周天逸，譚 亞*，謝當(dāng)漢

(1.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0　引言

江蘇沿海位于我國(guó)東部沿海的中段，地處中緯度地區(qū)，由于特殊的地理位置，同時(shí)遭受到臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮和溫帶風(fēng)暴潮過程的影響[1, 2]。雖然寒潮的風(fēng)力量級(jí)可能無法達(dá)到臺(tái)風(fēng)的量級(jí)，但由于寒潮發(fā)生時(shí)，常伴有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性大風(fēng)作用，海域的水體受大風(fēng)影響不斷沿單方向堆積，潮位不斷抬升，對(duì)沿海的經(jīng)濟(jì)作業(yè)、生產(chǎn)生活等造成影響[3]。寒潮是大氣環(huán)流調(diào)整時(shí)發(fā)生多層氣流演變的天氣過程，當(dāng)北方強(qiáng)冷空氣流與南方北抬的暖濕氣流相遇，隨著強(qiáng)冷氣流積蓄了充分的抗衡暖濕氣流的能量時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模冷空氣向南侵襲的過程，形成寒潮風(fēng)暴[4]。江蘇沿海位于北半球中緯度附近，是冷暖氣流頻繁交匯的地區(qū)，寒潮目前已是冬半年影響江蘇的主要災(zāi)害性天氣之一[1]。

江蘇省擁有65.3萬km2灘涂濕地面積，居全國(guó)最高[5]。無論是養(yǎng)殖業(yè)還是現(xiàn)在已經(jīng)得到突破的鹽水種植業(yè)，灘涂農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的開發(fā)可以為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)[6]，因此對(duì)于江蘇沿海寒潮的研究具有重大意義。前人對(duì)于渤海灣的寒潮風(fēng)暴潮研究較多，李鑫[7]、趙鵬[8]、章衛(wèi)勝[9]、張金善[10]等都對(duì)渤海灣寒潮的增水?dāng)?shù)值模擬、潮流場(chǎng)分布和風(fēng)險(xiǎn)分析等進(jìn)行過研究。針對(duì)江蘇沿海，周建春等基于SWAN模型模擬了江蘇沿海寒潮風(fēng)浪場(chǎng)的時(shí)空分布，進(jìn)行的特征分析表明，有效波高分布與風(fēng)場(chǎng)分布基本一致，寒潮風(fēng)浪在江蘇沿海北部影響較為顯著，輻射沙洲附近由于其特殊地形影響相對(duì)較小[11]。付元沖等建立了長(zhǎng)江口及鄰近區(qū)域的溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型，對(duì)其增水的特征和機(jī)制進(jìn)行了討論[12]。

目前對(duì)于江蘇省沿海寒潮風(fēng)暴潮位的數(shù)值模擬和空間分布規(guī)律的研究尚存在空白，因此本文建立了江蘇沿海天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，利用其模擬了最不利寒潮情況發(fā)生時(shí)的潮位過程，并分析了此時(shí)江蘇海域的潮位變化情況和分布規(guī)律。

1　典型寒潮過程

參考《海洋災(zāi)害公報(bào)》中寒潮的信息以及南通沿海3個(gè)潮位觀測(cè)站(大洋港閘、遙望港閘和小洋口閘)1979年以來受寒潮的影響情況，結(jié)合再分析風(fēng)場(chǎng)資料，進(jìn)一步精確時(shí)間范圍，得到了9次影響江蘇的典型寒潮過程，具體寒潮及發(fā)生時(shí)間見表1。由于寒潮對(duì)潮位的影響主要表現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間的大風(fēng)一直作用于水體，水體不斷堆積，潮位逐漸高于正常潮位。本次篩選寒潮的依據(jù)是根據(jù)《寒潮等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21987─2008)[13]對(duì)一次寒潮的規(guī)定：對(duì)局地而言，冷空氣影響后，日最低氣溫下降幅度24 h≥8 ℃，或48 h≥10 ℃，或72 h≥12 ℃，且最低氣溫≤4 ℃以及寒潮發(fā)生過程中平均風(fēng)速不小于10 m/s。

