冬季北風風速對長江河口鹽水入侵的影響

李林江，朱建榮

(1.復旦大學 大氣與海洋科學系/大氣科學研究院，上海 200438；2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；3.珠海復旦創新研究院 海氣系統監測與預測創新中心，廣東 珠海 518057)

1 引言

鹽水入侵是河口地區最重要的現象之一，不僅與河口環流、泥沙輸運和生態環境有關，還關系到河口淡水資源的利用，對其研究具有重要理論和現實意義。河口鹽水入侵受多種動力因子的影響，其中徑流[1]和潮汐[2–3]對河口鹽水入侵有著顯著的影響，但風應力[4]也起著重要的作用。世界上許多河口鹽水輸運都受到了風應力的影響。例如，Wang[5]發現在切薩皮克灣，沿岸風導致的?？寺斶\顯著改變了河口的余水位進而影響水體和鹽分的余輸運。不少研究也關注到了強風天氣如臺風以及寒潮對河口鹽水入侵的影響。例如，Li等[6]發現在颶風作用下，龐恰特雷恩河口的鹽通量大幅增加，其中北河道鹽通量高達200 t/s，南河道鹽通量可達16 t/s。研究河口鹽水入侵對不同風速的響應，有利于加深了解河口物理過程。

長江河口是一個大型多分汊河口（圖1）。崇明島將其分為南支和北支，南支被長興島分為北港和南港，南港被九段沙分汊為南槽和北槽。長江河口臨近國際大都市上海，為滿足上海市對淡水資源的需求，上海市政府于北港上段、長興島西北側修建了青草沙水庫（圖1）。青草沙水庫向上海日供水量在550萬噸左右，占全市總用水的70%。但枯季長江河口存在鹽水入侵的現象，不利于青草沙水庫的取水工作，當取水口鹽度高于0.45時候，則關閉閘門，停止取水。

長江河口鹽水入侵已有許多研究，主要集中在徑流[1,7]、潮汐[8–9]和地形[10–11]對鹽水入侵的影響。關于風應力對長江河口鹽水入侵的影響也有部分研究。例如，Wu等[8]通過數值模擬研究發現，北風導致長江口形成北港進南港出的凈風生水平環流，增加了北港鹽水入侵。Li等[12]通過觀測發現，冬季寒潮天氣下強北風（>10 m/s）能增加北支鹽水倒灌。Zhang等[13]近期研究發現1994–2008年期間長江河口鹽水入侵增多是由冬季寒潮頻率增加所致。

如圖1b所示為長江河口崇明東灘氣象站（位置見圖1a）風速風向觀測資料玫瑰圖。玫瑰圖中各方向扇形中不同顏色的區域表示不同的風速分級，其徑向長度與該扇形的半徑的比值即表示這段風速所在此方位的頻率大小，在右下角給出了不同顏色所代表的風速范圍，每個扇形外側對應著此方位的平均風速大小。玫瑰圖顯示冬季長江口以北風風向為主，不過風速變化較大，變化范圍主要在 0～10 m/s，超過 10 m/s的頻率約為9.5%。目前，長江河口鹽水入侵對不同北風風速的響應尚未有系統研究，本文利用數值模式研究不同北風風速對長江河口鹽水入侵的影響。

圖1 長江河口形勢（a）及崇明東灘氣象站觀測風玫瑰圖（b）Fig.1 Topography of the Changjiang River Estuary (a) and wind rose of weather station at the Chongming eastern shoal (b)

2 方法

2.1 數值模型和數值試驗設計

本文采用的數值模式為作者所在研究小組長期應用和改進的ECOM-si模式，該模式已在長江河口水動力過程和鹽水入侵等方面的研究中得到了充分驗證并取得了眾多成果[14–15]。模式使用水平曲線非正交網格[16]，范圍包括整個長江河口、杭州灣，上游開邊界設在枯季潮區界大通水文站，網格在北港等關鍵區域網格分辨較高。模式垂向采用σ坐標，分為10層。水深采用2009年實測資料。為節省篇幅，關于模式網格，初始條件、邊界條件以及驗證可參考文獻[10]。本文采用枯季 1–2 月平均徑流為 11 900 m3/s驅動模型，海表采用不同的風場驅動模型，共采用8種不同的風速驅動模型，分別為正北風 0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s。從圖 1b 來看，長江口冬季西北風和東北風也有較高的比例。因此再增加 4 組實驗，分別為東北風 6 m/s和 12 m/s，以及西北風 6 m/s和 12 m/s。每組實驗風場恒定不變，持續60 d，前面 30 d 作為調整，輸出后面 30 d 用作分析。

