臺風“納沙”過境期間磨刀門水道咸潮上溯的動力機制

潘明婕，楊 芳，荊 立，羅照陽，王 青，孔 俊

(1.海岸災害及防護教育部重點實驗室(河海大學), 江蘇 南京 210098; 2.南京昊控軟件技術有限公司, 江蘇 南京 211100; 3.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611; 4.生態環境部南京環境科學研究所, 江蘇 南京 210042)

磨刀門水道是中山、珠海、澳門特別行政區的主要飲用水水源地，其水質安全對周邊城市的經濟、社會發展有重要的影響。2000年以來，受河道疏浚、圍墾工程、人工采砂等人類活動的影響，磨刀門鹽水入侵問題日益嚴峻，極大地威脅到周圍城市的供水安全[1]。磨刀門水道地處亞熱帶季風氣候區，臨近南海，容易受到熱帶氣旋的襲擊。根據1949—2008年在珠江三角洲登陸的熱帶氣旋資料統計，平均每年有5.7個熱帶氣旋在此登陸。受臺風天氣的影響，磨刀門水道鹽水入侵的形勢變得更為復雜。

針對河口地區的咸潮上溯問題，近年來國內外眾多學者開展了深入的研究[2-3]。Li等[4]揭示了強臺風影響下，半封閉海灣經歷了強鹽水上涌、鹽淡水分層破壞以及臺風過后受重力調整的再次層化過程。Gong等[5]基于大量實測數據，利用EFDC建立了磨刀門水道三維水流鹽度數值模型，分析了枯季鹽度輸運動力特征，結果顯示磨刀門鹽水入侵主要受潮汐和徑流的相互作用，大的徑流量能有效抑制鹽水入侵。劉吉等[6]通過分析2008年強臺風“黑格比”登陸期間磨刀門水道縱向鹽度變化發現，風暴潮期間磨刀門水體鹽度具有突發、單峰特征，且鹽度變化過程與增水過程基本一致。Burchard等[7]指出，在較弱鹽度梯度力作用下，潮汐應變控制交換余環流(residual exchange circulation)形成縱向河口環流，且河口環流強度隨鹽度梯度的增大而明顯增大。目前，關于臺風對咸潮的影響，大多集中于定性和現象的描述，對其動力作用機制缺乏深入的探討。

本文選取具有代表性的臺風“納沙”，基于SCHISM模型，建立了臺風天氣下磨刀門水道三維潮流鹽度數值模型，并結合辛普森數(Simpson number)分析了臺風過境期間水道河口環流形成的動力機制，同時采用鹽通量機制分析法解釋臺風期鹽度分布“雙峰”特征形成的動力機制。

1 臺風“納沙”過境期間特殊動力條件與現象

圖1為研究區域和水位、鹽度測站位置示意圖(圖中S—S為水道沿程縱斷面，斷面TR為橫斷面，1、2、3、4為所選分析點)。“納沙”為2011年登陸珠江的年度最強臺風。結合表1可知，移動過程中“納沙”先后于9月26日23時和29日7時兩次加強到強臺風強度且長期維持在臺風強度。此次臺風影響范圍廣、作用強度大，對我國海南、廣東和廣西以及菲律賓多地造成重大影響。

圖1 研究區域和水位、鹽度測站位置

“納沙”過境期間，磨刀門水道出現嚴重的鹽水入侵，平崗泵測站鹽度過程呈現出特殊的“雙峰”現象(圖2)。該現象的形成還受到上游徑流量影響，由于2011年珠江流域遭受干旱災害，9月流量長期維持在2 000 m3/s左右，低徑流量為咸潮上溯創造了有利條件。

