舟山本岛海域“烟花”台风风暴高潮位研究

黄世昌，谢亚力，严聿晗，刘 勇，于普兵

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020)

浙江沿海地势低平，依靠海塘工程防潮挡浪，保护当地人民生命和财产安全。由于特殊的地理位置和气候条件，浙江沿海每年夏秋季节经常遭受台风侵袭。近年来，由于全球气候变暖等因素的影响，极端性天气气候事件增多，热带气旋中生成台风（包括台风、强台风）的比例升高，登陆或严重影响浙江的强台风频率呈上升态势，而且台风北移登陆的次数增多，对舟山本岛及邻近岛屿的经济活动威胁越来越大。自1997年8月“温妮”台风造成舟山历史高潮位以后，2021年“烟花”台风在舟山定海登陆造成的高潮位接近历史高值，并高于170.26 km海塘的设计高潮位，造成滨海街道一定程度的淹没，约5 km的海塘和堤防护岸以及水闸等受到不同程度损坏。由于舟山本岛所在海域，即以本岛为中心至甬江口、庙子湖、岱山和六横的区域，潮位长期测站较少，潮波变化复杂，且以往在舟山登陆的强台风个例不多，已有研究主要集中在全省尺度范围的沿海风暴潮[1-7]，对于该海域的风暴高潮位的认识不足，本岛周边海塘的设计高潮位取值往往直接采用本岛定海站，未顾及岛周边风暴高潮位差异性。本海域是舟山经济发展的中心，也是宁波-舟山港集输运的主要集中地，因此，开展本岛海域台风风暴高潮位研究，有利于区域风暴潮灾害防御，对于海塘防御台风能力的准确评估和堤防设计具有重要意义。本文建立高分辨率的天文潮和风暴潮耦合的数值模式，考虑浅水区长波间非线性作用，分析计算“烟花”台风在舟山本岛及邻近登陆时风暴高潮位的分布及其特性。

1 研究区域概况

舟山海域岛礁众多，星罗棋布，呈东西成行、南北成列、面上成群的分布格局，东北部以小岛为主，大岛多集中在本岛周边海域（见图1），包括岱山岛和舟山本岛及其六横岛等。群岛岛屿的分布格局造就了众多大小不等水道，自东向西，条帚门、虾峙门和清滋门水道并列；过佛渡水道、有册子水道和金塘水道相衔接；岛屿包围的较开阔海域发育有水下平原，如峙头洋、黄大洋和灰鳖洋海域的水下平原。因此，舟山本岛海域形成以侵蚀冲刷沟槽与水下平原相组合的水下地貌特征。多数水道水深在30 m以上，最大水深可达110 m，水下平原水深在15 m以内。本海域受东海潮波控制，外海潮波具有顺时针旋转特性，到近岸区后受峡道、岸线等局部地形限制，呈现出往复流特性。舟山海域属中等强潮海区，长期站平均潮差在2.0～3.0 m。据2005年1月大范围潮位观测[8]，定海站处于本岛海域中心位置，平均潮差1.93 m，均少于东部的沈家门站（2.24 m）和西部的镇海(1.99 m) ，也少于北部岱山站（2.03 m）和南部的六横站（2.33 m）；此后2018年[9]和2019年[10]上述部分测站的潮位测量也显示定海站的潮差总体小于周边潮差。本海域自1949年以来，定海历史最大增水1.60 m[11]，为1956年5612号台风造成，历史高潮位由9711号台风产生。1949年1月至2021年8月，登陆浙江台风共有46次，近20年来登陆台风北移明显，强度加强，其中登陆舟山本岛的台风有2次，外围登陆2次，均发生在近5年内；登陆时气压小于960 hPa的台风有7次，即0414号、200509号、200515号、200608号（“桑美”超强台风）、0717号、1211号和1909号（“利奇马”超强台风）。20世纪后50年间登陆浙江的台风仅3次，即9417号、9711号和5612号台风。

