台风“米娜”影响下的杭州湾风暴潮特征及对咸潮的影响

左常圣，黄清泽，潘嵩，任兴元

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.自然资源部宁德海洋中心，福建宁德 352000）

0 引言

风暴潮灾害在我国海洋灾害中影响最大，导致的直接经济损失也最为严重[1-2]，已成为我国海洋防灾减灾面临的重大挑战之一[3]。台风风暴潮是浙江沿海地区主要的海洋灾害之一[4]，风暴增水会造成杭州湾海域持续高水位，枯水期则会加剧咸潮入侵，影响钱塘江取水安全[5]。

风暴潮的研究方法包括理论方法、统计预报方法和数值模拟方法[6]。20 世纪80 年代以来我国风暴潮数值模拟取得了长足发展，在各个海区的应用中都取得了良好的效果[7-8]。在强潮海区，风暴潮和天文潮的非线性相互作用是影响台风风暴增减水特征的重要因素之一，特别是在浅海区域，两者的非线性相互作用更为明显[9-10]，近年来国内外学者对此做了许多探讨，结果表明考虑了天文潮-风暴潮非线性耦合作用的数值模拟结果可以更好地反应研究海域的风暴增减水特征[11-12]。径流与潮汐是河口咸潮入侵的主要因素，而海平面上升和风暴增水等因素会加剧河口的咸潮入侵灾害[5]。随着全球气候变暖，袭击我国沿海的热带气旋的频次与强度都有所增加[13-14]。钱塘江河口是典型的强潮河口，咸潮入侵是影响河口段用水水质安全的重要制约因素，是咸潮入侵研究的重点关注区，认识风暴潮期间钱塘江咸潮入侵的特点具有重要的意义。2019年9月30日—10月2日，台风“米娜”影响福建、浙江和江苏沿海，期间沿海最大风暴增水超过110 cm，风暴增水加剧了钱塘江口咸潮入侵。

1 数据简介

1918 号台风“米娜”特征数据来自中央气象台台风官网（网址：http://typhoon.nmc.cn/web.html）。台风“米娜”于2019年10月1日20时30分（北京时，下同）在浙江省舟山市普陀区沈家门沿海以台风级别登陆，登陆时中心气压为980 hPa，中心最大风力为9级。

潮位数据来源于自然资源部以及地方海洋站的观测数据，包括芦潮港、滩浒、岱山和沈家门4 个潮位站，数据的时间范围为2019年9月28日—10月5日，各潮位站位置见图1，其中，岱山站和沈家门站距离台风“米娜”的移动路径较近，芦潮港站和滩浒站位于台风移动路径西侧。天文潮数据来源于国家海洋信息中心潮汐预报结果。钱塘江河口的咸潮入侵数据来源于中国沿海海平面变化影响调查业务化成果。

图1 舟山附近海域水深（a）及计算网格（b）Fig.1 Depth and grid around Zhoushan sea area

2 风暴潮模型设置与验证

2.1 ADCIRC模型

为了能够较好地模拟风暴潮在近岸曲折岸线、复杂地形中的传播过程，本文应用ADCIRC 模型开展了杭州湾附近海域的风暴潮数值模拟。ADCIRC采用广义波动连续方程GWCE（Generalized Wave Continuity Equation）求解水位。在笛卡尔坐标系下连续方程和运动方程如下：

其中：

垂向积分二维动量方程如下：

式中：ζ为水位；U、V分别为x、y方向垂向平均流速；H为总水深；f为科氏力参数；Ps为气压；ρ0为水密度；η+γ为地潮及潜潮等引起的水位；τsx、τsy、τbx、τby为海表面切应力和底切应力；Dx、Dy、Bx、By分别为侧向应力梯度和动量耗散项。

2)冷水年,菲律宾反气旋的存在使得副高西伸加强,显著加强了其西侧暖湿气流向江南地区输送,高层辐散抽吸作用导致江南地区对流上升运动增强,暖水年相反,表明冷(暖)水年对应着江南雨季降水偏多(少)。

