台风路径对磨刀门水道咸潮上溯动力过程的影响机制

潘明婕, 孔俊, 杨芳, 罗照阳, 章卫胜, 荆立, 4, 王青, 李占臣



台风路径对磨刀门水道咸潮上溯动力过程的影响机制

潘明婕1, 2, 孔俊1, 杨芳3, 罗照阳1, 章卫胜1, 荆立1, 4, 王青1, 李占臣5

1. 海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学), 江苏 南京 210098; 2. 南京昊控软件技术有限公司, 江苏 南京 211100; 3. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院, 广东 广州 510611; 4. 生态环境保护部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042; 5. 海军北海工程设计院, 山东 青岛 266012

随着全球气候变暖加剧, 台风强度和强台风数量不断增加, 加剧了磨刀门水道咸潮灾害的变化形势。本文采用SCHISM(semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model)模型建立磨刀门水道三维水流盐度数值模型, 分析台风路径对磨刀门水道盐水入侵的影响。选取以“纳沙”为代表的西径型台风和以“天兔”为代表的东径型台风, 发现二者对盐度输运和层化过程的动力响应具有差异性。东径型台风导致外海减水, 平流通量向海增大; 而西径型台风引起外海增水, 逆转了原本向口外输出盐度的平流通量, 会引起严重的盐水入侵。台风不仅引起外海的增减水效应, 还带来强劲的局地风作用, 对水道流速和盐度分布产生重要影响。在西径型台风下, 顺河口向上游的风会减弱盐淡水分层, 并加强平流项的向海输出; 而在东径型台风下, 一定强度顺河口向下游的风加强盐淡水分层, 但当风速过强时, 则会削弱盐淡水分层。

盐水入侵; 台风路径; 数值模型; 磨刀门

21世纪以来, 随着全球变暖的加剧, 全球台风总数变化不明显或可能出现下降趋势, 但台风的强度及强台风的数量可能会不断增加(Flato et al, 2013)。根据1949—2008年登陆珠江的热带气旋情况统计, 平均每年登陆珠江的热带气旋有5.7个。台风作为短期改变海洋环境的重要动力因素, 会对近岸河口环境产生巨大的影响。台风过境时, 强烈的气旋性风应力使水体发生剧烈混合, 加快了陆—海、海—气及海水—沉积物之间的物质和能量交换(Fujii et al, 2002), 显著改变海洋的温度、盐度、浊度和生态要素分布特征(Herbeck et al, 2011), 同时也会使海水化学性质、水质、海洋生物等要素在短时间内发生急剧变化(Yang et al, 2011)。Li等(2006)揭示了强台风影响下, 半封闭海湾经历了强盐水上涌、盐淡水分层现象破坏以及台风过后重力调整下的盐淡水再层化过程。Li等(2009)根据实测资料, 分析了两场连续飓风影响下水通量和盐通量的差异化响应过程。Cho等(2012)通过综合分析“弗洛依德”(Floyd)和“伊莎贝尔”(Isabel)两次台风过程对切萨皮克湾(Chesapeake Bay)的影响, 发现风暴潮作用主要有两个阶段, 一是远风引起水面的增减水, 二是局地风通过影响垂向混合和纵向盐度输运调整流场和盐度场分布; 并针对局地风深入探究发现, 顺河口向下游的风在一定强度下会加强层化, 但当风应力增强则会经历层化增强后减弱的过程; 顺河口向上游的风深入水体中扰动, 通过逆转重力环流减弱层化。

磨刀门水道位于中国第三大河流珠江的下游, 年径流量占珠江入海径流总量的28.3%, 为珠江八大口门之最。磨刀门水道沿途分布有竹洲头泵站、全禄水厂取水口、平岗泵站等众多取水口, 是中山、珠海、澳门特别行政区的主要饮用水水源地。近年来, 磨刀门口门的围垦工程和上游人工采沙活动导致河道河床下切, 使得潮汐作用相对增强加大了外海盐水的涌入, 使得盐水入侵形势日益严峻(吕爱琴等, 2006)。Gong等(2011, 2014)基于大量实测数据, 利用EFDC(environmental fluid dynamics code)建立磨刀门水道三维水流盐度数值模型, 分析枯季盐度输运动力特征, 结果显示磨刀门盐水入侵主要受潮汐和径流的相互作用, 大的径流量能有效抑制盐水入侵。而在枯季正常流量条件下, 水道在小潮期间进盐, 大潮期出盐, 从盐通量机制上进行解释, 即使盐度向陆输运的稳定剪切通量在小潮达到最大, 大潮达到最小。关于磨刀门水道的盐水入侵特征已有诸多学者展开研究(Chen et al, 2009; Yuan et al, 2015), 然而随着台风强度的加大及强台风数量的增多, 且磨刀门作为受台风影响的高频区, 强台风对磨刀门水道动力特征的改变已经不容忽视, 但是由于台风期观测困难, 实测资料较少, 针对磨刀门水道台风期盐水入侵特征的研究较少。

