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      寒潮及強(qiáng)冷空氣過境對沿岸水位的影響

      2017-11-06 12:28:32張虹
      關(guān)鍵詞:冷鋒風(fēng)暴潮過境

      張虹

      (浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 舟山市 316000)

      寒潮及強(qiáng)冷空氣過境對沿岸水位的影響

      張虹

      (浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 舟山市 316000)

      通過分析2016年1月1日-2016年4月30日舟山海域的水文及氣象數(shù)據(jù),研究了該區(qū)域寒潮及強(qiáng)冷空氣事件對沿岸水位的影響,并討論了引起水位變化的各個(gè)機(jī)制。結(jié)果表明:一次寒潮或冷空氣過程中,寒潮過境時(shí)氣壓先下降然后驟升,隨著氣壓升高,溫度驟降,風(fēng)速發(fā)生4~5次的切變,且風(fēng)速增大,寒潮及強(qiáng)冷空氣過境之前的西南風(fēng)帶來水位的升高,水溫降低。寒潮及強(qiáng)冷空氣過境后水位下降,逐漸回到平均水位狀態(tài)。水溫也呈現(xiàn)隨著寒潮過境驟減的過程,回到平均狀態(tài)。通過量化及分析,風(fēng)是造成水位變化的主導(dǎo)因素,氣壓其次,波浪作用很小,科氏力的影響在本問題中的貢獻(xiàn)最小。

      寒潮;強(qiáng)冷空氣;風(fēng)暴潮;水位;風(fēng)

      風(fēng)暴潮是由臺風(fēng)、氣旋、強(qiáng)寒潮等持續(xù)時(shí)間較長的風(fēng)暴系統(tǒng)影響下所引起局部海域海面非周期異常升高的一種海洋自然現(xiàn)象。風(fēng)暴潮通常有熱帶風(fēng)暴潮和溫帶風(fēng)暴潮之分,由熱帶風(fēng)暴系統(tǒng)(臺風(fēng)、颶風(fēng))引起的稱為熱帶風(fēng)暴潮,多發(fā)生在夏秋季節(jié),其破壞力一般較強(qiáng);由溫帶風(fēng)暴系統(tǒng)(溫帶氣旋、強(qiáng)寒潮等)引起的稱為溫帶風(fēng)暴潮,多發(fā)生在冬春季節(jié),它所引起的水位變化通常沒有熱帶風(fēng)暴潮引起的風(fēng)暴潮那么強(qiáng),其變化較為平緩,但是仍然可以給沿岸和港口運(yùn)輸造成一定的影響,也可以對泥沙輸運(yùn)及海岸變遷有持續(xù)的作用[1]。

      寒潮是指大規(guī)模冷空氣(在氣壓場上為冷高壓)由亞洲大陸西部或西北部侵襲中國時(shí)的強(qiáng)降溫天氣過程。在天氣預(yù)報(bào)中,因北方冷空氣入侵造成24小時(shí)內(nèi)降溫10℃,并且過程最低氣溫達(dá)5℃以下時(shí)定義為寒潮天氣過程。有時(shí)北方冷空氣的入侵雖然達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),但降溫也很顯著,則一般稱為強(qiáng)冷空氣。寒潮天氣是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動過程,在寒潮或冷空氣前鋒經(jīng)過的地區(qū)不僅有強(qiáng)烈的降溫,還時(shí)常伴有大風(fēng)、降雨、降雪、雨淞或霜凍等現(xiàn)象,其中大風(fēng)的破壞作用位居首位,其次為降溫的影響。寒潮最早可以出現(xiàn)于9月下旬,最晚通常結(jié)束于次年5月份。春季的3月和秋季的10-11月期間是寒潮和強(qiáng)冷空氣活動最頻繁的季節(jié),也是易造成財(cái)產(chǎn)的重大損失乃至人員傷亡[2,3]的時(shí)期。

