汪求順 ，潘存鴻

(1. 浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020； 2. 浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310020)

每年登陸浙江沿海的臺風多[1]，但臺風對錢塘江涌潮的影響研究相對較少。很多學者研究了涌潮河口水動力的運動特征[2-3]。許寶華等[4]通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對長江口北支涌潮現(xiàn)狀進行了分析。Tu等[5]通過實測站點的高頻數(shù)據(jù)對錢塘江涌潮的湍流等特征開展了研究。Li等[6]通過海洋雷達觀測技術(shù)對錢塘江涌潮實時傳播特征進行了研究。金建峰等[7]對錢塘江上游九溪涌潮進行了重塑方案的工程研究。利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)可以很好地研究天文潮期間的涌潮運動特性，但很難區(qū)分臺風的風場等因素對涌潮的影響。臺風對涌潮影響可分為直接影響和間接影響[8]。直接影響是氣象因素直接影響涌潮，間接影響是氣象因素通過影響涌潮河段下游潮汐來實現(xiàn)。潘存鴻等[9]基于實測潮汐資料，研究了臺風期潮汐間接引起的錢塘江涌潮變化，臺風期間涌潮傳播速度增大，鹽官涌潮高度平均增大0.18 m，到達時間平均提早37 min。為分離臺風引起的潮汐變化和風場等對涌潮的影響，采用數(shù)學模型結(jié)合實測數(shù)據(jù)開展各影響因素的數(shù)值研究顯得尤為必要[10]。

2021年第六號“煙花”臺風于7月25日12:30登陸浙江舟山，此時恰逢天文大潮。為研究“煙花”臺風在天文潮期間對錢塘江涌潮的影響，利用“煙花”臺風登陸期錢塘江河口的實測風場、潮位和涌潮數(shù)據(jù)，通過建立風暴潮作用下的涌潮數(shù)學模型研究“煙花”臺風對錢塘江涌潮的影響。通過設(shè)定不同的計算方案，分析“煙花”臺風引起外海潮汐變化對涌潮的間接影響和臺風場對涌潮的直接影響。

1 數(shù)學模型的建立

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVCOM(Finite Volume Coastal and Ocean Model)[11]建立本研究中臺風暴潮作用下的錢塘江河口水動力數(shù)學模型。數(shù)學模型的控制方程為雷諾時均的三維σ坐標下淺水方程，其中垂向采用靜壓假定。實際臺風中心方向有一個較大的低氣壓中心，動量方程中以常值存在的氣壓項轉(zhuǎn)變?yōu)橛膳_風引起的變化氣壓項。對數(shù)學模型中的糙率系數(shù)進行改進，選取Mellor-Yamada 2.5湍流模式進行垂向紊動系數(shù)的計算[12-13]，計算方法詳見文獻[11]。

臺風風場和氣壓場的給定是臺風暴潮計算的一個重要部分。本研究選用Jelesnianski模型[14]進行風場和氣壓場的計算。該經(jīng)驗臺風場模型在其他風暴潮模型中得到了充分的運用和驗證。

式中：W為風速矢量；R為最大風速半徑；r為計算點到臺風中心的距離；V0x、V0y分別為臺風在x、y方向的移動速度；i,j分別為坐標軸上的單位矢量；xc、yc分別為臺風中心的坐標；θ為流入角（當r≤R時取10°；當r＞1.2R時取25°；其余在10°和25°間線性內(nèi)插）；P0為臺風中心氣壓；P∞為無窮遠處的大氣壓，本研究取1 010 hPa；β為臺風風速距離衰減系數(shù)，取0.5；WR為臺風最大風速，本研究中使用Atkinson-Hollidy提出的風壓關(guān)系式（4）計算最大風速。最大風速半徑R采用經(jīng)驗公式（5）確定，其中Rk為經(jīng)驗常數(shù)，取為30 km。