本文选取以“纳沙”为代表的西径型台风和以“天兔”为代表的东径型台风, 研究不同台风路径下, 磨刀门水道盐水入侵的差异性响应过程, 针对远风产生的增减水效应和局地风对水流运动的直接作用, 深入探究其影响机制。

1 实测资料分析

磨刀门水道地处中国南部沿海地区, 面向南海, 属于亚热带季风气候区, 每年洪季受热带气旋影响较为频繁。本文选取2011年17号台风“纳沙”和2013年19号台风“天兔”, 二者分别从磨刀门水道的西、东两侧过境, 分析不同路径的台风对磨刀门水道盐水入侵的影响。

“纳沙”为2011年登陆珠江的年度最强台风, 如图1中台风移动路径所示, “纳沙”于9月24—30日从研究区域的西侧过境。移动过程中, “纳沙”先后于9月26日23时和29日7时两次加强到强台风强度且长期维持在台风强度。从澳门大潭山(图1W点)2h/次的风矢量图(图2a)可以看出, “纳沙”过境期间, 风向由之前持续的偏北风, 突然沿顺时针转到东南风, 风速最大可达13.9m·s–1, 之后随着台风消散又转为偏北风。台风“天兔”的移动路径与“纳沙”不同, 于9月17—23日期间从磨刀门东侧过境。“天兔”是2013年全球最强台风, 其移动过程中, 台风风势持续强劲, 大部分时间都是强台风和超强台风等级。从澳门大潭山2h/次的风矢量过程(图2b)可以看出, “天兔”过境期间, 风向从偏东风转到偏西北风, 21日至23日期间随着台风的临近, 风速持续增大, 最大达到11.8m·s–1, 之后随着台风登陆风速不断减小。不同的台风路径导致磨刀门水道受不同方向的强风影响, 受“纳沙”影响期主要盛行顺河口向上游的风, 而“天兔”影响期主要盛行顺河口向下游的风。

图1 研究区域及台风路径图TD: 热带低压; TS: 热带风暴; STS: 强热带风暴; TY: 台风; STY: 强台风; tr1、tr2、tr3为所选横断面; M为所选分析点; A-A为所选纵断面

磨刀门水道盐水入侵主要受径流和潮汐的相互作用, 大径流量对盐水入侵有明显的抑制作用。“纳沙”和“天兔”都发生在9月洪季, 但是盐水入侵情况却截然不同。如图3所示, 平岗泵在“纳沙”期间连续15天测到盐度, 而“天兔”期间盐度却一直为零。观察其流量过程, 可以初步得到解释, 即两个时期上游流量悬殊。2011年珠江流域遭受干旱灾害, 9月期间流量在2000m3·s–1左右, 利于盐水上溯。而2013年9月正值洪季, 流量大于5000m3·s–1, 极大地抑制了盐水上溯。为避免流量差异过大的影响, 因此下文探讨“纳沙”和“天兔”不同台风路径对盐水入侵的影响时, 采用数值试验的方法, 取相同的定流量作为上游流量边界进行分析。

图2 纳沙(a)、天兔(b)期间实测风速矢量图图中虚线框为台风期影响时期

图3 纳沙(a)、天兔(b)期间实测表层盐度和流量过程图

2 数值模型及机制分析方法

2.1 数值模型

2.1.1 模型建立

磨刀门水道三维水流盐度数值模型采用Zhang等(2016)在SELFE并行版的基础上开发的SCHISM (Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)跨尺度湖泊-河流-河口-海洋水动力模型, 该模型在水动力模型基础上耦合了波浪、生态、水质、风暴潮等模块, 广泛用于河口海洋水动力问题研究。模型水平方向采用无结构网格(图4), 共有25998个网格单元, 15046个节点, 垂向采用SZ混合坐标, 输运方程采用TVD2(高阶隐式平流格式)进行求解。上游流量边界和外海水位、盐度边界从珠江大范围潮流数学模型提取, 二维模型范围及网格如图4所示, 共有91161个网格单元、81049个节点。大范围二维模型上游边界为实测流量, 外海水位由潮汐预报值和实测水位值综合率定调整而来, 盐度边界为定值33‰; 风速条件采用构建的台风场计算得出, 台风场由基于Myers气压模型构建的台风经验模型风场叠加CCMP/NECP背景风场而来, 详细构建方法参见叶荣辉等(2013)。模型运行102天达到稳定状态。

