俞亮亮,陳可鋒,陸培東,張俊彪

(1.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

海平面上升背景下輻射沙脊風暴潮增水研究

俞亮亮1,陳可鋒2,陸培東2,張俊彪1

(1.國家海洋局第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029)

海平面上升將對沿海環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅,風暴潮災害頻發(fā)和加劇是其中的重要表現(xiàn)。相關(guān)研究揭示水深和潮波變化是引起風暴潮增水與海平面上升之間非線性關(guān)系的兩大主要因素。在地形和潮波系統(tǒng)較為復雜的蘇北輻射沙脊海域這種非線性關(guān)系尤為明顯?？偨Y(jié)了該海域潮波、風暴潮特征和海平面變化趨勢,利用WRF模式和Delft 3D風暴潮模式相結(jié)合,建立了東中國海和南黃海二維天文潮-風暴潮耦合數(shù)學模型。分析研究了海平面上升以后,相同路徑和強度的兩種典型臺風作用下,輻射沙脊海域風暴增水極值和高潮位變化。分析結(jié)果表明:海平面上升后,輻射沙脊海域增水作用普遍減弱,近岸較外海明顯;而在輻射沙脊中、南部,海平面上升對天文潮高潮位的增強作用要強于對風暴增水的減弱作用。

輻射沙脊;海平面上升;風暴增水;數(shù)值模擬

20世紀以來,海平面上升已是一個不爭的事實。海平面上升引起的淺海物理海洋環(huán)境的變化對沿岸的影響比海平面上升本身顯著得多,風暴潮災害頻發(fā)和加劇是其中一個重要方面[1]。國家海洋局的海平面公報中指出:2012年的高海平面加劇了江蘇、浙江和廣東等沿海地區(qū)風暴潮的影響[2]。相關(guān)研究顯示,風暴潮增水與海平面上升并非簡單的線性關(guān)系,水深和潮波變化是產(chǎn)生非線性效應的兩個主要原因[3-5]。蘇北輻射沙脊群地處東海前進波與南黃海旋轉(zhuǎn)駐波輻合區(qū),又分布著槽-脊相間的大型復雜地貌系統(tǒng),兩者的非線性關(guān)系尤為復雜。但在許多研究中,工程水位仍以過去的潮位和增水值來推算,或簡單疊加海平面上升量為依據(jù),與客觀實際不符[6]。江蘇沿海人口稠密,經(jīng)濟發(fā)達,但地勢低洼,一旦風暴潮沖決海堤,影響將波及整個江蘇沿海平原。因此,研究海平面上升背景下,蘇北輻射沙脊海域風暴潮增水的變化規(guī)律,具有重要的理論和實際意義。

1 研究區(qū)域概況

江蘇中部海岸內(nèi)陸架上近20 000 km2的南黃海海域內(nèi),形成了一個巨大的輻射沙脊。1980年以來,隨著江蘇海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查及輻射沙脊區(qū)建港條件的研究,這一特殊海岸地貌逐漸被人們所認識。輻射沙脊北起射陽河口,南至長江口北岸,南北長約200 km,東西寬約90 km,總面積達22 470 km2,大部分沙洲在平均海平面以下。輻射沙脊以弶港外側(cè)蔣家沙的沙脊線為界,把輻射沙脊群分為南北兩不對稱部分。

1.1 潮汐與風暴潮

輻射沙脊海域具有特殊的潮汐環(huán)境,從東南方向傳來的東海前進波及其部分從西北方向由山東半島傳播來的反射潮波匯合后形成的旋轉(zhuǎn)駐波在此輻合,兩個潮波系統(tǒng)的輻合不僅使得輻射沙脊海域潮差增大,而且形成了輻射狀的潮流流場[7-8]。潮差呈現(xiàn)以弶港為中心向南、北潮差逐漸降低的分布特征。

