寒潮引起的江苏沿海风暴潮潮位分布规律研究

周天逸，谭 亚*，谢当汉

(1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

0　引言

江苏沿海位于我国东部沿海的中段，地处中纬度地区，由于特殊的地理位置，同时遭受到台风风暴潮和温带风暴潮过程的影响[1, 2]。虽然寒潮的风力量级可能无法达到台风的量级，但由于寒潮发生时，常伴有长时间持续性大风作用，海域的水体受大风影响不断沿单方向堆积，潮位不断抬升，对沿海的经济作业、生产生活等造成影响[3]。寒潮是大气环流调整时发生多层气流演变的天气过程，当北方强冷空气流与南方北抬的暖湿气流相遇，随着强冷气流积蓄了充分的抗衡暖湿气流的能量时，便会产生大规模冷空气向南侵袭的过程，形成寒潮风暴[4]。江苏沿海位于北半球中纬度附近，是冷暖气流频繁交汇的地区，寒潮目前已是冬半年影响江苏的主要灾害性天气之一[1]。

江苏省拥有65.3万km2滩涂湿地面积，居全国最高[5]。无论是养殖业还是现在已经得到突破的盐水种植业，滩涂农业经济的开发可以为社会经济可持续发展做出巨大贡献[6]，因此对于江苏沿海寒潮的研究具有重大意义。前人对于渤海湾的寒潮风暴潮研究较多，李鑫[7]、赵鹏[8]、章卫胜[9]、张金善[10]等都对渤海湾寒潮的增水数值模拟、潮流场分布和风险分析等进行过研究。针对江苏沿海，周建春等基于SWAN模型模拟了江苏沿海寒潮风浪场的时空分布，进行的特征分析表明，有效波高分布与风场分布基本一致，寒潮风浪在江苏沿海北部影响较为显著，辐射沙洲附近由于其特殊地形影响相对较小[11]。付元冲等建立了长江口及邻近区域的温带风暴潮预报模型，对其增水的特征和机制进行了讨论[12]。

目前对于江苏省沿海寒潮风暴潮位的数值模拟和空间分布规律的研究尚存在空白，因此本文建立了江苏沿海天文潮-风暴潮耦合模型，利用其模拟了最不利寒潮情况发生时的潮位过程，并分析了此时江苏海域的潮位变化情况和分布规律。

1　典型寒潮过程

参考《海洋灾害公报》中寒潮的信息以及南通沿海3个潮位观测站(大洋港闸、遥望港闸和小洋口闸)1979年以来受寒潮的影响情况，结合再分析风场资料，进一步精确时间范围，得到了9次影响江苏的典型寒潮过程，具体寒潮及发生时间见表1。由于寒潮对潮位的影响主要表现在长时间的大风一直作用于水体，水体不断堆积，潮位逐渐高于正常潮位。本次筛选寒潮的依据是根据《寒潮等级》国家标准(GB/T 21987─2008)[13]对一次寒潮的规定：对局地而言，冷空气影响后，日最低气温下降幅度24 h≥8 ℃，或48 h≥10 ℃，或72 h≥12 ℃，且最低气温≤4 ℃以及寒潮发生过程中平均风速不小于10 m/s。

由表1的数据可以看出，江苏海域寒潮发生时间主要集中在秋末、冬季和初春3个季节，风向一般是北向风偏多，与沿海岸线呈小角度入射状态，体现为西北偏北以及东北偏北。综合大风持续时间、日均温差值以及最大风速考虑，序号1、2、6和9这4场寒潮强度相对较大。综合风速和大风持续时间来看，序号6和9这两场寒潮过程以及风向比较具有代表性。本文选取序号9的寒潮(141008号寒潮)作为研究对象。

表1　江苏海域典型寒潮出现相关时间及风速统计

2　模型建立与验证

为建立江苏近海二维天文潮-风暴潮耦合模型，选择丹麦水力学研究所(DHI)研发的MIKE21的Flow Model模块。MIKE21被广泛应用于风、浪、流等引起的水动力现象的研究，其水动力模块涵盖河、湖、海及近岸区域，还可考虑风、浪、流的影响[14]。

2.1　模型范围与网格划分

江苏近海天文潮-风暴潮耦合模型范围如图1所示，从长江口至成山头，自南31 °N至北37 °N，东起124 °E，西至海岸边界。如图2所示，模型采用无结构化三角形网格进行离散，近岸最小网格为300 m。整个计算区域包括74905个网格点、146533个网格单元。时间步长取30 s。本模型的水下地形资料基准面为1985国家高程基准。

2.2　边界条件

模型的开边界包括南、东、北3个水域边界，沿逆时针方向布置有135个网格点，每个边界网格点均由逐时的潮位过程作为边界条件。

2.3　风场和气压场条件

模型所用的风场是基于欧洲ECMWF再分析风场的资料[15]，时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.125°×0.125°，根据再分析风场的数据在计算域内进行插值。为检验风场的准确性，本文选取141008号寒潮发生时，将模型风场与蛎岈山测站实测的风速、风向和气压进行比对，由图3～图5可知，结果吻合较好。