2.2 分析方法

為了量化不同風速下水體和鹽分的輸運，定義水體單寬輸運為

式中，h是水深；ζ是水位；是水體速度矢量；T是用來做時間平均的周期；σ 是相對深度，表層是0，底層是?1。將水體輸運進行斷面積分可得到斷面水體通量為

式中， 〈 〉表示40 h低通濾波；A是斷面面積，隨著潮汐變化；L是河道寬度；u是垂直截面方向流速。同理可得斷面鹽通量為

式中，S表示鹽度。

3 結果

利用數值模式計算從第38 d到第53 d半月（約等于1個大小潮周期14.7 d）平均鹽度分布，并對鹽度垂向平均，各組不同北風風速實驗結果如圖2所示。當風速為0 m/s的時候，北港的鹽度明顯低于南港（圖2a），

這與孔亞珍等[17]的觀測和Wu等[8]的模擬結果一致。其中北港上段青草沙取水口附近鹽度低于0.45北港口門鹽度為2左右。在北港口門外，長江淡水與鹽水形成較強的鹽度鋒面[18]。另外，在南北支分汊口到121.25°E附近有一低鹽水團，該鹽水團來自于北支鹽水倒灌。圖2顯示，隨著北風風速變大，北港鹽度隨之增加。當北風風速增加到6 m/s的時候，北港上段青草沙取水口附近鹽度超過0.45，北港口門鹽度增加到5左右，南港和北港鹽度大小較為接近（圖2d）另外，北支倒灌鹽水影響范圍擴大到南支下段121.5°E附近。這與 Li等[12]和Zhang等[13]研究發現北風增加北支倒灌的結論一致。當北風風速為8 m/s的時候北港鹽度略大于南港（圖2e）。當北風風速為12 m/的時候，整個北港被鹽度超過15的高鹽水覆蓋（圖2g）北港口外鋒面全部進入北港和南支，口外30等鹽度線在向陸?？寺斶\作用下限制在123°E以西。圖2g還顯示在強北風作用下，相對低鹽水體主要集中在南支和南港的南岸，但北港高鹽水能跨過南北港分汊口增加南港上段、長興島南側鹽度。當北風風速為14 m/s的時候，青草沙取水口鹽度接近25，整個北港被超過20的高鹽水覆蓋，鹽度鋒面往上移動離開北港（圖2h）。

圖2 半月（第38d到第53d）平均鹽度分布Fig.2 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged salinity

圖3所示為不同北風風速實驗半月（第38 d到第53 d）平均水體輸運（式（1））分布。無風狀態下，受徑流影響，南支、北港和南港水體輸運都向海，其中北港朝海水體輸運可達2 m2/s。在南槽，出現了水體朝陸凈輸運的現象，這是由于潮汐和南槽淺灘地形相互作用產生朝陸的斯托克斯漂移輸運作用造成的[8]。受此影響，南槽鹽水上溯至南港，導致南港鹽度高于北港（圖2a）。另外在蘇北海域附近，存在朝北的水體輸運，這是由于朝北的潮汐輸運導致的[19]。隨著北風風速增加，北港朝海的水體輸運逐漸減小。如圖3所示為當北風風速為 6 m/s的時候水體輸運，結果顯示北港朝海的水體輸運比起無風的時候有所減?。伾儨\），量值約為 1 m2/s，相反南港朝海水體輸運有所增強。另外在蘇北海域，朝北的潮致輸運水體減弱，部分區域消失并轉為朝南輸運。當北風風速為8 m/s的時候，蘇北海域水體輸運在北風作用下全部朝南。當北風風速大于等于10 m/s的時候，北港朝海的水體輸運消失，水體轉而朝陸輸運（圖2f至圖2h）形成北港進南港出的水平環流。且隨著風速的增加北港朝陸的輸運逐漸增強，在北風14 m/s的作用下朝陸水體輸運超過2 m2/s，而南港朝海的水體輸運超過3 m2/s，這與圖2所示強北風作用下北港鹽度增加并大幅超過南港的結論相符。

圖3 半月（第 38 d 到第 53 d）平均單寬水體輸運分布Fig.3 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged unit water transport

