海平面上升對渤海風暴潮增水的影響
——以“0310”寒潮風暴潮為例

李 琮，丁玉梅，趙 亮

(1. 天津科技大學海洋與環境學院，天津 300457；2. 天津科技大學理學院，天津 300457)

風暴潮是大氣異常擾動造成的海水劇烈升降現象，包括由強風引起的溫帶或者寒潮風暴潮和由熱帶氣旋導致的氣壓驟變引起的臺風風暴潮[1].風暴潮災害是我國沿海地區最嚴重的海洋災害.渤海是典型的半封閉海灣型內陸架淺海，由于其地理位置的特殊性，渤海更容易遭受臺風風暴潮和寒潮風暴潮的威脅[2–3].隨著環渤海經濟圈的不斷發展，對渤海風暴潮的防災減災需求也在增加.

受氣候變化影響，全球平均海平面持續表現為上升趨勢.海平面上升將嚴重影響沿海地區的生產建設活動，也通過影響近海潮波，引起主要分潮的遲角和潮差發生變化，對風暴潮增水產生一定的影響[4–7]，張平等[8]預測，海平面上升疊加風暴潮對2050年中國海洋經濟損失影響較大.國內外學者[9–12]對海平面變化和風暴潮過程進行了很多研究.Kopp等[13]基于聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報告，針對未來溫室氣體排放不同情景，對全球平均海平面的變化概率進行了預測分析.Zhang等[14]以2003年的伊莎貝爾(Isabel)颶風為例，研究了海平面變化對半封閉切薩皮克灣(Chesapeake Bay)風暴潮的影響，預測在2050年和2100年氣候條件下，海平面變化對風暴潮增水的影響較小.張吉等[15]利用海洋環流模式(parallel ocean program，POP)，在代表性濃度路徑RCP 4.5情景下，預測21世紀南海平均海平面在10年間上升15～39cm.于宜法等[16]研究了海平面上升對東中國海潮波變化的影響，指出海平面上升導致風暴潮災害加劇.高志剛[17]指出，東中國海風暴潮受海平面上升的影響，海平面上升導致風暴潮增減水效應也隨之增加，風暴潮增水極值隨海平面上升而減小，由于量值較小因此對風暴潮影響不大.仉天宇等[18]指出，海平面上升導致河北黃驊臺風風暴潮漫灘風險增加.宗虎城等[19]指出，海平面上升后，與風暴潮和天文潮產生非線性作用，引起超高水位，黃浦江口風暴潮的凈升高值大于海平面上升的值.謝洋[20]指出，海平面上升導致的風暴潮增水極值差值空間分布不一致，海平面上升導致珠江口風暴潮增水極值減少了3%～5%.莊圓等[21]基于驗潮站數據，根據皮爾森統計模型指出，代表性濃度路徑RCP8.5情景下，海平面上升顯著縮短中國沿海地區極值水位的重現期.

海平面變化對不同海域風暴潮增水的影響存在差異，但是對其動力機制的分析很少，未來海平面上升對渤海海域風暴潮變化的影響也鮮有報道.渤海“0310”風暴潮是渤海周邊海域近年來遭受的一次較為嚴重的寒潮風暴潮，具有典型的寒潮風暴潮特征.本文利用有限體積近岸海洋動力學模型FVCOM，以對應時段的模擬風場作為強迫條件，對渤海“0310”寒潮風暴潮進行數值模擬，研究海平面上升對渤海寒潮風暴潮增水的影響.

1 計算區域和模型設置

1.1 模型設置

FVCOM模型是基于三角網格和有限體積法的三維近海海洋模式，適用于對河口和復雜岸線的模擬，模型所使用的有限體積法能夠從通量的角度考慮水體的運動，保證水體動量、質量和能量的守恒[22].

模型研究的渤海區域如圖1所示，模型的計算區域包括整個渤海，開邊界設在渤海海峽以東的122.9°E附近.計算使用的水深數據采用分辨率為1′×1′的東中國海的水深數據插值到網格點上[23]，渤海灣海域的岸線數據是通過衛星反演獲得的2010年高分辨率岸線，分辨率為0.001°×0.001°.模型所使用的非結構化網格如圖2所示.

