丁玉梅,丁 磊
(1. 天津科技大學(xué)理學(xué)院,天津 300457;2. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院,天津 300457)
我國是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一,海洋災(zāi)害給沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)帶來巨大威脅,其中風(fēng)暴潮災(zāi)害是各種海洋災(zāi)害之首.我國海岸線漫長,南北縱跨溫帶和熱帶.在夏秋季節(jié),東南沿海由于頻繁遭受臺風(fēng)的襲擊,容易發(fā)生臺風(fēng)風(fēng)暴潮,對黃渤海也會造成影響.8509號臺風(fēng)、9216號臺風(fēng)、9711號臺風(fēng)和 0509號臺風(fēng),都引發(fā)了渤海風(fēng)暴潮,并對渤海沿岸經(jīng)濟(jì)造成一定的損失.在春秋過渡季節(jié),渤海和黃海北部是冷暖空氣交匯的地方,冬季容易受冷空氣和寒潮大風(fēng)的襲擊,有利于溫帶風(fēng)暴潮的發(fā)展[1-3].近年來我國風(fēng)暴潮的發(fā)生頻率和強(qiáng)度都有所增加,每年由于風(fēng)暴潮災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億元[4-5].
為減少風(fēng)暴潮災(zāi)害可能造成的損失,國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)暴潮過程進(jìn)行了大量研究.Zheng等[6]應(yīng)用FVCOM模型模擬了墨西哥灣颶風(fēng) Ike風(fēng)暴潮,指出風(fēng)暴潮主要是由于海面颶風(fēng)和低氣壓引起,也受大陸架的幾何形狀和水深的影響.傅賜福等[7]利用改進(jìn)的風(fēng)場數(shù)據(jù)合成實(shí)驗(yàn),采用一套基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的高分辨率風(fēng)暴潮模式(ADCIRC)和溫帶風(fēng)暴潮模式(CES)分別對幾次典型溫帶風(fēng)暴潮過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果在增水趨勢、峰值和峰值時間上與實(shí)測結(jié)果基本一致.Feng等[8]模擬了各種典型臺風(fēng)過程,利用ADCIRC模型,研究了不同臺風(fēng)路徑對天津港風(fēng)暴潮的影響.
在渤海風(fēng)暴潮研究中,對于溫帶和寒潮風(fēng)暴潮研究較多,多數(shù)關(guān)注站位增水的研究,很少考慮增水分布和流場的分布.目前多數(shù)風(fēng)暴潮模擬過程局限于二維空間,研究風(fēng)暴潮增水的變化,模擬岸線基于矩形網(wǎng)格或者正交網(wǎng)格,對岸線的擬合存在較大的誤差,對臺風(fēng)風(fēng)暴潮增水分布和流場變化研究不多,針對岸線變化對風(fēng)暴潮影響的研究也較少.本文基于FVCOM 近岸海洋模型,建立了渤海風(fēng)暴潮三維數(shù)值模型.模型使用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格,能夠更好地實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜岸線的擬合.采用大小網(wǎng)格嵌套模型,克服了由于計算區(qū)域的擴(kuò)大帶來的對空間步長的限制,對目標(biāo)海域進(jìn)行局部加密,提高了模型的分辨率.利用該模型,研究了渤海臺風(fēng)風(fēng)暴潮增水和流場的變化特征,以及岸線變化對風(fēng)暴潮的響應(yīng).
FVCOM 模型是基于三角網(wǎng)格和有限體積法的三維近海海洋模式,目前廣泛用于河口和復(fù)雜岸線的模擬.模型所使用的有限體積法能夠從通量的角度考慮水體的運(yùn)動,保證水體動量、質(zhì)量和能量的守恒.模型的控制方程組參見文獻(xiàn)[9].文中大區(qū)模型的計算區(qū)域包括黃渤海,開邊界設(shè)在長江口北岸到韓國濟(jì)州島連線.小區(qū)模型的計算區(qū)域?yàn)檎麄€渤海海域,開邊界設(shè)在渤海海峽的東部.研究區(qū)域的地形、水深及Winnie臺風(fēng)路徑如圖1所示.