2 模型驗證

數(shù)學模型的計算范圍為富春江電站到錢塘江下游的澉浦斷面。圖1給出了模型計算范圍內(nèi)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分及相關(guān)站點名稱及位置。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格進行劃分，從澉浦斷面向上游河段逐漸加密，單元數(shù)為26 535個。為模擬鹽官河段一線潮和老鹽倉回頭潮的變化，對老鹽倉到鹽官河段進行網(wǎng)格加密，其平面最小分辨率為30 m。水深方向分為12個sigma層，模型下游的最小垂向分辨率為1 m，上游鹽官河段最小垂向分辨率為0.1 m。數(shù)學模型的外模時間步長為0.1 s，內(nèi)模為1.0 s。模型采用“煙花”臺風登陸前2021年4月份測量的1∶10 000比尺的地形數(shù)據(jù)。計算區(qū)域上游邊界給定2021年7月“煙花”臺風登陸前后的富春江電站實測下泄流量過程，模型下游開邊界給定澉浦實測臺風登陸期的逐時潮位，其中天文潮計算的開邊界采用澉浦實測潮位進行調(diào)和分析后預測的天文潮潮位。由經(jīng)驗臺風場模型計算得到每小時隨空間變化的“煙花”臺風的風場和氣壓場。數(shù)學模型采用50個CPU進行并行計算，模型計算的起止時刻為2021年7月20日00:00—7月27日12:00。

圖1 模型計算范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分和站點位置Fig. 1 Unstructured mesh and relevant stations in the model domain

圖2 給出了“煙花”臺風7月18—28日的路徑。2021年7月25日12:30臺風“煙花”在舟山市普陀區(qū)沿海登陸，登陸時臺風中心附近最大風速為38 m/s，7月26日9:50在浙江省嘉興平湖沿海再次登陸，最大風速為28 m/s。

根據(jù)國家以學生創(chuàng)業(yè)促進就業(yè)的要求，學校對大學生開展創(chuàng)業(yè)意識教育、創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)非常的必要。通過創(chuàng)業(yè)教育，可以轉(zhuǎn)變學生的就業(yè)觀念，拓寬大學生的就業(yè)領(lǐng)域，把創(chuàng)業(yè)作為未來職業(yè)的一種選擇。創(chuàng)業(yè)教育的實施，提高了學生的創(chuàng)業(yè)意識，分享和交流了創(chuàng)業(yè)經(jīng)驗，加強了學生創(chuàng)業(yè)實踐的鍛煉。

圖2 “煙花”臺風路徑位置Fig. 2 Track of Typhoon In-Fa

2.1 風場驗證

采用2021年“煙花”臺風期間7月22日12:00—7月28日00:00美女壩實測風速和風向進行風場驗證。圖3給出了美女壩站點實測和模型計算的風速和風向驗證，其中黑色實線為逐時的風速和風向計算結(jié)果，紅色圓點為實測10 min平均的風速和風向。可見，在“煙花”臺風登陸期間，該站點模型計算最大風速為16.3 m/s，相對實測最大風速的誤差為22%。計算風向和實測基本一致。

圖3 “煙花”臺風登陸期間美女壩站風速和風向驗證Fig. 3 Validation of wind speed and direction at Meinvba station during Typhoon In-Fa

2.2 潮位驗證

采用2021年“煙花”臺風期間7月22日12:00—27日00:00鹽官和倉前實測潮位進行模型潮位的驗證。圖4為鹽官和倉前兩個站點實測和模型計算逐時潮位的驗證。考慮計算風速和實測風速的差異，因此在數(shù)值模擬中，當計算風速大于11 m/s時，對數(shù)值模型中的風拖曳系數(shù)進行折減。從圖4中可以看出，在“煙花”臺風登陸時刻7月25日12:30，受臺風增水的影響，鹽官低潮位相對較高，為2.45 m，高潮位為6.04 m。數(shù)學模型計算得到的兩個站點的潮位和實測潮位基本一致。