      不同類型的天氣狀況,所帶來的風(fēng)暴潮特征也不盡相同,根據(jù)不同要素可以分為臺風(fēng)風(fēng)暴潮、溫帶風(fēng)暴潮,從本文所要討論的寒潮型風(fēng)暴潮也有不同類型,一部分是屬于溫帶風(fēng)暴潮的一種。對于溫帶風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)比較領(lǐng)先的是英國海洋學(xué)家Heaps提出的自動化溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)方法“海模式”(Sea Model)[4],該方法最早以10層大氣模式輸入一個(gè)二維流體動力學(xué)方程組作為外力,計(jì)算出不列顛諸島大陸架逐時(shí)全過程風(fēng)暴潮變化值。

      1981年,Chuang[5]等研究發(fā)現(xiàn)冷鋒可以引發(fā)明顯的潮下帶水位振蕩(低頻)和運(yùn)輸,這對港灣和河口的水體交換非常重要。2005年David M.Schuultz[6]對冷鋒的過境以及風(fēng)的切變做了詳細(xì)的綜述。中國對風(fēng)暴潮的研究始于20世紀(jì)60年代,1982年,馮士筰出版了《風(fēng)暴潮導(dǎo)論》[7],分別從封閉和半封閉海域級大洋大陸架的風(fēng)暴潮問題出發(fā),根據(jù)不同海域的動力特征,研究了風(fēng)暴潮解析的動力特征,并揭示了風(fēng)暴潮的內(nèi)在動力機(jī)制,建立了我國風(fēng)暴潮研究的理論體系。1998年,曹海峰[8]就闡釋了寒潮型風(fēng)暴潮和寒潮巨浪的重要性,提示海洋預(yù)報(bào)工作中應(yīng)對寒潮預(yù)報(bào)的重視。2007年,季致建、李邦憲,等[9]詳細(xì)地從氣象角度對浙江省54年的寒潮氣候及時(shí)空分布做了分析。同年,李鑫[10]分別對影響渤海海域的兩大風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其造成風(fēng)暴潮增減水及其潮流場時(shí)空特征的特點(diǎn)。2010年,趙鵬[11]按照寒潮爆發(fā)路徑,運(yùn)用FVCOM模式對渤海中由寒潮引發(fā)的風(fēng)暴潮進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了寒潮風(fēng)暴潮對渤海的西南沿岸造成危害較大。

      從國內(nèi)外的進(jìn)展史也可以看出,大多數(shù)研究者[12-16]致力于通過數(shù)值模擬的方法研究風(fēng)暴潮成因、現(xiàn)象及影響,而且國內(nèi)大多研究者[17]也是從氣象角度研究的。而通過采集實(shí)測數(shù)據(jù)并結(jié)合海氣相互作用來研究寒潮過境對水位影響的研究甚少,所以本文致力于研究舟山海域的寒潮風(fēng)暴潮。舟山海域由群島組成,地形特殊,寒潮風(fēng)暴潮造成的影響也十分明顯,尤其對近岸造成的影響更值得關(guān)注。

      1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域和數(shù)據(jù)

      本文所研究的舟山海域?qū)儆陂L江口南測、杭州灣外緣的東海海域。地理座標(biāo)東經(jīng)121°30′-123°25′,北緯 29°32′-31°04′。舟山市地處溫帶,表現(xiàn)出突出的季風(fēng)海洋性氣候特點(diǎn),冬暖夏涼、雨量充沛,日照充足。春夏盛行東南偏南風(fēng),冬季盛行西北偏北風(fēng)。一年中7-9月為臺風(fēng)季節(jié),臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴十分頻繁,與之帶來的暴雨強(qiáng)度大,持續(xù)時(shí)間長,容易引起臺風(fēng)風(fēng)暴潮。該海域潮汐規(guī)律為不正規(guī)半日潮,即一天內(nèi)出現(xiàn)2次高潮和2次低潮。不同的天氣系統(tǒng)所引起的舟山海域風(fēng)暴潮的特征也有差異,在舟山海域風(fēng)暴潮的主要天氣系統(tǒng)一般由夏季的熱帶風(fēng)暴潮以及冬季的寒潮風(fēng)暴潮構(gòu)成。