圖1 模型研究的渤海區域Fig. 1 Model region in the Bohai Sea

圖2 模擬使用的非結構化網格Fig. 2 Unstructured grids used for the simulations

在渤海灣近岸的空間分辨率為300m；隨著離岸距離的不斷增大，逐漸變化為1000m、2000m、4000m和8000m；到開邊界處達到10000m.網格節點數為12824個，單元個數為24656個，模型采用正壓模型，溫度和鹽度分別為10℃和30.外模時間步長為3s，內模時間步長為30s.采用美國俄勒岡大學潮汐預報模式(OSU tidal prediction software，OTPS)預報的實時水位進行驅動，選取8個主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1合成模型開邊界潮位.風場使用中尺度天氣預報模型(weather research forecast，WRF)模擬的風場數據[24–25]，時間分辨率為每3h一次，空間分辨率為0.1°×0.1°.

1.2 情景設置

《2019年中國海平面公報》[26]數據顯示，我國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢，1980—2019年平均上升速率為3.4mm/a，渤海海域上升速率3.7mm/a，高于其他海域，且呈逐年增大趨勢.預計未來30年，渤海沿海海平面將上升55～180mm.IPCC第5次評估報告分析了代表性濃度路徑RCPs，其中RCP4.5是中短期適應氣候變化的新情景，相對于其它路徑，RCP4.5是代表性濃度中間穩定路徑，比較符合當今的減排措施和效果[27].Kopp等[13]基于IPCC第5次評估報告，設置未來溫室氣體排放不同路徑，預測了全球平均海平面的變化.本文參考文獻[13]和文獻[27]，以2002年渤海海平面高度為基準，選取中等溫室排放代表性濃度路徑RCP4.5情景，研究海平面變化對渤海未來風暴潮的影響(表1).

表1 各情境下渤海海平面高度上升數值Tab. 1 Sea level rise under each scenario in the Bohai Sea

在緯度比較高的渤海海域，受臺風或者熱帶氣旋影響的概率較小，在秋冬過渡或者冬春過渡季節容易受到寒潮大風的影響，造成寒潮風暴潮增水.2003年10月，受北方強冷空氣影響，渤海沿岸發生了近10年來最強的一次寒潮風暴潮的過程.在不同海平面上升情景設置中，利用2003年“0310”風暴潮的風場和潮汐過程作為強迫場進行數值模擬.

2 模型驗證

對渤海潮汐進行數值模擬，模擬時間是從2003年10月1日到10月31日，選取后25天的模擬數據進行調和分析，并與實測數據進行對比，對模型進行校正.調和分析得到的M2分潮等振幅和等遲角圖如圖3所示，與海圖對比基本特征相符.模擬得到的渤海海域的M2分潮的振幅和遲角數據與實測數據的對比分析見表2，振幅絕對誤差均值為2.7cm，遲角絕對誤差均值5.9°，模擬得到的調和常數與實測數據對比基本吻合[28].

圖3 模擬的渤海M2分潮的等振幅(cm)和等遲角(°)圖Fig. 3 Simulated co-amplitude(in centimeters) and cophase(in degrees)maps of M2 constituent in the Bohai Sea

表2 渤海M2分潮調和常數觀測值和模擬值的比較Tab. 2 Comparison between the observed and simulated harmonic constants of M2 constituent in the Bohai Sea

對渤海2003年10月的“0310”寒潮風暴潮過程進行數值模擬，模擬時間是從2003年10月1日到2003年10月17日，取10月10日到10月13日的數據進行分析，對模型進行驗證.圖4為塘沽站模擬與實測風暴潮增水時間序列的對比分析.由圖4可知：對于風暴潮增水過程中的變化趨勢和極值增水出現的時間點，模擬結果與實測數據基本一致，絕對誤差均值為0.27m.模擬數據在第一次增水極值發生時略低于實測數據，這可能是由于網格精度和局部水深精確度不夠所致，但不影響本文關于風暴潮極值增水的比較研究.