江蘇沿海屬南北氣候、中高緯度和海陸相3種過渡帶的重疊區(qū),風暴潮災害頻繁,以臺風風暴潮為主,且有歷時短、來勢兇猛,時空分布不均勻、不連續(xù),南部多于北部的特點。綜合考慮臺風影響頻率和強度,認為近?；顒有秃偷顷懕鄙闲妥顬橹匾猍9],因此分別以1109“梅花”臺風和0509“麥莎”臺風為典型代表,對輻射沙脊海域風暴潮增水與海平面上升之間的關(guān)系作進一步研究。

1.2 海平面變化

江蘇輻射沙脊海域位于南黃海,在過去的幾十年中,黃海平均海平面呈現(xiàn)出上升趨勢。部分學者利用TP衛(wèi)星數(shù)據(jù),得到了江蘇沿海絕對海平面上升量;但考慮到江蘇中部沿海屬于揚子準地臺范圍,地處新構(gòu)造運動下沉區(qū),再加上巨厚的泥沙沉積層的壓實沉降,除了絕對海平面,局地因素也不可忽略,因此也有學者綜合驗潮站和衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到了江蘇沿海相對海平面上升量(表1)。李加林等[10]還考慮到近幾十年來海平面上升速率的增大,預測了未來100年江蘇相對海平面變化。此外,根據(jù)張建云等的研究結(jié)果,當東太平洋海平面上升0.45 m和0.90 m后,南黃海的外海開邊界處相對變化均在5 mm以內(nèi)[11],故可將絕對海平面變化和地形沉降因素統(tǒng)一體現(xiàn)在南黃海模型外海開邊界潮位過程上。本文重點研究海平面上升可能帶來的災害效應,考慮到極端情況,采用的諸多成果中的最大值,即李加林等推薦的1.37 m,作為南黃海未來100年相對海平面上升量。

表1 江蘇沿海海平面變化部分結(jié)果[12]Tab.1 Some results of sea level rise along coast in Jiangsu Province

2 模型的建立及驗證

圖1 模型范圍及臺風路徑驗證Fig.1 Calculated domain and typhoon track calibration

本文風暴潮模式采用荷蘭Delft 3D模型。其基本方程為靜壓力假定下、黏性無壓縮淺水方程,即Navier-Stokes方程,數(shù)值計算方法為ADI法,采用垂向平均的二維潮波方程。計算域內(nèi)的臺風作用通過靜壓假設和自由表面條件來實現(xiàn)。但Delft 3D系統(tǒng)本身并沒有提供臺風計算模塊,目前風壓場獲取一般有理論模型、經(jīng)驗模型和區(qū)域氣象模式3種方法。相關(guān)研究顯示,區(qū)域氣象模式在對風壓場的還原中更接近實際[13]。本項研究選擇了WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式中的ARW(The Advanced Research WRF)框架,氣象資料為每隔6 h的NECP(1°×1°)的全球再分析資料,大氣物理過程參數(shù)化方案與文獻[9]一致。

為精細化模擬輻射沙脊海域近岸增水過程,風暴潮數(shù)學模型采用雙重嵌套網(wǎng)格(圖1),東中國海模型范圍為117°～131°E,24°～41°N,包括了臺灣海峽、東海、黃海和渤海,網(wǎng)格尺度2′×2′,網(wǎng)格數(shù)324×480,時間步長為60 s,黃海模型范圍119.2°～127.1°E,28.2°～38.2°N,北至山東青海角,南到錢塘江灣以南,網(wǎng)格尺度200～2 000 m,網(wǎng)格數(shù)889×786,時間步長30 s。與之相應的WRF模型嵌套粗網(wǎng)格D1范圍為115°～135°E,22°～42°N,格點數(shù)100×100,格距6′,時間步長60 s;細網(wǎng)格D2范圍為118°～128°E,28°～38°N,格點數(shù)150×150,格距2′,時間步長20 s。風暴潮模型開邊界采用復合潮波過程線控制,給定8個主要分潮(M2, S2,N2,K2,K1,O1,Q1,P1)的調(diào)和常數(shù),為使風暴潮模型計算穩(wěn)定、合理,先在無風條件下預算2 d,待潮波充分傳播至近岸后再加入風壓場。其中,風力拖拽系數(shù)采用王秀芹[14]推薦的Cd=(0.61+0.063U10)×10-3(6＜U10＜22)。針對天文潮的結(jié)果,以《英國潮汐表》對本區(qū)域內(nèi)91個驗潮站的M2,S2, K1,O14個分潮的調(diào)和常數(shù)作為驗證,振幅和遲角最大誤差分別為9.4 cm和9.4°,驗證的詳細結(jié)果參見文獻[15]。臺風期間實測風速、潮位站分布見圖2。

