“烟花”台风对钱塘江涌潮影响的数值模拟

汪求顺 ，潘存鸿

(1. 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； 2. 浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020)

每年登陆浙江沿海的台风多[1]，但台风对钱塘江涌潮的影响研究相对较少。很多学者研究了涌潮河口水动力的运动特征[2-3]。许宝华等[4]通过现场实测数据，对长江口北支涌潮现状进行了分析。Tu等[5]通过实测站点的高频数据对钱塘江涌潮的湍流等特征开展了研究。Li等[6]通过海洋雷达观测技术对钱塘江涌潮实时传播特征进行了研究。金建峰等[7]对钱塘江上游九溪涌潮进行了重塑方案的工程研究。利用现场观测数据可以很好地研究天文潮期间的涌潮运动特性，但很难区分台风的风场等因素对涌潮的影响。台风对涌潮影响可分为直接影响和间接影响[8]。直接影响是气象因素直接影响涌潮，间接影响是气象因素通过影响涌潮河段下游潮汐来实现。潘存鸿等[9]基于实测潮汐资料，研究了台风期潮汐间接引起的钱塘江涌潮变化，台风期间涌潮传播速度增大，盐官涌潮高度平均增大0.18 m，到达时间平均提早37 min。为分离台风引起的潮汐变化和风场等对涌潮的影响，采用数学模型结合实测数据开展各影响因素的数值研究显得尤为必要[10]。

2021年第六号“烟花”台风于7月25日12:30登陆浙江舟山，此时恰逢天文大潮。为研究“烟花”台风在天文潮期间对钱塘江涌潮的影响，利用“烟花”台风登陆期钱塘江河口的实测风场、潮位和涌潮数据，通过建立风暴潮作用下的涌潮数学模型研究“烟花”台风对钱塘江涌潮的影响。通过设定不同的计算方案，分析“烟花”台风引起外海潮汐变化对涌潮的间接影响和台风场对涌潮的直接影响。

1 数学模型的建立

基于非结构网格FVCOM(Finite Volume Coastal and Ocean Model)[11]建立本研究中台风暴潮作用下的钱塘江河口水动力数学模型。数学模型的控制方程为雷诺时均的三维σ坐标下浅水方程，其中垂向采用静压假定。实际台风中心方向有一个较大的低气压中心，动量方程中以常值存在的气压项转变为由台风引起的变化气压项。对数学模型中的糙率系数进行改进，选取Mellor-Yamada 2.5湍流模式进行垂向紊动系数的计算[12-13]，计算方法详见文献[11]。

台风风场和气压场的给定是台风暴潮计算的一个重要部分。本研究选用Jelesnianski模型[14]进行风场和气压场的计算。该经验台风场模型在其他风暴潮模型中得到了充分的运用和验证。

式中：W为风速矢量；R为最大风速半径；r为计算点到台风中心的距离；V0x、V0y分别为台风在x、y方向的移动速度；i,j分别为坐标轴上的单位矢量；xc、yc分别为台风中心的坐标；θ为流入角（当r≤R时取10°；当r＞1.2R时取25°；其余在10°和25°间线性内插）；P0为台风中心气压；P∞为无穷远处的大气压，本研究取1 010 hPa；β为台风风速距离衰减系数，取0.5；WR为台风最大风速，本研究中使用Atkinson-Hollidy提出的风压关系式（4）计算最大风速。最大风速半径R采用经验公式（5）确定，其中Rk为经验常数，取为30 km。

2 模型验证

数学模型的计算范围为富春江电站到钱塘江下游的澉浦断面。图1给出了模型计算范围内非结构网格划分及相关站点名称及位置。模型采用非结构三角网格进行划分，从澉浦断面向上游河段逐渐加密，单元数为26 535个。为模拟盐官河段一线潮和老盐仓回头潮的变化，对老盐仓到盐官河段进行网格加密，其平面最小分辨率为30 m。水深方向分为12个sigma层，模型下游的最小垂向分辨率为1 m，上游盐官河段最小垂向分辨率为0.1 m。数学模型的外模时间步长为0.1 s，内模为1.0 s。模型采用“烟花”台风登陆前2021年4月份测量的1∶10 000比尺的地形数据。计算区域上游边界给定2021年7月“烟花”台风登陆前后的富春江电站实测下泄流量过程，模型下游开边界给定澉浦实测台风登陆期的逐时潮位，其中天文潮计算的开边界采用澉浦实测潮位进行调和分析后预测的天文潮潮位。由经验台风场模型计算得到每小时随空间变化的“烟花”台风的风场和气压场。数学模型采用50个CPU进行并行计算，模型计算的起止时刻为2021年7月20日00:00—7月27日12:00。