图1 舟山本岛海域形势（潮位站）Fig. 1 Map of Zhoushan island with tidal stations

“烟花”台风于2021年7月18日形成，过程中心气压最低达955 hPa，于7月25日12时30分在浙江舟山定海登陆，登陆时中心气压965 hPa，风力13级，移动速度达15 km/h，登陆后西北行，于7月26日9时再次在杭州湾北岸登陆。台风路径见图2。“烟花”台风定海登陆时恰逢天文潮大潮汛，天文高潮位叠加增水造成舟山本岛海域2000年以来的最高潮位。

图2 “烟花”台风实际路径和假定路径Fig. 2 Actual and assumed path of Typhoon In-fa

2 计算模型的建立

选用浙江省水利河口研究院开发的河口、海岸和海洋潮汐二维模型[12]作为天文潮与风暴潮耦合计算的基础。该模型可以用粗网格将开边界布置于天文潮与增水基本是线性关系的深水海域；以任意三角形剖分计算区域，采用网格中心格式（Cell-Centered，CC）布置变量，即将水位和流速等变量定义在单元中心，控制体即为网格单元，采用KFVS格式求解；采用干-湿网格法处理动边界问题，这对于沿海存在大片滩涂的情况尤其重要。模型计算范围基本囊括台风第一警戒线，涵盖渤海、黄海、东海、日本海、朝鲜海峡、台湾海峡、长江口、杭州湾，钱塘江上游边界至富春江电站，并对舟山本岛海域局部加密网格。模型采用的网格由48 316个单元和26 231个节点组成(图3)，其中最小边长约100 m，最大边长约67 000 m。长江口、浙江沿海及钱塘江河口均采用最近年份的实测地形数据，其余海域地形采用我国最新发布的海图。除台湾海峡和对马海峡局部加糙外，外海曼宁系数取值范围均为0.016～0.018；在杭州湾，曼宁系数的取值范围为0.008～0.012。风暴潮计算时不考虑风浪作用对水位的影响。

图3 计算网格及其局部放大图Fig. 3 Computational grid and local grid view

海域开边界包括静压水位及天文潮位。天文潮位由全球潮波模型TPXO6[13]提供，采用10个分潮推算，包含8个主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1，以及2个长周期分潮Mf和Mn，基本能够构造出外海深水处真实的天文潮过程。西、南、东3条开边界处的水位由式（1）给出：

式中：ζ0为边界处的潮位；ζp为边界处静压水位；i=1～10，分别对应上述分潮；A和α分别为分潮在3条边界处的振幅和相角；ωi为分潮的角频率。

风暴潮计算中，台风风场和气压场的计算是重要的环节。通常使用参数风模型作为计算风暴潮的风强迫力，其优点首先是便于使用，且能反映热带风暴的主要风场特征，其次是能够用于研究台风参数的改变对风暴潮的影响。通过输入台风路径与中心气压计算得到台风风场，本文选用Jelesnianski气压场和风速场模型[14]，其计算式如下：

式中：R为最大风速半径；r为计算点到台风中心的距离；V0为台风移动速度；WR为台风域内R处的最大风速，采用ATKINSON-HOLLIDY提出的风-压关系式计算[15]；A=-[(x-xc)sinθ+(y-yc)cosθ]；B=(x-xc)cosθ-(y-yc)sinθ；(x,y)、(xc,yc)分别为计算点坐标和台风中心坐标；θ为流入角；P0为台风中心气压，P∞为无穷远处的大气压（计算中取1 010 hPa）。β为台风风速距离衰减系数。最大风速半径R=Rk-0.4(P0-900)+0.01(P0-900)2，其中Rk为经验常数，推荐值为40，也可由气压或风速的拟合精度予以调节，本文取推荐值。

模型较好地模拟了舟山本岛海域定海、岱山和甬江口3个测站的风暴高潮位过程，高潮位模拟误差在10 cm以内（见图4），可以反映本海域“烟花”台风登陆过程的风暴高潮位。