图4 大范围二维模型网格(a)和磨刀门水道三维模型网格(b)

2.1.2 模型验证

采用“纳沙”和“天兔”期间实测水位和表层盐度数据对模型进行验证, 水位及盐度测站位置如图1所示。模型结果验证图如5、6所示, 由于台风期外海风浪较大, 大横琴部分盐度数据缺测。计算了各个验证点的均方根误差(RMSE)附于验证图上, 显示模型验证结果较好, 模型可以用于后期分析。

图5 纳沙(2011年)、天兔(2013年)期间不同测站实测和模拟水位对比图

图6 纳沙(2011年)、天兔(2013年)期间不同测站实测和模拟表层盐度对比图

2.2 盐通量机制分析方法

为分析台风期盐度输运的动力机制, 采用Lerczak等(2006)提出的盐通量机制分解方法, 其中总盐通量s表示为:

式中, 方括号表示33小时的低通滤波;为法向流速,为盐度,为断面面积, 方括号内横断面积分则得到瞬时的盐通量值。而s可被分解为:

式中,和被分解为潮平均和断面平均项(0和0)、潮平均和断面变化项(E和E), 以及潮汐变化和断面变化项(T和T)。机制分解结果显示, 盐通量输运取决于潮平均断面平均的平流输运(f0)、潮平均剪切扩散(E)和潮汐震荡(T)三者动力输运的平衡。此外, Lerczak等(2006)特别指出,E和T项主要驱动盐分向陆输运, 而f0项主要受上游径流量影响, 驱动盐分向海输运。

3 结果分析与讨论

根据前文实测数据分析部分可知, 纳沙和天兔过境时间虽然都在9月, 但是由于不同年份旱涝灾害情况不同, 导致上游径流量差异较大。而磨刀门水道作为强径弱潮型入海水道, 其盐水入侵形势受径流影响很大。故本文在探讨不同台风路径对磨刀门水道盐水入侵影响过程中, 为排除径流效应, 两次台风期间取相同的上游定流量边界。数值试验方法为: 大模型边界2取2000m3·s–1的定流量(其余上游流量边界根据边界2按分流比给定值)分别在纳沙和天兔验证好的数值案例基础上运行, 得到小模型流量边界, 而纳沙和天兔期间的小模型水位、盐度边界和风速条件, 与经实测数据验证过的模拟案例保持一致, 数值试验的详细设置见表1。

表1 数值试验汇总表

注: “无局地风”即磨刀门水道三维模型没有风输入

3.1 不同台风路径导致的差异性增减水响应过程

利用2000m3·s–1流量下纳沙和天兔期间磨刀门水道三维数学模型, 对比分析西径型和东径型台风对水体运动的影响。从台风特征来看, 纳沙期间(图7中空心箭头所示), 台风前期(29日10时前)风速大致垂直于水道, 之后风速方向转为顺河口向上游, 且风速整体较大, 在5m·s–1以上; 天兔期间(图8), 主要盛行顺口向下游的风, 而风速整体较小, 在3~5m·s–1, 台风后期风速增大, 22日19时达到10.2m·s–1。从台风期水位的响应过程来看, 纳沙期间, 水位整体升高至少0.2m, 29日10时至12时高水位期水位增高更为明显, 升高到1.8m, 较平时涨了0.4m, 可见纳沙导致的增水现象十分明显; 天兔期间, 水位整体降幅不大, 但是22日5时至7时落潮期, 低水位持续时间较长, 不同于平时降到低水位后迅速涨水, 可见天兔造成一定的减水效应。总体看来, 以纳沙为代表的西径型台风影响下, 磨刀门水道盛行顺河口向上游的风并产生增水效应, 而以天兔为代表的东径型台风影响下, 水道盛行顺河口向下游的风并产生减水效应。

