丁平興， 葛建忠

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

0 引 言

對長江河口及其鄰近海域航道、港口及航運安全有影響的災(zāi)害性天氣主要有熱帶氣旋、寒潮和大霧［1］.其中熱帶氣旋主要發(fā)生在夏秋季節(jié)，所經(jīng)地方伴有狂風(fēng)暴雨和巨浪；寒潮一般多發(fā)生在秋末、冬季和初春時節(jié)，來自高緯度地區(qū)的寒冷空氣，在特定的天氣形勢下迅速加強并向中低緯度地區(qū)侵入，造成沿途地區(qū)劇烈降溫、大風(fēng)和雨雪天氣；而大霧主要發(fā)生在春夏季節(jié)，有時秋冬季節(jié)也受濃霧侵襲.大風(fēng)、大浪、大霧不但會嚴(yán)重影響船舶航運，而且會影響碼頭作業(yè).大風(fēng)大浪還對碼頭、導(dǎo)堤等建筑物有直接影響，同時還易引起港口航道驟淤.因此，對于擬建港口航道自然條件分析，其中重要內(nèi)容之一是分析大風(fēng)、大浪、大霧等災(zāi)害性天氣的特征和規(guī)律以及對港口航道的可能影響.

本文主要圍繞長江口橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案，通過資料文獻分析和數(shù)值模擬，討論影響長江口及其鄰近海域熱帶氣旋、寒潮和大霧的特征與規(guī)律，以及初步分析對港口航道可能的影響.

1 影響長江口及鄰近區(qū)域的熱帶氣旋

熱帶氣旋指發(fā)生在熱帶海洋上的氣旋性環(huán)流，是熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)或颶風(fēng)的統(tǒng)稱，西太平洋沿岸國家習(xí)慣上稱風(fēng)力12級以上的熱帶氣旋為臺風(fēng).熱帶氣旋期間常伴有狂風(fēng)、暴雨和巨浪，在近岸產(chǎn)生風(fēng)暴潮.本文作者曾聯(lián)合國家海洋局東海預(yù)報中心和國家氣象局上海臺風(fēng)研究所專家學(xué)者，在太湖流域管理局的資助下對影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋和風(fēng)暴潮等進行聯(lián)合研究，所得的主要結(jié)論如下［2］.

熱帶氣旋發(fā)生頻率 1949—2003年影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋為120個，平均每年2.3次.其中嚴(yán)重影響的強暴潮過程為64次，占影響總次數(shù)的53.3%，平均每年為1.2次.

熱帶氣旋月際變化 影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋主要發(fā)生在8月和9月（見表1），它們分別占總數(shù)的37.5%和39.1%，兩者合起來占76.6%，其次為7月，占17.2%.

表1 熱帶氣旋頻數(shù)月際分布表Tab.1 Distribution of monthly frequency for the tropical cyclones

臺風(fēng)路徑與風(fēng)暴潮 影響長江口及其鄰近區(qū)域的熱帶氣旋，主要以滬、浙登陸型和海上中、西轉(zhuǎn)向型為主，它們占熱帶氣旋總數(shù)的76.56%（見圖1和表2）.

對于橫沙淺灘挖入式港區(qū)，熱帶或溫帶氣旋及其引發(fā)的大風(fēng)大浪不可能成為影響港區(qū)安全的主要因子，其風(fēng)險系數(shù)小于洋山港和外高橋港區(qū)，但由于大風(fēng)大浪引起的港池、進港航道驟淤必須引起足夠重視.

下面以曾引起長江口北槽深水航道嚴(yán)重淤積的“麥莎”臺風(fēng)為例（見圖2），分析擬建橫沙淺灘挖入式港池與外航道區(qū)域在臺風(fēng)背景下的波浪場.“麥莎”臺風(fēng)于2005年7月31日20時生成于菲律賓東部約900 km的洋面上，后以20 km／h的速度朝西北方向移動，強度逐漸加大.8月2日08時成強熱帶風(fēng)暴，3日02時加強為臺風(fēng)，“麥莎”在向西北方向移動過程中，強度進一步加大，8月4日18時至6日03時臺風(fēng)強度達鼎盛，其中心氣壓為950 hPa，中心最大風(fēng)力達12級以上（45 m／s）.“麥莎”臺風(fēng)于8月6日3時40分在浙江玉環(huán)登陸，登陸時中心氣壓為950 hPa，近中心最大風(fēng)速達45 m／s（12級以上），7級大風(fēng)半徑為600 km，10級大風(fēng)半徑達200 km.由于該臺風(fēng)強度大，影響范圍廣，加之8月6—7日正值天文大潮期，浙江省、上海市遭受了狂風(fēng)、暴雨、天文大潮的嚴(yán)重侵襲.據(jù)水文站實際觀測，上海市沿江、沿海7日的水位普遍超過了當(dāng)?shù)氐木渌?.2～0.4 m.“麥莎”臺風(fēng)登陸后，先后穿越浙江、上海、安徽、山東等地，7日02時減弱成熱帶氣旋，于9日02時消失在渤海.