圖4 “煙花”臺風期間鹽官和倉前站潮位驗證Fig. 4 Validation of tidal level at Yanguan and Cangqian stations during Typhoon In-Fa

2.3 涌潮過程驗證

圖5 給出了“煙花”臺風登陸舟山時（7月25日12:30）鹽官站涌潮水位每秒的變化過程。從圖5可見，模型計算的涌潮高度為1.35 m，實測的涌潮高度為1.23 m，涌潮數(shù)學模型較好地復演了“煙花”臺風登陸時鹽官站點涌潮水位變化。另外，模型計算的潮到時間和實測潮到時間差異很小，僅比實測潮到時間提早了58 s?？梢哉J為數(shù)學模型較好地復演了“煙花”臺風登陸時鹽官站的涌潮特征。

圖5 “煙花”臺風登陸時鹽官站的涌潮水位變化Fig. 5 Validation of the tidal bore height at Yanguan station during Typhoon In-Fa

3 計算方案

為分離“煙花”臺風對錢塘江涌潮的直接和間接影響，擬定下列3個計算方案對涌潮進行直接影響和間接影響的分析，其中方案2減去方案1為臺風的間接影響，方案3減去方案2為臺風的直接影響。

方案1：天文潮方案即無臺風影響方案，澉浦天文潮潮差為6.50 m，具體見表1。

方案2：“煙花”臺風方案，數(shù)值模型不加風場，下游開邊界為實測潮位，澉浦實測潮差為6.78 m，具體見表1。

表1 “煙花”臺風登陸時澉浦天文潮和實測潮位特征值Tab. 1 The characteristics of astronomical and measured tide at Ganpu during Typhoon In-Fa

方案3：“煙花”臺風方案，數(shù)值模型加風場，下游開邊界為實測潮位。

方案1下邊界條件基于澉浦1年實測潮位進行調(diào)和分析得到時間間隔1 h的天文潮潮位再加高、低潮位，數(shù)值模型計算中插值為5 min間隔的天文潮潮位。方案2和方案3的下邊界條件采用時間間隔為5 min的澉浦實測潮位?？紤]到“煙花”臺風期7月24—27日為農(nóng)歷六月十五至十八，對前一個天文大潮期6月24—27日即農(nóng)歷五月十五至十八進行天文潮預報驗證。圖6給出了未受臺風影響大潮期間即6月24—27日澉浦站的天文潮位和實測潮位的對比。從圖6中可以看出，在未受“煙花”臺風影響的天文大潮期間，天文潮潮位和實測潮位的變化過程一致，低潮位時間的差異為5 min。因此，應用“煙花”臺風期天文潮和實測潮位分別作為數(shù)值模型方案計算的下邊界條件。在“煙花”臺風登陸期間7月25日，澉浦實測高、低水位比天文潮分別高1.54和1.26 m，實測潮到時間比天文潮早45 min。

圖6 澉浦天文潮位和實測潮位的對比Fig. 6 Comparison of astronomical and measured tidal levels at Ganpu

4 結(jié)果分析和討論

4.1 “煙花”臺風對潮汐影響

表2 給出了在“煙花”臺風登陸時3個計算方案中鹽官高、低潮位和潮差及潮到時間的對比。從表2中可以看出，在方案1即天文大潮中，鹽官潮差僅為2.73 m。在方案2即外海實測潮位驅(qū)動下，鹽官的潮差相對天文潮增大了36%。在方案3即外海實測潮位和臺風場的共同驅(qū)動下，鹽官潮差相對方案1增大了31%，相對方案2減小了3.5%?！盁熁ā迸_風使得涌潮河段鹽官高、低潮位分別抬高了1.26和0.40 m，潮差增大了0.86 m。臺風登陸期下游潮波傳播到鹽官明顯增強。可見，“煙花”臺風通過抬高下游水位對鹽官潮汐的間接影響明顯，鹽官潮差明顯增大，但在臺風登陸時風場的驅(qū)動下，鹽官潮差減小了0.13 m。

