台风天气下通州湾港区附近海域风暴增水分布研究

陈自怡，潘 毅，罗广胜，于普兵

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098； 2.湖南省湘水集团有限公司，湖南 长沙 410000；3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

通州湾是江苏沿海建港的天然宝地，湾港区滩槽格局长期稳定，但处于南黄海辐射沙脊群南翼，易在极端天气下产生潮汐海流和海浪的剧烈变化，短期内破坏海域内的潮滩格局。因此，分析研究极端天气下通州湾海域的水位变化、波浪等特征具有重要意义。通州湾港区附近海域海岸稳定性研究表明，海域范围较大，且流场差异区域化明显，潮流主要呈现正规半日潮特征[1]；浅滩区流速明显小于深槽区，便于围填开发；冷家沙以北深水域开阔，受滩槽地形影响较小[2]。海域强浪向和常浪向与当地整体的地形格局存在较大交角，对陆侧水道深槽提供了有利的掩护条件[3]。对水道沙洲演变与动力泥沙环境特征的分析[4]发现，通州湾海域距离沙源地较远，海水含沙量在垂向分布上表现为底层高、表层低，潮次间呈现小潮期小、大潮期大的特征。通州湾海域的地形和潮汐环境复杂，目前研究主要集中在常规动力条件下通州湾海域水道沙洲的地貌塑造[5-6]，而对风暴增水空间分布研究较少。

通州湾港区建设规划时需要考虑极端天气下海域风暴增水的影响。本文通过量化不同特征台风产生的影响，开展对台风天气下通州湾港区附近海域风暴增水分布的研究。首先根据路径特征对台风进行科学分类，每类选取3 场典型台风。然后利用Delft3D 模型与ADCIRC 模型构建大小嵌套的风暴潮数学模型，并对选取的典型台风过程进行模拟。在此基础上，分析极端天气下通州湾海域的潮位分布特征，总结台风天气下通州湾海域的风暴增水特征和主要影响因素。

1 研究区域及典型台风选取

通州湾位于江苏东部沿海，南黄海辐射沙脊群南翼，海域面积约为300 km2，水港条件良好。海域内包括腰沙、冷家沙、横沙、乌龙沙、三沙洪-网仓洪水道、小庙洪水道等滩槽地貌单元。研究海域各区域的流场具有显著差异性，潮流受东海前进波控制呈现正规半日潮特征。外海前进波向岸传播时，在潮汐水道形成往复流，涨潮期与落潮期的最大流速分别发生在高潮前3 h 和落潮前3 h 左右；深槽处大潮期的垂向平均最大流速接近1.5 m/s，沙脊浅滩处大潮期的涨潮最大流速接近1.0 m/s[4]；海域强浪向和常浪向均在N～E 范围，而整体地形格局呈NW-SE 走向，二者交角较大，岸外沙洲和水下浅滩可对陆侧水道深槽的形成提供有利条件[3]。

为研究台风暴极端天气下通州湾海域的水位变化，在保障强度的前提下，以距离通州湾尽可能近为原则，整理筛选1945—2021 年间59 个过境并影响通州湾海域的代表性台风，分析其移动路径与研究海域的相对位置，最终根据路径特征分为5 类：北侧掠过型、南侧掠过型、西侧掠过型、东侧掠过型、直接穿过型[6]。每类各选取3 个台风场次，依次选择1210 号台风、9415 号台风、9907 号台风、0012 号台风、1509 号台风、7910 号台风、1810 号台风、8509 号台风、8913 号台风、0807 号台风、1614 号台风、8506 号台风、1416 号台风、9219 号台风、9911 号台风等15 场典型台风场次，进行固定时长5 d 的模拟计算。以上15 场台风的模拟时间范围和移行路径见表1 和图1。

图1 研究中的5 类15 场典型台风场次的移行路径Fig.1 The trajectories of 15 representative typhoon events across 5 studied categories

表1 5 类台风典型场次的选取Tab.1 Choosing representative typhoon occurrences from five categories

2 数学模型建立及验证

2.1 模型设置

考虑到风暴潮与台风的共同作用，采用目前应用广泛的ADCIRC 模型[7-10]和Delft3D 模型[11-15]。ADCIRC 模型可进行二维、三维自由表面环流有限元数值模拟，适用于深海、沿海及小规模河口系统等区域的风暴潮和洪水的预报、潮汐模拟、风驱动下的环流计算等方面研究。Delft3D 模型能准确模拟河口海岸地区二维和多维的水流运动、波浪运动、水质演变、输沙及床底地貌变化等。