进一步, 分析磨刀门水道横断面水量和盐分的输运情况, 验证增减水效应, 探究盐分输运特征。根据Kuo等 (1992)提出的公式(3)计算体积输运, 分析断面水通量的变化情况:

其中,指断面水通量,指某一横断面每个小单元的面积,指断面每个小单元的法向流速(流速方向以向海为正, 向陆为负)。计算得到三个横断面(位置见图1)随潮汐变化的水通量变化过程, 取12h的平均过程绘出图9。对比纳沙和天兔期间水体输运过程可以发现: 纳沙期间, 9月29日12时前, 水通量总体较小且以向海输出为主, 而29日前半日突然有较多水量向陆输送, 之后连续24h大量向海回落, 充分印证了外海增水引起的向陆水通量突然增大, 可见纳沙影响显著; 天兔期间, 水通量总体向海输出, 尤其是9月22日至23日12时, 输出总量较大, 与天兔期间的减水效应相对应。从断面盐通量过程(图10)来看, 磨刀门水道断面盐通量变化过程与水体输运过程保持一致。纳沙期间, 28日12时至29日12时有较多盐分向陆输运, 是增水导致高浓度盐度进入水道所致; 天兔期间, 21日有盐分向陆输入, 可能是顺河口向下游的风较小, 加强盐淡水层化, 使得盐水从水道底层上溯, 而22日至23日12时向海输出较多盐分, 为风应力增大后减水效应下盐水向海运动。

采用盐通量机制分解方法, 分析盐度的输运过程, 结果如图11所示。从沿程分布来看, 从断面tr1至tr3盐通量变化幅度逐渐减小, 这主要与盐度入侵距离相关, 外海潮汐上溯动力从口门向上游不断减弱, 平流项和震荡项也随之沿程减弱, 而剪切输运项沿程变化不大, 主要因为断面流速、盐度剪切较大, 水道沿程形成重力环流, 促进盐分向陆输运。对比台风纳沙和天兔期间的动力输运特征可以发现: 纳沙期间, 盐通量总体输运强度较大, 其中平流通量发生显著变化, 通常情况下向海输运的平流项, 在28、29日期间转为向陆输运, 导致净向陆的总盐通量(S)大幅增加, 震荡项和剪切项也随之略有增加; 天兔期间, 盐通量总体输运强度较弱, 21日震荡项和剪切项有所增大, 导致净盐通量向陆, 而22、23日期间向海的平流通量明显增大, 将盐分完全带出水道。平流通量的变化与水体输运密切相关, 受台风增减水影响显著, 西径型台风造成外海增水, 逆转了原本向海方向的平流通量, 导致大量高盐水从口门向上游涌入, 造成磨刀门水道产生更严重的咸潮灾害, 而东径型台风导致外海减水, 平流通量向海增大, 盐度向口门外输出, 缓解盐水上溯形势。

图7 2000m3·s–1流量下纳沙期间磨刀门水道水位和水深平均流速过程图空心箭头表示风速

图8 2000m3·s–1流量下天兔期间磨刀门水道水位和水深平均流速过程图空心箭头表示风速

图9 2000m3·s–1流量下纳沙(a)、天兔(b)期间横断面 tr1、tr2和tr3的半日平均水体积输运正值表示向海, 负值表示向陆

图10 2000m3·s–1流量下纳沙(a)、天兔(b)期间横断面tr1、tr2和tr3的半日盐通量正值表示向海, 负值表示向陆

图11 2000m3·s–1流量下纳沙(左)、天兔(右)期间的盐通量33h滤波, 正值表示向海, 负值表示向陆, 虚线框表示台风影响阶段; FE、FT、QFS0、FS分别指剪切扩散盐通量、潮汐震荡盐通量、平流输运盐通量和总盐通量

3.2 流量变化对不同台风路径下盐度输运的影响

针对台风期平流项的大幅变化, 改变上游径流量, 如表1中设定的数值试验(N-1、N-2、N-3、N-4、N-6、N-8, U-1、U-2、U-3、U-4、U-6、U-8), 并选取中间tr2断面分析径流量变化对盐通量的影响。