圖1 影響長江口地區(qū)的熱帶氣旋主要路徑Fig.1 Main tracks of tropical cyclone affecting the Yangtze Estuary

表2 熱帶氣旋路徑統(tǒng)計分析Tab.2 Statistical analysis of tropical cyclone tracks

“麥莎”臺風(fēng)路徑及臺風(fēng)影響期間在牛皮礁和大戢山用SWAN模型計算的波高變化如圖3所示.圖4為“麥莎”臺風(fēng)期間計算的有效波高空間分布.從圖可發(fā)現(xiàn)，“麥莎”臺風(fēng)期間橫沙淺灘區(qū)域平均有效波高為1.5～2.5 m，最高可達3 m左右.

圖3 0509號“麥莎”臺風(fēng)期間波高變化Fig.3 Wave height variation during the typhoon“Matsa”

圖4 麥莎臺風(fēng)8月6號04：00時刻有效波高分布圖Fig.4 Distribution of significant wave height during the typhoon“Matsa”（at 4 AM，Aug.6，2005）

中國海洋大學(xué)［3］曾采用“新型混合型海浪數(shù)值模式”，選取對長江口波浪影響較大的59個天氣過程的天氣圖進行海浪數(shù)值后報，統(tǒng)計分析得到20 m水深處P點（122°30′E，31°35′N）深水設(shè)計波要素（參見文獻3）.該結(jié)果被長江口航道建設(shè)管理部門釆納，作為長江口深水航道治理工程中海工建筑物深水設(shè)計波要素的依據(jù).橫沙淺灘與北槽相鄰，故中國海洋大學(xué)提出的深水設(shè)計波要素同樣可為橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃提供參考.

波浪傳播進入淺灘區(qū)后，發(fā)生變形并形成破碎波，破波水流的強烈紊動對淺灘表面沉積物產(chǎn)些強烈的擾動，使水體懸沙濃度顯著增加.按不同波高頻率統(tǒng)計，可推算得橫沙淺灘不同波高條件下的破波水深，其結(jié)果可參見文獻4.

2 影響長江口及鄰近區(qū)域的寒潮

寒潮天氣的主要特點是劇烈降溫和大風(fēng)，寒潮引起的大風(fēng)在長江口及其鄰近海域一般有8級以上，會影響航運和港口的安全.徐秀芳等［5］利用1989—2008近20年11月到次年3月上海徐家匯站氣象資料，對上海出現(xiàn)的寒潮過程進行統(tǒng)計分析.所得主要結(jié)論如下.

寒潮發(fā)生頻率 近20年中達到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的過程有63次，平均每年有3.15次，其中1997—1998年度冬季出現(xiàn)次數(shù)最多為7次，也有年份一次未出現(xiàn)，為1994—1995年度冬季，其余年份分別為1～6次.

寒潮發(fā)生月際變化 近20年上海寒潮出現(xiàn)次數(shù)最多的月份為12月，共21次；出現(xiàn)次數(shù)最少的月份為3月份，共9次；另外，1月份共出現(xiàn)12次，2月份共出現(xiàn)11次，11月份共出現(xiàn)10次（見圖5）.

圖5 近20年上海寒潮頻次的月際分布（徐秀芳等［5］）Fig.5 Distribution of monthly frequency for cold wave in Shanghai during the last 20 years

上海寒潮最早出現(xiàn)在1995年11月6—8日，最晚為1998年3月18—20日；日平均溫度48 h最大降溫幅度為14.1℃，分別在1990年11月29日—12月1日和2005年3月10—12日.另外，從統(tǒng)計可看到，最近20年的前10年寒潮發(fā)生了34次，且在11月發(fā)生了7次，后10年為29次，而在11月僅發(fā)生了3次（見圖5），即影響上海的寒潮頻次有減少趨勢.徐秀芳等通過影響上海的63次寒潮強度分析，還發(fā)現(xiàn)寒潮強度近10年有增強的傾向.

