長江口登陸臺(tái)風(fēng)增水?dāng)?shù)值模擬
——以“安比”為例

周才揚(yáng)，殷成團(tuán) ，章衛(wèi)勝，熊夢(mèng)婕，張金善

(1. 水利部長江水利委員會(huì)水文局 長江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136；2. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072)

長江口位于長江三角洲前沿，是一個(gè)潮汐強(qiáng)度中等，水量豐沛且有規(guī)律分叉的三角洲河口。河口段平面形態(tài)呈喇叭狀，特殊的地理位置及岸線形態(tài)十分有利于風(fēng)暴潮能量的集中和發(fā)展。1949—2018年影響長江口地區(qū)臺(tái)風(fēng)共計(jì)160場(chǎng)，平均每年2.3場(chǎng)，占西太平洋海區(qū)生成臺(tái)風(fēng)數(shù)近9%。其中破壞性較大的登陸型臺(tái)風(fēng)共計(jì)92場(chǎng)，占影響長江口臺(tái)風(fēng)總數(shù)的57%，歷史最大增水超過3.0 m (9 711號(hào)臺(tái)風(fēng))。因此，建立精細(xì)化風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型對(duì)該地區(qū)風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)預(yù)警、河口規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

一些學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)長江口地區(qū)風(fēng)暴潮進(jìn)行了研究。二維模型方面，張金善等[1]采用中尺度氣象模式驅(qū)動(dòng)下的長江感潮河段河口海岸風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，得出長江口天文潮、風(fēng)暴潮與長江洪水作用下的一般規(guī)律；馬進(jìn)榮等[2]建立了以整個(gè)東中國海為計(jì)算域的球坐標(biāo)平面二維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型；趙長進(jìn)等[3]將ADCIRC模式與SWAN波浪模式耦合，建立了一個(gè)適用于長江口及其鄰近海區(qū)風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)模式。三維模型方面，儲(chǔ)鏖[4]應(yīng)用Delft-3D模型以長江口地區(qū)為例建立了風(fēng)暴潮、天文潮耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模型，并取得了較好的驗(yàn)證效果；顧杰等[5]運(yùn)用Delft-SWAN建立了長江口波浪場(chǎng)數(shù)值模型，并以9912號(hào)臺(tái)風(fēng)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；耿珊珊[6]采用FVCOM建立了最小分辨率為1 000 m的長江口-杭州灣風(fēng)暴潮模型，并對(duì)余水位及余流進(jìn)行了分析。這些研究在河口風(fēng)暴潮數(shù)值模擬及規(guī)律探索方面取得了一定進(jìn)步。臺(tái)風(fēng)作為一類中尺度天氣事件，其風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置與河口等小范圍地區(qū)相作用造成的增水差別較大。1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在崇明島登陸，其內(nèi)部強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)（最大風(fēng)速半徑附近）與長江口正面接觸，空間上急劇變化的強(qiáng)風(fēng)（尤其是風(fēng)向）致使長江口各分支及口門沿岸的增水過程存在一定差異。

臺(tái)風(fēng)“安比”是1990年以來直接登陸上海的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，然而并未誘發(fā)較大增水及海岸災(zāi)害。本文基于2016年長江口最新實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，采用FVCOM建立了一個(gè)大-小雙重嵌套、局部高分辨率的長江口三維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型。采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和ERA-Interim再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（分辨率0.125°）的合成風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，計(jì)算并驗(yàn)證了1810號(hào)臺(tái)風(fēng)期間長江口各站增水，分析了臺(tái)風(fēng)登陸前后長江口附近海域風(fēng)暴增水特點(diǎn)及增水較小的原因。本次模擬未考慮波浪作用。波增水對(duì)整體風(fēng)暴潮位有一定貢獻(xiàn)[7]，但在臺(tái)風(fēng)“安比”登陸期間正處于天文小潮，長江口附近潮差量級(jí)在2.0 m 左右。根據(jù)Kim等[8]的計(jì)算結(jié)果，波增水一般不超過0.1 m。

圖 1 1810臺(tái)風(fēng)“安比”路徑Fig. 1 Track of Typhoon Ampil (No. 1810)