      圖1 研究區(qū)域

      本文采用level troll 500潮位計(jì)在舟山市長峙島新城碼頭采集的水位數(shù)據(jù),采樣間隔為20 min。結(jié)合2016年1月1日-4月30日的氣象數(shù)據(jù)對比研究,該數(shù)據(jù)是由NOAA衛(wèi)星提供,時(shí)間間隔為1 h。因?yàn)橹凵胶S蚴且园肴粘睘橹鳎员狙芯繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過求步長為25 h的滑動平均,得到濾波后的水位和氣壓、溫度等氣象要素的變化曲線,同時(shí)按照氣象要素的定義對比寒潮及強(qiáng)冷空氣過境前后水位、風(fēng)速大小的變化和風(fēng)向的轉(zhuǎn)變過程。

      2 分析方法及結(jié)果

      為了直觀地觀察風(fēng)速風(fēng)向的變化,本文通過

      式中,speed表示風(fēng)速矢量大小,u、v分別公式(1)將風(fēng)向風(fēng)速的起點(diǎn)歸到一條水平線上,線段的長度表示風(fēng)速大小,公式(1)如下:

      表示風(fēng)速大小在水平和垂直方向的分量,θ表示風(fēng)向。

      圖2 (b) 2016.1.1-2016.2.24日55天的水位變化圖

      首先從圖2(a)2016.1.1-2016.2.24日的風(fēng)速風(fēng)向圖中看,在這55天內(nèi)雖然大多數(shù)的風(fēng)為西北風(fēng),但是這段時(shí)間內(nèi)風(fēng)向發(fā)生了大約十幾次的變化,當(dāng)西北風(fēng)逐漸增大時(shí)也預(yù)示著冷鋒的到來。在由西北風(fēng)逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng)前,西北風(fēng)風(fēng)速先增大后減小,當(dāng)切變成西風(fēng)時(shí)風(fēng)速達(dá)到最小,然后繼續(xù)切變成東南風(fēng),風(fēng)速開始逐漸增大,這些可以通過溫度、地面氣壓等天氣要素來檢驗(yàn)。將圖(a)和圖(b)對比起來,可以直觀地看出,當(dāng)舟山海域冬季主要受西北風(fēng)吹拂時(shí),水位大多呈下降趨勢,而受東南風(fēng)卻能帶來增水,風(fēng)速越大時(shí),水位的動蕩幅度也隨之增大,其中最明顯的一次落差就發(fā)生在1月22日-1月25日期間。

      2.1 一月份的寒潮降臨

      通過查詢中央氣象臺發(fā)布的資料,可以分析出,2015年12月30日,位于冰島的強(qiáng)大氣旋式風(fēng)暴將北大西洋的熱量帶向北極地區(qū)。于是,北極地區(qū)變暖,使通常溫度在-20℃左右的北極突然升溫至0℃以上,而中緯度地區(qū)變冷,北極濤動12月的正位相轉(zhuǎn)為強(qiáng)負(fù)位,這樣的相位轉(zhuǎn)換與我國的冷空氣活動有著密切的關(guān)系。正是在這個(gè)氣旋式風(fēng)暴排擠下,北極渦旋被迫離開極地,攜帶冷空氣一路南下。南下的冷空氣,會和從孟加拉灣來的較強(qiáng)暖濕氣流交匯,給我國帶來明顯的雨雪天氣。