圖2 “納沙”過境期間磨刀門水道表層鹽度和流量過程

2 研究方法

2.1 數值模型

2.1.1模型建立

磨刀門水道三維水流鹽度數值模型采用Zhang等[8]開發的、廣泛用于河口海洋水動力問題研究的SCHISM跨尺度湖泊-河流-河口-海洋水動力模型。模型水平方向采用無結構網格(圖3)，垂向采用SZ混合坐標，輸運方程采用TVD2(高階隱式平流格式)求解。上游流量邊界和外海水位、鹽度邊界從珠江大范圍潮流數學模型提取，二維模型范圍及網格如圖4所示。大范圍二維模型上游流量邊界為實測流量，外海水位由潮汐預報值和實測水位值綜合率定調整得到，鹽度邊界為定值33 psu；風速條件采用構建的臺風場計算得出，臺風場由CCMP/NECP背景風場和臺風經驗模型風場合成得到。詳細構建方法參見文獻[9]。模型運行102 d達到穩定狀態。

圖3 磨刀門水道三維模型網格

表1 “納沙”臺風中心位置、氣壓、風速特征

圖4 珠江二維模型網格

2.1.2模型驗證

采用“納沙”過境期間實測水位和表層鹽度數據對磨刀門水道三維模型進行驗證，水位和鹽度測站位置見圖1。模型驗證結果如圖5和圖6所示，由于臺風期外海風浪較大，大橫琴測站部分鹽度數據缺測。驗證結果顯示模型模擬結果較好，可用于后期計算分析。

2.2 辛普森數分析法

潮汐河口受水平水體密度梯度影響，潮周期過程水道中主要呈現出3種基本鹽淡水狀態：完全混合狀態、應變致周期性層化(strain-induced periodic stratification，SPIS)狀態以及持續層化狀態[10]。采用辛普森數Si可以刻畫潮汐應變的動態變化，其定義為應變引起的勢能變化與湍動能產生率之比[7,11-12]：

(1)

其中

(a)三灶測站

(b)大橫琴測站

(c)竹銀測站

(a)大橫琴測站

(b)掛定角測站

(c)平崗泵測站

η為潮位幅值。當辛普森數較小時，落潮時湍動能作用超過潮汐應變的層化穩定作用，導致水體垂向完全混合；當辛普森數處于中間大小時，水體呈現SPIS狀態，即落潮期水體層化、漲潮期水體混合；當辛普森數較大時，河道長期處于層化狀態[11]。針對不同河口，辛普森數的臨界值有所不同，Simpson等[12]針對Liverpool Bay劃定：完全混合和SPIS狀態的臨界值為8.8×10-2，SPIS和持續層化狀態的臨界值為8.4×10-1；而Stacey等[13]取0.2作為落潮期持續層化和混合的臨界值，即此時垂向混合和SPIS作用相平衡。此外，辛普森數的臨界值大小還受風應力[14]、地球自轉和相對潮汐頻率[15]的影響。

2.3 鹽通量機制分析法

為分析臺風期鹽度輸運的動力機制，采用Lerczak等[16]提出的鹽通量機制分析法，其中總鹽通量Fs表示為

Fs=〈?usdA〉

(2)

式中：u為橫斷面法向流速；s為鹽度；A為橫斷面面積；角括號表示33 h的低通濾波，角括號內橫斷面積分則得到瞬時的鹽通量值。Fs可被分解為

Fs=〈?(u0+uE+uT)(S0+SE+ST)dA〉≈

〈?(u0S0+uESE+uTST)dA〉=

QfS0+FE+FT

(3)

式中：u0、uE、uT分別為潮平均斷面平均的流速、潮平均斷面變化的流速和潮汐變化斷面變化的流速、S0、SE、ST分別為潮平均斷面平均的鹽度、潮平均斷面變化的鹽度和潮汐變化斷面變化的鹽度。機制分解結果顯示，鹽通量輸運取決于潮平均斷面平均的平流輸運QfS0、潮平均剪切擴散FE和潮汐震蕩FT三者動力輸運的平衡。此外，Lerczak等[16]特別指出，FE和FT項主要驅動鹽分向陸輸運，而QfS0項主要受上游徑流量影響，驅動鹽分向海輸運。

