上游洪水对台风风暴潮过程期间长江口水位的影响研究

刘秋兴，李铖

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.上海市水文总站，上海200232）

上游洪水对台风风暴潮过程期间长江口水位的影响研究

刘秋兴1，李铖2

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.上海市水文总站，上海200232）

河口地区是河流与海洋相互作用的集中交汇区，也是上游洪水、天文潮和风暴潮等各种动力要素的综合作用区，该区域的水动力研究尤为复杂。长江作为我国第一大河，上游洪水对河口地区的影响尤其明显，特别是天文高潮、风暴潮与洪峰效应相叠加时（俗称“三碰头”），往往会对沿岸造成严重的海洋灾害。以长江大通水文站为上边界建立了一个适合于长江口地区的精细化天文潮、风暴潮和洪水耦合模型，通过对近年来影响长江口的典型台风风暴潮过程的模拟发现，耦合洪水后模型计算结果与实测更为吻合。通过理想数值实验，充分考虑天文潮、风暴潮和洪水的相互作用，定量分析了不同径流量对长江口不同区域的影响，并给出了在不同上游洪水流量和不同台风强度组合情景下，洪水对长江口地区水位的影响以及长江口地区可能出现的高水位。

长江口；洪水；台风风暴潮；潮洪相互作用

世界上约有60%的人口生活在河口海岸地区，随着人类对河口地区开发利用的深度不断加强，河口地区的海洋灾害得到了越来越多人的普遍关注，我国河口海岸地区的风暴潮灾害尤为严重（侯京明等，2011）。长江口作为亚洲第一大河的入海河口，该区域水动力特性复杂，不仅受到上游洪水与口外潮流的相互作用，同时还受风暴潮、巨浪和海平面上升等多方面动力因素的影响（Jie et al,2011；Shi et al,2000）。

长江口区域也是我国经济最发达的地区之一，作为我国的经济、航运中心的上海就坐落于此。该区域的天文潮、风暴潮、海浪和洪水等水动力研究得到了国内很多学者的关注（端义宏等，1997，2005；徐福敏等，2008）。洪水是长江口水位预报，特别是风暴潮过程期间水位预报必须考虑的重要因素之一，李国芳等（2006）基于大量样本数据建立了长江口各站日均增水与大通流量增量之间的关系，并利用该关系，对潮汐模型计算的潮位进行了合理的校正。张金善等（2008）通过对风暴潮作用下，感潮河段水位变化进行分析，得出了最大增水位置受上游洪水和天文潮共同作用决定的结论。长江作为我国流量最大的河流，其流量最大的时间段恰好是台风活动影响的高峰期，因此台风风暴潮过程期间，长江上游洪水、天文高潮和风暴潮（俗称“三碰头”）相互作用现象在该区域表现明显，其往往会对沿岸的堤防构成严重威胁，引起严重的城市内涝。开展该区域的风暴潮-天文潮-洪水等多要素耦合数值预报研究对于我国这一经济发达地区的防潮减灾工作有着重要的意义。

本文分析了大通水文站的流量变化特征，采用基于有限元方法的ADCIRC模型，建立了长江口风暴潮-天文潮-洪水耦合数学模型，采用该耦合模型较好的模拟了影响长江口区域的典型风暴潮过程，定量研究了长江口不同区域洪水对总水位的影响，对不同上游洪水影响下，天文潮和风暴潮共同作用在长江口区域可能达到的高潮位进行了计算。

1 大通水文站特征分析

大通水文站位于安徽省池州市境内，距离长江口约为624 km，洪水来源主要为长江上游来水，其表现为涨落水过程比较缓慢、峰型较为平坦、汛期受下游九华河出水顶托影响不明显，水位流量关系相对简单；枯季受长江下游潮汐影响显著，水位流量关系复杂。大通水文站集水面积为长江流域的90%以上，作为潮区界上代表站，其流量能够反映出整个长江径流的变化。

根据2000-2013年大通水文站观测资料，该站全年逐日平均流量为26 946 m3/s，汛期（6-10月）逐日平均流量为36 644 m3/s。此外大通水文站测得流量还表现出明显的年际和月际变化特征，该站观测到的最大年平均流量为34 932 m3/s，而最小年平均流量仅为21 218 m3/s；汛期的年际变化特征更为明显，在统计年份内，汛期最大平均流量为45 961 m3/s，最小平均流量仅为27 792 m3/s，汛期平均流量高于全年平均流量约30%左右（图1）。汛期期间长江月平均流量均在35 000 m3/s以上，明显高于其他非汛期月份的平均流量（图2）。