采用大小模型嵌套方法开展数值模拟。大模型为基于ADCIRC 模式建立覆盖中国渤海、黄海、东海三大海域的风暴潮模型（图2），模拟范围为118°E～129° E、25° N～41° N，在空间上通过无结构三角网格离散，网格节点数为22 779，网格单元数为42 549，网格尺寸为2 000～20 000 m。小模型为基于Delft3D 模式以通州湾腰沙至冷家沙海域为中心建立的风暴潮模型（图3），通过南、北水域开边界及东侧深水区划分研究区域，采用Delft3D-FLOW 三维模型，垂向等分为5 层；模拟范围为21.2°E～122.8°E，31.7°N～33.0°N，通过正交曲线网格进行离散，近岸网格进行了局部加密，总网格数为283×203，网格尺寸为200～1 300 m。

图2 大模型计算网格及水深地形示意Fig.2 Schematic diagram illustrating the calculation grid and terrain water depths

图3 小模型计算网格划分及测站点分布Fig.3 Partitioning the computing grid and distributing measurement sites in the small-scale model

根据Holland 风场[16-17]和ERA5 再分析数据，按照Pan[18]的方法计算混合风场，风场的区域范围是24.5°N～41.5°N、117.0°E～130.0°E。混合风场通过模型风场与背景风场以一定权重系数相叠加进行构造，其计算公式如下：

式中：VC代表混合风场；VH代表Holland 模型风场；VE代表ERA5 再分析数据得到的背景风场；e为权重；C为台风影响系数，取C=r/(9Rmax)，其中r为与台风中心的距离(km)，Rmax为最大风速半径(km)。大模型开边界采用10 个主要分潮的潮位为驱动力，给定的海域范围足够大使台风风暴潮能充分成长，为精细化小模型提供准确的边界条件。小模型外海开边界采用时间序列水位边界条件，由大模型计算后单向传递得到。小模型计算参数根据模拟结果和现场数据调试获得并确保在合理范围内，其中底部摩阻系数采用曼宁系数，取0.02；垂向和水平紊动黏性系数分别取1.0×10-6和20 m2/s。

2.2 模型验证

采用某场实际台风的路径、气压、风速数据，最终模拟得到数据进行验证。

选择3 个代表性临时验潮站1#、2#、3#的逐时潮位数据，各测点位置如图3 和表2 所示，采用2019 年2 月15 日12 时—2019 年3 月1 日12 时共15 d 的实测水文资料，大小模型模拟得到高、低潮位线及水位过程线与实测站点的数据比较均吻合，相位偏差均为0，说明大、小模型天文潮潮位拟合度较好（图4）。

图4 大小模型天文潮潮位验证（2019 年2 月15 日—3 月1 日）Fig.4 Validating astronomical tidal levels in scale models (February 15th-March 1st, 2019)

表2 验证测站位置Tab.2 The location of stations for verification

测站点如图3 所示，选择5 个代表性临时验潮站1#、2#、3#、4#、5#，采用2019 年2 月19 日23 时—21 日2 时的逐时数据进行分层验证，小模型计算得到的流速、流向结果与实测大小潮流速流向过程线吻合良好（图5）。这表明大小模型均能较好模拟常规研究区域内天文潮水动力运动过程。

图5 小模型流速、流向验证（2019 年2 月19 日23:00—21 日02:00）Fig.5 Validating flow velocity and direction in small-scale models (February 19, 2019, 23:00-February 21, 02:00)

采用风暴潮-波浪耦合模型复演1210 号台风“达维”引起的台风风暴潮过程，计算得到2012 年8 月1 日0 时—4 日0 时的青岛站、连云港站风暴潮、天文潮的潮位数据及潮位过程线，2个测站实测与模型计算的潮位平均绝对误差分别为0.185 和0.222 m，最高潮位的计算误差分别为0.096 和0.114 m，均在误差范围内，吻合度较高（图6），这表明模型能较好模拟台风暴条件下研究区域内的水位变化过程。验证中相应测站经纬度信息见表2。

图6 风暴潮潮位验证（1210 号台风“达维”期间）Fig.6 Validating storm tide levels during Typhoon 1210 “Davy”

3 台风风暴潮下的通州湾海域增水分布特征

3.1 风暴增水空间分布总体特征

对所选的5 类共15 场典型台风按照Pan[18]的方法，驱动模型计算不同台风导致的逐时风暴增水场，并针对每一场台风计算逐时增水场的最大值，得到15 场不同台风期间的最大风暴增水分布（图7）。

