長江口臺風期間波致增水空間分布特征研究

王雪迎，潘毅，張壯，于普兵，陳永平

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學港口、海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；3.浙江水利科學研究院，浙江杭州310020）

1 引言

風暴潮是世界上摧毀力最強的海洋災害之一，產(chǎn)生的增水和巨浪嚴重威脅沿海區(qū)域人們的生命財產(chǎn)安全。長江口沿岸區(qū)域人口密集，經(jīng)濟繁榮，是中國的經(jīng)濟中心之一，但其常受臺風引起的風暴潮和巨浪的影響。風暴潮潮位受到眾多因素影響，如徑流、臺風、波浪和天文潮等。此外，長江口地形復雜，三級分汊四口入海，且分布著許多水下淺灘（見圖1），這使得潮（天文潮和風暴潮）和波浪間的相對作用更加復雜，對這種相互關系量級和空間分布的理解對于風暴潮期間長江口沿岸海域的海岸洪水預警預報有重要意義。潮汐和風暴潮都會對波浪產(chǎn)生顯著影響，這種影響的主要控制因素為潮位；波浪通過輻射應力對潮流和潮位產(chǎn)生影響，影響程度受到岸線地形等諸多因素的控制，需要針對具體區(qū)域進行研究。

圖1 長江口地形

風暴潮波致增水研究始于20世紀80年代[1]。波浪主要通過改變表面應力和底部應力對潮位產(chǎn)生影響，同時，波浪輻射應力對近岸區(qū)域也有顯著影響。考慮潮波相互作用的模型已廣泛應用于風暴潮數(shù)值計算中[2]。學者對不同區(qū)域的波致增水特征開展研究。針對中國東南沿海地區(qū)風暴潮的分析指出，波浪在近岸形成增水，離岸形成減水[3]，增水分布還受到風場、風生流和岸線特征的共同影響[4]；輻射應力對風暴潮過程中的水位上升有2%～5%的貢獻[5-6]。研究表明，渤海沿岸的增水過程是由局地風“直接作用”及外部天氣系統(tǒng)“間接影響”的共同作用引起的[7]，渤海灣海域波致增水最大可達0.3 m[8]，波致減水也能到達0.2～0.3 m[9]。中國東海的波致增水研究表明，風暴潮期間長江口的波致增水比中國沿海的大多數(shù)地區(qū)更為明顯，波致增水高達0.3 m[10]，其中，針對1109號臺風“梅花”的研究表明，長江口近岸破波帶的波致增水總體在0.1～0.18 m[11]。目前，大多數(shù)針對長江口波致增水的研究僅基于單一臺風，導致研究成果的代表性不強；另一方面，關于長江口的波致增水結(jié)論通常僅給出量級上的范圍，缺乏對其的空間分析。本研究通過數(shù)值模擬的方法，模擬了7場影響長江口區(qū)域不同特征的典型臺風過程，分析了長江口區(qū)域臺風期間的波致增水的量級和空間分布特征，給出了定量的結(jié)論，為長江口沿岸的防洪減災預警預報工作提供參考。

2 數(shù)值模型的建立

本研究基于近岸海洋數(shù)值模式ADCIRC（an ADvanced CIRCulation model for oceanic，coastal and estuarine waters）[12]和第三代海浪模式SWAN（Simulating WAves Nearshore）[13]模型建立風暴潮-臺風浪耦合模型，比較耦合模型與非耦合模型的計算結(jié)果，得到長江口臺風期間波浪對水位的影響。

ADCIRC模型是北卡羅來納大學等多所大學聯(lián)合開發(fā)的有限元海洋模型，在沿海水動力模擬中有眾多成功的應用[14]。其控制方程是由動量方程與通用波動連續(xù)性方程（Generalized Wave Continuity Equation，GWCE）組成的二維淺水方程。動量方程的形式為：

式中，U、V分別為x、y方向上的垂向平均分量；H為總水深；f為科氏力系數(shù)；pξ為自由表面大氣壓；ρ0為水密度；g為重力加速度；η+γ為牛頓潮勢和地球潮等作用；τξx和τξy為表面切應力，τbx和τby為底部摩擦力；Dx和Dy為擴散項，Bx和By為斜壓 梯 度項。GWCE方程是通過對原始連續(xù)性方程對時間求導得到的，重新排列空間和時間導數(shù)，將其中流速的時間導數(shù)項用動量方程消去，再將原始連續(xù)性方程乘上一個權(quán)重系數(shù)的乘積，最后得到下式：

式中，ξ為自由水面高度。

SWAN模型是代爾夫特理工大學（TU Delft）基于波作用量守恒方程開發(fā)的第三代波浪模型，被廣泛應用于風浪模擬[15]。SWAN模型的控制方程為波作用密度平衡方程，方程形式為：