结合图12和图13分析发现, 径流量变化后, 平流项、震荡项以及总盐通量均有较大变化。当径流量减小时, 对比图12中1000和2000m3·s–1径流情况: 纳沙期间, 较低径流量下, 平流项明显向陆增大, 震荡项和剪切项向陆略有减小, 净盐通量向陆输运加强; 天兔期间, 各项变化趋势与纳沙基本一致, 平流项甚至从向海输运转为向陆输运, 而剪切项几乎保持不变。当径流量增大时, 对比图12中2000和4000m3·s–1径流情况: 纳沙期间, 较高径流量下, 平流项由向陆输运大致转为向海输运, 震荡项和剪切项向陆均有增大, 净盐通量向陆输运减弱; 天兔期间, 平流项明显向海增大, 震荡项向陆增大, 但是剪切项向陆减小, 净盐通量向陆输运明显减弱。

图12 1000、2000、4000m3·s–1流量下纳沙(左)、天兔(右)期间断面2盐通量图(33h滤波)

选取特征时刻, 对比各流量下的盐通量变化情况, 如图13。所选时刻均在台风期, 且净盐通量为向陆输运。纳沙(选取29日0时)期间盐水上溯严重, 断面盐通量较大, 当径流量不断增大时, 净盐通量向陆输运明显减弱, 平流项向陆输运不断减小, 径流量大于6000m3·s–1后转为向海输运并逐渐增大。震荡项随径流量的变化也十分明显, 径流量越大, 向陆的震荡项越大。天兔(选取22日12时)期间盐水入侵较弱, 断面盐通量较小, 当径流量增大时, 净盐通量向陆输运明显减弱, 流量为8000m3·s–1时, 断面净盐通量为零, 结合图14盐水入侵长度线可知, 径流量为8000m3·s–1时盐度未能上溯到断面2。随着径流量增大, 向海的平流项和向陆的震荡项呈抛物线形式变化, 当径流量小于4000m3·s–1时, 二者不断增大, 而径流量大于4000m3·s–1后, 二者受限于水道盐度的整体下降, 而不断减小。纳沙和天兔期间, 随着径流量的加大, 剪切项却呈现出几乎相反的规律, 即纳沙期间剪切项不断增大而天兔期间剪切项略有增大后不断减小。其主要原因在于, 纳沙期间水道沿程含盐度高, 径流越大, 盐度梯度越大, 形成的重力环流越强, 使得剪切输送的盐度越多, 而天兔期间, 水道沿程含盐度低, 径流从1000m3·s–1增大到2000m3·s–1时尚能增强重力环流, 径流更大时, 则将上游盐分带出口外, 沿程盐度梯度减小, 重力环流不断减弱, 剪切输送随之减小。

图13 不同径流量下纳沙(29日0时)和天兔(22日12时)期间断面2盐通量对比图

沿纵向断面A-A选取2‰作为临界盐度绘出盐水入侵长度线, 如图14所示。纳沙期间, 盐水上溯距离较长, 低径流量盐水上溯更远, 高径流量盐水上溯受到抑制。径流量高于3000m3·s–1时, 台风期盐度则不能上溯到平岗泵处, 径流量大于4000m3·s–1时, 平岗泵基本不受咸潮影响。天兔期间, 盐水上溯距离较短, 即使是1000m3·s–1流量下, 也未能上溯到平岗泵处, 主要原因在于台风之前受汛期径流量大的影响, 近海盐度普遍低于纳沙时期, 加上台风减水期间潮汐动力较弱, 盐水上溯动力不足。同样, 与纳沙期间规律一致, 随着径流量不断加大, 盐水上溯距离逐渐变短。

总体看来, 径流量对盐水上溯影响显著, 低径流量时, 平流项向陆输运加强(或向海输运减弱), 盐通量净向陆增加, 盐水上溯更远, 而高径流量时, 平流项向陆输运减弱(或向海输运加强), 盐通量净向陆减弱, 盐水上溯受到抑制。

图14 不同流量(颜色实线, 单位: m3·s–1)下纳沙(a)、天兔(b)期间磨刀门水道底层盐水(2‰)上溯距离(33h滤波)

3.3 不同台风路径产生的不同方向局地风对盐度输运的影响

风直接作用于水表面, 不仅能够改变表层流速的大小, 还能够通过埃克曼输运(Ekman transport)改变垂向上的流速分布, 进而影响盐度分布。选取磨刀门水道深槽处的点M(位置如图1所示), 对比台风期间有无局地风作用下, 该点涨落潮期间的垂线流速和盐度分布情况。具体分析的潮周期时刻如图15所示, 其中a、b、c、d分别代表潮周期涨憩、落急、落憩、涨急四个特征时刻, 得到的垂线流速和盐度分布结果如图16、17、18所示。