模型中水深數(shù)據(jù)采用 Choi等[10](Laboratory for Coastal and Ocean Dynamics Studies Sungkyunkwan University)提供的 1′×1′的東中國海的水深數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格點(diǎn)上.渤海灣地區(qū)的岸線數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星反演獲得2000年高分辨率岸線[11],分辨率為0.001°.
采用 2000年的渤海岸線,對渤海潮汐和風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬.大區(qū)模型在渤海近岸的分辨率為1,000,m,逐漸向外增加到開邊界30,000,m.網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是 14,633個,三角形單元個數(shù)是 28,236個,開邊界節(jié)點(diǎn)個數(shù)是 18個.對小區(qū)模型進(jìn)行了精細(xì)網(wǎng)格劃分,在渤海灣沿岸附近分辨率為 300,m,隨著離岸距離的增加,分辨率依次變化為 1,000,m、2,000,m、4,000,m 和 8,000,m,到渤海海峽開邊界區(qū)域,達(dá)到10,000,m.網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為 66,040個,三角形單元個數(shù)為129,710個,開邊界節(jié)點(diǎn)個數(shù)為27個.單元模型采用正壓模型,溫度和鹽度分別為 10,℃和 30.外模時間步長為 3,s,內(nèi)外模時間步長之比為 10∶1.采用OTPS(the Oregon State University Tidal Prediction Software)潮預(yù)報模式預(yù)報的實(shí)時水位進(jìn)行驅(qū)動,選取 8 個主要分潮 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1合成大區(qū)模型開邊界潮位,大區(qū)模型的計算結(jié)果為小區(qū)模型提供開邊界水位條件.大小區(qū)模型使用的風(fēng)場均為中尺度氣象預(yù)報模型(WRF)模擬的風(fēng)場數(shù)據(jù),時間分辨率是每3,h一次,空間分辨率是0.1°×0.1°.
圖1 研究區(qū)域的地形及水深和Winnie臺風(fēng)路徑Fig. 1 The terrain and water depth of the studied region and the tracks of Typhoon Winnie(Blue line)
首先對渤海潮汐過程進(jìn)行模擬,利用 T-tide軟件,對渤海各個主要分潮進(jìn)行了調(diào)和分析,與海圖和驗(yàn)潮站潮汐實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,對模型進(jìn)行校正,使模型能夠較好反映渤海潮汐過程.調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)與海圖對比基本一致,與實(shí)測數(shù)據(jù)也基本一致.圖2分別為模擬的渤海海域M2、K1分潮的等振幅和等遲角圖.潮汐模擬及誤差分析參見文獻(xiàn)[12-13].
建立了渤海風(fēng)暴潮模型,對 1997年 8月渤海Winnie臺風(fēng)風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬,對天津港的風(fēng)暴潮增水模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)時間序列進(jìn)行對比分析(圖3).在風(fēng)暴潮增水前期,模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)增水趨勢基本一致;在風(fēng)暴潮中期,模擬天津港最大增水是2.04,m,實(shí)測最大增水 1.99,m,相對誤差為 0.025;在增水的后期,誤差較大,相關(guān)系數(shù)為 0.78.其原因可能是風(fēng)場模擬或者底摩擦系數(shù)的影響.模擬結(jié)果表明,建立的渤海風(fēng)暴潮模型對風(fēng)暴潮增水極值及趨勢的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致,可以用來研究渤海海域的風(fēng)暴潮過程.
圖2 模擬的渤海海域 M2和 K1分潮的等振幅和等遲角圖Fig. 2 Simulated co-amplitude(in meters)and cophase (in degrees)maps of M2 and K1 tidal elevations in Bohai Sea
圖3 天津港1997年8月Winnie臺風(fēng)風(fēng)暴潮增水模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對比Fig. 3 Simulated and observed storm surge heights at Tianjin Port in August 1997
東北方向大風(fēng)容易引發(fā)渤海風(fēng)暴潮.渤海風(fēng)暴潮影響最大的區(qū)域?yàn)椴澈常浯问侨R州灣(圖4).風(fēng)暴潮初期,由于受 Winnie臺風(fēng)的影響,黃海中部和北部的水體經(jīng)渤海海峽進(jìn)入渤海中西部.初始階段,在東北風(fēng)的作用下,1997年8月19日23時,萊州灣出現(xiàn)少量增水.在激振階段,萊州灣增水逐漸增大,隨后,渤海灣出現(xiàn)明顯增水,并逐漸增強(qiáng).增水幅度達(dá)到高峰,維持在 2.0~2.5,m,持續(xù)時間約6,h.余振階段,渤海灣和萊州灣的增水幅度下降,受風(fēng)向的影響,萊州灣增水持續(xù)時間較長,遼東灣呈現(xiàn)顯著減水趨勢.此次臺風(fēng)風(fēng)暴潮,渤海灣和萊州灣呈現(xiàn)較大增水,增水較大的是天津港、黃驊港和羊角溝港海域,遼東灣減水明顯(圖4).