图1 模型计算范围内网格划分和站点位置Fig. 1 Unstructured mesh and relevant stations in the model domain

图2 给出了“烟花”台风7月18—28日的路径。2021年7月25日12:30台风“烟花”在舟山市普陀区沿海登陆，登陆时台风中心附近最大风速为38 m/s，7月26日9:50在浙江省嘉兴平湖沿海再次登陆，最大风速为28 m/s。

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图2 “烟花”台风路径位置Fig. 2 Track of Typhoon In-Fa

2.1 风场验证

采用2021年“烟花”台风期间7月22日12:00—7月28日00:00美女坝实测风速和风向进行风场验证。图3给出了美女坝站点实测和模型计算的风速和风向验证，其中黑色实线为逐时的风速和风向计算结果，红色圆点为实测10 min平均的风速和风向。可见，在“烟花”台风登陆期间，该站点模型计算最大风速为16.3 m/s，相对实测最大风速的误差为22%。计算风向和实测基本一致。

图3 “烟花”台风登陆期间美女坝站风速和风向验证Fig. 3 Validation of wind speed and direction at Meinvba station during Typhoon In-Fa

2.2 潮位验证

采用2021年“烟花”台风期间7月22日12:00—27日00:00盐官和仓前实测潮位进行模型潮位的验证。图4为盐官和仓前两个站点实测和模型计算逐时潮位的验证。考虑计算风速和实测风速的差异，因此在数值模拟中，当计算风速大于11 m/s时，对数值模型中的风拖曳系数进行折减。从图4中可以看出，在“烟花”台风登陆时刻7月25日12:30，受台风增水的影响，盐官低潮位相对较高，为2.45 m，高潮位为6.04 m。数学模型计算得到的两个站点的潮位和实测潮位基本一致。

图4 “烟花”台风期间盐官和仓前站潮位验证Fig. 4 Validation of tidal level at Yanguan and Cangqian stations during Typhoon In-Fa

2.3 涌潮过程验证

图5 给出了“烟花”台风登陆舟山时（7月25日12:30）盐官站涌潮水位每秒的变化过程。从图5可见，模型计算的涌潮高度为1.35 m，实测的涌潮高度为1.23 m，涌潮数学模型较好地复演了“烟花”台风登陆时盐官站点涌潮水位变化。另外，模型计算的潮到时间和实测潮到时间差异很小，仅比实测潮到时间提早了58 s。可以认为数学模型较好地复演了“烟花”台风登陆时盐官站的涌潮特征。

图5 “烟花”台风登陆时盐官站的涌潮水位变化Fig. 5 Validation of the tidal bore height at Yanguan station during Typhoon In-Fa

3 计算方案

为分离“烟花”台风对钱塘江涌潮的直接和间接影响，拟定下列3个计算方案对涌潮进行直接影响和间接影响的分析，其中方案2减去方案1为台风的间接影响，方案3减去方案2为台风的直接影响。

方案1：天文潮方案即无台风影响方案，澉浦天文潮潮差为6.50 m，具体见表1。

方案2：“烟花”台风方案，数值模型不加风场，下游开边界为实测潮位，澉浦实测潮差为6.78 m，具体见表1。

表1 “烟花”台风登陆时澉浦天文潮和实测潮位特征值Tab. 1 The characteristics of astronomical and measured tide at Ganpu during Typhoon In-Fa

方案3：“烟花”台风方案，数值模型加风场，下游开边界为实测潮位。

方案1下边界条件基于澉浦1年实测潮位进行调和分析得到时间间隔1 h的天文潮潮位再加高、低潮位，数值模型计算中插值为5 min间隔的天文潮潮位。方案2和方案3的下边界条件采用时间间隔为5 min的澉浦实测潮位。考虑到“烟花”台风期7月24—27日为农历六月十五至十八，对前一个天文大潮期6月24—27日即农历五月十五至十八进行天文潮预报验证。图6给出了未受台风影响大潮期间即6月24—27日澉浦站的天文潮位和实测潮位的对比。从图6中可以看出，在未受“烟花”台风影响的天文大潮期间，天文潮潮位和实测潮位的变化过程一致，低潮位时间的差异为5 min。因此，应用“烟花”台风期天文潮和实测潮位分别作为数值模型方案计算的下边界条件。在“烟花”台风登陆期间7月25日，澉浦实测高、低水位比天文潮分别高1.54和1.26 m，实测潮到时间比天文潮早45 min。