圖4 塘沽2003年10月風暴潮增水模擬與實測數據對比Fig. 4 Simulated and observed storm surge heights at Tanggu Station in October 2003

3 結果分析

3.1 渤海風暴潮增水過程分析

渤海“0310”寒潮風暴潮的主要增水過程發生在2003年10月10日至13日，影響范圍覆蓋整個渤海海域，在渤海西岸的渤海灣和西南岸的萊州灣造成了明顯的風暴潮增水.

模擬的渤海寒潮風暴潮增水的空間分布如圖5所示.

圖5 模擬的渤海寒潮風暴潮增水的空間分布Fig. 5 Distribution of extratropical storm surge height in the Bohai Sea

由圖5可知：在風暴潮初振階段，渤海3個灣內增減水數值均在0.8m以下；在風暴潮激振階段，在東北大風的作用下，渤海灣和萊州灣增水明顯，渤海灣沿岸增水超過1.0m，萊州灣沿岸增水接近1.0m，遼東灣沿岸出現明顯的減水過程；直到11日10時，渤海西南部增水數值繼續增大，渤海灣西部近岸區域出現超過1.5m的增水，其中最大增水達到1.8m，萊州灣灣底近岸區域增水也接近1.0m；在風暴潮后期，渤海灣及萊州灣的增水明顯下降，遼東灣區域的減水分布消失.

3.2 海平面變化對渤海風暴潮增水的影響

為直觀理解風暴潮增水在不同海平面條件下的改變，將海平面上升后的塘沽站風暴潮增水極值與原有海平面情況下的風暴潮增水極值相減，得出海平面上升后的增水變化量圖(圖6).預測結果顯示，在渤海西部沿海地區，風暴潮增水明顯減少，在風暴潮過程中發生減水的遼東灣海域、渤海灣以東開闊海域和渤海中部開闊海域則出現了不同程度的正值分布，這反映出這些海域的減水數值也有所減少.

圖6 各情景下渤海風暴潮增水變化量的分布Fig. 6 Distribution of the difference of storm surge height under each scenario

圖6顯示：2030年，海平面上升后，渤海灣西部沿海風暴潮增水減少了0.1～0.2m，減幅為5%左右，其中塘沽和黃驊站較為明顯，萊州灣海域增水值變化較小，在遼東灣東北沿岸減水過程減弱，降低幅度為0.1～0.2m；在2050年，渤海灣西岸風暴潮增水減少的區域發生了小幅的擴大，萊州灣海域變化仍不明顯，遼東灣海域東北沿岸風暴潮減水顯著減少，減少值為0.1～0.2m；在2100年，渤海灣內風暴潮增水減少的區域進一步增大，萊州灣西部沿岸的風暴潮增水出現了小范圍的下降，東部的減水區域則出現了減水幅度減少的現象，遼東灣海域風暴潮減水幅度達到0.2m的海域向西北方向擴大.

3.3 海平面變化對渤海灣3個典型站位風暴潮增水的影響

渤海寒潮風暴潮期間，受影響最大的是渤海灣和萊州灣.塘沽、黃驊和曹妃甸站位是位于渤海灣西部的典型重要港口，受風暴潮威脅較大.圖7顯示，在渤海灣典型站位，隨著海平面升高風暴潮增水極值有稍微下降的趨勢.

圖7 海平面上升后渤海灣典型站位風暴潮增水的變化Fig. 7 Changes in storm surge height at typical stations in Bohai Bay after sea level rise

渤海灣典型站位未來海平面上升后風暴潮極值增水和極值水位的變化趨勢見表3.