图1 2000-2013年逐年平均流量和逐年汛期平均流量分布

图2 2000-2013年逐月平均流量分布

2 风暴潮、天文潮和洪水耦合模型介绍

2.1模型的控制方程

本文计算模型采用目前国际上使用较为广泛的水动力模型ADCIRC，该模型基于有限元方法采用非结构网格技术可以实现，对沿岸水深地形的精细化处理，该模型具有处理径流的能力，是目前国际上广泛采用的水动力计算模型之一。初始条件为：ζ=u=v=0；海岸边界的法向速度为0；模型包含了约562 968个计算格点，1 092 882个计算单元（图3），对整个长江水道及长江口区域的水平分辨率在100 m左右。

2.2模型的参数设置

模型采用的水深数据来源于国家海洋环境预报中心业务化水深数据和国家海洋局公益性项目“海洋预报业务化系统模块化构建与应用示范”项目。耦合模型上边界选在大通水文站处，对于海洋边界采用16个主要分潮进行驱动，分潮来源于NAO99，分潮名称分别为M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、2N2、J1、L2、M1、MU2、NU2、OO1和T2，1509号台风路径和强度数据来源于中央气象台台风网实测数据，9711号台风路径和强度来源于中国气象局台风年鉴。为了保证计算的稳定性，计算的时间步长设定为1.5 s。该模型的驱动风场为目前被广为采用的Holland模型风场。模型采用大通水文站实测流量作为上边界驱动。图4给出了长江口水深和选取的站点分布。由于调和分析计算所得水位包含了上游洪水的年平均值，因此在计算天文潮时，模型上边界加入了洪水的年平均径流量。

图3 计算区域网格分布

图4 长江口水深和主要站点分布

3 模型的计算结果与实测对比

由于1509号台风风暴潮过程期间，大通水文站有完整的观测资料，本文以此次台风风暴潮过程为例，对风暴潮过程进行了数值模拟。

在数值模拟过程中，为了充分考虑上游洪水在长江河口区域与风暴潮、天文潮的相互作用，保证上边界大通站处的水流能够有足够长的时间流到长江口区域，耦合数值模型的计算起始时间提前10天（整个计算时长为13 d）。由于过程期间大通水文站处长江径流逐时变化不大，因此1509号台风过程期间径流量采用6 h间隔进行输入。

图5 台风路径分布

2015年第9号台风“灿鸿”于6月30日20时生成于菲律宾以东洋面后，一直沿西北方向移动，并于7月9日23时加强为超强台风。7月10日12时，“灿鸿”强度达到最强，中心气压为925 hpa，近中心最大风速58 m/s，台风强度维持至19时。在台风移向近岸的过程中，强度持续减弱，并于7月11日16时40分登陆浙江舟山市朱家尖镇，登陆时台风中心气压955 hPa，近中心最大风力14级，登陆后向东北方向移动，13日凌晨再次登陆朝鲜半岛。此次风暴潮过程期间（6月30日02时至7月13日02时）的大通站平均流量达到53 028 m3/s，且逐时变化不大。图6-图9为本次过程期间长江口主要潮位站天文潮计算值和实测值的对比。此处的调和分析计算值是对潮位站1年实测数据进行调和分析得到调和常数，由调和常数计算所得。图10-图13为本次过程期间长江口主要潮位站考虑过程期间洪水影响和未考虑洪水影响模拟值与实测值对比。

图6 1509过程吴淞站天文潮调和分析计算值和模拟值对比

图7 1509过程高桥站天文潮调和分析计算值和模拟值对比

图8 1509过程崇明站天文潮调和分析计算值和模拟值对比

图9 1509过程佘山站天文潮调和分析计算值和模拟值对比

图10 1509过程吴淞站考虑汛期洪水与否模拟与实测值对比

图11 1509过程高桥站考虑汛期洪水与否模拟与实测值对比

图12 1509过程崇明站考虑汛期洪水与否模拟与实测值对比

图13 1509过程佘山站考虑汛期洪水与否模拟与实测值对比

统计数据表明，1509号台风风暴潮过程期间，长江口主要潮位站天文潮模拟值和实测值的逐时平均绝对误差不高于20 cm，模型能够较好的反映了天文潮的变化情况。从图10、图11和图12可以看到模型耦合过程期间洪水后对整个风暴潮过程计算结果明显强于未耦合过程洪水的计算结果。整体来看，耦合洪水后各时刻总水位均呈现不同程度升高趋势。1509号台风风暴潮过程模拟中，上述四站的第5个天文高潮和天文低潮模拟值普遍高于调和分析计算值，这也是耦合洪水后模型对第5个高潮和低潮计算值偏高于实测值的主要原因；从长江口各站水位模拟对比图中我们可以看到，位于长江口内的潮位站耦合洪水后计算结果得到明显改善，而位于长江口外的佘山站耦合洪水与否的计算结果相差不大（图13）。