图6 澉浦天文潮位和实测潮位的对比Fig. 6 Comparison of astronomical and measured tidal levels at Ganpu

4 结果分析和讨论

4.1 “烟花”台风对潮汐影响

表2 给出了在“烟花”台风登陆时3个计算方案中盐官高、低潮位和潮差及潮到时间的对比。从表2中可以看出，在方案1即天文大潮中，盐官潮差仅为2.73 m。在方案2即外海实测潮位驱动下，盐官的潮差相对天文潮增大了36%。在方案3即外海实测潮位和台风场的共同驱动下，盐官潮差相对方案1增大了31%，相对方案2减小了3.5%。“烟花”台风使得涌潮河段盐官高、低潮位分别抬高了1.26和0.40 m，潮差增大了0.86 m。台风登陆期下游潮波传播到盐官明显增强。可见，“烟花”台风通过抬高下游水位对盐官潮汐的间接影响明显，盐官潮差明显增大，但在台风登陆时风场的驱动下，盐官潮差减小了0.13 m。

表2 “烟花”台风登陆时3方案下盐官潮汐变化Tab. 2 Characteristics of tide at Yanguan station during Typhoon In-Fa under three model schemes

图7 给出了台风登陆前和登陆时的风场。从图7中可以看出，在台风登陆时，钱塘江上游盐官区域风场已由登陆前的东北向转变为西北向，逆风作用使得台风对潮汐的直接影响变为潮差减小，进而影响涌潮。该结论与先前的研究结果一致[9,15]。在“烟花”台风的直接和间接影响的共同作用下，台风登陆时盐官潮到时间提前了3 727 s。

图7 “烟花”台风登陆前和登陆时盐官河段风场分布Fig. 7 Distribution of wind field in the Yanguan reach before and during Typhoon In-Fa

4.2 “烟花”台风对涌潮传播速度影响

数值计算结果表明，在方案1下，澉浦—盐官的涌潮传播速度为3.25 m/s，盐官—老盐仓涌潮传播速度为4.17 m/s。在方案2下，澉浦—盐官的涌潮传播速度为3.47 m/s，盐官—老盐仓的涌潮传播速度为4.44 m/s。相比方案1，方案2的澉浦—盐官的涌潮传播速度增加了6.7%；盐官—老盐仓涌潮传播速度增加了6.5%。在方案3下，澉浦—盐官和盐官—老盐仓的涌潮传播速度比方案1分别增大了7.1%和7.7%。“烟花”台风使涌潮传播速度增大。在下游水位抬高和“烟花”台风场的共同作用下，盐官—老盐仓的涌潮传播速度的增幅大于澉浦—盐官的涌潮传播速度。本研究得出的“烟花”台风登陆期间澉浦—盐官和盐官—老盐仓的涌潮传播速度相对较小。这主要和该河段江道容积有关，江道容积减小，涌潮传播速度减慢[16]。根据涌潮传播速度计算公式[8]，涌潮传播速度与潮前流速、水深及涌潮高度有关。钱塘江河势变化复杂，江道冲淤直接影响涌潮高度和水深等进而影响涌潮传播速度。根据该河段涌潮传播速度与江道容积的拟合关系式[16]，当江道容积小即河床淤积时，涌潮传播速度小。因此，本数学模型计算得出的盐官—老盐仓河段涌潮传播速度相对较小。

4.3 “烟花”台风对一线潮影响

图8 给出了“烟花”台风作用下一线潮到达盐官站点的潮位分布。可见，一线潮到达盐官站点，上游水位较低，为2.4 m；涌潮到达后水位猛增到3.8 m。图9给出了“烟花”台风登陆时在3个方案下盐官北、中、南站点S1、S2、S3和老盐仓东西侧站点S4、S5一线潮的涌潮高度对比。在天文潮方案1下，5个站点涌潮高度为0.66～1.01 m。在方案2下，该5个站点S1～S5涌潮高度为1.15～1.35 m。在方案3下，S1～S5站点涌潮高度为1.09～1.28 m，涌潮高度比方案1增加了0.19～0.43 m。