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，江蘇海域寒潮發(fā)生時(shí)間主要集中在秋末、冬季和初春3個(gè)季節(jié)，風(fēng)向一般是北向風(fēng)偏多，與沿海岸線呈小角度入射狀態(tài)，體現(xiàn)為西北偏北以及東北偏北。綜合大風(fēng)持續(xù)時(shí)間、日均溫差值以及最大風(fēng)速考慮，序號(hào)1、2、6和9這4場(chǎng)寒潮強(qiáng)度相對(duì)較大。綜合風(fēng)速和大風(fēng)持續(xù)時(shí)間來看，序號(hào)6和9這兩場(chǎng)寒潮過程以及風(fēng)向比較具有代表性。本文選取序號(hào)9的寒潮(141008號(hào)寒潮)作為研究對(duì)象。

表1　江蘇海域典型寒潮出現(xiàn)相關(guān)時(shí)間及風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

2　模型建立與驗(yàn)證

為建立江蘇近海二維天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型，選擇丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE21的Flow Model模塊。MIKE21被廣泛應(yīng)用于風(fēng)、浪、流等引起的水動(dòng)力現(xiàn)象的研究，其水動(dòng)力模塊涵蓋河、湖、海及近岸區(qū)域，還可考慮風(fēng)、浪、流的影響[14]。

2.1　模型范圍與網(wǎng)格劃分

江蘇近海天文潮-風(fēng)暴潮耦合模型范圍如圖1所示，從長(zhǎng)江口至成山頭，自南31 °N至北37 °N，東起124 °E，西至海岸邊界。如圖2所示，模型采用無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散，近岸最小網(wǎng)格為300 m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括74905個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)、146533個(gè)網(wǎng)格單元。時(shí)間步長(zhǎng)取30 s。本模型的水下地形資料基準(zhǔn)面為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.2　邊界條件

模型的開邊界包括南、東、北3個(gè)水域邊界，沿逆時(shí)針方向布置有135個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)邊界網(wǎng)格點(diǎn)均由逐時(shí)的潮位過程作為邊界條件。

2.3　風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)條件

模型所用的風(fēng)場(chǎng)是基于歐洲ECMWF再分析風(fēng)場(chǎng)的資料[15]，時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°×0.125°，根據(jù)再分析風(fēng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)在計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行插值。為檢驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性，本文選取141008號(hào)寒潮發(fā)生時(shí)，將模型風(fēng)場(chǎng)與蠣岈山測(cè)站實(shí)測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓進(jìn)行比對(duì)，由圖3～圖5可知，結(jié)果吻合較好。

2.4　模型驗(yàn)證

141008號(hào)寒潮于2014年10月6日在歐亞中高緯度地區(qū)生成，在新西伯利亞區(qū)域形成了較強(qiáng)冷渦，隨著冷空氣的不斷堆積，冷渦東移，受鄂霍次克海高脊阻擋，冷空氣堆積加強(qiáng)，8日轉(zhuǎn)化成較強(qiáng)鋒區(qū)，此時(shí)蒙古冷高壓強(qiáng)盛。11日受副熱帶高壓北上的影響，鄂霍次克海高脊消失，冷空氣東移南下，蒙古冷高壓隨之東移南下，寒潮爆發(fā)。爆發(fā)的冷空氣在南移過程中帶來了大面積降溫降水[16]。受本次寒潮影響，江蘇海域在10～13日出現(xiàn)大面積降溫降水，且寒潮過程中的持續(xù)性NNW大風(fēng)使沿海水體不斷堆積，沿海潮位有明顯升高。

圖1　模型計(jì)算范圍

圖2　模型計(jì)算網(wǎng)格

圖3　再分析風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖4　再分析風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖5　再分析氣壓與實(shí)測(cè)氣壓對(duì)比