為了量化河口與外海之間的交換，在北港口選取一斷面（位置如圖1a sec1）計算不同北風風速下斷面水通量（式（2））和鹽通量（式（3））結果如圖4 所示。為了顯示河口潮汐的影響，圖4疊加了北港口門sec1斷面的潮差。如圖4b所示，無風時sec1斷面水通量持續朝海，最高可達 11 000 m3/s，可占入?？倧搅鞯?0%以上。但在小潮期間，朝海水通量顯著減小，最小約為 5 700 m3/s，這是因為，小潮期間潮差較小，潮汐在南槽產生朝陸斯托克斯漂移輸運較小[8]，從而更多徑流從南港下泄入海，因此北港入海水通量減小。風速的變化并不改變水通量的大小潮變化特征，但隨著風速增加存在整體朝陸移動的趨勢。當北風風速不超過6 m/s的時候，整個大小潮期間水體始終是朝海，說明風應力的作用尚未超過徑流的作用。但當北風風速為8 m/s的時候，小潮期間sec1斷面水通量出現為朝陸輸運的現象，最大可達–2 300 m3/s（用負表示朝陸，下同，包括鹽通量）。隨著北風風速增加，朝陸輸運逐漸增加。而當風速為14 m/s的時候，整個大小潮周期水體始終朝陸輸運，最高可達–21 600 m3/s，出現在小潮期間。

圖4 北港口門斷面潮差（a）、水通量（b）和鹽通量（c）隨時間變化Fig.4 The temporal variation in tidal amplitude (a),water (b) and salt (c) fluxes across the section at the mouth of the North Channel

水通量引起的鹽通量變化可見圖4c。當風速為0時，北港斷面的鹽通量持續向海，其鹽分主要來源可能是北支倒灌。當北風風速增加到2 m/s的時，鹽通量和無風時相差不大。當北風風速增加到4 m/s時，雖然大潮期間鹽分依舊朝口外輸運，但在小潮期間出現了朝陸的鹽分輸運，最大約為–4 t/s。這是由于小潮期間潮汐混合減弱，鹽度垂向分層和河口環流增強，從而增加了朝陸的鹽分垂向切變輸運[20]，這個現象在珠江口[3]以及哈德遜[2,21]等部分混合河口也有出現。這種小潮進大潮出的鹽分凈輸運維持了河口的鹽度平衡。隨著北風風速的增加，朝陸輸運的時間也逐漸增加。當北風風速為14 m/s的時候，北港口門鹽分持續朝陸輸運，小潮期間最高可達–639 t/s。在此強北風條件下，由北港進入的鹽分最后經由南港流入大海。

不同北風風速條件下北港口門sec1斷面半月平均水通量和鹽通量分別由圖5a和圖5b所示。無風時，半月平均的北港口門斷面水體通量約為9 000 m3/s，高于徑流的一半，這個結論與Li等[22]通過模型計算的北港分流比超過50%的結論一致。當北風風速為6 m/s的時候，朝海的水通量降為 6 200 m3/s，大約為徑流的一半。當北風風速大于10 m/s時，北港口門水通量轉為朝陸凈輸運。當北風風速為14 m/s，朝陸水通量高達–10 000 m3/s。圖 5b 所示，當北風風速只需超過7 m/s，北港口門鹽度即朝陸凈輸運，而圖5a顯示水通量朝陸凈輸運則需要北風風速超過10 m/s驅動。其原因是由于河口環流導致底層高鹽水朝陸輸運，表層低鹽水體朝海輸運，即使垂向積分后水體朝海凈輸運，但鹽分也可以朝陸凈輸運。在強北風（>10 m/s）作用下，鹽分還可以通過水體平流進入北港從而大幅增加北港鹽通量。如圖5b所示，當北風風速為 14 m/s的時候，朝陸的鹽通量高達–306 t/s。鹽分的來源主要是蘇北的高鹽水在北風作用下往南輸運至長江口。

隨著北風的增大，在向陸?？寺斶\的影響下，蘇北沿岸以及長江河口水位有所抬升。圖5c展示了不同風速作用下，北港口門斷面的半月平均水位。當風速為0 m/s的時候，北港口門水位只有0.13 m。當風速增大到 8 m/s時，北港口門水位超過 0.2 m。隨著風速增大，北港口門水位快速增加。風速為12 m/s時，北港口門水位超過 0.3 m。當風速增大到14 m/s時，北港口門水位增加到 0.42 m。由于風速的增大，北港口門水位抬升，使得徑流導致的坡降減小，朝海水通量減小，隨著水位的繼續抬升，最終可使得水體朝陸凈輸運，如圖5a所示。