      圖3 (a) 1月23日0時(shí)地面氣壓分布圖

      圖3 (b) 1月25日21時(shí)地面氣壓分布圖

      受到東移南下冷空氣和偏南暖濕氣流影響,從1月20日開始,在一個(gè)阻塞高壓的推波助瀾下,極地渦旋將大舉南侵;配合深厚的南支西風(fēng)波動輸送水汽,我國南方出現(xiàn)大范圍雨雪天氣,從圖4中可以看到,在1月22日的最高壓之前還有一個(gè)極大值產(chǎn)生于1月17日附近,這是一個(gè)冷鋒過境,導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生極小值,此時(shí)風(fēng)由西北風(fēng)逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng),同時(shí)水位下降產(chǎn)生一個(gè)極小值。而到1月22日開始,從圖3的地面氣壓分布圖來看,從西伯利亞來的“霸王級”寒潮降臨,大尺度的渦旋盤踞在西伯利亞地區(qū),這次的極地渦旋尺度大、強(qiáng)度強(qiáng)、位置偏南,冷空氣在此不斷集聚、堆積,最終爆發(fā)南下,我國大江南北的多地均有強(qiáng)降雪。中東部地區(qū)自北向南出現(xiàn)大風(fēng)和強(qiáng)降溫天氣。近日一些報(bào)道中氣象專家認(rèn)為,通常情況下,北極渦旋并不會輕易離開北極地區(qū)。從22日開始壓力呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢,在24日達(dá)到最大值后開始下降,空氣溫度從圖中也能很明顯的看出冷鋒的段落,從22號開始空氣溫度開始明顯下降,于24日達(dá)到最低后有一個(gè)短時(shí)間的反彈,這可能是由當(dāng)時(shí)的外界因素導(dǎo)致或者人為造成,之后又回到最低值在冷鋒過境后開始逐漸上升。從圖2(a)中可以看出風(fēng)速風(fēng)向從18號左右到30號,經(jīng)歷了4~5次切變,由西北風(fēng)切變到東南偏南風(fēng),

      圖4 1月19日-1月29日各要素時(shí)間序列圖

      圖5-1 2月9日-2月19日各要素時(shí)間序列圖

      東南風(fēng)風(fēng)速明顯增大,呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),水位從20號開始有明顯的升高,到22號達(dá)到最高值后開始下降,至25日達(dá)到最低值,之后有一個(gè)水位的回彈,隨后反彈的減少意味著平均水位狀態(tài),從對應(yīng)的時(shí)間來看西北風(fēng)基本帶來減水,而東南偏南風(fēng)會使得水位有所上升。本次冷鋒過境的水溫以一個(gè)較穩(wěn)定的下降趨勢從大約11℃下降到9℃左右,冷鋒過境后水溫慢慢回復(fù)到9.8℃并趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過對水位和水溫進(jìn)行滑動平均濾波后,減少了很多外因?qū)е碌炔灰?guī)律的變化,最后呈現(xiàn)類似的趨勢。

      2.2 兩次強(qiáng)冷空氣過境

      相對于寒潮的定義,舟山海域上有一些明顯的強(qiáng)冷空氣過境,并未達(dá)到寒潮的級別,但對造成的影響依舊不容忽視。從圖5-1 a中可以分析出,這一次強(qiáng)冷空氣的過程中氣壓的極值產(chǎn)生于2月13日-15日的時(shí)候,2月12日后氣壓以很快的速度穩(wěn)步上升,于2月14日達(dá)到氣壓最大值并在波動中持續(xù)維持高壓,圖5-1 b中2月13日開始風(fēng)向由原本的西北風(fēng)呈逆時(shí)針切變?yōu)闁|南風(fēng),且東南偏南風(fēng)顯著增大,并經(jīng)歷了4~5次切變。冷鋒的過境帶來冷空氣,圖5-1 d中水溫迅速從9.2℃降低下降至15日達(dá)到最低值8.5℃左右,15日之后有一個(gè)反彈緊隨其后的增加意味著水位平均狀態(tài)。水溫的這種變化很可能是由于冷鋒過境前東北風(fēng)帶來了暖濕的空氣,而冷鋒過境后的西南風(fēng)更為干冷。圖5-1 c中水位從13日開始出現(xiàn)明顯增加,14日達(dá)到最大值后立即減小,增減水達(dá)到月0.4 m左右,在15日結(jié)束之后有一個(gè)反彈的水位。17日時(shí)水位再次上升,盡管程度較輕,隨后反彈隨后的減少意味著平均水位狀態(tài)??諝鉁囟鹊娜疹l率與半日潮的水位變化是相似的。