4 台风期间长江口水位对上游洪水的敏感性分析

影响长江口地区的台风主要有两类路径：一类是直接登陆型台风，包括直接登陆长江口，甚至浙江沿海，由于其外围环流大，长江口出现了较高潮位，如9711号台风等；第二类为在长江口近岸转向型台风，如8114号台风和1509号台风（图5红线所示）等。为了研究未来长江口区域可能面临的风暴潮灾害风险，本文以9711号台风路径为例，将该路径平移至正面登陆上海市，作为影响长江口区域的有利增水的台风路径（如图5绿线所示），台风强度分别采用9711号台风登陆时的强度（中心气压960 hpa，近中心最大风力12级）和建国以来正面登陆长江口及其以北区域最强台风（中心气压940 hpa，近中心最大风力16级）强度。考虑到天文潮的长周期变化特征，本文选取背景天文高潮位为吴淞站20年（2000-2019年）天文潮年最高潮位的平均值453 cm，且假定最大风暴增水叠加到天文高潮上。为了研究长江口区域不同地点的水位变化特点，本文还在吴淞站上游和下游50 km处各取一个点，分别取名为A点和B点，计算出此两点的潮位变化。由于A、B点处无实测潮位数据，计算所得潮位均相对于平均海平面。

图14 960 hpa台风影响下，不同径流量引起的吴淞潮位变化

图15 940 hpa台风影响下，不同径流量引起的吴淞潮位变化

图16 960 hpa台风影响下，不同径流量引起A点潮位变化

图17 940 hpa台风影响下，不同径流量引起A点潮位

图18 960 hpa台风影响下，不同径流量引起B点潮位变化

图19 940 hpa台风影响下，不同径流量引起B点潮位变化

当以中心气压为960 hpa的台风驱动耦合模型时，以大通站常年日平均流量26 946 m3/s作为上边界时，吴淞站计算得到的总潮位为684 cm，高潮位增水达到231 cm；当以汛期日平均流量36 644 m3/s作为上边界时，吴淞站计算得到的最高潮位是690 cm；当以汛期最大流量83 500 m3/s作为上边界时，吴淞站计算得到的最高潮位是749 cm；考虑汛期洪水影响与否对高潮位的最大影响达到65 cm（图14）；当以常年日平均流量作为上边界时，上游A点处的计算得到的总潮位为472 cm，当以汛期日平均流量作为上边界时，A点计算得到的最高潮位为493 cm，当以汛期最大流量作为上边界时，A点计算得到的最高潮位为608 cm。考虑洪水影响与否对A点高潮位的最大影响达到136cm（图16）；当以常年日平均流量作为上边界时时，B点处的计算得到的总潮位为500 cm，当以汛期日平均流量作为上边界时，B点计算得到的最高潮位为507 cm，当以汛期最大流量作为上边界时，B点计算得到的最高潮位为513 cm。考虑汛期洪水影响与否对B点高潮位的最大影响仅为13cm（图18）。

当以中心气压为940 hpa的台风驱动耦合模型时，以大通站常年日平均流量作为上边界时，吴淞站计算得到的总潮位为795 cm，高潮位增水达到342 cm；当以汛期日平均流量作为上边界时，吴淞站计算得到的最高潮位是806 cm；当以汛期最大流量作为上边界时，吴淞站计算得到的最高潮位是854 cm；考虑汛期洪水影响与否对高潮位的最大影响达到59 cm（图15）。当以常年日平均流量作为上边界时，上游A点处的计算得到的总潮位为588cm，当以汛期日平均流量作为上边界时，A点计算得到的最高潮位为615 cm，当以汛期最大流量作为上边界时，A点计算得到的最高潮位为739 cm。考虑汛期洪水影响与否对A点高潮位的最大影响达到151 cm（图17）；当以常年日平均流量作为上边界时，B点处的计算得到的总潮位为646 cm，当以汛期日平均流量作为上边界时，B点计算得到的最高潮位为649 cm，当以汛期最大流量作为上边界时，B点计算得到的最高潮位为658 cm。考虑洪水影响与否对B点高潮位的最大影响仅为12 cm（图19）。本文还给出了940 hpa强度台风影响下，上游以汛期最大流量注水时，第49小时（高潮时）和第55小时（低潮）洪水对长江口水位影响分布图（图20和图21），从图中可以看出，在高潮时刻，由于海水的顶托作用，洪水影响位置相对集中于A点以上区域，但对水位影响明显，而对B点以下区域影响不大；在低潮时刻，由于上游洪水下泄顺畅，洪水影响范围加大，一直影响到B点以下，但影响强度普遍偏弱。