圖5d顯示了不同風速作用下，北港半月平均的鹽度。鹽度采用北港口門至北港上游南北港分汊口所有網格點的體積平均鹽度。當風速在0～4 m/s之間變化的時候，北港鹽度變化微弱，且鹽度較低都在1以下。當風速為 6 m/s的時候，鹽度增大到2.6。隨著風速繼續增大，鹽度迅速上升。這主要有兩方面的原因，一是北風將蘇北高鹽水輸送到了長江口，二是北風減小了北港下泄徑流。當風速增大到12 m/s的時候，北港鹽度為24.1。隨著北港被高鹽水所覆蓋，鹽度增加放緩，當風速增大到14 m/s，北港鹽度為27.8。

圖5 不同風速作用下北港口門斷面半月（第 38 d 到第 53 d）平均水通量（a）、鹽通量（b）、水位（c）和整個北港半月平均鹽度（d）Fig.5 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux (a),salt flux (b),water level (c) across section at the mouth of the North Channel and volume-averaged salinity in the North Channel (d) under various wind speed

圖6展示了長江口更多斷面的半月平均水通量隨北風風速變化。結果顯示，當北風風速超過11 m/s時，北港上段sec2斷面水通量朝陸凈輸運，而南港上段sec3斷面的水通量超過徑流量的11 900 m3/s。由于北支sec4倒灌的水通量比起南北港小至少1個數量級，因此北支倒灌對南北港水通量貢獻較小，南港多余的水通量必然來自北港高鹽水倒灌進入南港說明在強北風（>11 m/s）作用下，從北港口門進入的水通量和鹽通量部分從南北港分汊口倒灌進入南港，最后通過南港平流進入大海，增加了南港朝海的水通量（圖3）。

圖6 不同風速條件下斷面 sec2（a）、sec3（b）和 sec4（c）半月（第 38 d 到第 53 d）水通量Fig.6 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux across section at sec2 (a),sec3 (b) and sec4 (c) versus wind speed

4 討論

為了保證上海淡水資源的利用，有必要預測在不同風速情形下鹽水入侵對青草沙水庫取水時間的影響。本文利用模型，輸出不同風速條件下，青草沙水庫取水口的鹽度，統計30 d內可取水天數和最長不宜取水天數。如圖7所示，當風速不超過4 m/s的時候，青草沙水庫取水口的鹽度1月內絕大部分時間都沒有超過0.45。其中無風時，最長不宜取水天數為0.1 d，共可取水天數為 29.7 d（表1）。當風速增大到 4 m/s的時候，相較于無風情形變化不大，最長不宜取水天數為0.2 d，共可取水天數為28.6 d。隨著風速繼續增大，最長不宜取水天數顯著增加，總可取水天數顯著減少。當風速超過10 m/s的時候，青草沙取水口鹽度一直在0.45以上，水庫持續無法取水。對于這種情形，應當引起注意。歷史上，在2014年2月由于持續的強北風，導致水庫連續23 d未能取到淡水，對上海的淡水資源造成了威脅[23]。

圖7 不同風速作用下青草沙取水口鹽度隨時間變化Fig.7 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind speeds

表1 30 d內不同風速下最長不宜取水天數和共可取水天數Table 1 The longest continuous days unsuitable and total days suitable for water intakes within 30 days under different wind speeds

圖1b顯示長江口冬季西北風和東北風兩種風向也有較高的比例。為此，本文另有4組數值實驗分別是東北風 6 m/s和 12 m/s，以及西北風 6 m/s和 12 m/s驅動。不同風向條件下青草沙水庫取水口鹽度模擬結果見圖8。結果顯示當風速為6 m/s的時候，不同時段風向的影響是不同的（圖8a）。小潮后期（41～45 d潮差見圖4a），取水口鹽度在西北風驅動下最強，東北風驅動下最小。其原因可能是由于小潮后期青草沙水庫鹽分主要是受北港鹽水正面入侵影響，其鹽分向上游輸運機制為垂向切變輸運[20]，這與其他部分混合河口類似（如珠江口，哈德遜河口）。Scully等[24]Chen和Sanford[4]研究發現，沿河道向上的風所對應的風應變能夠減小垂向切變和分層，沿河道向下的風相反能增加垂向切變和分層。因此猜測西北風能夠增加長江口北港垂向切變輸運，而東北風則減小北港垂向切變輸運。如圖9a和圖9c所示分別為小潮后期東北風 6 m/s和西北風 6 m/s與正北風 6 m/s的鹽度場差值。結果顯示在東北風情形下，整個北港從下到上鹽度有所減小，最高北港口門鹽度減小6（圖9a）。而西北風情況正好相反，北港從下到上鹽度增加，最高口門鹽度增加3（圖9c）。在大潮以及大潮后期，青草沙取水口在東北風驅動下鹽度最高，西北風驅動下最低（圖8a）。其原因可能是由于大潮期間，青草沙鹽度主要受北支倒灌影響。北支不同于北港，其水深較淺（<5 m），長江徑流分配少，潮汐作用強，所以北支鹽度和流速垂向結構均一。而東北分能直接拖曳北支水體朝上游輸運，增加北支倒灌。如圖9b和圖9d所示分別為大潮期東北風 6 m/s 和西北風 6 m/s 與正北風6 m/s的鹽度場差值。結果顯示在東北風情形下，大潮期間從南北支分汊口到青草沙水庫整個南支河段鹽度略微有所增加（圖9b），其增加的鹽分主要來源為北支增加的倒灌鹽水從南支往下游平流輸運。東北風仍然減小了大潮期北港下游的鹽度，但比起小潮下降幅度明顯減?。▓D9b和圖9a，注意鹽度標尺）。西北風減小了北支倒灌和南支上段鹽度，并導致大潮期間青草沙取水口鹽度降低（圖9d）。同理，大潮期西北風仍然增加了北港下游的鹽度，但比起小潮增加幅度明顯減小（圖9d和圖9c）。