2011年2月9—13日有一個影響長江口及鄰近海域的寒潮過程，上海中心氣象臺8日21點鐘發(fā)布上海市寒潮警報和江蘇南部到浙江南部沿海海面大風(fēng)警報.北方南下的較強冷空氣影響本市，48 h過程降溫幅度可達7～9℃，并有4～6級北到東北大風(fēng)，長江口區(qū)陣風(fēng)有6級.本文以該寒潮過程為例，采用SWAN模型計算寒潮期間橫沙淺灘及其鄰近海域有效波高分布，結(jié)果如圖6所示.從圖6可發(fā)現(xiàn)在擬建挖入式港池附近有效波高為1～1.5 m，外航道海域有效波高可達2～3 m.

3 影響長江口及鄰近區(qū)域的大霧

海霧是影響航海安全的主要天氣現(xiàn)象，每年因海霧帶來不良能見度從而造成的船舶碰撞、觸礁和擱淺等海損、海難事故常常發(fā)生［6］.

周立佳等［7］利用1961—1990年船舶氣象資料、國家氣象站、海洋站公開發(fā)布的觀測資料，對我國東南沿海的海霧出現(xiàn)頻率和各主要海區(qū)海霧頻率的時空分布進行統(tǒng)計分析.對于長江口與舟山海區(qū)，9—10月霧頻率最低，僅為0.2%～0.5%；12月至翌年1月霧頻率次低，在1.4%以下；2月和8月霧頻率為2%～2.6%；3月和7月是該海區(qū)霧頻率次高季節(jié)，達6.5%；4—6月霧頻率最高，達到12.5%.

邢大豐等［8］通過統(tǒng)計分析，提出上海港是一個多霧的港口，年平均霧日達50～60 d.對長江口及鄰近海域交通影響較大的有平流霧和鋒面霧，主要集中在3—7月，4月最多，月平均約6 d.霧多發(fā)于下半夜至次日早晨，持續(xù)時間一般為3～5 h.連續(xù)24 h以上的霧日較少.

陳磊等［9］利用近幾年長江口水文資料調(diào)查和引航船實地觀察氣象資料進行統(tǒng)計分析，在長江口水域視程小于1 000 m的大霧天數(shù)分別為2005年25 d，2006年20 d，2007年12 d，2008年19 d.

圖6 2011年2月12日12時寒潮期間有效波高分布圖Fig.6 Distribution of significant wave height during the cold wave

顯然，大霧會給航運安全、港口作業(yè)等造成影響.但可以推測，大霧對長江口橫沙淺灘挖入式港池和外航道的影響程度與對相鄰長江口北槽深水航道和外高橋港區(qū)的影響程度相當(dāng).

4 結(jié) 語

長江口及其鄰近海域每年都受熱帶氣旋、寒潮與大霧的影響，且這些災(zāi)害性天氣過程季節(jié)性變化顯著.熱帶氣旋與寒潮產(chǎn)生的大風(fēng)大浪對擬建的碼頭、導(dǎo)堤等建筑物有直接影響，同時還易引起港口航道驟淤；大霧不但會嚴(yán)重影響船舶航運，而且會影響碼頭作業(yè).本文是在前階段累積資料、已有文獻基礎(chǔ)上進行的初步分析，許多方面還有待深化研究，特別是大風(fēng)、大浪對港區(qū)建筑物、泥沙輸運與沖淤變化等的監(jiān)測與研究尚需深入.

［1］ 中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室.上海國際航運中心橫沙淺灘挖入式港池規(guī)劃方案研究報告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2012.

［2］ 華東師范大學(xué)，東海海洋環(huán)境預(yù)報中心，上海臺風(fēng)研究所.太湖流域風(fēng)暴潮及潮汐特性分析與預(yù)報模型研究報告［R］.上海：華東師范大學(xué)，2005.

［3］ 中國海洋大學(xué).長江口深水航道整治工程設(shè)計波要素研究報告［R］.青島：中國海洋大學(xué)，2001.

［4］ 李身鐸，朱巧云，虞志英.長江口橫沙淺灘及鄰近海域水動力特征分析［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（4）：25－41.

［5］ 徐秀芳，戴建華，尹紅萍.近20年影響上海的寒潮特點［J］.大氣科學(xué)研究與應(yīng)用，2009（1）：73－80.

［6］ 李磊，張永寧.影響我國沿海的海霧及一起碰撞事故的分析［J］.航海技術(shù)，2001（1）：17－18.

［7］ 周立佳，劉永祿，袁群哲.東南沿海海霧分布的統(tǒng)計與預(yù)報［J］.航海技術(shù)，2005（4）：24－25.

［8］ 邢大豐，張治源.長江口水域船舶霧航風(fēng)險及應(yīng)對［J］.中國水遠，2008（1）：32－33.

［9］ 陳磊，陸悅銘.長江口引航員接送的風(fēng)險分析及應(yīng)對措施［J］.航海枝術(shù)，2009（5）：14－16.