夏明嫣，徐福敏，聞云呈

(1.河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

長江口是我國受臺風影響的高風險區(qū)，平均每年遭受2.8個臺風風暴襲擊。臺風期間，受較強向岸風的影響，潮位急劇增大，極易引發(fā)漫、潰堤災害。同時，長江下游感潮河段是河流和海洋相互作用的集中交匯區(qū)，汛期常承接上游由暴雨形成的洪水，洪峰與臺風風暴潮及天文大潮“三碰頭”，致使長江下游水位暴漲，給沿線各地的防汛安全構(gòu)成了嚴重威脅。

將風暴潮數(shù)學模型應用于長江口風暴增水的研究歷來受到關(guān)注。端義宏和秦曾灝[1]基于ECOM研究了天文潮與風暴潮之間的非線性作用對上海地區(qū)風暴增水的影響。張金善等[2]分析了感潮河段增水特征，研究發(fā)現(xiàn)最大增水位置受上游洪水和天文潮共同影響。趙長進等[3]基于ADCIRC-SWAN波流耦合模型建立了覆蓋長江口與鄰近海區(qū)的風暴潮預報系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)向岸東南向風風速和持續(xù)時間的準確性對提高長江口風暴潮模擬精度至關(guān)重要。劉秋興和李鋮[4]基于ADCIRC分析了不同徑流量條件下長江口地區(qū)高水位的變化。羅龍洪等[5]利用大通至長江口二維水沙模型和外海風暴潮模型分析了新水情下河床沖淤變化、風暴增水、支流入?yún)R及規(guī)劃工程對長江江蘇段洪潮設(shè)計水位的影響。已有學者開展不同臺風路徑對長江口門區(qū)域風暴增水影響。王軍等[6]采用MIKE21模擬比較了32°和75°的兩種路徑偏轉(zhuǎn)角臺風作用下上海地區(qū)的淹沒情況，發(fā)現(xiàn)75°路徑臺風可能引起較大淹沒。白一冰等[7]和周才揚等[8]分別分析了登陸西向型臺風“煙花”和登陸北向型臺風“安比”在長江口地區(qū)的增水分布特征。Yin等[9]比較了直接登陸長江口和外?；顒颖鄙蟽煞N類型臺風的增水特點。目前針對不同路徑臺風下增水研究重點集中在口門及南北支河段，但缺乏更深入探討不同登陸位置、走向的臺風風暴潮在河道內(nèi)傳播過程及造成增水量值和范圍差異機理的研究。

盡管有關(guān)長江口風暴增水的研究歷來是防汛部門和海洋工程設(shè)計單位研究的熱點，但關(guān)注點聚焦在口門附近區(qū)域。因此，文中建立東中國海至長江口風暴潮數(shù)學模型，關(guān)注在大洪水、不同路徑強臺風、天文大潮共同影響下長江沿線的增水分布，可為防洪規(guī)劃、河道治理及防災減災提供參考。

1 驅(qū)動風場

1.1 驅(qū)動風場構(gòu)建方法

研究采用將背景風壓場與臺風梯度模型相結(jié)合的辦法構(gòu)建風壓場?；诜直媛屎途鹊目紤]，選用歐洲中尺度天氣預報中心全球大氣再分析數(shù)據(jù)ERA-interim[10]作為背景風壓場資料。同時利用Holland經(jīng)驗性氣旋模型[11]加強臺風內(nèi)部風速。梯度風場的公式為：

(1)

(2)

(3)

其中，Vg表示梯度風速，r為計算點距臺風中心距離，B是形狀參數(shù)，pn和pc分別是環(huán)境壓力和氣旋中央壓力，Rmax為最大風速半徑，f是科氏力參數(shù)，ρa表示空氣密度。式中形狀系數(shù)B和最大風速半徑Rmax分別通過經(jīng)驗公式(2)和公式(3)計算，φ是緯度，Vmax為最大風速，V為臺風移行風速，可通過臺風路徑信息獲得。

研究采用陳孔沫[12]提出的移行風場模型計算移行風速Vt，公式為：

(4)

臺風的模型風場由梯度風場和移行風場疊加獲得：

(5)

(6)

式中：Vg為梯度風風場；Vt為移行風場；c1和c2是訂正系數(shù)；θ是計算點到臺風眼的連線和經(jīng)度之間的夾角；β代表流入角。

背景風場和臺風模型采用式(7)合成：

VC=VM(1-e)+eVQ

(7)