2.2 台风风场模型

本文在进行台风风暴潮数值模拟过程中，采用高桥公式[15]计算台风的气压场：

台风风场采用梯度风和移行风叠加而成：

梯度风风速由气压场通过梯度风关系得到：

台风移行风场采用宫崎正卫公式[16]计算：

式中：r为计算点到台风中心的距离；R为台风最大风速半径；P∞为外围气压；P0为台风中心气压；f为科氏参数；θ为计算点到台风中心的连线与正东方向的夹角；β为梯度风和海面风的夹角；Vx、Vy分别为台风中心移速在正东和正北方向的分量；c1、c2为订正系数。此外，在台风外围考虑背景风场，台风中心附近仍使用台风模型风场，构造出合成的台风风场。合成方法为：

式中：为合成风场；为台风模型风场；为背景风场；c=（r-R1）/（R2-R1），R1、R2取值为常数，分别为200 km 和400 km。

文中使用CCMP（Cross Calibrated Multi-Platform）海面风场数据作为背景风场，该数据同化了QuickSCAT、ASCAT、Windsat 等多种海洋被动微波和散射计遥感平台采集的海面风场数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h。

2.3 模型设置

研究区域为舟山群岛附近海域，该海域岛屿众多，岸线曲折，海底地形复杂。为充分考虑大范围水体传播和大尺度天气过程的影响，提高风暴潮模拟的准确度，模型计算范围涵盖渤海、黄海以及东海的大部分区域（见图1）。模型网格在外海开边界附近空间分辨率最低为62 km，在舟山附近海域进行局部加密，最高空间分辨率为120 m，模型网格三角形个数为110 454，节点数为58 400。模型水深采用GEBCO（General Bathymetric Chart of Oceans）地形数据插值得到，该数据由政府间海洋学委员会（Intergovernmental Oceanographic Commission）和国际水道测量组织（International Hydrographic Organization）提供，在近岸地区采用海图水深进行订正。模型采用冷启动，即初始时刻流速和水位均设为0。在开边界处利用日本国家天文台建立的NAO99 中的8 个主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1）进行驱动，表面的风场和气压场由2.2 节建立的台风场模型计算得到。模式中时间步长为3 s，模拟时间为2019年9月25日—10月5日。

2.4 模型验证

2.4.1 潮位验证

对模型模拟的潮位结果进行验证，选取舟山附近海域的芦潮港、滩浒、岱山和沈家门4个验潮站的逐时潮位和模拟结果进行对比，对比时间为9 月28日—10 月5 日。各验潮站对比结果见图2，图中黑色实线为潮位实测值，红色实线为模拟值。从图中可以看出各验潮站潮位的实测值和模拟值结果吻合良好，变化趋势基本一致。经过误差统计，芦潮港、滩浒、岱山和沈家门这4个验潮站模拟逐时潮位的平均绝对误差分别为22 cm、19 cm、10 cm和14 cm。

图2 潮位实测和模拟对比Fig.2 Comparison of measured and simulated astronomical tides

2.4.2 风暴增水验证

在风暴增水过程中，天文潮-风暴潮之间的非线性相互作用也是不可忽略的重要影响因子。为了分析台风“米娜”影响期间，舟山附近海域天文潮-风暴潮之间的非线性作用，利用建立的风暴潮模型进行两组数值试验，其中，控制试验中模型由气象强迫和潮强迫共同驱动，得到的水位为ηT+S，无潮试验中模型仅由气象强迫进行驱动，得到的水位为ηS。天文潮-风暴潮的非线性作用ηI=ηT+S-ηT-ηS，式中ηT为天文潮模拟结果得到的水位。

图3 为1918 号台风“米娜”影响期间，舟山附近海域4 个验潮站风暴增水的实测值和模拟值，图中黑色实线为实测值，红色实线为控制试验模拟值ηSI，蓝色实线为无潮试验模拟值ηS。表1为台风“米娜”过程各站实测和模拟最大增水和最大增水时间。如图3 所示，考虑天文潮作用的控制试验得到的风暴增水与实测的风暴增水吻合得更好，芦潮港、滩浒、岱山和沈家门站控制试验得到的最大风暴增水和实测最大风暴增水的绝对误差分别为6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。仅考虑气象强迫的无潮试验则低估了最大风暴增水，其得到的各站最大风暴增水与实测最大增水的绝对误差超过10 cm。在对台风“米娜”风暴增水进行模拟时，天文潮-风暴潮之间的非线性作用是不可忽略的，本文建立的风暴潮模型能够较准确地模拟台风“米娜”引起的风暴增水过程。