图4 岱山、定海、甬江口站潮位验证（2021年7月23—26日）Fig. 4 Comparison of observed and simulated tidal elevations at the Daishan, Dinghai and Yongjiangkou stations (July 23—26, 2021)

3 风暴潮模拟结果分析

3.1 实际登陆路径时风暴潮高潮位分析

3.1.1 台风风暴潮位实测过程特征 风暴潮和台风增水过程见图5。本海域为半日潮海区，一天中出现2个高潮2个低潮，日不等现象明显，夏季夜潮高潮位显著高于日潮高潮位。“烟花”台风登陆过程形成的风暴潮增水属于不典型的增水过程，增水过程曲线的初振、激振和余振3个阶段不明显。在台风登陆前两天已经出现增水，在登陆的激振阶段约1 d的时间内增水值变化不大，基本呈现平台特征，没有明显大突起的峰值，增水曲线在台风登陆后缓慢下降。岱山、定海和甬江口站处于浙江沿海潮差最小的海区，风暴潮与天文潮的耦合作用相对较弱，同时三站位于舟山岛群岛内侧，周围海域相通，有众多的深槽通道起到滤波作用，因此，三站的增水过程波动较弱。由于“烟花”台风增水激振阶段具有平台特点，风暴高潮位容易出现在天文潮大潮汛时期。“烟花”台风过程，定海站最高潮位出现在登陆前一个潮汛，即7月24日23时，风暴高潮位3.12 m（85国家高程基准，下同）；登陆时，已是定海日潮天文高潮位过后，天文潮高潮位不等造成的差异约1.0 m，登陆时天文潮位又比当时的高潮位低，日潮风潮高潮位仅2.22 m。海域西部测站（甬江口）台风增水大于东部定海与岱山约0.5 m，究其原因为东部水域连通，风暴扰动导致海水堆积较沿岸小。

图5 天文潮位、风暴潮位和台风增水过程（竖线代表登陆时刻）Fig. 5 Process of astronomical tidal level, storm tidal level and surge

3.1.2 台风风暴高潮位的特征 台风登陆过程的最高潮位形成于“烟花”台风登陆前一个潮过程的高潮位。“烟花”台风期间风暴高潮位分布见图6。

图6 “烟花”台风期间风暴高潮位分布（实际台风路径）（单位：m）Fig. 6 Distribution of storm tidal level during Typhoon In-Fa （real routine）（unit: m)

舟山本岛海域风暴潮叠加天文潮的风暴潮波自SE往NW传播。当六横达到风暴高潮位时（图6（a）），中部海域风暴潮位总体上高于东部海域，中部六横站点附近风暴潮位呈现高值区；东部风暴潮位高于西部海域。当风暴潮潮峰过六横到达定海站点（图6（b）），海域风暴潮位呈现东低西高，东部庙子湖和朱家尖站点风暴潮位低于西部甬江口风暴潮位。风暴潮潮峰到达甬江口时，海域风暴潮位同样呈现东低西高。本岛海域风暴高潮位主要体现为本岛自东向西风暴高潮位抬高，中部局部海域风暴高潮位出现低值区（图6（c）和表1），西部甬江口风暴高潮位（3.51 m）高于中部定海（3.04 m）和东部庙子湖（2.87 m），定海至朱家尖间海域低于周边测站（岱山、甬江口），各测站风暴高潮位相差可达0.64 m。

表1 “烟花“台风登陆过程主要测站的风暴高潮位和增水计算值Tab. 1 Simulated storm high tide level (SHTL) and surge at the stations during the landfall of Typhoon In-Fa 单位：m

台风登陆时遭遇的潮过程天文潮高潮位较低，舟山本岛海域形成的风暴高潮位普遍较低，定海站高潮位仍低于岱山站和甬江口站（表1）。

3.1.3 风暴高潮位与天文潮及增水的关系 浙江沿海的潮波系统主要由东海前进潮波系统控制。本海区属于杭州湾口南岸退化旋转潮波区域，由于杭州湾的纳潮效应，近岸迟角线以舟山本岛为中心，向杭州湾内偏转，进入湾内的潮波等迟角线与等振幅线走向基本一致。舟山本岛海域M2分潮振幅1.2～1.4 m，海区定海以北、南和西均比定海站潮差大，S2分潮也有类似的特点[16]。7月24日天文高潮位本岛海域总体上天文高潮位自东向西递增，但在定海附近形成天文高潮位的低值区（图7（a）），这一分布与M2和S2分潮的等振幅线分布一致。