圖4 渤海3個典型時刻的風(fēng)暴潮增水和風(fēng)場圖Fig. 4 Simulated surge level and wind field at three typical times in Bohai Sea
1997年 8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風(fēng)暴潮增水分布如圖5所示.
圖5 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域最大風(fēng)暴潮增水分布Fig. 5 Simulated maximum storm surge level in August 1997 at Caofeidian Port,Tianjin Port and Huanghua Port
曹妃甸港海域位于渤海灣灣口北側(cè),風(fēng)暴潮期間,自東北向西南方向,最大增水逐漸增加,從 1.1,m到 1.4,m.但是,考慮到曹妃甸港海域整體水位不高,因此,危害程度不大.天津港海域位于渤海灣的最西端,受風(fēng)時、風(fēng)區(qū)的影響,港區(qū)自西向東風(fēng)暴潮增水逐漸增加,近岸海域最大增水達(dá)到 2.1,m.在海域北部和西南部局部最大增水達(dá)到 2.2,m.由于天津港海域的最高水位平均在 5.0,m,達(dá)到或者超過警戒水位(警戒水位 4.8,m),因此,風(fēng)暴潮災(zāi)害的危害程度較大.黃驊港海域位于古黃河沖積區(qū),與上述兩個海域不同,該港口附近海域水淺坡緩.風(fēng)暴潮期間,在港區(qū)的西北部和東南部,風(fēng)暴潮最大增水逐漸增加,北部近岸達(dá)到 2.3,m 左右.考慮到黃驊港水位較高,平均水位達(dá)到 5.0,m,超過了警戒水位,因此,風(fēng)暴潮災(zāi)害的危害程度較大.
利用模擬結(jié)果,將潮汐和風(fēng)生流總流場減去僅有潮流驅(qū)動的流場,研究了 Winnie臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程中風(fēng)暴潮流場的分布.其中,流場分布選取的是風(fēng)暴潮期間漲潮時的瞬時流場,流速選取的是風(fēng)暴潮期間72,h的平均流速(圖6、圖7).
圖6 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風(fēng)暴潮期間增水時的風(fēng)暴潮流場分布(總流場減去潮流)Fig. 6 Simulated stormy current field caused by typhoon in August 1997 at Caofeidian Port,Tianjin Port and Huanghua Port
大風(fēng)作用使海區(qū)潮流動力失衡,流場變化較大,同時增加了水流沿堤、沿岸流動的趨勢[14-16].臺風(fēng)對風(fēng)暴潮流場的影響主要集中在海堤前沿附近,流場受風(fēng)場、地形及岸線的影響很大,在海堤附近,流速較大,流場分布和平均流速的變化一致(圖 6和圖7).風(fēng)暴潮平均流速沿著等深線呈帶狀分布,與岸線和等深線基本平行,影響范圍主要集中在近岸附近.在靠近岸線的附近,流速減少;在距離岸線一定距離的小范圍內(nèi),特別是在圍堤附近,流速增大;隨著離岸距離的增大,流速逐漸減弱,灣內(nèi)開闊的海域,流速的變化比較平緩[17-19].渤海灣水動力條件的變化將會導(dǎo)致近岸海域產(chǎn)生相應(yīng)的沖淤變化,導(dǎo)致工程海域附近的泥沙、污染物的運(yùn)移規(guī)律發(fā)生變化.
