寒潮及强冷空气过境对沿岸水位的影响

张虹

（浙江海洋大学 海洋科学与技术学院 舟山市 316000）

寒潮及强冷空气过境对沿岸水位的影响

张虹

（浙江海洋大学 海洋科学与技术学院 舟山市 316000）

通过分析2016年1月1日-2016年4月30日舟山海域的水文及气象数据，研究了该区域寒潮及强冷空气事件对沿岸水位的影响，并讨论了引起水位变化的各个机制。结果表明：一次寒潮或冷空气过程中，寒潮过境时气压先下降然后骤升，随着气压升高，温度骤降，风速发生4～5次的切变，且风速增大，寒潮及强冷空气过境之前的西南风带来水位的升高，水温降低。寒潮及强冷空气过境后水位下降，逐渐回到平均水位状态。水温也呈现随着寒潮过境骤减的过程，回到平均状态。通过量化及分析，风是造成水位变化的主导因素，气压其次，波浪作用很小，科氏力的影响在本问题中的贡献最小。

寒潮；强冷空气；风暴潮；水位；风

风暴潮是由台风、气旋、强寒潮等持续时间较长的风暴系统影响下所引起局部海域海面非周期异常升高的一种海洋自然现象。风暴潮通常有热带风暴潮和温带风暴潮之分，由热带风暴系统（台风、飓风）引起的称为热带风暴潮，多发生在夏秋季节，其破坏力一般较强；由温带风暴系统（温带气旋、强寒潮等）引起的称为温带风暴潮，多发生在冬春季节，它所引起的水位变化通常没有热带风暴潮引起的风暴潮那么强，其变化较为平缓，但是仍然可以给沿岸和港口运输造成一定的影响，也可以对泥沙输运及海岸变迁有持续的作用[1]。

寒潮是指大规模冷空气（在气压场上为冷高压）由亚洲大陆西部或西北部侵袭中国时的强降温天气过程。在天气预报中，因北方冷空气入侵造成24小时内降温10℃，并且过程最低气温达5℃以下时定义为寒潮天气过程。有时北方冷空气的入侵虽然达不到这个标准，但降温也很显著，则一般称为强冷空气。寒潮天气是一种大规模的强冷空气活动过程，在寒潮或冷空气前锋经过的地区不仅有强烈的降温，还时常伴有大风、降雨、降雪、雨淞或霜冻等现象，其中大风的破坏作用位居首位，其次为降温的影响。寒潮最早可以出现于9月下旬，最晚通常结束于次年5月份。春季的3月和秋季的10－11月期间是寒潮和强冷空气活动最频繁的季节，也是易造成财产的重大损失乃至人员伤亡[2,3]的时期。

不同类型的天气状况,所带来的风暴潮特征也不尽相同，根据不同要素可以分为台风风暴潮、温带风暴潮，从本文所要讨论的寒潮型风暴潮也有不同类型，一部分是属于温带风暴潮的一种。对于温带风暴潮的数值预报技术比较领先的是英国海洋学家Heaps提出的自动化温带风暴潮预报方法“海模式”（Sea Model）[4]，该方法最早以10层大气模式输入一个二维流体动力学方程组作为外力，计算出不列颠诸岛大陆架逐时全过程风暴潮变化值。

1981年，Chuang[5]等研究发现冷锋可以引发明显的潮下带水位振荡（低频）和运输，这对港湾和河口的水体交换非常重要。2005年David M.Schuultz[6]对冷锋的过境以及风的切变做了详细的综述。中国对风暴潮的研究始于20世纪60年代，1982年，冯士筰出版了《风暴潮导论》[7]，分别从封闭和半封闭海域级大洋大陆架的风暴潮问题出发，根据不同海域的动力特征，研究了风暴潮解析的动力特征，并揭示了风暴潮的内在动力机制，建立了我国风暴潮研究的理论体系。1998年，曹海峰[8]就阐释了寒潮型风暴潮和寒潮巨浪的重要性，提示海洋预报工作中应对寒潮预报的重视。2007年，季致建、李邦宪，等[9]详细地从气象角度对浙江省54年的寒潮气候及时空分布做了分析。同年，李鑫[10]分别对影响渤海海域的两大风暴潮进行数值模拟，分析其造成风暴潮增减水及其潮流场时空特征的特点。2010年，赵鹏[11]按照寒潮爆发路径，运用FVCOM模式对渤海中由寒潮引发的风暴潮进行了数值模拟，发现了寒潮风暴潮对渤海的西南沿岸造成危害较大。