1 臺(tái)風(fēng)特征及資料處理

1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在2018年7月18日20:00生成于西太平洋48小時(shí)和24小時(shí)警戒線之間（129.2°E，18.9°N）并往東北方向移動(dòng)，到達(dá)48小時(shí)警戒線（132°E）后轉(zhuǎn)向西北并迅速加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，經(jīng)東海登陸我國長江口崇明島，隨后衰減為熱帶風(fēng)暴，沿海岸線北上最終消散于東北地區(qū)（圖1）。臺(tái)風(fēng)“安比”在長江口地理中心崇明島登陸，近似圓形的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)致使登陸過程中長江口南、北支風(fēng)向近乎相反。長江口各潮位站與臺(tái)風(fēng)中心距離相對(duì)較?。ㄒ话銥槭畮浊椎綆资祝蚨顷扅c(diǎn)位置的準(zhǔn)確性很大程度上決定了河口地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響數(shù)值模擬精度。臺(tái)風(fēng)登陸位置的變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)風(fēng)向發(fā)生變化，不僅會(huì)影響風(fēng)暴增水量級(jí)[9-12]，有時(shí)甚至改變?cè)鏊疇顟B(tài)，如從正風(fēng)暴增水變?yōu)樨?fù)風(fēng)暴增水[13]。因此，在驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算過程中，臺(tái)風(fēng)路徑采用日本氣象廳（JMA）臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)，并在近岸處利用中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所（CMA）最佳路徑資料進(jìn)行了補(bǔ)充和加密。

2 三維風(fēng)暴潮模型的建立和驗(yàn)證

2.1 臺(tái)風(fēng)模型

基于分辨率和精度的考慮，本文選用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心全球大氣再分析數(shù)據(jù)ERA-Interim作為背景風(fēng)壓資料。有研究[14]指出，在合成風(fēng)場(chǎng)時(shí)最好使用不包含臺(tái)風(fēng)的背景風(fēng)場(chǎng)。如果背景風(fēng)場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)中心位置偏差，風(fēng)場(chǎng)疊加后誤差較大。為此，本文采用風(fēng)場(chǎng)偏移的方法對(duì)背景風(fēng)場(chǎng)中氣旋位置進(jìn)行了校正[15]，同時(shí)利用Holland經(jīng)驗(yàn)性氣旋模型加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)速[16]。

臺(tái)風(fēng)在行進(jìn)過程中，除了自身的近圓形風(fēng)場(chǎng)切向速度外，還有一個(gè)沿其路徑方向的移行風(fēng)速 Vt。臺(tái)風(fēng)的模型風(fēng)場(chǎng)可由圓形梯度風(fēng)場(chǎng)和移行風(fēng)場(chǎng)疊加獲得：

式中：Vg為梯度風(fēng)風(fēng)場(chǎng)；Vt為移行風(fēng)場(chǎng)；c1和c2是訂正系數(shù)，c1=1.0，c2=0.8；θ是計(jì)算點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的連線與正東方向的夾角；β為流入角修正。

臺(tái)風(fēng)移動(dòng)是造成臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜變化的重要原因之一，移行風(fēng)場(chǎng)疊加梯度風(fēng)場(chǎng)重現(xiàn)了氣旋的不對(duì)稱性。移行風(fēng)場(chǎng)Vt采用宮崎正衛(wèi)公式[17]，其表達(dá)式為：

式中：Vx和Vy分別是臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度的正東和正北分量。r為距臺(tái)風(fēng)中心處距離（m）。背景風(fēng)場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮铣煞椒ㄈ缦拢?/p>

式中：VQ為背景風(fēng)場(chǎng)；VM為經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)VM；e為權(quán)重系數(shù)，e =c4/(1+c4)，c =r/(10×Rmax)。風(fēng)應(yīng)力系數(shù)通過式(4)得出：

式中：U10為海面10 m高度風(fēng)速( m/s)。

2.2 風(fēng)暴潮模型

本研究采用內(nèi)、外模型嵌套的方式以提高運(yùn)算效率。外部模型為西北太平洋風(fēng)暴潮二維數(shù)學(xué)模型。西北太平洋風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型采用球坐標(biāo)系，空間跨度為90°E～161.6°E，0°N～61°N，涵括了東、南中國海、菲律賓海、日本海、鄂霍次克海等西太平洋海域。開邊界潮位過程線由全球潮波模型NAO99提供，包含8個(gè)分潮（M2, S2, N2, K2, K1, O1, Q1, P1）[18]。內(nèi)部模型北起鹽城濱海港鎮(zhèn)，南至臺(tái)州椒江口附近，模型流量邊界設(shè)置在安徽大通站，外海邊界設(shè)在崇明島東側(cè)250 km處，與岸線走向近似平行（圖2）。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格和垂向分層以適應(yīng)復(fù)雜的地形及水深變化，網(wǎng)格最小尺度150 m，垂向分為10層。