      圖5-2 2月17日-2月27日各要素時(shí)間序列圖

      3 討論

      從近年來寒潮影響的實(shí)況看,近海域的水體運(yùn)動反映特征主要有兩種情況:一是由于大風(fēng)和伴隨大風(fēng)擾動的大氣壓力改變等導(dǎo)致海面出現(xiàn)風(fēng)暴潮,沿海潮位隨風(fēng)勢猛漲。二是以快速過境風(fēng)力突發(fā)性猛增為主,氣壓驟變,海面波浪增大,而潮位漲勢未予明顯聯(lián)動。寒潮過程中,冷鋒前往往是一個(gè)潮濕的暖氣團(tuán)以及相對溫暖的南風(fēng);過境時(shí):壓力下降,伴有降水;鋒后:壓力回升,空氣溫度和濕度迅速下降,天氣晴好,風(fēng)多轉(zhuǎn)向?yàn)楸憋L(fēng)。而就這幾次冷鋒過境,舟山海域的鋒前暖濕氣流由東北風(fēng)帶來,當(dāng)寒潮過境時(shí)發(fā)生4~5次切變?yōu)槲髂巷L(fēng),冷鋒過境的顯著特征為:(1)風(fēng)速切變(2)氣壓驟降(3)快速溫度減少的氣團(tuán)進(jìn)入更冷的氣團(tuán)。

      本文從研究的1月份那次強(qiáng)寒潮來討論,由風(fēng)引起的水位變化包括下面幾個(gè)影響機(jī)制[2]:(1)風(fēng)應(yīng)力作用,(2)波浪效果,(3)氣壓效應(yīng),(4)科里奧利(地球自轉(zhuǎn))的效果。根據(jù)風(fēng)壓與表面引起的氣壓梯度力之間主要是一個(gè)準(zhǔn)平衡的關(guān)系[2],可以得到:

      ζ是相對于海平面的水位,x是水平方向上的速度,τs和τb是表面和地面切應(yīng)力,其中表面和地面的切應(yīng)力表示為τs=ρa(bǔ)CDW2,τb=ρCDV2,ρa(bǔ)是空氣密度1.293 kg/m3,W是風(fēng)速,在東南風(fēng)吹拂下的水位升高,1月22日時(shí)達(dá)到最大值,從圖4b中得出此時(shí)最強(qiáng)的向著岸界吹得東南風(fēng)的風(fēng)速達(dá)到25 m/s,V是流速,通過大量對舟山海域流速的測量記載平均流速大于0.7 m/s,這里取平均值0.1 m/s,CD是表面/底部拖曳阻力系數(shù),范圍是在1.3*10-3~3.4*10-3(Dean&Dalrymple)[2],本文中取1.5*10-3。從圖1中觀察風(fēng)場影響的舟山這個(gè)狹長的海域的L根據(jù)圖例可以算出大約為13 km,由

      其中ρ為水的密度1 020 kg/m3, g都取9.8 m/s,L~33 km,h從圖4中求得平均水位為2.3 m,由公式(3)可以估算出由風(fēng)引起的水位變化為0.26 m。

      研究表明空氣壓力下降1毫巴(相對于平均壓力外的天氣系統(tǒng))相當(dāng)于一個(gè)近似0.01 m的水位上升[24]

      ΔP為氣壓變化值,用第一個(gè)案例來研究,在當(dāng)風(fēng)向切變到東南風(fēng)后,對應(yīng)的氣壓上升約7 hpa,根據(jù)換算1 hpa=1 mbar,即ΔP取7 mbar,由公式(4)可以估算出由壓力引起的水位變化為0.07 m。同樣的根據(jù)海浪經(jīng)驗(yàn)公式[2]

      Hs為有效波高,通過查閱舟山海域平均實(shí)際波高的記載,可以通過實(shí)際波高計(jì)算出來,第一個(gè)案例中鋒面過境時(shí)的有效波高Hs取0.33,由公式(5)可以估算出由波浪引起的水位變化為0.06 m。由科氏力引起的水位變化可以表示為