3 結果分析與討論

針對縱斷面沿程的流速、鹽度分布，分析臺風過境前、中、后期的變化差異，研究臺風對磨刀門水道流速、鹽度分布的影響；并采用辛普森數來定量分析磨刀門水道潮周期鹽淡水混合狀態，探究河口縱向環流的形成機制。此外，針對“納沙”過境期間鹽度分布的“雙峰”性，設置數值試驗并結合鹽通量機制分析法，探究其形成的動力機制。

3.1 縱向水流鹽度時空分布特征

通過分析臺風過境前、中、后期縱向流速和鹽度分布特點，詳細對比不同時期縱斷面差異性的動力特征，突出臺風對縱向水流、鹽度結構的影響。圖7為三灶測站“納沙”過境期間水位過程線(圖中紅色為潮周期歷時)，統一選取落憩漲初時刻(圖7中虛線)作為研究時刻，得到圖1中S—S斷面(從口門外攔門沙至竹銀上游)流速、鹽度分布如圖8所示。

a. 臺風來臨前，磨刀門水道正處于小潮轉大潮時期(圖8(a))。21日小潮期垂向等鹽度線分布最為密集，表底層鹽度差較大，鹽淡水分層最為明顯。由于落憩時刻受鹽度梯度影響，水道中普遍存在著表層向海、底層向陸的縱向環流，鹽度從底層不斷上溯。洪灣水道處鹽度沿程分布不連續，鹽度明顯高于兩側，可見洪灣水道向主水道輸送較多鹽分，有助于鹽分向上游擴散。此外，由于受倒坡地形影響，鹽水被凸起的地形阻擋，小潮動力較弱，難以將鹽水排出，從而囤積在上游水道中。

圖7 “納沙”過境期間三灶測站水位過程線

(a)“納沙”過境前小潮期(2011-09-21T13：00)

(b)“納沙”過境前中潮期(2011-09-24T16：00)

(c)“納沙”過境前大潮期(2011-09-27T17：00)

(d)“納沙”過境期間(2011-09-29T19：00)

(e)“納沙”過境后(2011-10-01T9：00)

b. 24日中潮期(圖8(b))，表底層鹽度差減小，鹽淡水分層相對小潮期減弱，水道中縱向環流強度也隨著鹽度梯度減小而有所減弱。但由于潮動力的增強，小潮期在水道中囤積的鹽分得以向上游不斷擴散，導致鹽水上溯距離進一步增大。

c. 隨著27日大潮期(圖8(c))的到來，表底層鹽度差銳減，鹽淡水分層減弱，混合加強，鹽水近乎垂直地退出水道，縱向環流基本消失。

d. 臺風過境期間，磨刀門水道處于大潮轉中潮時期(圖8(d))。咸潮上溯本應較大潮期更弱，但受臺風引發的外海增水影響，口門外高濃度鹽水短時間大量涌入水道，導致水道中、下游鹽度整體偏高且分層明顯，進而在水道中部形成了較大范圍的縱向環流。

e. 臺風過境后，磨刀門水道大致處于中潮期(圖8(e))，臺風期涌入水道的鹽水不斷向外海排出。10月1日9時，臺風影響基本消失，水道恢復正常天氣下大潮后中潮期的流速、鹽度分布狀態，即水道混合較強，落潮時等鹽度線垂直地退出水道。

3.2 河口環流形成的動力特征

采用辛普森數分析法，針對臺風過境期間的特征潮周期歷時(圖7中紅線)，分析水道沿程1、2、3、4點(圖1)位置處的縱向環流形成的動力機制。4個沿程點分別位于磨刀門水道口門、下游水道中部、洪灣水道與主水道交匯處以及水道中游彎曲處。由于不同河口地形、動力條件的差異，辛普森數的臨界值有所不同(表2)。本文結合磨刀門水道鹽淡水混合狀態的變化情況，參考Simpson等[12]以及Stacey等[13]研究成果，初步擬定辛普森數在0.08 ～ 0.12之間為SPIS狀態，高于0.12為持續層化狀態，低于0.08為完全混合狀態。