圖7 1997年8月曹妃甸港、天津港和黃驊港海域風(fēng)暴潮期間風(fēng)暴潮平均流速分布Fig. 7 Simulated mean stormy velocity(color shading,in meters per second)of typhoon in August 1997 at Caofeidian Port,Tianjin Port and Huanghua Port
在曹妃甸港海域,大風(fēng)對近岸影響較大,水體基本呈自東向西流動.在近岸南部,近岸流速呈增加趨勢,平均流速在 0.1~0.2,m/s.在北部近岸由于建筑物的阻水效應(yīng),風(fēng)暴潮潮流明顯減弱.
在天津港海域,水流呈現(xiàn)出沿建筑物邊緣流動的特點(diǎn).由于黃海水體的作用以及港口建筑物的阻水效應(yīng),對港口附近的流場要強(qiáng)于近岸流場.港口附近流場平均流速在0.1~0.15,m/s.港口附近多為西向流和偏西南方向的沿岸流.近岸流速基本表現(xiàn)為減少趨勢.
黃驊港海域地形較為平坦,受渤海西支逆時針旋轉(zhuǎn)的潮波運(yùn)動控制,海域潮流為明顯的逆時針旋轉(zhuǎn)流,東北方向大風(fēng)作用下尤其突出.港堤兩側(cè)的潮流呈現(xiàn)沿堤流特性,流向幾乎垂直岸線,南北兩側(cè)近岸流速逐漸減少,在門口處形成橫流,在北側(cè)靠近門口處,流速較大,平均流速0.15~0.2,m/s.
近年來,渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),興起圍填海的熱潮.從 2000年到 2010年的 10年間,渤海灣圍填海面積多達(dá) 600,km2,岸線增加 331.6,km[11].海堤建設(shè)改變局地海岸岸線、地形,改變不同深度的海域面積和岸線長度,會影響到海域的水動力環(huán)境,并對風(fēng)暴潮過程造成一定的影響[20-21].利用該模型,研究了2000年和2010年岸線變化后,渤海灣風(fēng)暴潮增水的變化.圍填海工程后,水深較淺的天津港和黃驊港東北部和西南部的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險在增加,在水深較大的曹妃甸港海域,受岸線變化的影響,風(fēng)暴潮增水明顯.曹妃甸港和天津港海域,由原來的一般強(qiáng)度風(fēng)暴潮災(zāi)害,改變?yōu)檩^大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害.黃驊港海域,由原來的較大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害增加為大強(qiáng)度的風(fēng)暴潮災(zāi)害[22-23](表1).這需要在圍填海工程設(shè)計和堤防設(shè)計中引起重視.
表1 岸線變化前后對渤海灣臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害強(qiáng)度級別的影響Tab. 1 Effect of coastal engineering on the intensity of the storm surge disaster in Bohai Bay
基于 FVCOM 海洋動力學(xué)模型,建立了渤海三維風(fēng)暴潮模型.采用大小網(wǎng)格嵌套的方法,對渤海近岸區(qū)域進(jìn)行加細(xì)模擬,提高了模型的模擬分辨率和準(zhǔn)確性.對渤海 Winnie臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了渤海風(fēng)暴潮增水及流場的分布特征,并研究了海岸工程對渤海灣臺風(fēng)風(fēng)暴潮的影響.
東北向的大風(fēng)容易引發(fā)渤海風(fēng)暴潮增水.風(fēng)暴潮期間,渤海灣增水明顯,萊州灣次之,遼東灣出現(xiàn)顯著減水.在渤海灣,曹妃甸港、天津港和黃驊港等近岸海域風(fēng)暴潮增水較大,流場發(fā)生較大改變,沿岸流、沿堤流增強(qiáng).海岸工程的建設(shè)改變了岸線形態(tài),渤海灣海域近岸工程后風(fēng)暴潮最大增水在增加.特別是在風(fēng)暴潮的中期,海岸工程使渤海灣風(fēng)暴潮水位增加,曹妃甸港、天津港和黃驊港海域的風(fēng)暴潮災(zāi)害強(qiáng)度都有不同程度的增大.