2.4　模型验证

141008号寒潮于2014年10月6日在欧亚中高纬度地区生成，在新西伯利亚区域形成了较强冷涡，随着冷空气的不断堆积，冷涡东移，受鄂霍次克海高脊阻挡，冷空气堆积加强，8日转化成较强锋区，此时蒙古冷高压强盛。11日受副热带高压北上的影响，鄂霍次克海高脊消失，冷空气东移南下，蒙古冷高压随之东移南下，寒潮爆发。爆发的冷空气在南移过程中带来了大面积降温降水[16]。受本次寒潮影响，江苏海域在10～13日出现大面积降温降水，且寒潮过程中的持续性NNW大风使沿海水体不断堆积，沿海潮位有明显升高。

图1　模型计算范围

图2　模型计算网格

图3　再分析风向与实测风向对比

图4　再分析风向与实测风向对比

图5　再分析气压与实测气压对比

选取寒潮影响江苏海域的时间(2014年10月11日12：00到2014年10月14日00:00)作为计算起止时间，图6为141008号寒潮作用时4个观测站(蛎岈山、大丰、连云港、响水)的潮位模拟验证结果。由图可知，4个测站的实测最高潮位与模拟最高潮位分别相差0.17、0.24、0.22、0.16 m，其中相位偏差不超过0.5 h，说明模型计算结果较为合理。

3　寒潮风暴潮潮位的分布规律

为了设计寒潮风暴潮和天文潮的最不利组合，估算寒潮作用下最大可能出现的异常高潮位，确定异常高潮位的空间分布规律。本次研究选取2002年最高天文潮位(2002年10月8日0:40)，与141008号寒潮组成最不利组合。

通过上文建立的数值模型，模拟最不利组合下的风暴潮位，由图7可以看出在141008号寒潮大风作用下，蛎岈山站的最高潮位达4.38 m，其中寒潮引起的增水最大达1.66 m，超过1.0 m以上的增水达11 h。

图6　4个测站寒潮过程潮位模拟验证结果

图7　最不利组合下蛎岈山潮位过程线对比

当蛎岈山达到最高潮位时，江苏沿海的潮位分布如图8所示，由寒潮风暴引起的增水分布如图9所示。可以发现在寒潮大风影响下，分别以弶港和蛎岈山为中心，呈扇形散开的近海区域有明显的增水，离岸线较远处的海域增水接近1.0 m，离弶港较近的海域增水可达1.5 m甚至更高。

以蛎岈山站达到最高潮位的时刻为参考，图10为大风引起的江苏近海海域在蛎岈山站达到最高潮位前6 h的寒潮增水变化情况。纵观这6个时刻的增水变化可以发现，在NNW大风的持续性作用下，前6 h已经出现了明显的增水，且增水的主要区域以辐射沙脊群区域为主，平均增水可达0.5 m；在这片海域里，尤其以弶港为中心的扇形近海区域和以蛎岈山为中心的另一扇形近海区域，由寒潮引起的风暴增水明显高于其他邻近海域。在本次寒潮的作用下，这两个区域的寒潮增水在1.5 ～ 2.0 m，属于寒潮引起的风暴潮增水敏感区域。

图8　江苏近海寒潮引起的潮位分布

4　结论与展望

本章基于MIKE21的Flow Model模块和ECMWF再分析风场，建立了江苏沿海天文潮-风暴潮耦合数值模型，验算了141008号寒潮发生时潮位的变化情况，验算结果显示江苏近海风暴潮-天文潮耦合数学模型可以合理模拟本海域寒潮发生时潮位变化情况。

利用该模型模拟了影响江苏的141008号寒潮在天文大潮发生时江苏沿海的潮位分布和寒潮风暴增水分布情况，结果表明蛎岈山站在141008号寒潮的影响下，海域增水超过50 cm的时间接近7 h，最大增水约100 cm。并给出了蛎岈山站在寒潮大风作用下达到最高潮位前6个时刻的江苏近海风暴增水变化情况。根据模型模拟的潮位和沿海的寒潮风暴增水变化可知，在NNW寒潮大风影响下，分别以弶港和蛎岈山为中心，呈扇形散开的近海区域的增水明显高于其他邻近海域，增水可达1.5 m甚至更高。

图9　江苏近海寒潮引起的增水分布

图10　江苏近海寒潮引起的逐时增水分布

寒潮由于风向、风速、持续时间的不同，都会对增水造成不同的影响。下一阶段可以考虑从不同的风速、风向和风场的持续时间入手构建不同的最不利组合，研究其对海域潮位的影响。

参考文献:

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