图7 15 场台风期间通州湾港区海域最大风暴增水分布Fig.7 Analyzing the distribution of maximum storm surge in the Tongzhou Bay Port area across 15 distinct typhoon periods

由图7 可见，台风过境背景下，通州湾风暴增水极值均发生在近岸海域，主要集中在主港区近岸段以南的封闭海湾和以北的开阔海域，向外逐渐减小。不同场次的典型台风引起的海域风暴增水情况差异较大：图7(h)表明，8509 号台风引起通州湾海域产生较大的风暴增水且分布范围广，空间变化幅度大，全域增水均在0.4 m 以上，出现在冷家沙外侧水道，局部最大值约1.0 m，出现在主港区近岸端以北、水道以西的浅滩；图7(i)表明，8913 号台风主要造成主港区近岸端以南封闭海湾内有较大风暴增水，主港区以北开阔水域增水极值明显不如湾内。其余13 场台风引起的通州湾风暴增水极值较弱，空间变化幅度总体不大。

考虑全部台风场次，将图7 所示所有典型场次的增水值取最大值，得到通州湾周围海域典型台风期间的最大增水分布（图8）。可见，整个通州湾海域典型台风期间引起的最大风暴增水值为0.5～1.0 m，从大洋港深槽、冷家沙外侧水道向外海逐渐减小，以通州湾主港区为界，南部海域较北部海域增水大值分布范围广，变化幅度小。

图8 台风综合影响下的通州湾海域最大风暴增水分布Fig.8 Examining the distribution of maximum storm surge in the Tongzhou Bay area under the comprehensive influence of typhoons

3.2 台风路径与通州湾海域增水的关系

从上述15 场典型台风风暴潮的模拟结果看，台风路径与通州湾海域内的风暴增水关系密切。绘制5 类台风影响下的最大增水分布见图9。

图9 5 类台风影响下通州湾海域最大风暴增水分布Fig.9 Mapping the distribution of maximum storm surge in the Tongzhou Bay area influenced by typhoons from 5 distinct categories

分析5 类台风影响下的最大风暴增水空间分布：图9(c)显示，南侧掠过型台风对通州湾风暴增水极值贡献最大，最大风暴增水极值超过1.0 m，风暴增水以主港区以北的冷家沙外侧水道、近岸端以南的大洋港深槽两处为中心往外递减，北部变化梯度较南部大，即南部区域范围大于北部；图9(b)显示，东侧掠过型台风对风暴增水极值的影响较大，整个海域内引发的最大风暴增水均在0.5 m 以上，在主港区近岸端以北水域和以南大洋港深槽的最大风暴增水可达0.8 m，风暴增水发生在主港区近岸端以北水域和以南大洋港深槽，向外海逐渐递减；图9(a)和 (e)显示，直接穿过型台风、北侧掠过型台风对风暴增水极值影响不大，基本为0.4～0.6 m；图9(d)表明，西侧掠过型台风引发的风暴增水极值最小，仅0.1～0.4 m。

南侧掠过型台风的8509 号、8913 号均出现显著增水。按照台风逐渐靠近、掠过、逐渐远离等不同时间段，绘制8509 号台风风场引起增水水位和风暴流场演变过程（见图10）。

图10 8509 号台风期间通州湾增水水位（带色云图）与风暴流场（矢量箭头）叠加图Fig.10 Superimposing the elevated water level (color-coded cloud map) and storm flow field (vector arrow) in Tongzhou Bay during Typhoon 8509

由图10(a)可知，台风逐渐靠近时，通州湾海域内风向与同时间段的风暴流向均为东南向；随着台风靠近风力增大，风暴流速增加，此时风暴流场的东南流向便于将通州湾南部海域的海水向主港区近岸端南部的港湾内输送，因此风暴潮增水水位较大值主要位于南部半封闭港湾内，分布呈南高北低，增水水位极值也随着台风风速和风暴流速的增加而增大。由图10(b)可知，台风从东南部向西北部行进，由于通州湾一直处于台风路径右侧，台风风向基本由海向陆，近岸海域保持增水状态，通州湾位于台风中心北部时，风速最大，增水进一步加大。但近岸端以北浅滩由于水深较小，风暴流速较小，增水不大。由图10(c)可知，台风北上远离通州湾时，强度逐渐减弱，通州湾海域位于逆时针风圈东南部，近岸端以南风暴流向转为向外海的正东向，冷家沙周边转为北向，海域内增水范围大幅度减小，随着台风远离，增减水效应逐渐消失。分析得知8509 号台风过境期间正值天文大潮期，台风风场引起的风暴流场时空变化与通州湾海域内的大范围增水直接相关，增水大值区分布一般与风暴流流向一致；同时受海岸地形影响，当风暴流流向与港湾入口或当地岸线的走向垂直时，容易出现明显增水现象。