表2 不同時期4個沿程點的辛普森數

a. 小潮期2、4點的辛普森數較大(>0.1)，其中2點的值超過0.15，可見該點附近產生持續層化，下游水道中部的河口環流不僅是由潮汐應變引起的，更主要的是強鹽水體密度梯度力驅動下的重力環流；4點的值略小于0.15，水道中游鹽度值相對下游整體偏低，水體密度梯度較小，局部縱向環流的主要驅動力還是潮汐應變，但是由于所處位置河道較為彎曲易于產生側向環流，進而可能對縱向環流產生影響；1點的辛普森數最小，表示水體混合強烈，這主要與其所處位置密切相關，即口門處受潮汐混合作用最為強烈；3點的辛普森數為0.083 4，受洪灣水道潮周期性輸水輸鹽影響，加強了水體混合，打破了主水道的高度層化狀態，具有SPIS效應。

b. 中潮期仍是2點和4點的辛普森數較大(在0.09左右)，3點次之，1點最小。除口門1點變化不大，其余點位均較小潮期有所減小，表明潮汐混合動力增強，水道整體呈現SPIS狀態。由于水道中水體密度梯度較小，重力環流較弱，河口環流主要由潮汐應變驅動且幾乎只在落潮期出現。

c. 大潮期潮汐混合作用進一步加大，各點位的辛普森數進一步減小，水道以完全混合為主，僅落潮期出現弱層化狀態，河口環流基本消失。小、中、大潮期辛普森數的變化與臺風過境前縱斷面流速、鹽度分布變化(圖8(a)(b)(c))相一致，解釋了各時期環流形成的主要原因。

d. 臺風期辛普森數的分布發生較大變化，1、2、3點較大潮期進一步減小，而4點卻大幅增大，表明下游水道受臺風影響混合更為強烈，而中游處隨著鹽水囤積增多，形成一定的水體密度梯度，導致水體層化。水道中縱向環流的形成，主要受潮汐應變作用，在落潮期出現，與圖8(d)中環流出現時間及位置一致。

e. 大潮后中潮期辛普森數除1點外，均較大潮期有所減小，經過大潮期以及臺風期強烈的混合作用，水道處于完全混合狀態，與小潮后中潮的SIPS狀態差別較大。

總體看來，辛普森數沿程分布存在差異，口門處1點辛普森數持續較小，水體長期處于完全混合狀態，2、4點位置處在正常潮周期內，即從小潮至大潮后中潮期辛普森數不斷變小，水道大體經歷了“層化—SPIS—完全混合”的過程，3點受洪灣水道影響，比2或4點混合強烈，但是弱于1點。在洪枯季之交，上游徑流量(馬口站)為2 000 m3/s時，當水道處于高度層化狀態時(小潮期)，縱向環流主要是受水體密度梯度驅動下的重力環流；水道處于SPIS狀態時(小潮后中潮期)，縱向環流的形成主要受潮汐應變影響；水道處于完全混合狀態時(大潮期及大潮后中潮期)，縱向環流幾乎不可見。此外，辛普森數對臺風的響應明顯，改變了大潮后期水體完全混合的狀態，水道中游出現特殊的SPIS狀態，受潮汐應變影響落潮時形成縱向環流。

3.3 鹽度分布“雙峰”特征形成的動力機制

結合前文實測數據(圖2)分析可知，臺風“納沙”過境期間，磨刀門水道鹽度測站(平崗泵和掛定角)鹽度變化過程呈現出“雙峰”特征。針對這一特殊現象，設計去除“納沙”影響的數值試驗，并與經過實測數據驗證的“納沙”臺風模型模擬結果進行對比，探究“雙峰”特征形成的動力機制，結果見圖9。