从国内外的进展史也可以看出，大多数研究者[12-16]致力于通过数值模拟的方法研究风暴潮成因、现象及影响，而且国内大多研究者[17]也是从气象角度研究的。而通过采集实测数据并结合海气相互作用来研究寒潮过境对水位影响的研究甚少，所以本文致力于研究舟山海域的寒潮风暴潮。舟山海域由群岛组成，地形特殊，寒潮风暴潮造成的影响也十分明显，尤其对近岸造成的影响更值得关注。

1 实验区域和数据

本文所研究的舟山海域属于长江口南测、杭州湾外缘的东海海域。地理座标东经121°30′－123°25′，北纬 29°32′－31°04′。舟山市地处温带，表现出突出的季风海洋性气候特点，冬暖夏凉、雨量充沛，日照充足。春夏盛行东南偏南风，冬季盛行西北偏北风。一年中7－9月为台风季节，台风或热带风暴十分频繁，与之带来的暴雨强度大，持续时间长，容易引起台风风暴潮。该海域潮汐规律为不正规半日潮，即一天内出现2次高潮和2次低潮。不同的天气系统所引起的舟山海域风暴潮的特征也有差异，在舟山海域风暴潮的主要天气系统一般由夏季的热带风暴潮以及冬季的寒潮风暴潮构成。

图1 研究区域

本文采用level troll 500潮位计在舟山市长峙岛新城码头采集的水位数据，采样间隔为20 min。结合2016年1月1日－4月30日的气象数据对比研究，该数据是由NOAA卫星提供，时间间隔为1 h。因为舟山海域是以半日潮为主，所以本研究对实验数据经过求步长为25 h的滑动平均，得到滤波后的水位和气压、温度等气象要素的变化曲线，同时按照气象要素的定义对比寒潮及强冷空气过境前后水位、风速大小的变化和风向的转变过程。

2 分析方法及结果

为了直观地观察风速风向的变化，本文通过

式中，speed表示风速矢量大小，u、v分别公式（1）将风向风速的起点归到一条水平线上，线段的长度表示风速大小，公式（1）如下：

表示风速大小在水平和垂直方向的分量，θ表示风向。

图2 （b） 2016.1.1-2016.2.24日55天的水位变化图

首先从图2（a）2016.1.1-2016.2.24日的风速风向图中看，在这55天内虽然大多数的风为西北风，但是这段时间内风向发生了大约十几次的变化，当西北风逐渐增大时也预示着冷锋的到来。在由西北风逆时针切变为东南风前，西北风风速先增大后减小，当切变成西风时风速达到最小，然后继续切变成东南风，风速开始逐渐增大，这些可以通过温度、地面气压等天气要素来检验。将图（a）和图（b）对比起来，可以直观地看出，当舟山海域冬季主要受西北风吹拂时，水位大多呈下降趋势，而受东南风却能带来增水，风速越大时，水位的动荡幅度也随之增大，其中最明显的一次落差就发生在1月22日－1月25日期间。

2.1 一月份的寒潮降临

通过查询中央气象台发布的资料，可以分析出，2015年12月30日，位于冰岛的强大气旋式风暴将北大西洋的热量带向北极地区。于是，北极地区变暖，使通常温度在-20℃左右的北极突然升温至0℃以上，而中纬度地区变冷，北极涛动12月的正位相转为强负位，这样的相位转换与我国的冷空气活动有着密切的关系。正是在这个气旋式风暴排挤下，北极涡旋被迫离开极地，携带冷空气一路南下。南下的冷空气，会和从孟加拉湾来的较强暖湿气流交汇，给我国带来明显的雨雪天气。