選取寒潮影響江蘇海域的時(shí)間(2014年10月11日12：00到2014年10月14日00:00)作為計(jì)算起止時(shí)間，圖6為141008號(hào)寒潮作用時(shí)4個(gè)觀測(cè)站(蠣岈山、大豐、連云港、響水)的潮位模擬驗(yàn)證結(jié)果。由圖可知，4個(gè)測(cè)站的實(shí)測(cè)最高潮位與模擬最高潮位分別相差0.17、0.24、0.22、0.16 m，其中相位偏差不超過0.5 h，說明模型計(jì)算結(jié)果較為合理。

3　寒潮風(fēng)暴潮潮位的分布規(guī)律

為了設(shè)計(jì)寒潮風(fēng)暴潮和天文潮的最不利組合，估算寒潮作用下最大可能出現(xiàn)的異常高潮位，確定異常高潮位的空間分布規(guī)律。本次研究選取2002年最高天文潮位(2002年10月8日0:40)，與141008號(hào)寒潮組成最不利組合。

通過上文建立的數(shù)值模型，模擬最不利組合下的風(fēng)暴潮位，由圖7可以看出在141008號(hào)寒潮大風(fēng)作用下，蠣岈山站的最高潮位達(dá)4.38 m，其中寒潮引起的增水最大達(dá)1.66 m，超過1.0 m以上的增水達(dá)11 h。

圖6　4個(gè)測(cè)站寒潮過程潮位模擬驗(yàn)證結(jié)果

圖7　最不利組合下蠣岈山潮位過程線對(duì)比

當(dāng)蠣岈山達(dá)到最高潮位時(shí)，江蘇沿海的潮位分布如圖8所示，由寒潮風(fēng)暴引起的增水分布如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在寒潮大風(fēng)影響下，分別以弶港和蠣岈山為中心，呈扇形散開的近海區(qū)域有明顯的增水，離岸線較遠(yuǎn)處的海域增水接近1.0 m，離弶港較近的海域增水可達(dá)1.5 m甚至更高。

以蠣岈山站達(dá)到最高潮位的時(shí)刻為參考，圖10為大風(fēng)引起的江蘇近海海域在蠣岈山站達(dá)到最高潮位前6 h的寒潮增水變化情況?？v觀這6個(gè)時(shí)刻的增水變化可以發(fā)現(xiàn)，在NNW大風(fēng)的持續(xù)性作用下，前6 h已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的增水，且增水的主要區(qū)域以輻射沙脊群區(qū)域?yàn)橹?，平均增水可達(dá)0.5 m；在這片海域里，尤其以弶港為中心的扇形近海區(qū)域和以蠣岈山為中心的另一扇形近海區(qū)域，由寒潮引起的風(fēng)暴增水明顯高于其他鄰近海域。在本次寒潮的作用下，這兩個(gè)區(qū)域的寒潮增水在1.5 ～ 2.0 m，屬于寒潮引起的風(fēng)暴潮增水敏感區(qū)域。

圖8　江蘇近海寒潮引起的潮位分布

4　結(jié)論與展望

本章基于MIKE21的Flow Model模塊和ECMWF再分析風(fēng)場(chǎng)，建立了江蘇沿海天文潮-風(fēng)暴潮耦合數(shù)值模型，驗(yàn)算了141008號(hào)寒潮發(fā)生時(shí)潮位的變化情況，驗(yàn)算結(jié)果顯示江蘇近海風(fēng)暴潮-天文潮耦合數(shù)學(xué)模型可以合理模擬本海域寒潮發(fā)生時(shí)潮位變化情況。

