口以南洋面，輻射沙洲海域均以偏東風為主，未改變其輻射狀流場特征，且漲潮時具有一定的加強作用，長江口流場則向南偏;第二階段(圖6(b))臺風中心位于輻射沙洲中部以東海域，風速較大，北部以東北風為主，南部西北風為主，輻射狀流場特征發生了變化，漲潮時不再向弶港輻聚，而是以較大的流速向南流;第三階段(圖6(c))臺風中心位于廢黃河口以北，輻射沙洲以西風為主，流場仍呈輻聚狀，但由于北部近海的南向流明顯增強，輻聚點由弶港南移至如東遙望港附近。

圖6 輻射沙洲海域流場變化(左:天文潮;右:風暴潮)Fig.6 Current fields changes in radial sand ridegs (left:astronomical tide;right:storm surge)

3 輻射沙洲風暴潮增水分布特征

風暴潮常引起海面的變化，即水位發生較大幅度的升降。圖7 為計算得到“梅花”臺風期間最大增水平面分布圖。圖中顯示，“梅花”臺風期間整個輻射沙洲海域有不同幅度的增水，西洋水道及小廟洪水道南岸淺灘增水約為1.0 ～1.5 m，弶港附近增水較大，最大可達2.72 m，這與該海域獨特的以弶港為中心的輻聚-輻散的潮流場密切相關。受陸邊界和東沙的限制，形成了狹長的西洋水道深槽，正常天氣下，水道內潮流動力較強，最大垂線平均流速就可達2 ～3 m/s［17-19］，“梅花”臺風第二階段期間輻射沙洲北部較強的偏北風使得流速愈加增大，條子泥高灘阻斷了部分與南側黃沙洋的水體交換，導致深槽尾部大量壅水，增水幅度達到最大。根據實測潮位，大唐電廠站未出現減水，該站點處于小廟洪水道南岸，L 型內拐角處。流場分析顯示，在第一階段中小廟洪水道東向流明顯增強，第二階段和第三階段則經腰沙而來的南向流得到增強，兩者均造成小廟洪尾部增水。

為進一步了解“梅花”對輻射沙洲不同岸段高潮位的影響，在輻射沙洲海域自北向南0 m 等深線(理論基面)上布置了14 個觀測點，見圖8。通過統計14 個觀測點最高潮位變化可以看到:濱海港(PT1)至川東港(PT6)段位于西洋水道，自北向南潮汐環境由主要受南黃海旋轉駐波控制逐漸轉變成兩大潮波共同影響，潮流動力加強，高潮位增水增大，除PT1 和PT3 點外，其余各點高潮位增加均在0.5 m 以上，增幅最大的川東港(PT6)可達0.95 m;弶港點(PT7)位于條子泥灘脊以南，受高灘屏障作用，高潮位增水驟減降至0.48 m;自弶港(PT7)向南至長江口北角協興港(PT14)潮汐環境逐漸由兩大潮波共同影響轉變為主要由東海前進波控制，動力環境趨于單一，高潮位變化幅度略有增大，但均穩定地維持在0.50 ～0.65 m 間?？梢?，由于潮汐環境、地形等因素的差異，輻射沙洲沿岸高潮位增水幅度同樣呈現中間大，南北兩端小的局勢。

圖7 輻射沙洲海域最大增水分布Fig.7 Maximum water level set-up in radial sand ridegs

圖8 觀測點最高潮位變化分布Fig.8 High tidal level increase of the observations

4 結 語

以“梅花”臺風為例，建立了黃海天文潮與風暴潮耦合數學模型，并用實測資料進行驗證，總結分析了近?；顒有团_風對江蘇輻射沙洲海域的影響。通過比較分析臺風作用前后的流場和潮位變化，認為由于輻射沙洲具有獨特的以弶港為中心輻聚-輻散的潮流場，近?；顒有团_風對該海域的影響有以下兩點規律:

1)當臺風中心位于輻射沙洲中部以東海域時，輻射沙洲南部外海潮流不再向弶港輻聚，而向南流;當臺風中心位于廢黃河口以北，南向流明顯增強，輻聚中心南移至遙望港附近。

2)近?；顒有团_風影響下，整個輻射沙洲海域出現不同幅度的增水，最大增水值及高潮位最大增幅均出現在弶港以北附近。以“梅花”臺風為例，兩者分別為2.72 m 和0.95 m。

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