图3 （a） 1月23日0时地面气压分布图

图3 （b） 1月25日21时地面气压分布图

受到东移南下冷空气和偏南暖湿气流影响，从1月20日开始，在一个阻塞高压的推波助澜下，极地涡旋将大举南侵；配合深厚的南支西风波动输送水汽，我国南方出现大范围雨雪天气，从图4中可以看到，在1月22日的最高压之前还有一个极大值产生于1月17日附近，这是一个冷锋过境，导致气温产生极小值，此时风由西北风逆时针切变为东南风，同时水位下降产生一个极小值。而到1月22日开始，从图3的地面气压分布图来看，从西伯利亚来的“霸王级”寒潮降临，大尺度的涡旋盘踞在西伯利亚地区，这次的极地涡旋尺度大、强度强、位置偏南，冷空气在此不断集聚、堆积，最终爆发南下，我国大江南北的多地均有强降雪。中东部地区自北向南出现大风和强降温天气。近日一些报道中气象专家认为，通常情况下，北极涡旋并不会轻易离开北极地区。从22日开始压力呈现出明显的增长趋势，在24日达到最大值后开始下降，空气温度从图中也能很明显的看出冷锋的段落，从22号开始空气温度开始明显下降，于24日达到最低后有一个短时间的反弹，这可能是由当时的外界因素导致或者人为造成，之后又回到最低值在冷锋过境后开始逐渐上升。从图2（a）中可以看出风速风向从18号左右到30号，经历了4～5次切变，由西北风切变到东南偏南风，

图4 1月19日-1月29日各要素时间序列图

图5-1 2月9日-2月19日各要素时间序列图

东南风风速明显增大，呈逆时针旋转，水位从20号开始有明显的升高，到22号达到最高值后开始下降，至25日达到最低值，之后有一个水位的回弹，随后反弹的减少意味着平均水位状态，从对应的时间来看西北风基本带来减水，而东南偏南风会使得水位有所上升。本次冷锋过境的水温以一个较稳定的下降趋势从大约11℃下降到9℃左右，冷锋过境后水温慢慢回复到9.8℃并趋于平稳状态。通过对水位和水温进行滑动平均滤波后，减少了很多外因导致等不规律的变化，最后呈现类似的趋势。

2.2 两次强冷空气过境

相对于寒潮的定义，舟山海域上有一些明显的强冷空气过境，并未达到寒潮的级别，但对造成的影响依旧不容忽视。从图5-1 a中可以分析出，这一次强冷空气的过程中气压的极值产生于2月13日-15日的时候，2月12日后气压以很快的速度稳步上升，于2月14日达到气压最大值并在波动中持续维持高压，图5-1 b中2月13日开始风向由原本的西北风呈逆时针切变为东南风，且东南偏南风显著增大，并经历了4～5次切变。冷锋的过境带来冷空气，图5-1 d中水温迅速从9.2℃降低下降至15日达到最低值8.5℃左右，15日之后有一个反弹紧随其后的增加意味着水位平均状态。水温的这种变化很可能是由于冷锋过境前东北风带来了暖湿的空气，而冷锋过境后的西南风更为干冷。图5-1 c中水位从13日开始出现明显增加，14日达到最大值后立即减小，增减水达到月0.4 m左右，在15日结束之后有一个反弹的水位。17日时水位再次上升，尽管程度较轻，随后反弹随后的减少意味着平均水位状态。空气温度的日频率与半日潮的水位变化是相似的。

图5-2 2月17日-2月27日各要素时间序列图

3 讨论

从近年来寒潮影响的实况看，近海域的水体运动反映特征主要有两种情况：一是由于大风和伴随大风扰动的大气压力改变等导致海面出现风暴潮,沿海潮位随风势猛涨。二是以快速过境风力突发性猛增为主，气压骤变,海面波浪增大,而潮位涨势未予明显联动。寒潮过程中，冷锋前往往是一个潮湿的暖气团以及相对温暖的南风；过境时：压力下降，伴有降水；锋后：压力回升，空气温度和湿度迅速下降，天气晴好，风多转向为北风。而就这几次冷锋过境，舟山海域的锋前暖湿气流由东北风带来，当寒潮过境时发生4～5次切变为西南风，冷锋过境的显著特征为：（1）风速切变（2）气压骤降（3）快速温度减少的气团进入更冷的气团。

本文从研究的1月份那次强寒潮来讨论，由风引起的水位变化包括下面几个影响机制[2]：（1）风应力作用,（2）波浪效果,（3）气压效应,（4）科里奥利(地球自转)的效果。根据风压与表面引起的气压梯度力之间主要是一个准平衡的关系[2]，可以得到：