利用該模型模擬了影響江蘇的141008號(hào)寒潮在天文大潮發(fā)生時(shí)江蘇沿海的潮位分布和寒潮風(fēng)暴增水分布情況，結(jié)果表明蠣岈山站在141008號(hào)寒潮的影響下，海域增水超過50 cm的時(shí)間接近7 h，最大增水約100 cm。并給出了蠣岈山站在寒潮大風(fēng)作用下達(dá)到最高潮位前6個(gè)時(shí)刻的江蘇近海風(fēng)暴增水變化情況。根據(jù)模型模擬的潮位和沿海的寒潮風(fēng)暴增水變化可知，在NNW寒潮大風(fēng)影響下，分別以弶港和蠣岈山為中心，呈扇形散開的近海區(qū)域的增水明顯高于其他鄰近海域，增水可達(dá)1.5 m甚至更高。

圖9　江蘇近海寒潮引起的增水分布

圖10　江蘇近海寒潮引起的逐時(shí)增水分布

寒潮由于風(fēng)向、風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間的不同，都會(huì)對(duì)增水造成不同的影響。下一階段可以考慮從不同的風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間入手構(gòu)建不同的最不利組合，研究其對(duì)海域潮位的影響。

參考文獻(xiàn):

[1] 張鵬,韋瑩瑩,曹乃和,等.江蘇寒潮過程的天氣特征及預(yù)報(bào)指標(biāo)[C]//第28屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì):S3天氣預(yù)報(bào)災(zāi)害天氣研究與預(yù)報(bào).廈門:2011:1438-1448.

[2] 侯淑梅,孫忠欣,盛春巖.溫帶氣旋誘發(fā)的渤海風(fēng)暴潮天氣分析[J].氣象科學(xué),2009,29(2):2220-2224.

[3] 曹海峰.寒潮型風(fēng)暴潮和寒潮巨浪的影響不容忽視[J].海洋預(yù)報(bào),1998(2):43-46.

[4] 于誠(chéng),王志明.寒潮風(fēng)暴引發(fā)沿海特大高潮位的規(guī)律初探[J].水文,2000(S1):51-54.

[5] 丁金海,吳春,洪立洲,等.加快農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新促進(jìn)沿海灘涂可持續(xù)發(fā)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2005(2):14-16.

[6] 肖宏儒,張才桐.利用機(jī)械化發(fā)展灘涂農(nóng)業(yè)[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),1996(7):1-3.

[7] 李鑫,章衛(wèi)勝,張金善,等.一次典型寒潮風(fēng)暴潮過程的數(shù)值模擬研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2010,28(1):8-16.

[8] 趙鵬.渤海寒潮風(fēng)暴潮增水風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)值研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2010:80-89.

[9] 章衛(wèi)勝,張金善,趙紅軍,等.黃驊港外航道寒潮風(fēng)暴潮及大浪作用下泥沙驟淤數(shù)值模擬[J].中國(guó)港灣建設(shè),2010(S1):32-37.

[10] 張金善,李鑫,章衛(wèi)勝.寒潮風(fēng)暴潮對(duì)渤海灣航行條件影響的初步研究[C]//國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)2008年會(huì)暨國(guó)際航運(yùn)技術(shù)研討會(huì).2008.

[11] 周春建,徐福敏.寒潮影響下江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].海洋工程,2017,35(2):123-130.

[12] 付元沖,丁平興,葛建忠,等.長(zhǎng)江河口沿海區(qū)域溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模式的建立與應(yīng)用[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017(2):116-125.

[13] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).寒潮等級(jí)(GB/T 21987─2008)[S].北京,2008.

[14] 徐凡.南黃海輻射沙脊群西洋水道潮流、泥沙數(shù)值模擬[D].南京:河海大學(xué),2013.

[15] Marshall G J. An examination of the precipitation regime at Thurston Island, Antarctica, from ECMWF re-analysis data[J]. International Journal of Climatology, 2015, 20(3): 255-277.

[16] 姜鳳友,常煜,鄭洪玉.2014年10月11～13日呼倫貝爾市寒潮天氣過程分析[J].內(nèi)蒙古氣象,2015(4):3-5.