图7 “烟花“台风期间天文潮高潮位和增水（实际台风路径）（单位：m）Fig. 7 Astronomical tidal level and surge during Typhoon In-Fa （real routine）（unit: m)

“烟花”台风天文潮高潮位增水自东向西渐增（图7（b）），风暴潮水体在岸边堆积，甬江口附近增水较大，东部朱家尖和庙子湖站增水0.6 m左右，到中部岱山和定海0.9 m左右，甬江口处出现1.2 m以上的增水值，本岛南北海域增水基本接近，北部略大。过程最大增水分布与高潮位增水有一定的差异（图7（c）），虽然增水仍然自东向西渐增，但本岛南北海域增水呈现北部高于南部的局面。可见，风暴潮高潮位在海域中部的低值区与天文潮高潮位的低值区有关。

3.2 台风提前及移位登陆时风暴高潮位分析

中央气象台在“烟花”台风登陆前24 h预报的路径为象山大目涂登陆（见图1），考虑到该路径登陆时舟山本岛恰好位于台风最大风速半径的右侧，是最有利于舟山本岛台风增水的登陆位置，选取该路径作为假定路径进行对比分析。“烟花“台风的风暴高潮位发生在登陆前一个潮过程，登陆时潮位已较低，产生的风暴高潮位比前者低，若“烟花”台风在7月24日夜潮高潮位登陆，则定海至岱山风暴高潮位超过实际发生值0.2～0.4 m。台风在象山县大目涂登陆与天文高潮位相遇，会造成本岛周边更高的风暴高潮位，超过实际发生值0.2～0.8 m（表2）。台风在定海提前登陆，遭遇天文高潮位，风暴高潮位分布仍呈东高西低局面，本岛南北有一定的差异，北部大于南部，定海以西代表点（甬江口）比以东代表点（庙子湖和朱家尖）高出1 m。假定“烟花”台风在象山大目涂登陆遇当地天文高潮位，风暴高潮位仍为东部低、西部高，但中部低值区消失，风暴高潮位的分布特征基本不变（图8）。

表2 “烟花”台风移位及提前时主要测站的风暴高潮位变化Tab. 2 Variation of storm high tidal level at main stations when the change of landing time and location of Typhoon In-Fa occurs 单位：m

图8 “烟花”台风登陆风暴高潮位分布(单位：m)Fig. 8 Distribution of storm high tidal level due to Typhoon In-Fa ( unit: m)

4 结 语

本文计算分析了“烟花”台风登陆过程舟山南部海域的风暴高潮位分布，结合实测舟山南部海域及其周围测站的潮位过程，并对“烟花”台风提前和移位登陆后的风暴高潮位进行了预测。“烟花”台风是进入21世纪以来沿东南-西北方向登陆舟山的首次台风，产生的风暴高潮位接近历史最高潮位，风暴高潮位呈现“东低西高，中部形成低值区”的特征，与本海域天文潮高潮位在定海附近低值区有关。若“烟花”台风登陆定海的时间提前，遭遇天文高潮位，产生的定海风暴高潮位比现状大约0.4 m，大目涂登陆则会引起更高的风暴高潮位，风暴潮潮峰传播方向和风暴高潮位特征基本与现状“烟花”台风的结果一致，但中部低值区消失。舟山本岛海域不同区域风暴高潮位存在一定的差异，差值可达到0.5 m以上，加强周边海域的潮位监测，对推求当地设计高潮位十分重要。

致谢：测站高潮位数据由浙江省水利厅海塘专班提供，在此表示感谢。