相较于8509 号台风，8913 号台风在长江口登陆后一路向西进入内陆，未沿着江苏岸线北上，台风气旋式逆时针风场外围对主港区北部影响有限，且北部水域较为开阔，不利于风暴流将海水向岸集聚和堆积，因此8913 号台风造成的风暴增水在通州湾主港区近岸端呈现南高北低的特征。

对于东侧掠过型台风，以1509 号台风为例，绘制通州湾海域自台风逐渐靠近、掠过、逐渐远离等不同时间段的增水水位和风暴流场过程图（图11）。

图11 1509 号台风期间通州湾增水水位（带色云图）与风暴流场（矢量箭头）叠加图Fig.11 Diagram overlaying the heightened water level (color-coded cloud map) and storm flow field (vector arrow) in Tongzhou Bay during Typhoon 1509

由图11(a)可知，台风从东南沿海向北移行至长江口逐渐靠近通州湾，湾内近岸风向和风暴流向主要为自东向西，海域始终保持增水状态。台风风力超强时，增水高度持续增长，风暴流速增大，海水向岸聚集，随着风力减弱，风暴流向不变但流速减小，增水高度也随之降低。由图11(b)可知，随后台风向东北偏北方向行进，强度不断减弱，风暴流速减小，台风风场引发的风暴流场流向主要为自北向南方向，不利于水体堆积，且南部海湾由于被主港区阻挡水流无法进入，这个阶段海域内增水高度继续下降。由图11(c)可知，台风继续北上，风力衰减为热带风暴，产生的风暴流场流向以离岸向为主，且风暴流速极小，通州湾海域内没有明显的增减水效应。

东侧掠过型台风7910 号造成的风暴增水大值主要出现在通州湾主港区近岸端南部港湾内。与8913 号台风类似，7910 号台风向前移行至钱塘江附近后突然转向，行进方向变为东北偏东，产生的风暴流对主港区北部影响有限。

综上，东侧掠过型台风主要发生在台风逐渐靠近阶段，引发通州湾海域显著增水，虽然大多为天文小潮期，但在小潮高潮附近，风暴流场流速不断变大，流向以向岸为主，容易产生较大的增水极值。

对于直接穿过型台风，台风过境时台风中心位于通州湾海域内，风场中心风速并非最大，因而风暴流场效应不明显；对于北侧掠过型台风，该类台风不多见，选取的典型台风路径较通州湾海域较远，台风风场和风暴流场影响也有限；对于西侧掠过型台风，台风由陆入海，陆地摩擦作用使风力迅速减弱，相应风暴流场效应不明显。因此，以上3 类台风在通州湾海域产生的增水极值显著低于前两类台风。

4 结 语

本文根据路径特征将影响通州湾港区的台风路径分为5 类，每类选择3 场典型台风场次驱动风暴潮模型，计算了台风风暴下的增水空间分布，分析了极端天气下通州湾海域的增水分布特征，得到以下结论：

（1）量级上，通州湾海域典型台风期间最大风暴增水值为0.5～1.0 m，均发生在近岸海域，主要集中在主港区近岸段以南的半封闭海湾和以北的开阔海域。空间分布上，典型台风期间，最大风暴增水高度呈现以大洋港深槽、冷家沙外侧水道为中心往外海逐渐减小的特征，以通州湾主港区为界，南部海域大值分布范围较北部海域广，变化幅度较北部海域小。

（2）增水大小与台风风场引起的风暴流场时空变化直接相关。增水大值区分布一般与风暴流流向一致，当风暴流流向与港湾入口或当地岸线的走向垂直时，容易出现明显增水现象。

（3）不同路径类别的台风影响下，最大增水分布呈现一定差异性。对于通州湾港区海域，南侧掠过型台风对通州湾风暴增水极值的贡献最大；东侧掠过型台风对通州湾海域风暴增水影响较大；直接穿过型台风、北侧掠过型台风影响不大，而西侧掠过型台风最小。