纳沙期间盛行顺河口向上游的风, 如图16所示, 所选潮周期内风速较强, 在5.0m·s–1以上。从垂线流速分布来看, 与无风条件(N-nlw)对比, 有风(N-2)情况下, 表层流速向陆增加, 中、底层流速向陆减小, 特别是落憩时刻的流速受到较大影响, 使得表层原本向海的流速转而向陆, 破坏了落憩时刻的重力环流结构, 加强了水体混合。从垂线盐度分布来看, 有风情况下, 涨憩至落急时刻的垂线盐度均低于无风情况, 而落憩至涨急时刻, 受表层流速向陆增加、底层流速向陆减小的影响, 表层盐度加大而底层盐度降低, 表底层盐度差不断减小。

图15 纳沙(2011年)、天兔(2013年)期间选取分析的时刻标志a、b、c、d分别对应涨憩、落急、落憩、涨急四个时刻

图16 纳沙(2011年)期间有无局地风条件下(N-2和N-nlw)水道M点垂线流速、盐度分布图中虚线为流速方向区分线, 流速正值表示向海, 负值表示向陆; z为水深值, H为总水深值

天兔期间盛行顺河口向下游的风, 且风速变化分为两个阶段: 台风前期(22日14时前)风速较小, 在5m·s–1以下, 但持续时间长; 后期(22日15—24时)风速较大, 在5m·s–1以上, 最大可达11.4m·s–1, 但是持续时间短。因此针对两个阶段的风况, 分别选取不同时段的潮周期(如图15, 天兔期间, 分别对应两个涨憩、落急、落憩、涨急周期), 分析垂线流速、盐度变化特征。

台风前期, 顺河口向下游的风速大小在4~5m·s–1, 如图17所示。从垂线流速分布来看, 与无风条件(U-nlw)相比, 有风(U-2)情况下, 表层流速向海增加, 涨憩时刻形成表层向海、底层向陆的环流, 落急时刻表、中层流速向海增加, 而底层向海减小, 落憩时刻流速变化不大, 涨急时刻影响最为明显, 表、底层流速均向陆减小, 而中上层流速向陆增大。从垂线盐度分布来看, 有风情况下, 底层盐水明显增大, 涨憩时刻垂向盐度较无风情况已整体增大1‰, 盐水入侵较多, 落急时刻随着表层流速向海增大导致表层盐度流失较快, 底层流速向海减小使得盐度流失较慢, 表底层盐度差进一步加大, 落憩时刻除底层盐度略有偏大外, 表、中层盐度较无风情况偏小, 形成一定的盐度差, 涨急时刻随着表、底层向陆流速减小, 中层流速加大, 盐水从中、底部入侵较多, 表底层盐度差进一步加大。

图17 天兔(2013年)期间有无局地风条件下(U-2和U-nlw)第一阶段水道M点垂线流速、盐度分布

台风后期, 顺河口向下游的风增强(图18), 风速大小在5m·s–1以上, 但由于其持续时间短, 未能覆盖一个完整的潮周期, 故选取的涨憩时刻风速仍偏小。从垂线流速分布来看, 与无风条件(U-nlw)相比, 有风(U-2)情况下, 表层流速较一定风速强度下进一步向海增大, 风的扰动作用加强, 且扰动范围从表层向水下加深; 落急时刻表层流速向海增大, 而中、底层几乎不变; 落憩时刻加强了表层向海、底层向陆的环流; 涨急时刻影响依然最为明显, 表层向陆流速明显减弱, 中层向陆流速明显增大, 底层向陆流速稍有减小。从垂线盐度分布来看, 有风情况下, 盐度整体偏小, 落急时刻表层盐度随流速向海输出较多, 而底层影响不大; 落憩时刻即使环流加强, 底层盐度也未有增加, 且中层盐度显著减小; 涨急时刻垂线盐度整体偏小, 盐水人侵强度减弱。

图18 天兔(2013年)有无局地风条件下(U-2和U-nlw)水道M点垂线流速、盐度分布图

综合两种风强度影响来看, 顺河口向下游的风对涨潮时的流速、盐度分布作用最为明显。一定的风强度下, 风对表层流速有所扰动, 表层流速向陆减小, 中、上层流速向陆增大带动中层较高盐度向陆输运, 并向底层扩散, 由涨急至涨憩时期, 中、底层盐度不断累积, 表底层盐度差增大, 盐水入侵不断加强。风速过强时, 风对流速的扰动向下扩深, 表层流速向陆减小较多, 表、中层盐度随之减少, 底层盐度随中层流速向陆增大而有所增加, 但垂线盐度整体降低, 盐水入侵强度减弱。此外, 在落潮期间, 一定风强度下, 底层流速的减小能减缓底层盐度向海输出, 水道形成较强的分层, 而过强的风力下, 除表层流速向海增大外, 中、底层流速变化不大, 总体上加快了盐度的向海输出。