表3 渤海灣典型站位在海平面上升情景中風暴潮極值增水和極值水位的變化趨勢Tab. 3 Variation of maximum storm surge elevation and the first maximum water level at typical stations in Bohai Bay under sea level rise scenarios

從表3可以看出：渤海未來海平面上升后，渤海灣典型站位的風暴潮極值增水和極值水位都有減少的趨勢，其中風暴潮極值增水減少的幅度較大.塘沽站地處渤海灣西端，是我國北方重要的國際貿易港口，在2030年，風暴潮極值增水減少的幅度為4.26%，在2100年，風暴潮極值增水減少的幅度達到16%以上.黃驊站位于天津港以南的渤海灣西南沿岸，在寒潮風暴潮過程中，增水持續時間更長，水位更高，在2030年，風暴潮極值增水減少的幅度為2.25%，到2100年，風暴潮極值增水減少的幅度達到10%以上.曹妃甸站位于渤海灣灣口北側，風暴潮增水自東向西逐漸增大，2030年風暴潮極值增水減少的幅度為8.49%，在2100年，風暴潮極值增水減少的幅度達到19%以上.

3.4 影響機制分析

海平面上升改變了潮波系統的振幅和遲角，造成海面活動發生變化.由于渤海不規則半日潮占優，因此主要研究海平面上升情景對M2分潮的振幅和遲角的影響.圖8為模擬的2030年、2050年、2100年的渤海M2分潮的等振幅和等遲角圖.

圖8 各情景下渤海M2分潮等振幅和等遲角圖Fig. 8 Simulated co-amplitude(in centimeters)and cophase(in degrees)maps of M2 constituent in the Bohai Sea under each scenario

隨著海平面上升，在渤海灣，M2分潮的等振幅線表現出向無潮點收縮的趨勢，振幅有增加的趨勢.M2分潮等遲角線呈逆時針旋轉的趨勢，其旋轉角度可以達到約10°.在萊州灣內的同潮時線發生順時針偏轉.同潮時線的偏轉，致使半日分潮在渤海灣、萊州灣等海域的潮汐位相提前.這與文獻[17，29]中的結論一致.風暴潮產生的主要原因是由于潮汐和風暴潮的非線性作用，由于潮汐水位和相位的改變導致渤海風暴潮水位的變化，使風暴潮增水出現改變，這與文獻[30–31]的分析一致.海平面上升后，由于潮汐振幅的增加，使渤海灣近岸潮汐高潮位升高.由于海平面上升后風暴潮極值水位有減少的趨勢(見表3)，因此對應的風暴潮極值增水有相對減少的趨勢，但是相對于海平面上升，風暴潮水位減少的量值較小.

海平面的變化影響了渤海的地形和水深，并對渤海風暴潮造成一定的影響[9].渤海屬于半封閉的淺海，平均水深只有18m，風暴潮的淺水效應明顯.Dean等[32]利用方程(1)解釋了風暴潮增水(ζ)、風應力(τa)、底應力(τb)、海平面的尺度(L)和整個的風暴潮水位(h＋ζ)相關.

式中：參數k為經驗常數；ρ為空氣密度；g為重力加速度；h為水深.

如上面方程所示，風暴潮增水與風暴潮水位成反比，如果風應力和底應力是常數，海平面水位升高使渤海海域相對水深增加，導致渤海近岸海域的風暴潮增水減少.

4 結 語

基于FVCOM海洋動力學模型，建立了渤海風暴潮模型，以渤海寒潮風暴潮為例，在代表性濃度路徑RCP4.5情景下，設置敏感實驗，模擬分析了海平面上升對渤海風暴潮增水的影響.結果顯示，海平面上升情景下，渤海灣近岸和萊州灣西部海域風暴潮極值增水有減少的趨勢，遼東灣等渤海東北部海域風暴潮減水也有減少的趨勢.渤海灣3個典型站位的風暴潮增水隨著海平面上升有減少的趨勢，預測到2100年，減小幅度約為10%～20%.分析原因主要是由于海平面上升改變了潮波的運動，使潮汐水位增加，同時海平面的上升使渤海水深相對增加，導致渤海近岸風暴潮增水有減少的趨勢.模擬發現，海平面上升后風暴潮極值水位減少的量遠小于海平面上升量，因此海平面的上升對風暴潮極值水位的影響較小.未來的風暴潮災害，應主要考慮海平面上升導致的風暴潮水位的相對抬升的影響.