岸線變化對渤海灣海域風(fēng)暴潮增水影響明顯,在海岸工程和堤防設(shè)計中,需要考慮風(fēng)暴潮增水對海堤防護(hù)的不利影響.本文僅局限于個例進(jìn)行了研究,模擬結(jié)果也有待于改進(jìn).今后將會深入研究風(fēng)暴潮增水的動力學(xué)機(jī)制以及岸線變化對渤海風(fēng)暴潮增水及流場變化的響應(yīng).
[1] 馮士筰 . 風(fēng)暴潮導(dǎo)論[M]. 北京:科學(xué)出版社,1982.
[2]馮士筰,張經(jīng),魏皓. 渤海環(huán)境動力學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京科學(xué)出版社,2007.
[3] 吳少華,王喜年,宋珊,等. 天津沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害概述及統(tǒng)計分析[J]. 海洋預(yù)報,2002,19(1):29-35.
[4] 董月娥,左書華. 1989年以來我國海洋災(zāi)害類型、危害及特征分析[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài),2009,25(6):32-37.
[5] 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.
[6] Zheng L,Weisberg R H,Huang Y,et al. Implication from the comparisons between two- and three-dimen sional model simulations of the Hurricane Ike storm surge[J]. Journal of Geophysical Research:Oceans 2013,118(7):3350-3369.
[7] 傅賜福,董劍希,吳少華,等. 渤海典型溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值模擬及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)[J]. 海洋預(yù)報,2011,28(5):1-8.
[8] Feng X,Yin B,Yang D. Effect of hurricane paths o storm surge response at Tianjin,China[J]. Estuarine Coastal and Shelf Science,2012,106:58-68.
[9] Chen C S,Liu H D,Beardsley R C. An unstructured,finite-volume,three-dimensional,primitive equation ocean model:Application to coastal ocean and estuaries[J]. Journal of Atmospheric and Ocean Technology,2003,20:159-186.
[10] Choi B H,Kim K O,Eum H M. Digital bathymetric and topographic data for neighboring seas of Korea[J]. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers,2002,14(1):41-50.
[11] 李秀梅,袁承志,李月洋. 渤海灣海岸帶遙感監(jiān)測及時空變化[J]. 國土資源遙感,2013,25(2):156-163.
[12] 陳波昌,魏皓. FVCOM模型在渤海灣潮流潮汐模擬中的應(yīng)用[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報,2013,28(4):40-43,69.
[13] Ding Y M,Wei H. Modeling the impact of land reclamation on storm surges in Bohai Sea,China[J]. Natural Hazards,2017,85(1):559-573.
[14] 陸永軍,左利欽,季榮耀,等. 渤海灣曹妃甸港區(qū)開發(fā)對水動力泥沙環(huán)境的影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展,2007,18(6):793-800.
[15] 劉仲軍,劉愛珍,于可忱. 圍填海工程對天津海域水動力環(huán)境影響的數(shù)值分析[J]. 水道港口,2012,33(4):310-314.
[16] 匡翠萍,劉鵬晨,顧杰,等. 黃驊港外航道整治工程對風(fēng)暴潮流下泥沙輸運(yùn)的影響[J]. 泥沙研究,2014(1):39-46.
[17] 陳春華,侍茂崇,孫士才,等. 瓊州海峽和??跒撑_風(fēng)引起的水交換研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué),1997,16(3):8-13.
[18] 馮興如,楊德周,尹寶樹. FVCOM 在龍口海域潮汐潮流模擬中的應(yīng)用研究[J]. 海洋科學(xué),2010,34(6):94-99.
[19] 聶源,羊天柱,許雪峰. 基巖海岸圍填海工程后的流場變化[J]. 海洋學(xué)研究,2009,27(4):45-54.
[20] 趙鵬. 渤海寒潮風(fēng)暴潮增水風(fēng)險的數(shù)值研究[D]. 青島:中國海洋大學(xué),2010.
[21] 趙鑫,孫群,魏皓. 圍填海工程對渤海灣風(fēng)浪場的影響[J]. 海洋科學(xué),2013,37(1):7-16.
[22] 許啟望,譚樹東. 風(fēng)暴潮災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評估方法研究[J]. 海洋通報,1998,17(1):1-12.
[23] 謝麗,張振克. 近 20年中國沿海風(fēng)暴潮強(qiáng)度、時空分布與災(zāi)害損失[J]. 海洋通報,2010,29(6):690-696.