表2 “煙花”臺風登陸時3方案下鹽官潮汐變化Tab. 2 Characteristics of tide at Yanguan station during Typhoon In-Fa under three model schemes

圖7 給出了臺風登陸前和登陸時的風場。從圖7中可以看出，在臺風登陸時，錢塘江上游鹽官區(qū)域風場已由登陸前的東北向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅毕?，逆風作用使得臺風對潮汐的直接影響變?yōu)槌辈顪p小，進而影響涌潮。該結(jié)論與先前的研究結(jié)果一致[9,15]。在“煙花”臺風的直接和間接影響的共同作用下，臺風登陸時鹽官潮到時間提前了3 727 s。

圖7 “煙花”臺風登陸前和登陸時鹽官河段風場分布Fig. 7 Distribution of wind field in the Yanguan reach before and during Typhoon In-Fa

4.2 “煙花”臺風對涌潮傳播速度影響

數(shù)值計算結(jié)果表明，在方案1下，澉浦—鹽官的涌潮傳播速度為3.25 m/s，鹽官—老鹽倉涌潮傳播速度為4.17 m/s。在方案2下，澉浦—鹽官的涌潮傳播速度為3.47 m/s，鹽官—老鹽倉的涌潮傳播速度為4.44 m/s。相比方案1，方案2的澉浦—鹽官的涌潮傳播速度增加了6.7%；鹽官—老鹽倉涌潮傳播速度增加了6.5%。在方案3下，澉浦—鹽官和鹽官—老鹽倉的涌潮傳播速度比方案1分別增大了7.1%和7.7%。“煙花”臺風使涌潮傳播速度增大。在下游水位抬高和“煙花”臺風場的共同作用下，鹽官—老鹽倉的涌潮傳播速度的增幅大于澉浦—鹽官的涌潮傳播速度。本研究得出的“煙花”臺風登陸期間澉浦—鹽官和鹽官—老鹽倉的涌潮傳播速度相對較小。這主要和該河段江道容積有關(guān)，江道容積減小，涌潮傳播速度減慢[16]。根據(jù)涌潮傳播速度計算公式[8]，涌潮傳播速度與潮前流速、水深及涌潮高度有關(guān)。錢塘江河勢變化復雜，江道沖淤直接影響涌潮高度和水深等進而影響涌潮傳播速度。根據(jù)該河段涌潮傳播速度與江道容積的擬合關(guān)系式[16]，當江道容積小即河床淤積時，涌潮傳播速度小。因此，本數(shù)學模型計算得出的鹽官—老鹽倉河段涌潮傳播速度相對較小。

4.3 “煙花”臺風對一線潮影響

圖8 給出了“煙花”臺風作用下一線潮到達鹽官站點的潮位分布?？梢?，一線潮到達鹽官站點，上游水位較低，為2.4 m；涌潮到達后水位猛增到3.8 m。圖9給出了“煙花”臺風登陸時在3個方案下鹽官北、中、南站點S1、S2、S3和老鹽倉東西側(cè)站點S4、S5一線潮的涌潮高度對比。在天文潮方案1下，5個站點涌潮高度為0.66～1.01 m。在方案2下，該5個站點S1～S5涌潮高度為1.15～1.35 m。在方案3下，S1～S5站點涌潮高度為1.09～1.28 m，涌潮高度比方案1增加了0.19～0.43 m。

圖8 “煙花”臺風登陸時（7月25日12:21）鹽官河段潮位場分布Fig. 8 Distribution of tidal level in Yanguan reach during Typhoon In-Fa

圖9 3個方案下涌潮高度對比Fig. 9 Comparison of tidal bore height during Typhoon In-Fa under three model schemes