图20 高潮时洪水对总水位的影响分布图

图21 低潮时洪水对总水位的影响分布图

5 分析与结论

本文以位于长江潮区界的大通水文站实测流量为基础资料，分析了长江流量的日平均流量变化特征以及年际和月际变化特征，考虑到上游径流对长江口潮位的影响，本文以大通站流量为模型上边界，建立了一个基于非结构网格的长江口风暴潮-天文潮-洪水耦合数值模型，通过与实测资料对比，该耦合模型成功的模拟了长江口地区潮位变化。耦合洪水后较未耦合洪水时能够更好的模拟风暴潮过程期间长江口内水位的变化。从两次理想数值实验的结果可以看出，在风暴潮、天文潮和洪水耦合作用过程中，风暴潮和天文潮对长江口水位的贡献值最大。两次不同强度台风影响下，如果上游来水达到汛期日平均流量水平，洪水对吴淞区域总水位的影响在10 cm左右；即使上游来水达到83 500 m3/s的极端水平，洪水对吴淞区域总水位的影响也不超过60 cm。而在中心强度为940 hpa的台风影响下，当上游来水达到83 500 m3/s的极端水平时，洪水对吴淞上游50 km处A点区域总水位的最大影响超过150 cm，洪水对吴淞下游50 km处B点的影响仅10余厘米。由此可见，洪水对长江口总水位的影响对区域所处的位置较为敏感，越往上游影响越大，而在下游口门处，洪水对总水位的影响轻微。洪水对沿岸潮位的影响仅取决于上游径流量和测点位置，而与台风强度关系不大。

本文计算得到了不同强度台风登陆时，长江口不同区域可能面临的高水位，量化了不同上游洪水量对长江口总水位的影响。为长江口沿岸地区的海岸工程风险排查以及海岸防潮减灾工作提供了重要参考。

致谢：感谢上海水文总站同事们在水文资料获取方面提供的大力帮助，在此一并致谢。

Jie Y,Zhan E Y,Xiao M H,et al,2011.Multiple scenario analyses forecasting the confound impacts of sea level rise and tides from storm induced coastal flooding in the city of Shanghai，China. Environ Earth Sci,63:407-414.

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（本文编辑：袁泽轶）

Study of flood's effects on the water level of the Yangtze Estuary area during the typhoon period

LIU Qiu-xing1,LI Cheng2
（1.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China；2.Shanghai Hydrology Administration,Shanghai 200232,China）

Estuarine areas are the intersection area between rivers and ocean.They are also influenced by the upstream flood,astronomical tide and storm surges comprehensively,and hydrodynamic environment is particularly complicated in the region.As the largest river in China-Yangtze River,the impact of upstream flood on estuarine areas are particularly evident along the coast.It often causes serious marine disasters when the astronomical high tide,maximum storm surges and peak run off superimposed synchronously(commonly known as‘three meet’).An astronomical tide-storm surge-flood coupled model based on unstructured grid which regards Datong Hydrological Station as the upper boundary is utilized to simulate the high water level near the Yangtze River estuary areas.The results are more consistent with the measured data through the typical storm surge process.In order to quantitatively analyze flood's effect and interaction between the astronomical tide, storm surge and flooding.Numerical experiments are designed to analyze the possible high level and the flood and storm surge's contribution to total water level under different upstream runoff and typhoon intensity near the Yangtze River estuary area.It will provide important reference to the Yangtze Delta area's marine disaster mitigation.

Yangtze Estuary;flood;typhoon storm surge;flood-storm surge interaction

P732.6

A

1001-6932（2017）02-0135-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.003

2015-09-17；

2016-02-04

海洋公益性行业科研专项（201205017）。

刘秋兴（1982-），男，硕士，高级工程师，主要从事风暴潮预报和研究工作。电子邮箱：lqx@nmefc.gov.cn。