图8 “烟花”台风登陆时（7月25日12:21）盐官河段潮位场分布Fig. 8 Distribution of tidal level in Yanguan reach during Typhoon In-Fa

图9 3个方案下涌潮高度对比Fig. 9 Comparison of tidal bore height during Typhoon In-Fa under three model schemes

在钱塘江下游潮位抬高和风场的共同影响下，“烟花”台风登陆时盐官河段站点的涌潮高度比天文潮作用下平均高0.30 m。在台风的间接影响下，盐官河段站点涌潮高度比天文潮作用下平均高0.34 m。根据盐官潮差和涌潮高度的拟合关系式得出的涌潮高度和本次数值模拟得出的盐官涌潮高度1.35 m基本相当。另外，数值模拟得出的“烟花”台风登陆期间的涌潮高度相对较小。这主要与该河段江道淤积和登陆时台风场的风向有关。根据前述，台风登陆前，风场为东北向，这对涌潮具有一定的驱动作用，但台风登陆后，风向转为西北向。西北向的风场对向钱塘江上游传播涌潮具有一定抑制作用[15]。因此，本数学模型计算得出的涌潮高度相对较小。

图10 给出了盐官中间江道S2站点在3个方案下台风登陆时的每秒水位变化。从图10中可以看出，在钱塘江下游水位抬高和“烟花”台风场的共同作用下，涌潮高度明显增大，盐官潮到时间相对天文潮提前了62 min。

图10 “烟花”台风登陆时3个方案下盐官站点S2的涌潮水位变化Fig. 10 Variation of instantaneous water level of tidal bores at Yanguan station S2 during Typhoon In-Fa under three model schemes

4.4 “烟花”台风对老盐仓回头潮影响

涌潮传播到老盐仓河段，受老盐仓直角岸线和丁坝的影响，涌潮几近正反射[15]。图11给出了老盐仓东西侧站点S4、S5在3个方案下“烟花”台风登陆时回头潮的潮头高度对比。从图11可见，在天文潮方案1下，老盐仓站点S4、S5回头潮的潮头高度分别为0.45和0.63 m。在方案2下，站点S4、S5回头潮的潮头高度分别为0.77和0.95 m，潮头高度比方案1平均增加了0.32 m。在方案3下，S4和S5站点回头潮的潮头高度分别为0.67和0.84 m，潮头高度比方案1平均增加了0.22 m。可以得出，在下游水位抬高和“烟花”台风场的共同作用下，老盐仓站点回头潮的潮头高度均增加，但潮头高度的增加幅度比“烟花”台风间接影响的结果小0.10 m。

图11 “烟花”台风登陆时3个方案回头潮的潮头高度对比Fig. 11 Comparison of height of back-flow bore during Typhoon In-Fa under three model schemes

图12 给出了在3个方案下“烟花”台风登陆时老盐仓站点S4和S5站点的每秒水位变化。“烟花”台风使回头潮的潮头高度增大，回头潮的潮到时间相对天文潮期间的回头潮提前了65 min。

图12 “烟花”台风登陆时3个方案下老盐仓站点S4和S5回头潮的水位变化Fig. 12 Variation of instantaneous water level of back-flow bores at S4 and S5 stations during Typhoon In-Fa under three model schemes

5 结 语

通过建立台风暴潮作用的涌潮数学模型，结合“烟花”台风期间的实测潮位、风场和涌潮的验证，研究2021年天文大潮期间登陆浙江舟山的“烟花”台风对涌潮的影响，可以得出：

（1）“烟花”台风使盐官河段潮汐明显增强。台风登陆时盐官潮差为3.59 m。澉浦—盐官和盐官—老盐仓的涌潮传播速度相对天文潮分别增加7.1%和7.7%。

（2）“烟花”台风登陆时盐官河段一线潮和老盐仓回头潮的潮头高度比天文潮条件下平均增加0.30和0.22 m，潮到时间比天文潮分别提前62和65 min。

（3）受“烟花”台风登陆时的西北风影响，台风对盐官河段涌潮的直接影响明显较间接影响小，直接影响降低了盐官潮差以及盐官一线潮和老盐仓涌潮高度。