为分析局地风对水体分层的影响, 采用Hansen等 (1966)提出的分层系数进行对比:

式中, 为底层盐度, 为表层盐度, 为垂线平均盐度。根据分层系数将河口划分为高度分层(>100), 部分混合(10–2 ~100)和强混合(<10–2)三种类型。绘出有无局地风条件下, M点的分层系数变化曲线, 如图19。整体来看, 纳沙期间水道一直处于高度分层状态, 分层的强弱随涨落潮变化, 且受到局地风的重要影响; 天兔期间水道大部分时间处于高度分层状态, 20日至22日落潮期间, 受局地风作用, 水体混合较强。

针对台风期的特殊局地风作用, 分析其对分层的作用效果, 风作用范围如图19中虚线框标出。纳沙期间盛行顺河口向上游的风, 有风条件下, 分层明显减弱, 与前面垂向流速、盐度分布相对应, 风力加强了水体混合, 促进盐度向海输出。天兔期间, 与无风情况相比, 前期一定风力强度下, 盐度分层加强, 是因为表层的风生流使得表层水体运动加快, 而底部水体受底摩擦影响运动较慢, 盐度从底层上溯, 表底层盐度差逐渐加大, 而在后期过强的风力下, 盐度分层减弱, 原因在于风对水体运动的作用范围从水表面向水下延伸, 加强了水体的垂向混合。进一步印证了Scully等(2005)、Purkiani等(2016)的观点, 即顺河口向上游的风会加强水体混合, 减弱盐淡水分层, 而一定强度的顺河口向下游的风会增加盐淡水分层, 过强的顺河口向下游的风则减弱盐淡水分层。

进一步, 对比有无局地风作用下盐通量各项分布(图20), 整体来看, 风通过改变流速和盐度分布, 对盐通量产生重要影响。西径型台风带来顺河口向下游的风, 与无风情况对比, 有风条件下, 剪切项明显向陆减小, 震荡项向陆略有减小, 平流项向海先增大后减小, 总体加快了净盐通量的向海输出。东径型台风带来顺河口向上游的风, 前期一定风强度下, 剪切项向陆增加, 震荡项向陆明显增加, 平流项向海增大, 净盐通量向陆输运加强; 后期强风作用下, 剪切项向陆先增大后减小, 震荡项向陆明显减小, 平流项向海先增大后减小, 净盐通量向海输出加强。与流速、盐度分布及分层系数结果一致。

总体看来, 在西径型台风下, 顺河口向上游的风会减弱重力环流, 加强水体混合, 减弱盐淡水分层并促进盐度向海输出。在东径型台风下, 顺河口向下游的风的作用取决于风的强度, 一定的风强度下, 盐淡水分层加强, 盐度向陆输运加强, 但当风速过强时, 则会增强垂向扰动, 削弱盐淡水分层, 促进盐度向海输出。

4 结论

本文采用SCHISM建立三维水动力数值模型, 研究了台风路径对磨刀门水道盐水入侵动力机制的特殊影响。选取以“纳沙”为代表的西径型台风和以“天兔”为代表的东径型台风, 它们都在9月生成且台风强度大, 但由于路径不同, 给磨刀门水道带来了不同方向的风应力作用。模型抓住了两场台风的特点, 与实测水位、盐度数据验证较好。鉴于两次台风过程径流量悬殊, 对盐水入侵产生较大影响, 故设计数值试验, 取相同径流下的两场台风作用结果进行对比。