ζ是相对于海平面的水位，x是水平方向上的速度，τs和τb是表面和地面切应力,其中表面和地面的切应力表示为τs=ρaCDW2,τb=ρCDV2,ρa是空气密度1.293 kg/m3，W是风速，在东南风吹拂下的水位升高，1月22日时达到最大值，从图4b中得出此时最强的向着岸界吹得东南风的风速达到25 m/s，V是流速,通过大量对舟山海域流速的测量记载平均流速大于0.7 m/s，这里取平均值0.1 m/s，CD是表面/底部拖曳阻力系数，范围是在1.3*10-3～3.4*10-3（Dean&Dalrymple）[2]，本文中取1.5*10-3。从图1中观察风场影响的舟山这个狭长的海域的L根据图例可以算出大约为13 km,由

其中ρ为水的密度1 020 kg/m3， g都取9.8 m/s，L～33 km，h从图4中求得平均水位为2.3 m，由公式（3）可以估算出由风引起的水位变化为0.26 m。

研究表明空气压力下降1毫巴（相对于平均压力外的天气系统）相当于一个近似0.01 m的水位上升[24]

ΔP为气压变化值，用第一个案例来研究，在当风向切变到东南风后，对应的气压上升约7 hpa，根据换算1 hpa=1 mbar,即ΔP取7 mbar，由公式（4）可以估算出由压力引起的水位变化为0.07 m。同样的根据海浪经验公式[2]

Hs为有效波高，通过查阅舟山海域平均实际波高的记载，可以通过实际波高计算出来，第一个案例中锋面过境时的有效波高Hs取0.33,由公式（5）可以估算出由波浪引起的水位变化为0.06 m。由科氏力引起的水位变化可以表示为

科里奥利力参数由所在纬度决定，f=2Ωsinθ～7.29*10-5,由公式（6）可以算出大约为ζcoriolis～0.01 m。

通过对以上4种机制所导致的水位变化总和ζ=ζwind+ζpressure+ζwave+ζcoriolis～0.40m，案例一中的水位升高约为0.42 m。将两次强冷空气过境分别作为第二个和第三个案例分别来求出4种机制所导致的水位变化情况如表1所示。从这3个案例的变化比较，用理论公式计算出来的水位升高的变化总是小于实际升高的量，但都在小范围内，因此认为可以以此方法量化地表示各个机制的贡献，可以看出其中风占主导作用，压力和波浪的作用也不容小觑，科氏力的影响很小，同时认为可能是受到岸界因素的影响导致理论值总是小于实际测量值，这可能是后期可能要研究的方向，将岸界因素考虑进去。

本文有两点需要阐明，第一是从这三个案例分析还可以看出，温度和压力的变化相对于水位的变化有一些略微的滞后，这是因为NOAA提供的舟山的气象数据有大部分缺失的部分，所以本文采用了离舟山最近的宁波站的数据。第二是虽然本文研究的站位只有一个。针对这两个问题，本文所研究的冷锋系统比沿海地区海洋问题拥有更大的尺度。它是一个天气事件，大约1 000公里尺度，从而影响面积大，每年冷空气的大时间间隔为3～7 d，所以也能代表性的说明寒潮过境对水位的影响变化情况。本文的不足在于缺少实测精准的流速数据、盐度数据以及河道通量等，之后将致力于这些方面的观测，讨论寒潮过境时带来的增水可能对沿岸造成的海水漫滩以及海水入侵等问题，同时考虑岸界条件以及结合模式验证，为人类的生产生活提供更好的预报及保护措施。

表1 研究2016年中三次案例中导致的水位变化的四种机制的贡献

4 结 语

本文通过结合气象因素研究寒潮过境对沿岸水位的影响得到的结论：

（1）冷锋系统过境带来冷而干的气团，气压升高，温度降低。

（2）寒潮及强冷空气过境的显著特征：（1）风速切变（2）气压骤降（3）快速温度减少的气团进入更冷的气团。西北风发生4～5次切变为东南风，呈逆时针旋转，东南风显著增大，带来增水效应。

（3）寒潮及强冷空气过境时，西北风带来减水效应，过境后，东南风带来部分增水，水位可能发生回弹之后再减少到平均水位状态。水温也呈现随着寒潮过境骤减的过程，并在过境后回升，空气温度的日频率与半日潮的水位变化是相似的。

（4）引起水位变化的机制有4个：风应力作用、波浪效果、气压效应、科里奥利（地球自转）的效果，风应力作用占主导地位，气压效应仅次于风应力，波浪效应影响较小，而科里奥利力的影响是最小的,在小海湾等海域完全可以忽略。

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2017-05-20