圖4為臺(tái)風(fēng)“安比”登陸期間長江口地區(qū)各潮位站（見圖3）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)增水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比。從圖4中可以看出，最大增水的量級(jí)和增水時(shí)間基本吻合。最大誤差出現(xiàn)在中浚站，模擬值比實(shí)測(cè)值小19 cm左右。最大增水出現(xiàn)在連興港站，模擬值比實(shí)測(cè)值大4 cm。可見本次數(shù)值模擬結(jié)果較為合理。誤差可能由臺(tái)風(fēng)觀測(cè)精度和自身風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。在臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)中，臺(tái)風(fēng)中心地理位置精度只能達(dá)到0.1°，在長江口地區(qū)表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)位置幾千米到十幾千米的偏差。臺(tái)風(fēng)自身結(jié)構(gòu)以最大風(fēng)速半徑處為基準(zhǔn)，其內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速變化劇烈，風(fēng)速對(duì)距離較為敏感；對(duì)外部風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速變化較為平緩，風(fēng)速對(duì)距離響應(yīng)相對(duì)遲鈍。1810號(hào)臺(tái)風(fēng)在崇明島登陸，臺(tái)風(fēng)位置的誤差可導(dǎo)致較大風(fēng)速偏差，進(jìn)而影響增水模擬精度。

圖 2 長江口三維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格Fig. 2 Grid of the three-dimensional storm surge numerical model of the Yangtze Estuary

圖 3 長江口潮位站位置Fig. 3 Position of tide-gauge stations in the Yangtze Estuary

圖 4 1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”風(fēng)暴增水驗(yàn)證Fig. 4 Verification of storm surge induced by Typhoon Ampil (No. 1810)

3 風(fēng)暴增水特征分析

3.1 長江口地區(qū)增水時(shí)空變化規(guī)律

圖5為臺(tái)風(fēng)登陸過程中長江口地區(qū)的由增水到減水的變化過程。從圖5（a）可以看出，22日10:00口內(nèi)最大增水0.73 m，出現(xiàn)在北支及連興港附近；口外最大增水0.81 m，出現(xiàn)在佘山潮位站附近。增水分布表現(xiàn)為從最大增水中心向四周遞減趨勢(shì)。東側(cè)外海幾乎未見增水，西側(cè)長江口內(nèi)增水約0.6 m，從河口到江陰站附近增水高度逐漸減至0.44 m，各站增水差別較小。12:00臺(tái)風(fēng)進(jìn)一步向崇明島移進(jìn)，長江口北支口門處增水增大到1.08 m，但長江口內(nèi)增水變化不大。天生港下游到崇頭段及南支的增水高度開始發(fā)生0.01～0.1 m小幅衰減，到江陰河段增水由于徑流的托舉作用增水高度反而略有增加（圖5（b））。15:00增水中心北移至南通市啟東市北岸，而長江口內(nèi)離岸風(fēng)逐漸成為主導(dǎo)風(fēng)向，致使長江口南支自吳淞站以下和北支部分岸段開始出現(xiàn)減水現(xiàn)象，最大減水近1.00 m（圖5（c））。南支深水航道是長三角地區(qū)的重要航運(yùn)通道，風(fēng)暴減水會(huì)使大片海灘露出，尤其在低潮時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響艦船和大型油輪、貨輪的錨泊[19]。此外，長江口南支是上海地區(qū)的重要水源地，持續(xù)的風(fēng)暴減水在一定程度上影響了東風(fēng)西沙、陳行和青草沙水庫（圖3）取水。17:00增水中心移至南通市如東縣岸段，最大增水達(dá)2.46 m，此時(shí)長江口外的廣闊外海幾乎不發(fā)生增水；口內(nèi)以南北中分叉點(diǎn)崇明頭為界，崇明以上表現(xiàn)為增水，崇明以下幾乎全線出現(xiàn)嚴(yán)重減水，減水最大值達(dá)0.81 m，位于長興島頭。崇明以下僅北支前半段出現(xiàn)增水，這與此處地形密切相關(guān)。北支河道窄，水深較小，流速緩慢，減水期到達(dá)時(shí)前一階段的增水尚有滯留未及退去（圖5（d））。1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在長江口內(nèi)誘發(fā)的增水較小，一般不超過0.7 m。最大增水主要集中在長江口北支出口沿岸，長江口南支在臺(tái)風(fēng)登陸后出現(xiàn)明顯的減水過程。這是由于臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)位于長江口地理中心崇明島，臺(tái)風(fēng)路徑兩側(cè)風(fēng)向近乎相反，導(dǎo)致了南、北支增水模式的差異（圖6）。

圖 5 2018年7月22日不同時(shí)刻長江口增水分布Fig. 5 Distribution of storm surges in the Yangtze Estuary at different time on July 22, 2018

圖 6 臺(tái)風(fēng)登陸前后風(fēng)場(chǎng)Fig. 6 Wind field before and after the typhoon landfall