式中，N為波作用密度；t為時間為地理空間坐標向量為波群速向量為環(huán)境流速向量；cg與cθ分別為波作用密度在譜空間內(nèi)的傳播速度；Stot為源匯項。式（3）左側(cè)第一項表示波作用密度在時間尺度上的變化，第二項為二維地理空間中波能量的傳播，第三項表示由于水深和環(huán)境流的變化導致的頻率偏移的影響，第四項表示由于水深和環(huán)境流引起的折射；式（3）右側(cè)是包含了能量的輸入與耗散過程的源匯項，主要包括風能輸入，白浪、底部摩擦和波浪破碎引起的能量耗散以及波浪的三階、四階非線性相互作用引起的波能交換。

模型中的風場使用Holland模型[16]進行計算。在指數(shù)型氣壓分布模型的基礎上，針對不同臺風徑向氣壓變化速率的區(qū)別，引入了形狀系數(shù)B，氣壓場計算公式如下：

式中，P(r)是半徑r處的氣壓，Pc是臺風中心氣壓，ΔP是風場最外圍氣壓與臺風中心其他的差值；Rwm是最大風速半徑，由Knaff提出的經(jīng)驗公式確定：

式中，Vmax為最大風速（此處單位為節(jié)）；?為當前緯度。

參數(shù)B由以下公式確定：

式中，Vmax為最大風速（單位為m/s）；Vt為臺風移動速度；Wrdc為折減系數(shù)，默認取0.9；Vr為計算風速；ρa為空氣密度；e為自然對數(shù)。

模型使用了兩層嵌套的計算網(wǎng)格系統(tǒng)。一級網(wǎng)格覆蓋了東中國海的大部分區(qū)域，為二級網(wǎng)格提供邊界條件。二級網(wǎng)格從長江口外延伸至大通站。一級網(wǎng)格的計算節(jié)點和網(wǎng)格單元數(shù)分別為22 779和43 549，二級網(wǎng)格的計算節(jié)點和網(wǎng)格單元數(shù)分別為44 241和81 100（見圖2）。一級網(wǎng)格的外海邊界條件由TPXO 7.2海潮模型提供，二級網(wǎng)格的外海邊界由一級網(wǎng)格提供，上游流量邊界采用大通站的實測流量數(shù)據(jù)。

圖2 計算區(qū)域和網(wǎng)格

3 模擬方案與模型驗證

選取近年來影響長江口7場不同特征的典型臺風過程進行模擬，分別為：0807號臺風“海鷗”、0908號臺風“莫拉克”、1109號臺風“梅花”、1416號臺風“鳳凰”、1509號臺風“燦鴻”、1810號臺風“安比”和1812號臺風“云雀”。通過比較楊林站的模型計算結(jié)果和實測潮位來驗證該模型，對比結(jié)果顯示（見圖3），模型計算結(jié)果與實測結(jié)果整體上吻合良好。

圖3 不同臺風過程的風暴潮驗證（楊林站）

使用耦合模式模擬0509號臺風“麥莎”與1210號臺風“達維”過程。將模型計算波高與南槽東站（122.25°E，31.14°N）和響水站（120.10°E，34.44°N）兩處的實測波高數(shù)據(jù)進行對比，驗證波浪計算結(jié)果。對比結(jié)果表明（見圖4），模型能夠較好地捕捉臺風引起的波浪過程。

4 模擬結(jié)果分析與討論

在耦合模式與非耦合模式下分別模擬風暴潮過程，其中非耦合模式即采用單一的潮流模型進行計算，兩種模式均考慮風拖曳力、氣壓作用和上游徑流等物理過程，不同的是耦合模式采用SWAN模型計算波浪場，并通過交換流速、水位和輻射應力等因素，實現(xiàn)潮和浪的雙向耦合。由耦合模式和非耦合模式分別計算得到考慮與不考慮波浪情況下的潮位分布，二者相減得到風暴潮過程中的波致增水空間分布。圖5給出了每個臺風過程中波致增水的最大值，結(jié)果表明，不同場次臺風的波致增水有明顯的不同。波致增水最大值的總體分布特征有明顯規(guī)律，最大波致增水主要集中在崇明島東部和九段沙周圍的淺灘。在南支的北岸和北支的上游，波致增水十分明顯；而在徐六涇上游的河道中，波致增水微乎其微。

圖5 各場臺風過程中波致增水最大值（單位：m）

為了估算風暴潮期間長江口波致增水最大值的空間分布，在圖5基礎上，對所有模擬臺風場次的波致增水取最大值（見圖6）。如圖6所示，臺風期間波致增水的最大值超過15 cm，主要分布于崇明島東部和九段沙周圍的淺灘，徐六涇到長江口河道的淺灘處也可能發(fā)生5～10 cm的波致增水，徐六涇上游河道觀察到的波致增水低于5 cm。