表1 台风“米娜”期间最大增水情况Tab.1 The maximum storm surge during Typhoon"Mitag"

图3 风暴增水实测和模拟值对比Fig.3 Comparison of measured and simulated storm surge

3 结果与分析

3.1 风暴增水特征分析

图4 为台风“米娜”影响期间各站实测逐时风速、风向和风暴增水变化曲线，红色垂线代表台风登陆时间。9 月30 日—10 月1 日，各站风速开始缓慢增大，风向开始转变，沈家门站的风速从最开始的1.9 m/s增大到11.0 m/s，风向从东向转换为北向；各站的风暴增水呈现振幅较小的波动，随着台风“米娜”逐渐靠近舟山群岛，各站的风速开始迅速增大，均出现明显的风暴增水过程。岱山站的风速存在两个峰值，在1 日14 时达到第一个峰值（风速为24.0 m/s），在1 日20 时达到第二个峰值（风速为22.0 m/s），与其他各站风速达到峰值的时间较为接近，均发生在台风“米娜”登陆前后的2 h内。台风登陆前，芦潮港站、岱山站和滩浒站的风暴增水均呈上升趋势，风暴增水最大值分别为92 cm、83 cm 和111 cm，最大风暴增水的出现时间较为接近，均发生在台风登陆前后1 h 内，而沈家门站距离台风中心较近，在台风登陆前风速略有减小，风向转变，其增水在1 日16 时就达到了最大值74 cm。台风在登陆后开始逐渐远离杭州湾海域，各站风向转变、风速减小、风暴增水逐渐减小，甚至开始出现负增水。

3.2 天文潮-风暴潮非线性作用

图5为台风“米娜”期间各站天文潮、风暴增水、纯风暴增水和天文潮-风暴潮的非线性作用增水的变化曲线。台风“米娜”期间，天文潮-风暴潮的非线性作用在涨潮、落潮阶段达到最大值，且在落潮阶段的最值大于涨潮阶段，芦潮港、滩浒、岱山和沈家门这4 个站的天文潮-风暴潮非线性作用增水的最大值分别为35 cm、41 cm、21 cm 和24 cm ，这个值明显大于纯风暴增水。台风“米娜”引起的最大风暴增水发生在低潮附近，在风暴增水达到最大值的过程中，各站的天文潮-风暴潮非线性作用增水分别为24 cm、26 cm、14 cm 和4 cm，使得风暴增水也有所增加。

图5 天文潮-风暴潮变化曲线Fig.5 Time series of astronomical tide-storm surge

4 台风“米娜”对钱塘江咸潮入侵的影响

4.1 钱塘江咸潮入侵特点

图6 为钱塘江咸潮入侵月际变化示意图，从中可以看出，影响钱塘江咸潮入侵程度的因素有径流、潮汐、海平面等。钱塘江的径流在每年6、7月达到最大，8—12 月径流量相对较小，同时由于8—11月钱塘江沿海处于季节性高海平面期，在叠加钱塘江大潮的影响下，8—11 月钱塘江易发生咸潮入侵，其中9—10 月最为严重。8—10 月也是台风风暴潮灾害的高发期，风暴增水抬升了水位，增大向陆斜压力，会加剧咸潮入侵。

图6 2012—2019年钱塘江咸潮入侵月际变化示意图Fig.6 Inter-monthly variation of salt-tide intrusion of Qiantang River during 2012 to 2019