式中：VQ為背景風場；VM為模型風場；e為權(quán)重系數(shù)。

1.2 風場驗證

9711號臺風“溫妮”(以下簡稱9711號臺風)是目前對長江下游沿線影響最大的臺風，下游江陰、徐六涇、吳淞等站水位均為歷史最高值。0012號臺風“派比安”(以下簡稱0012號臺風)是近年來對長江口影響較大的外?；顒有团_風。分別選擇9711號臺風和0012號臺風為登陸型和外海活動型典型臺風進行模擬驗證。研究所用臺風路徑和強度數(shù)據(jù)來自中國氣象局熱帶氣旋資料中心所提供的最佳路徑數(shù)據(jù)集 (http://tcdata.typhoon.org.cn/)[13]。首先利用9711號臺風期間的呂四站實測風速、風向資料驗證1997年8月8日至8月21日風場模型可靠性，臺風路徑及驗證點見圖1。

圖1 9711號臺風與0012號臺風路徑及驗證點Fig.1 Track of Typhoon 9711 and Typhoon 0012 and observation stations

如圖2所示，8月8日至8月16日臺風尚未進入東中國海，ERA-interim風場數(shù)據(jù)能夠較為真實地反映實際風速及風向；8月17日至8月21日9711號臺風期間基于ERA-interim風場和Holland氣旋模型的合成風場在呂四站風速、風向與實測值均吻合良好。

圖2 1997年8月8日至21日呂四站風速、風向驗證Fig.2 Validation of wind speed and direction from Aug.8 to Aug.21,1997 at Lvsi station

2 東中國海至長江口風暴潮數(shù)值模型

2.1 模型設(shè)置

研究區(qū)域為大通至長江口外，上游以大通為流量邊界。ADCIRC模型范圍包括整個東中國海，共有三角網(wǎng)格結(jié)點98 124個，單元184 573個。模型采用2012年實測水下地形與全球海洋陸地高程數(shù)據(jù)ETOPO1[14]拼接而成，局部區(qū)域利用海圖修正，并將高程基面統(tǒng)一至85基面。模型的計算域和研究區(qū)域的網(wǎng)格及水深見圖3。外海天文潮由TPXO7.2模型[15]計算。

圖3 東中國海和長江下游及長江口的計算網(wǎng)格及典型站點Fig.3 Unstructured grids of the ADCIRC simulation in the East China Sea,Yangtze River and Estuary together with typical stations along the Yangtze River

2.2 臺風期間總水位驗證

利用1997年8月18日至19日9711號臺風、2000年8月28日至8月31日0012號臺風期間長江沿線六站實測水位數(shù)據(jù)對臺風期間總水位進行了驗證(圖4，驗證點位置見圖1和圖3(b))。由圖4可見模擬的臺風期間水位過程與實測結(jié)果吻合良好，表明模型采用的邊界條件、風場數(shù)據(jù)、模型設(shè)置及參數(shù)合理。

圖4 9711臺風和0012臺風期間水位驗證Fig.4 Validation of water levels during Typhoon 9711 and Typhoon 0012

3 大洪水與強臺風相遇情境下長江下游風暴水位特性分析

風暴水位與臺風路徑、臺風強度、上游徑流大小、天文潮與風暴潮的遭遇時刻等多種因素有關(guān)。為探究極端情境下臺風路徑對風暴水位的直接影響，先不考慮天文潮，在上游大洪水與不同路徑臺風相遇情境下研究不同登陸位置和走向臺風對長江下游沿線風暴水位影響，分析造成增水差異的原因。上游流量設(shè)置為二十年一遇洪峰流量82 630 m3/s。

3.1 典型臺風構(gòu)建

9711號臺風強度高、范圍大、移速適中，且由于其平行長江口的移動方向易在長江沿線造成較大增水，故研究以9711號臺風為基礎(chǔ)設(shè)計登陸型臺風路徑。將9711臺風路徑登陸位置平移至長江口附近，構(gòu)成路徑A1～A7(以下簡稱登陸西向型)，涵蓋與長江口平行的走向在長江口南側(cè)登陸(A1～A3)、長江口正面登陸(A4，A5)及北側(cè)登陸(A6，A7)臺風的情況。再將9711號臺風路徑旋轉(zhuǎn)，使其以與1909號臺風和2004號臺風類似的走向斜向穿越長江口，構(gòu)成一組與A1至A4登陸位置相同并北上斜向穿越長江口的路徑B1至B4(以下簡稱登陸北向型)。