圖9 掛定角測站鹽度過程線模擬

從掛定角測站處的表層鹽度變化過程可以直觀地看出，鹽度分布的“前峰”變化較為緩慢，而“后峰”的形成及衰落都十分迅速，且峰值高于“前峰”。去除臺風影響后，鹽度分布的“后峰”隨之消失，表明“后峰”的形成與此次臺風密切相關，而“前峰”的鹽度幾乎不變，應與此次臺風無關。從潮周期來看，9月20日為小潮期，27日為大潮期，鹽度“前峰”出現在25日，正是小潮后的中潮期。胡溪等[17]研究發現，磨刀門水道咸潮上溯過程具有明顯的半月周期變化，鹽水入侵在小潮期加強，在大潮期較弱，咸界上溯最遠出現在小潮之后的中潮期，可見鹽度分布的“前峰”很可能是周期性的鹽水入侵所致。

通過計算“納沙”臺風模型和去臺風影響模型三灶測站位置處的水位差，得到臺風“納沙”過境期間磨刀門水道大致的增水情況，如圖10(圖中時間以9月28日0時為起點“0”)所示。可見，此次臺風增水約持續了36 h，最大達到1.0 m左右，使得磨刀門水道的外海動力加強，推動鹽水向河道內涌入。

圖10 三灶測站臺風“納沙”過境期間增水過程線

進一步計算水道斷面TR(圖1)的鹽通量(圖11)，從鹽水入侵動力機制上對比分析鹽度“雙峰”特征形成的原因。由圖11可見，9月20日小潮期總鹽通量向陸輸送，鹽分不斷向水道上游累積，其中平流通量和潮汐震蕩通量變化不大，而剪切通量向陸輸送明顯增大，成為總鹽通量向陸輸送增大的主導因素。剪切通量與橫斷面流速分布有關，剪切通量增大表明表底層流速差大，鹽淡水分層明顯，重力環流不斷加強，高濃度鹽水從底層上溯，鹽度分布不斷上漲。23日之后水道進入中潮期，總鹽通量轉為向海輸出，但量級較小，剪切通量有所減小，鹽水從底層上溯變緩，鹽度分布達到峰值。隨著27日大潮的到來，剪切通量降到零點，總鹽通量主要受平流通量控制，以向海輸出為主，鹽度分布逐漸降低。因此，在小潮轉大潮的過程中，形成了鹽度分布的“前峰”。此外，磨刀門鹽水入侵長度受徑流量影響很大，此次“前峰”產生的重要前提條件是，水道上游徑流量長時間維持在2 000 m3/s左右。

(a)“納沙”臺風模型

(b)去臺風影響模型

而在臺風影響下，28—30日總鹽通量向陸輸送大幅增加，相比于去臺風影響后，總鹽通量較小且向海輸出，可見此次臺風對鹽度輸運產生了重要影響。臺風“納沙”過境期間，強烈的氣旋風應力導致外海增水，使得平流通量轉而向陸輸送，大量高濃度鹽水從口門向上游輸送，導致水道鹽度的突然升高，由此產生鹽度分布的“后峰”。

4 結 論

a. 臺風促進外海水體混合，不同于小潮期鹽水逐漸在水道內囤積，而是高濃度鹽水在漲潮期近乎垂直地向水道內推進，導致鹽水上溯距離在短時間內大幅增加。此外，高濃度鹽水受地形等因素影響難以及時排出，在水道內形成明顯的鹽淡水分層，進而引發較強的縱向環流。

b. 結合辛普森數定量分析發現，與臺風前、后期相比，臺風期辛普森數變化較大，水道下游仍處于強烈混合狀態，而水道中游隨著鹽水囤積，出現特殊的SPIS狀態。水道中縱向環流的形成，主要是受潮汐應變的驅動。

c. 臺風“納沙”過境期間咸潮上溯導致鹽度分布呈現“雙峰”特征。鹽通量機制分析結果顯示，“前峰”是持續低流量條件下，受剪切通量控制，小潮轉大潮時期鹽水隨潮波周期性上溯；“后峰”則是臺風“納沙”的增水效應導致平流通量轉而向陸輸送，導致鹽度突然增大。