圖6 所有臺風過程中的最大波致增水（單位:m）

根據(jù)波致增水的分布特征和長江口的地形，選擇17個觀測點對臺風期間的波致增水變化進行分析（見圖7）。根據(jù)地理位置將觀測點分為4類，即口外淺灘、南支、北支和上游河段（見表1）。對不同區(qū)域的臺風過程中觀測點處的波致增水特征進行分析（見圖8），圖8a中藍色條柱代表各場臺風中最大波致增水平均值，工字線段表示各場臺風中最大波致增水變化范圍；圖8b中分別使用紅、黃、藍3根立柱在地圖相應位置上標出不同臺風中最大波致增水的最大值、平均值與最小值。如圖所示，從河口到上游河段，從淺水到深水，波致增水的幅度呈下降趨勢。口外淺灘波致增水最大，其次是南支和北支，上游河段最小。除九段沙尾部的淺灘（p7）外，淺水區(qū)其他觀測點的波致增水的最大值范圍為0.05～0.1 m，而深水和徐六涇上游河段總體小于0.05 m。總體而言，九段沙、崇明島東側(cè)及南支北岸的波致增水十分明顯，而徐六涇上游的河道中無明顯波致增水，由此得出，波致增水的空間分布主要受地形及水深控制。在淺灘處，波致增水較大，而在水深較大處，波致增水較小。波致增水的空間分布也與波生流有關，以1509號臺風為例，將波生流矢量圖與地形云圖疊加繪制于圖8。如圖9所示，啟東沿岸、崇明島東部沿岸、九段沙沿岸及浦東沿岸等波致增水顯著區(qū)域均存在明顯流向口內(nèi)的沿岸流。分析認為，水體由口內(nèi)流向口外過程中，受波生流影響，在口門沿岸至口外流速降低，水體堆積，從而產(chǎn)生顯著波致增水。

圖7 波致增水觀測點

表1 觀測點分類

圖8 觀測點波致增水的范圍

圖9 1509號臺風波生流與地形疊加圖

在耦合模式下輸出各場臺風過程中的有效波高，取其最大值，繪出長江口臺風期間最大有效波高分布。從圖10可以看出，長江口口門內(nèi)最大波高在3 m以內(nèi)，北支和南支九段沙以內(nèi)最大波高不超過2 m。由于波高衰減時與潮流發(fā)生強烈能量交換，引起了較強的波浪作用，因此，波高衰減較快的位置也是波致增水最大的位置。

事實上，由于不同特征臺風在不同位置造成的增水特征有所不同，所以在河口海岸防災減災或?qū)崟r預警中，波致增水的最大值更有意義。波致增水最大值彰顯了一次臺風過程中，波浪對潮位的影響可能到達的量級。由圖10可知，南支內(nèi)測點波致增水的最大值大約在0.04～0.08 m，而長江口南支的潮位在相關區(qū)域防災減災中是重要的參考依據(jù)，因此在實際防災減災或預警預報中，可以根據(jù)預報模型本身的精度，以及波浪計算的代價來具體分析是否考慮波浪作用。口外淺灘測點波致增水的最大值可達0.18 m，因此，當涉及計算淺灘處風暴潮期間水位過程時，最好考慮波浪因素的影響。

圖10 所有臺風過程中的最大波高分布

為了分析波致增水和臺風強度的關系，將各測點的最大波致增水、臺風最低中心氣壓關系、最大波致增水和臺風最大風速的關系繪于圖11。如圖所示，波致最大增水與臺風中心氣壓負相關，與最大風速正相關，即在更強的臺風過程中，波浪也會引起更大的額外增水。

圖11 最大波致增水與臺風強度的關系

大部分臺風過程都以波致增水為主，當波致增水較明顯時，增水主要分布在口外淺灘。除此以外，距離口外淺灘較遠處會產(chǎn)生一定波致減水，其量級通常小于近岸的波致增水，對于防災減災的預警工作影響不大，因此，本文不再作進一步討論。

5 結(jié)論

建立了基于ADCIRC-SWAN模型的風暴潮與臺風浪耦合模型，研究長江口在臺風過程中的波致增水特征。對近年來影響長江口的7個臺風風暴潮過程進行了模擬，通過對模擬結(jié)果的分析探討了長江口的波致增水特性。

總體來講，長江口海域波致增水的量級大致在0.05～0.15 m之間。從空間分布的角度來看，口外淺灘的波致增水最大，可達0.15 m以上；南支和北支次之，其值總體在0.05～0.1 m；上游河段的波致增水相對最小，大致不超過0.05 m。綜合2008—2018年10 a間顯著影響長江口7場臺風風暴潮模擬結(jié)果，最大波致增水主要集中在崇明島東部和九段沙周圍的淺灘。在南支的北岸和北支的上游，波致增水十分明顯，而在徐六涇上游的河道中，波致增水微乎其微。同時，南支內(nèi)測點波致增水的最大值大約在0.04～0.08 m，而口外淺灘測點波致增水的最大值可達0.18 m。長江口波致增水空間分布特征可直接為長江口沿岸的防洪減災和預警預報工作提供參考依據(jù)。

根據(jù)本文得到的長江口波致增水空間分布特征，南支的最大波致增水通常在0.1 m以下，因此在防災減災預警預報中，可以根據(jù)預報模型本身的精度，以及波浪計算的代價來具體分析是否考慮波浪作用；另一方面，口外淺灘測點波致增水的最大值可達0.18 m，因此，當涉及淺灘處風暴潮期間水位數(shù)值計算時，則需考慮波浪因素的影響。