0012號臺風為典型的外?；顒有团_風，范圍較大，造成長江沿線較大增水，研究選取0012號臺風為基礎(chǔ)設(shè)計外?；顒有团_風路徑。將0012號臺風路徑平移，構(gòu)成假想路徑C1至C6，使路徑盡可能接近長江口，所有臺風路徑見圖5。

圖5 登陸型、外?；顒有图傧肱_風路徑Fig.5 Designed tracks of the landing typhoons and the offshore northward typhoons

研究使用中心最低氣壓作為臺風強度的基礎(chǔ)。分別統(tǒng)計1970—2020年影響長江口海區(qū)的臺風24 h警戒線內(nèi)及接近長江口地區(qū)時刻的最低中心氣壓，并根據(jù)風壓關(guān)系經(jīng)驗公式推算最大風速。選取5年一遇強度臺風，進入24 h警戒線內(nèi)的最低中心氣壓945 hPa，最大風速50 m/s，為強臺風。距離長江口最近時刻中心氣壓965 hPa，風速37 m/s，臺風強度與9711臺風較為接近。

3.2 不同臺風路徑對長江下游沿線風暴水位影響

20年一遇洪水與5年一遇強度不同路徑臺風相遇情境下長江沿線江陰、徐六涇及吳淞高水位見圖6。

圖6 不同臺風路徑下長江下游江陰，徐六涇，吳淞風暴水位過程(A1～A7為登陸西向型，B1～B4為登陸北向型，C1～C6為外?；顒有?Fig.6 Time series of surge levels of typhoons with different paths at Jiangyin,Xuliujing and Wusong station (A1～A7 are the typhoons moving westward after landing,B1～B4 are the typhoons moving northward after landing,C1～C6 are the offshore northward typhoons)

在臺風到來前水位僅受上游徑流影響，為洪水位。由圖6可見長江沿線洪水位沿程降低，洪水影響從上游至口門處不斷減小。在臺風到來后的水位增幅即為風暴增水。

由圖6可見，對于登陸型臺風，登陸位置會對長江沿線風暴增水造成較大影響。長江口南側(cè)登陸型A1～A3、B1～B3路徑臺風造成長江河道沿線增水大于正面登陸長江口A4～A5和北側(cè)登陸型A6～A7臺風。在南側(cè)登陸并平行長江口軸線方向移動的臺風會在長江沿線造成較大的增水，北側(cè)登陸型臺風作用下長江口口門附近區(qū)域會出現(xiàn)明顯減水。同時，對于登陸位置相同臺風走向不同的情況，平行于長江河道方向西北向移動的A1～A3路徑臺風造成沿線增水大于北上穿越長江口路徑B1～B3臺風，在上游河道內(nèi)的江陰差異更明顯,但仍大于正面登陸和北側(cè)登陸型情況下的增水，說明臺風走向?qū)﹂L江下游的影響程度小于登陸位置。

對于在外?；顒有团_風C1～C6，風暴增水大小與和長江口距離直接相關(guān)。臺風路徑距離長江口越近，長江沿線風暴增水越大，長江沿線風暴增水量值越接近正面登陸長江口情況。

3.3 不同臺風路徑下長江沿線增水差異原因分析

選取不同登陸位置、走向臺風中造成最大增水的不利路徑，統(tǒng)計長江沿線典型站點的風速和增水要素見表1，分析不同路徑下長江沿線增水差異的原因。

長江口南北支的增水主要受到臺風風圈直接影響，向岸有效風速越大增水越大。南支以上河段不同路徑下有效風速差別很小，且河道較窄，增水不受風的直接作用，取決于口門附近海域有利于河道增水的漲潮向強風持續(xù)時間，持續(xù)時間越長，向上游積累和堆積的水量越多，上游增水量值越大。南側(cè)登陸且平行長江口方向移動的A2路徑臺風作用下增水持續(xù)時間顯著長于其他路徑下的情況，造成長江河道沿線極大增水。北側(cè)登陸A6臺風影響下長江沿線處于路徑左側(cè)，持續(xù)離岸風影響下南支至上游河道沿線沒有出現(xiàn)超過0.5 m增水，且會出現(xiàn)超過1 m減水。