表2 为2019 年钱塘江咸潮入侵情况。2019 年9—12月钱塘江发生了6次较明显的咸潮入侵过程，均发生在天文大潮期，6 次咸潮入侵期间的富春江平均下泄流量为225 m3/s，最严重的一次发生在11 月25 日—12 月1 日，期间富春江平均下泄量为170 m3/s，南星水厂最大氯度值为2 670 mg/L。9 月28 日—10 月2 日富春江平均下泄量为452 m3/s，期间恰逢台风“米娜”影响，钱塘江发生较明显的咸潮入侵，在台风“米娜”作用期间，南星水厂取水口超标41 h，最大氯度值达到776 mg/L。

表2 2019年钱塘江咸潮入侵情况Tab.2 Salt-tide intrusion of Qiantang River in 2019

4.2 “米娜”台风期间钱塘江咸潮入侵特点

图7为风暴增水空间分布图。通过刻画风暴潮期间典型时刻的增减水的空间分布，分析台风“米娜”影响期间杭州湾附近海域风暴增水的特点以及对钱塘江咸潮入侵的影响。10 月1 日，台风“米娜”位于舟山群岛南部海域，此时在杭州湾附近海域出现一个明显增水过程。

图7 杭州湾风暴增水空间分布Fig.7 Spatial distribution of storm surge in Hangzhou Bay

表3 为台风期间钱塘江咸潮入侵和水位情况。对台风“米娜”期间的钱塘江监测站点的日最大氯度值与滩浒站日最大水位变化的时间序列进行相关性分析，相关系数约为0.88，入侵程度变化过程与风暴增水过程基本一致。如图7 所示，在台风登陆前0.5 h 左右（1 日20 时），杭州湾—舟山群岛附近海域均出现明显的风暴增水，且由于受海底地形、水深条件和地理位置条件影响，杭州湾内部海域的海水辐聚作用明显，增水明显高于外部岛屿附近海域的增水，最大增水幅度超过100 cm，当日南星水厂最大氯度值为776 mg/L，为本次影响过程的最高值。

表3 台风期间钱塘江氯度值和水位情况Tab.3 Chlorine value and water level of Qiantang River during typhoon

5 结论

利用海洋数值模型ADCIRC 建立杭州湾水动力模型，经验证模型能够较为真实地模拟杭州湾及附近海域的水动力环境及风暴增减水特征，在此基础上分析了台风“米娜”影响期间杭州湾风暴增减水的时空分布特征及对钱塘江咸潮入侵的影响。主要结论如下：

①台风“米娜”期间，杭州湾最大风暴增水发生在台风登陆前后1 h 内，芦潮港站、滩浒站、岱山站和沈家门站的最大风暴增水分别为92 cm、111 cm、83 cm 和74 cm，台风登陆后，随着风向的转变，杭州湾附近海域增水逐渐减小，并出现减水现象。

②在对台风“米娜”风暴增水进行模拟时，考虑天文潮作用的控制试验得到的风暴增水与实测吻合得更好，在各站控制试验得到的最大风暴增水与实测的绝对误差分别为6 cm、1 cm、6 cm 和7 cm。而仅考虑气象强迫的无潮试验低估了最大风暴增水，其得到的各站最大风暴增水与实测的绝对误差超过10 cm。天文潮-风暴潮之间的非线性作用对台风“米娜”风暴增水的影响明显，台风“米娜”引起的最大风暴增水发生在低潮附近，在风暴增水达到最大值的过程中，各站天文潮-风暴潮非线性作用增水分别为24 cm、26 cm、14 cm和4 cm。

③钱塘江咸潮入侵程度主要取决于径流和潮汐强度，风暴增水会在一定程度上加剧咸潮入侵灾害，台风“米娜”期间10 月1 日滩浒站最大增水为111 cm，同日南星水厂最大氯度值达到776 mg/L，影响取水安全。因此在台风期间需加强监测，提前做好相关预报，采取增大淡水流量和关闭取水口等措施进行科学应对。

钱塘江河口风暴潮期间咸淡水混合动力过程复杂，台风期间的降雨、风浪等因素都会影响咸潮入侵的特征，本文主要基于台风“米娜”期间杭州湾周边海域风暴增水的数值模拟结果以及实测资料，论述了台风对咸潮入侵的影响。下一步需收集更多相关资料，通过耦合数值分析等手段探讨台风期间钱塘江咸潮入侵的动力机制。