圖8 不同風速和風向作用下青草沙取水口鹽度隨時間變化Fig.8 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind directions and speeds

圖9 不同風向和正北風鹽度場差值Fig.9 Differences in salinity between north wind and other directions

當風速為12 m/s的時候，無論任何潮型青草沙取水口鹽度都是正北風最強，西北風次之，東北風最弱。其原因可能是由于在強北風作用下，北港鋒面向上游移動離開北港（圖2g至圖2h），且在強風攪動下，北港分層大幅減弱，所以其鹽分朝陸輸運機制主要是朝陸的平流輸運，垂向切變輸運貢獻次之[20]。平流輸運的鹽分來源主要來自蘇北向南輸運的高鹽水。無論是西北風還是東北風，經向風分量只有8.5 m/s，遠小于正北風 12 m/s。所以同樣的風速下，正北風能導致蘇北更多的高鹽水輸運至長江口，進而平流進入北港的鹽分更多。因此如圖9e至圖9h所示，相比正北風，其他兩個風向鹽度都降低了。唯一例外是小潮期間，西北風12 m/s顯著增強了南槽鹽度（圖9g）。其原因在于北風導致的北港進南港出的水平環流增加了南港下泄徑流，南槽鹽度鋒面（圖2）和鹽度分層使得朝陸的垂向切變輸運隨之加強，而西北風能進一步增加南槽的垂向切變輸運。另外，西北風相比東北風，鹽度整體要高的原因也是由于風的應變作用。關于長江口河口環流和風應變之間的相互作用后期還需更加深入細致的研究。

5 結論

本文采用三維數值模式ECOM-si，模擬冬季長江口鹽水入侵對不同北風風速的響應。研究結果表明，北風風速提高能夠顯著增加北港鹽度，不利于青草沙水庫取水。無風時，北港半月平均鹽度小于1，明顯小于南港；長江口南北港兩汊道水體凈輸運都朝海，北港鹽分持續朝海凈輸運。當北風風速增加到4 m/s，北港小潮期出現朝陸的鹽分凈輸運。北風風速為6 m/s時，南北港鹽度接近，北港半月平均鹽度約為2.6。北風風速超過7 m/s時，北港半月平均鹽通量開始朝陸凈輸運。北風風速為8 m/s時，小潮期北港出現朝陸的水通量，北港鹽度明顯大于南港。北風風速超過10 m/s時，半月平均水通量朝陸凈輸運。北風風速超過11 m/s時，北港鹽水倒灌至南港。北風風速為14 m/s時，北港水通量持續朝陸，半月平均水通量和鹽通量分別為?10 000 m3/s和?306 t/s；整個北港被外海進入的高鹽水覆蓋，平均鹽度高達27.8。

北風風速變化也對青草沙水庫的可取水時間造成了影響。當風速低于4 m/s的時候，青草沙取水時間寬裕，1個月內共可以取水時間超過28 d，最長不宜取水天數不超過 1 d。當風速超過 10 m/s，青草沙水庫1個月共可取水時間降為0 d。北風風速增強對青草沙取水極為不利，未來隨著氣候變化，極端天氣事件可能越來越多，出現強北風的頻率也會加大，其對淡水資源的影響應該引起更多研究和重視。