4 大洪水、天文大潮和強風暴潮“三碰頭”情境下長江沿線最大增水分布規(guī)律

為研究大洪水、不同路徑強臺風、天文大潮共同作用下大通至口門長江沿線的最大增水分布規(guī)律，選取造成較大增水的不同路徑典型臺風，上游徑流仍選取20年一遇洪峰流82 630 m3/s，外海天文潮型選取9711風暴潮同期的天文大潮，并以徐六涇為基點，將天文高潮時刻設(shè)置為每一種路徑最大增水時刻，從而構(gòu)成大洪水、不同路徑強臺風、天文大潮“三碰頭”情境。典型路徑5年一遇強度臺風與20年一遇大洪水、9711同期天文大潮三碰頭條件下大通至口外沿線最大增水分布見圖7。這里增水為包含上游徑流、天文潮和臺風風暴潮的總水位減去天文潮和洪水作用下的水位，包含非線性的部分，是反映風暴潮對沿線水位影響程度的重要指標。

圖7 三種類型的典型路徑臺風作用下大通至口門最大增水沿程分布 Fig.7 Maximum storm surge along Yangtze River under three types of typical typhoons

由圖7可見在文中研究條件下大通至口門沿線增水都滿足從口門至內(nèi)迅速增大，中浚至江陰段維持高位，江陰至南京河段迅速減小，至上游緩慢減小的變化趨勢。南側(cè)登陸西向型路徑A2臺風在沿線造成最明顯增水，南側(cè)登陸北向型B2路徑臺風作用下增水小于A2，且在江陰以上河段差異明顯。路徑最接近長江口的外?；顒有虲6路徑臺風作用下增水接近正面登陸型A4，北側(cè)登陸型A6路徑臺風影響下楊林以上河段幾乎未見增水。

不同路徑下增水峰值位置也有所差異，南側(cè)登陸型臺風作用下增水峰值在江陰至徐六涇段之間，這是由于從風暴潮和天文潮引起的漲潮流上溯，并對上游大徑流下泄形成一定的阻滯、頂托作用，在江陰至徐六涇之間出現(xiàn)一個增水峰值。正面登陸型、長江口北側(cè)登陸型及外?；顒有吐窂脚_風的最大增水出現(xiàn)在口門處中浚附近，這是由于臺風路徑經(jīng)過或接近中浚，使口門處受極大風圈的直接影響產(chǎn)生較大增水，增水峰值超過江陰至徐六涇河段。

5 結(jié) 語

研究采用將背景風壓場與臺風梯度模型相結(jié)合的辦法構(gòu)建風壓場并進行驗證，基于9711號臺風“溫妮”和0012號臺風“派比安”構(gòu)建典型危害性臺風。建立東中國海至長江口風暴潮數(shù)學模型，研究模擬大洪水、不同路徑強臺風、天文大潮共同影響下長江沿線的增水分布特性。

1)對于登陸型臺風，登陸位置和路徑走向都會對長江沿線風暴增水造成較大影響。登陸位置處于長江口南側(cè)情況下長江河道沿線增水大于正面登陸長江口和北側(cè)登陸型臺風。平行于長江河道方向移動的路徑臺風造成沿線增水大于斜向穿越長江口路徑臺風，不同臺風走向?qū)τ陲L暴增水影響程度小于登陸位置。在南側(cè)登陸并平行長江口軸線方向移動的臺風會在長江沿線造成較大的增水，北側(cè)登陸型臺風作用下長江口口門附近區(qū)域會出現(xiàn)明顯減水。對于在外?；顒有团_風，臺風路徑距離長江口越近，長江沿線風暴增水越大，長江沿線風暴增水量值越接近正面登陸長江口情況。

2)研究不同路徑下長江沿線增水差異的原因。南北支的增水主要受到臺風風圈直接影響，向岸風速越大增水越大。上游河道內(nèi)增水取決于口門附近海域有利于河道增水的漲潮向強風持續(xù)時間，持續(xù)時間越長，向上游積累和堆積的水量越多，增水量值越大。

3)研究大洪水、天文大潮、強風暴潮“三碰頭”情境下長江沿線最大增水分布規(guī)律。在文中研究條件下長江沿線增水從口門至內(nèi)迅速增大，中浚至江陰段維持高位，江陰至南京河段迅速減小，至上游緩慢減小。南側(cè)登陸型臺風作用下增水峰值出現(xiàn)在江陰至徐六涇之間。受臺風風圈直接影響，正面登陸型、北側(cè)登陸型和外?；顒有团_風作用下最大增水出現(xiàn)在口門處中浚附近。