圖1中計算的臺風路徑和衛(wèi)星實測結(jié)果顯示:兩者走勢基本一致,最大誤差出現(xiàn)在登陸后,受陸域地形、下墊面和建筑物等因素影響所致;從臺風期間5個近岸風速測站的驗證結(jié)果來看(圖3,圖4),WRF模式較好地重現(xiàn)了理論模型無法模擬的臺風過后海面上維持的大風速過程。通過搜集到的臺風期間3個測站的潮位驗證結(jié)果可見(圖4):計算潮位與實測值相位基本一致,高潮位誤差均在30 cm以內(nèi),低潮位誤差相對較大,總體來看,該模型較好地模擬出了兩個臺風期間輻射沙脊海域的增水及高潮位變化過程。

圖2 臺風期間實測風速、潮位站分布Fig.2 Locations of wind and tide stations

圖3 臺風期間風速驗證Fig.3 Wind speed calibration during typhoon

圖4 臺風期間潮位驗證Fig.4 Water level calibration during typhoon

3 結(jié)果分析

3.1 增水極值變化

風暴增水一般可以分為初振、主振和余振3個階段。當風暴潮波到達近岸時,由于水深變淺,再加上強風的直接作用和地形緩坡作用等因素的影響,能量迅速集中,水位急劇升高,即為風暴潮的主振階段。形成這個增水過程的機理較為復雜,主要取決于氣壓、風速、風向及地形條件。計算中采用控制變量法,將海平面變化作為唯一變量,因此產(chǎn)生這種差異的一個原因為水深地形變化導致風暴增水淺水作用減弱。

圖5為海平面上升1.37 m后,兩個典型臺風作用下的增水極值變化?？梢?對于“梅花”臺風而言,海平面上升后,整個江蘇外海的增水極值都呈減小趨勢,且近岸大于外海,尤其在東沙周圍及洋口港至呂四近岸,增水極值減小了約20～30 cm;局部高灘出現(xiàn)增大是由于海平面上升后,這些地方由露灘變成上水區(qū)域。對于“麥莎”臺風,這種趨勢相對較弱,除了路徑因素以外,與這兩個臺風本身強度也有關(guān)系,“麥莎”臺風登陸后,地表摩擦增大,風力有所減弱。近岸的增水極值同樣以減小為主,弶港至長江口沿岸尤為明顯?？梢?對于兩個典型臺風風暴潮增水效應,海平面上升后主要受水深增大的影響,使得風暴潮傳播至近岸時的淺水作用減弱,增水極值普遍有所減小,這在近岸淺灘尤為明顯。

圖5 海平面上升后“梅花”(左)和“麥莎”(右)臺風增水極值變化Fig.5 Maximum water level set-up after sea level rise under the typhoon effect of“Muifa”(left)and“Matsa”(right)

3.2 高潮位變化

風暴增水極值往往發(fā)生在低潮位過程[16],而在實際工程設計中,風暴潮引起的極端高潮位是工程設計水位重要計算依據(jù),因此探索海平面上升以后的高潮位變化對于近岸港口、航道工程實際具有更為直接的意義。計算結(jié)果顯示:海平面上升后,剔除其本身上升量后的高潮位絕對增量呈現(xiàn)南增北減,即對于輻射沙脊中、南部而言,高潮位的增量要大于海平面本身上升量(圖6)。