3.2 移行風(fēng)對(duì)最大增、減水的影響

臺(tái)風(fēng)“安比”登陸期間長江口地區(qū)最大風(fēng)暴增水1.41 m，出現(xiàn)在北支口門處的連興港站。其原因主要有兩個(gè)。一方面，臺(tái)風(fēng)在長江口近中心崇明島登陸，近似圓形結(jié)構(gòu)風(fēng)場(chǎng)致使北（南）支主要受向（離）岸風(fēng)影響（圖6（b）），更易產(chǎn)生增（減）水；同時(shí)臺(tái)風(fēng)移行方向右側(cè)風(fēng)速大于左側(cè)[20-21]，移行風(fēng)場(chǎng)起到了對(duì)右側(cè)梯度風(fēng)場(chǎng)的加強(qiáng)作用。另一方面，移行風(fēng)場(chǎng)對(duì)右側(cè)岸線增水的促進(jìn)作用大于左側(cè)。圖6選取了連興港附近2個(gè)岸段A和B，崇明島上3個(gè)岸段C、D和E（P1和P2為臺(tái)風(fēng)中心），并對(duì)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型中移行風(fēng)場(chǎng)系數(shù)c2分別取0、0.2、0.4、0.6和0.8，研究移行風(fēng)對(duì)增水的影響。結(jié)果表明，風(fēng)暴增水值與移行風(fēng)場(chǎng)系數(shù)c2表現(xiàn)出明顯線性關(guān)系，其中A、B、C和D段岸線的線性系數(shù)均超過0.99。落潮期間移行風(fēng)作用下臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)增水平均增幅26.8%，左側(cè)平均增幅18.4%（圖7），可見臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)岸線更容易受移行風(fēng)的影響。圖8為東風(fēng)西沙、陳行和青草沙水庫取水口附近水域風(fēng)暴減水對(duì)移行風(fēng)的響應(yīng)。隨著移行風(fēng)系數(shù)的增加，青草沙附近水域的減水在增大，而東風(fēng)西沙和陳行水庫處的減水先增大后反減小。移行風(fēng)對(duì)風(fēng)暴減水具有一定影響，但規(guī)律并不明晰。本節(jié)僅從移行風(fēng)數(shù)值方面對(duì)其增、減水影響進(jìn)行了探究。事實(shí)上，移行風(fēng)速代表了氣旋的移動(dòng)速度，若移行風(fēng)速減小，臺(tái)風(fēng)作用在河口的時(shí)間勢(shì)必會(huì)加長，造成長時(shí)間增水和大范圍淹沒[22]。此外，1810號(hào)臺(tái)風(fēng)于7月22日（農(nóng)歷5月10日）12:30登陸崇明島，此時(shí)正處于天文小潮落潮階段，不僅整體潮位偏低，且長江口內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)涌出口外，不利于近岸水體的堆積。此類潮登陸時(shí)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度雖大，但由于風(fēng)暴潮位整體較低，不易致災(zāi)。

圖 7 風(fēng)暴增水對(duì)移行風(fēng)的響應(yīng)（ c2為移行風(fēng)場(chǎng)系數(shù)）Fig. 7 Surge response to the variation of the translation wind(c2 is the coefficient of transition wind field)

圖 8 風(fēng)暴減水對(duì)移行風(fēng)的響應(yīng)（c2為移行風(fēng)場(chǎng)系數(shù)）Fig. 8 Negative surge response to the variation of the translation wind (c2 is the coefficient of transition wind field)

4 結(jié) 語

采用內(nèi)部包含臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的ERA-Interim背景風(fēng)場(chǎng)合成驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，利用最新實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，基于非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格構(gòu)建了一個(gè)包含潛堤的大-小雙重嵌套、局部高分辨率的長江口三維風(fēng)暴潮與天文潮耦合數(shù)學(xué)模型，并采用1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”實(shí)測(cè)風(fēng)暴增水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如下：

(1) 采用ERA-Interim背景風(fēng)場(chǎng)和FVCOM構(gòu)建的精細(xì)化三維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型能夠較好地模擬出長江河口地區(qū)徑流、天文潮和風(fēng)暴潮的相互作用下的風(fēng)暴潮位變化。

(2) 1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在長江口內(nèi)誘發(fā)的增水較小，一般不超過0.7 m，增水主要集中在長江口北支出口沿岸；南支在臺(tái)風(fēng)登陸后出現(xiàn)明顯的減水過程。臺(tái)風(fēng)在長江口中心登陸導(dǎo)致了南、北支增水模式的差異。

(3) 移行風(fēng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)地區(qū)增水影響更大。長江口地區(qū)最大增水出現(xiàn)在連興港站，除梯度風(fēng)場(chǎng)的向岸風(fēng)作用外，落潮期間移行風(fēng)場(chǎng)作用使該岸段風(fēng)暴增水平均增幅達(dá)26.8%。

(4) 長江口大部分水域位于此次登陸型臺(tái)風(fēng)路徑左側(cè)，導(dǎo)致了長江口地區(qū)沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)暴增水。因此除了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度外，臺(tái)風(fēng)路徑也是影響長江口地區(qū)風(fēng)暴增水大小的重要因素之一。