      科里奧利力參數(shù)由所在緯度決定,f=2Ωsinθ~7.29*10-5,由公式(6)可以算出大約為ζcoriolis~0.01 m。

      通過對以上4種機(jī)制所導(dǎo)致的水位變化總和ζ=ζwind+ζpressure+ζwave+ζcoriolis~0.40m,案例一中的水位升高約為0.42 m。將兩次強(qiáng)冷空氣過境分別作為第二個(gè)和第三個(gè)案例分別來求出4種機(jī)制所導(dǎo)致的水位變化情況如表1所示。從這3個(gè)案例的變化比較,用理論公式計(jì)算出來的水位升高的變化總是小于實(shí)際升高的量,但都在小范圍內(nèi),因此認(rèn)為可以以此方法量化地表示各個(gè)機(jī)制的貢獻(xiàn),可以看出其中風(fēng)占主導(dǎo)作用,壓力和波浪的作用也不容小覷,科氏力的影響很小,同時(shí)認(rèn)為可能是受到岸界因素的影響導(dǎo)致理論值總是小于實(shí)際測量值,這可能是后期可能要研究的方向,將岸界因素考慮進(jìn)去。

      本文有兩點(diǎn)需要闡明,第一是從這三個(gè)案例分析還可以看出,溫度和壓力的變化相對于水位的變化有一些略微的滯后,這是因?yàn)镹OAA提供的舟山的氣象數(shù)據(jù)有大部分缺失的部分,所以本文采用了離舟山最近的寧波站的數(shù)據(jù)。第二是雖然本文研究的站位只有一個(gè)。針對這兩個(gè)問題,本文所研究的冷鋒系統(tǒng)比沿海地區(qū)海洋問題擁有更大的尺度。它是一個(gè)天氣事件,大約1 000公里尺度,從而影響面積大,每年冷空氣的大時(shí)間間隔為3~7 d,所以也能代表性的說明寒潮過境對水位的影響變化情況。本文的不足在于缺少實(shí)測精準(zhǔn)的流速數(shù)據(jù)、鹽度數(shù)據(jù)以及河道通量等,之后將致力于這些方面的觀測,討論寒潮過境時(shí)帶來的增水可能對沿岸造成的海水漫灘以及海水入侵等問題,同時(shí)考慮岸界條件以及結(jié)合模式驗(yàn)證,為人類的生產(chǎn)生活提供更好的預(yù)報(bào)及保護(hù)措施。

      表1 研究2016年中三次案例中導(dǎo)致的水位變化的四種機(jī)制的貢獻(xiàn)

      4 結(jié) 語

      本文通過結(jié)合氣象因素研究寒潮過境對沿岸水位的影響得到的結(jié)論:

      (1)冷鋒系統(tǒng)過境帶來冷而干的氣團(tuán),氣壓升高,溫度降低。

      (2)寒潮及強(qiáng)冷空氣過境的顯著特征:(1)風(fēng)速切變(2)氣壓驟降(3)快速溫度減少的氣團(tuán)進(jìn)入更冷的氣團(tuán)。西北風(fēng)發(fā)生4~5次切變?yōu)闁|南風(fēng),呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),東南風(fēng)顯著增大,帶來增水效應(yīng)。

      (3)寒潮及強(qiáng)冷空氣過境時(shí),西北風(fēng)帶來減水效應(yīng),過境后,東南風(fēng)帶來部分增水,水位可能發(fā)生回彈之后再減少到平均水位狀態(tài)。水溫也呈現(xiàn)隨著寒潮過境驟減的過程,并在過境后回升,空氣溫度的日頻率與半日潮的水位變化是相似的。

      (4)引起水位變化的機(jī)制有4個(gè):風(fēng)應(yīng)力作用、波浪效果、氣壓效應(yīng)、科里奧利(地球自轉(zhuǎn))的效果,風(fēng)應(yīng)力作用占主導(dǎo)地位,氣壓效應(yīng)僅次于風(fēng)應(yīng)力,波浪效應(yīng)影響較小,而科里奧利力的影響是最小的,在小海灣等海域完全可以忽略。

      [1] 王立生.萊州灣風(fēng)暴潮天氣統(tǒng)計(jì)特征[J].山東氣象,1989,(1):1-3.

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      2017-05-20

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