在錢塘江下游潮位抬高和風場的共同影響下，“煙花”臺風登陸時鹽官河段站點的涌潮高度比天文潮作用下平均高0.30 m。在臺風的間接影響下，鹽官河段站點涌潮高度比天文潮作用下平均高0.34 m。根據(jù)鹽官潮差和涌潮高度的擬合關(guān)系式得出的涌潮高度和本次數(shù)值模擬得出的鹽官涌潮高度1.35 m基本相當。另外，數(shù)值模擬得出的“煙花”臺風登陸期間的涌潮高度相對較小。這主要與該河段江道淤積和登陸時臺風場的風向有關(guān)。根據(jù)前述，臺風登陸前，風場為東北向，這對涌潮具有一定的驅(qū)動作用，但臺風登陸后，風向轉(zhuǎn)為西北向。西北向的風場對向錢塘江上游傳播涌潮具有一定抑制作用[15]。因此，本數(shù)學模型計算得出的涌潮高度相對較小。

圖10 給出了鹽官中間江道S2站點在3個方案下臺風登陸時的每秒水位變化。從圖10中可以看出，在錢塘江下游水位抬高和“煙花”臺風場的共同作用下，涌潮高度明顯增大，鹽官潮到時間相對天文潮提前了62 min。

圖10 “煙花”臺風登陸時3個方案下鹽官站點S2的涌潮水位變化Fig. 10 Variation of instantaneous water level of tidal bores at Yanguan station S2 during Typhoon In-Fa under three model schemes

4.4 “煙花”臺風對老鹽倉回頭潮影響

涌潮傳播到老鹽倉河段，受老鹽倉直角岸線和丁壩的影響，涌潮幾近正反射[15]。圖11給出了老鹽倉東西側(cè)站點S4、S5在3個方案下“煙花”臺風登陸時回頭潮的潮頭高度對比。從圖11可見，在天文潮方案1下，老鹽倉站點S4、S5回頭潮的潮頭高度分別為0.45和0.63 m。在方案2下，站點S4、S5回頭潮的潮頭高度分別為0.77和0.95 m，潮頭高度比方案1平均增加了0.32 m。在方案3下，S4和S5站點回頭潮的潮頭高度分別為0.67和0.84 m，潮頭高度比方案1平均增加了0.22 m?？梢缘贸?，在下游水位抬高和“煙花”臺風場的共同作用下，老鹽倉站點回頭潮的潮頭高度均增加，但潮頭高度的增加幅度比“煙花”臺風間接影響的結(jié)果小0.10 m。

圖11 “煙花”臺風登陸時3個方案回頭潮的潮頭高度對比Fig. 11 Comparison of height of back-flow bore during Typhoon In-Fa under three model schemes

圖12 給出了在3個方案下“煙花”臺風登陸時老鹽倉站點S4和S5站點的每秒水位變化。“煙花”臺風使回頭潮的潮頭高度增大，回頭潮的潮到時間相對天文潮期間的回頭潮提前了65 min。

圖12 “煙花”臺風登陸時3個方案下老鹽倉站點S4和S5回頭潮的水位變化Fig. 12 Variation of instantaneous water level of back-flow bores at S4 and S5 stations during Typhoon In-Fa under three model schemes

5 結(jié) 語

通過建立臺風暴潮作用的涌潮數(shù)學模型，結(jié)合“煙花”臺風期間的實測潮位、風場和涌潮的驗證，研究2021年天文大潮期間登陸浙江舟山的“煙花”臺風對涌潮的影響，可以得出：

（1）“煙花”臺風使鹽官河段潮汐明顯增強。臺風登陸時鹽官潮差為3.59 m。澉浦—鹽官和鹽官—老鹽倉的涌潮傳播速度相對天文潮分別增加7.1%和7.7%。

（2）“煙花”臺風登陸時鹽官河段一線潮和老鹽倉回頭潮的潮頭高度比天文潮條件下平均增加0.30和0.22 m，潮到時間比天文潮分別提前62和65 min。

（3）受“煙花”臺風登陸時的西北風影響，臺風對鹽官河段涌潮的直接影響明顯較間接影響小，直接影響降低了鹽官潮差以及鹽官一線潮和老鹽倉涌潮高度。