图20 纳沙(2011年)、天兔(2013年)期间有无风条件下断面2盐通量各项对比图

磨刀门水道对两次台风过程的响应结果表明: 不同的台风路径对应着磨刀门水道受不同方向的风应力作用, 进而产生相反的增减水效应, 而海面增减水对盐通量机制中的平流通量项影响较大, 改变了盐度输运过程。其中, 东径型台风带来顺河口向下的风应力作用, 并产生外海减水, 导致平流项向海增大, 在一定程度上缓解盐水入侵; 西径型台风带来顺河口向上的风应力作用, 并产生外海增水, 逆转了原本向口外输出盐度的平流通量, 导致大量高盐水从口门向上游涌入, 造成磨刀门水道发生更严重的咸潮灾害。针对平流项的重要影响, 设计流量敏感性试验进一步分析发现: 无论东径型或西径型台风期间, 当流量减小时, 平流项随之向陆增加(或向海减小), 震荡项向陆减小, 盐通量净向陆增加, 盐水上溯加剧; 流量增大时, 平流项随之向海增大(或向陆减小), 震荡项向陆增大, 盐通量净向陆减小, 可以有效抑制盐水入侵, 当流量增大到4000m3·s–1时, 水道平岗泵站往上基本不受咸潮影响。台风不仅引起外海的增水效应, 还带来强劲的局地风作用, 对水道流速分布及盐度输运产生重要影响。西径型台风下, 顺河口向上游的风会减弱重力环流, 盐淡水分层随之减弱, 剪切项向陆减小, 加快了净盐通量的向海输出。而在东径型台风下, 顺河口向下游的风的作用取决于风的强度, 一定的风强度下, 盐淡水分层加强, 剪切项和震荡项均向陆增加, 净盐通量向陆输运加强, 但当风速过强时, 风对水体的垂向扰动增强, 削弱盐淡水分层, 震荡项向陆明显减小, 净盐通量向海输出加强。

总之, 西径型台风带来的增水作用对磨刀门盐水入侵影响最为显著, 虽然顺河口向上游的风在一定程度上利于盐度向外海输出, 但受潮汐、地形等因素影响, 大量涌入水道的高浓度盐水难以及时排出水道。东径型台风前期在一定强度的风力作用下, 盐度净向陆输运略有增强, 但受外海的减水效应影响以及后期强风作用下, 盐水入侵距离迅速减弱。

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The particular influence caused by typhoon path on salt intrusion in the Modaomen Waterway, China

PAN Mingjie1, 2, KONG Jun1, YANG Fang3, LUO Zhaoyang1, ZHANG Weisheng1, JING Li1, 4, WANG Qing1, LI Zhanchen5

1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China; 2. Nanjing Hawksoft Technology Company Limited, Nanjing 211100, China; 3. Scientific Research Institute, Pearl River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China; 4. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China; 5. Beihai Navy Engineer Design Institute, Qingdao 266012, China

As global warming intensifies, the intensity of typhoon and the number of powerful typhoons have been increasing, which exacerbate the changing situation of salty tide disaster in the Modaomen Waterway. A three-dimensional baroclinic model was applied with SCHISM (semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model) in the Modaomen Waterway to analyze the effect of typhoon path on saltwater intrusion. Taking Typhoon Nesat (the west-path typhoon) and Typhoon Usagi (the east-path typhoon) as examples, different dynamic responses of saltwater transport and stratification were revealed. The east-path typhoon led to the set-down of coastal sea level, which increased the oceanward advective flux. However, the west-path typhoon led to the set-up of coastal sea level, which promoted the oceanward advective flux landward and caused more serious saltwater intrusion. Apart from the effect on coastal sea level, typhoons also cause strong local winds, which have important influences on velocity field and saltwater transport. The up-estuary local wind caused by the west-path typhoon tended to reduce stratification and increase the oceanward advective flux. However, the down-estuary local wind caused by the east-path typhoon tended to enhance stratification under moderate wind, but it reduced stratification when the wind stress increased.

saltwater intrusion; typhoon path; numerical model; Modaomen Waterway

P731.2; P732.6

A

1009-5470(2019)03-0053-15

10.11978/2018081

2018-08-06;

2018-11-24。林强编辑

水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室开放研究基金([2018]KJ07); 海岸灾害及防护教育部重点实验室开放基金(201706)

潘明婕(1993—), 女, 硕士, 主要从事河口海岸水动力机理及模拟技术研究。E-mail: panmingjie1993@126.com

孔俊。E-mail: kongjun999@126.com

2018-08-06;

2018-11-24. Editor: LIN Qiang

Open Research Fund of Key Laboratory of Pearl River Estuary Dynamics and Associated Process Regulation, Ministry of Water Resources ([2018]KJ07); Open Fund for Key Laboratory of the Ministry of Coastal Disaster and Protection Education (201706)

KONG Jun. E-mail: kongjun999@126.com