圖6 海平面上升后“梅花”(左)和“麥莎”(右)臺風高潮位絕對變化Fig.6 High level variation after sea level rise under the typhoon effect of“Muifa”(left)and“Matsa”(right)

海平面上升后,之所以會出現(xiàn)增水作用減弱,而高潮位增量卻大于海平面本身上升量的現(xiàn)象,是由于地形和岸線的改變使得天文潮各分潮振幅和遲角也發(fā)生了變化,雖然諸多學者[3-5,14,17-18]在具體量值上不盡相同,但在趨勢上仍然是一致的,認為海平面上升后輻射沙脊海域主要分潮振幅均有所增大,在中、南部尤為明顯,這也就意味著天文潮高潮位的增量要大于海平面本身上升量。雖然海平面上升后,風暴潮增水作用有所減弱,但當它非線性疊加在增強的天文潮之上后,最終的表現(xiàn)結(jié)果取決于兩者強弱。從圖中可見,對于輻射沙脊中、南部而言,海平面上升對天文潮的增強作用要大于對風暴潮的減弱作用。因此,在該海域一些重大港口、航道等涉海項目的工程設計水位計算中,考慮海平面變化時,不應簡單地將兩者線性相加,尤其在中、南部,應適當提高標準。

4 結(jié) 語

本文利用WRF和Delft 3D軟件建立了東中國海和南黃海二維天文潮-風暴潮耦合數(shù)學模型,計算了海平面上升后,相同路徑和強度的典型臺風經(jīng)過時,輻射沙脊海域風暴增水變化。認為海平面上升后,潮波和地形發(fā)生變化,輻射沙脊海域風暴潮增水與海平面上升的非線性關(guān)系明顯,但在不同岸段有所差異。主要得到以下兩點結(jié)論:①海平面上升后,輻射沙脊海域增水作用普遍減弱,近岸較外海明顯;②在輻射沙脊中、南部,海平面上升對天文潮高潮位的增強作用要強于對風暴增水的減弱作用,在計算該海域考慮海平面變化的工程設計水位時應予以注意。

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A study of storm surge in radial sand ridges under sea level rising

YU Liang-liang1,CHEN Ke-feng2,LU Pei-dong2,ZHANG Jun-biao1
(1.The Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

Sea level rise would result in a serious threat to the coastal environment,and an important factor is the intensifying and increasing frequency of the storm surge.The relationship between storm surge and sea level rise is not linear according to related studies.The variations of tidal waves and water depth are found to be the two main causes.Radial sand ridges off the north Jiangsu are a particularly interesting area for studying this nonlinear interaction,as there exist a complex large geomorphic system and an astronomic tidal system.The paper summarizes the tide and storm surge characteristics in radial sand ridges,as well as the trend of sea level change. Then a two-dimensional coupled model of astronomic tide and storm surge is established for the East China Sea and the South Yellow Sea,by use of WRF model and Delft 3D storm surge model.The distributions of the maximum water level set-up and the high level change when sea level rises are analyzed,under the effects of two typical typhoons which have the same path and intensity.The analysis results show that the water level set-up decreases universally in the radial sand ridges when the sea level rises,and it is more significant at near shore than the open sea.While in the middle and south radial sand ridges,the enhancement of the astronomical high tide level caused by the sea level rising is stronger than the attenuation of sea level rising by the storm surge.

radial sand ridges;sea level rising;storm surge;numerical simulation

P732

A

1009-640X(2014)06-0052-06

2014-05-14

國家自然科學基金資助項目(41006048);南京水利科學研究院院基金資助項目(Y211004)作者簡介:俞亮亮(1988-),男,浙江紹興人,助理工程師,主要從事海岸工程數(shù)值模擬研究。E-mail:yuliangliang_nju@126.com