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围填海工程对渤海寒潮风暴潮能量场的影响
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摘要：风暴潮是由热带气旋、温带气旋以及寒潮大风等大气扰动引起的局地海平面异常升高或降低的现象[1]。风暴潮灾害是全球范围内最严重的海洋灾害，在西北太平洋沿岸国家中，我国是风
风暴潮是由热带气旋、温带气旋以及寒潮大风等大气扰动引起的局地海平面异常升高或降低的现象[1]。风暴潮灾害是全球范围内最严重的海洋灾害，在西北太平洋沿岸国家中，我国是风暴潮灾害发生次数最多、损失最严重的国家之一[2-3]。渤海地处中国大陆东部北端，属于半封闭浅海，平均水深只有18 m，在春、秋季节，我国渤海和黄海北部容易遭受寒潮风暴潮的影响[1,4]。近年来，渤海地区大力发展海洋经济，兴起围填海造地、海堤和港口的热潮。统计数据显示，从2000 年到2010 年的10 年间，渤海海域的围填海面积多达600 km2，岸线增加了331.6 km[5]，其中天津滨海新区共围垦滩涂108 km2，曹妃甸新区共围垦滩涂110 km2。大规模的围填海工程在产生巨大社会经济效益的同时，也给海洋生态环境造成了深远的影响[6]。海堤建设改变局地海岸岸线和地形，改变不同深度的海域面积和岸线长度，对于潮波和风暴潮等重力长波的传播、折射、反射和底能量耗散等产生很大影响，围填海工程能够改变波动的相位和能量空间分布，直接影响到海域的水动力环境，并对风暴潮过程造成一定的影响[7-8]。
Xie Y 等[9]利用Mike 软件建立了风暴潮模型，指出围填海引起的海平面边界改变是影响杭州湾风暴潮的主要因素，岸线变化使杭州湾风暴潮增水在增加。Guo Y 等[10]指出，海岸工程使杭州湾湾口局部变得狭窄，海底地形发生改变，限制了流场的运动，使风暴潮水位升高。赵鑫等[11]利用SWAN 模型，研究了岸线变化对渤海湾风浪场的影响，指出围填海工程对波浪有效波高及波周期的影响程度不大。Ding Y 等[12]研究了围填海工程对渤海风暴潮增水的影响，使塘沽港等站位的风暴潮增水增加明显。本文利用FVCOM 浅海动力模型[13],对渤海寒潮风暴潮过程进行数值模拟和动力机制分析，研究围填海工程对渤海寒潮风暴潮能量场的影响。
1 模型设置与评价
基于FVCOM 浅海动力模型，建立了渤海潮汐和风暴潮模型，对2003 年10 月的渤海潮汐过程和寒潮风暴潮过程进行数值模拟。模型采用2000 年渤海岸线和围填海工程后的2010 年岸线数据，模型中的水深数据采用 Choi B H 等[14]提供的东中国海水深数据插值到网格点上。渤海湾地区的岸线数据是通过卫星反演获得高分辨率岸线[5]，分辨率为0.001°。
模型的研究区域为整个渤海海域，开边界设在渤海海峡的东部。模型研究区域的经纬度范围为北纬 37°～41°，东经 117°～123°。研究区域的地形及水深见图1。
利用渤海2000 年海岸线数据进行潮汐和风暴潮数值模拟，并对模拟数据进行验证分析。首先利用SMS 软件，对模型研究海域进行三角形网格划分。在渤海湾塘沽港沿岸附近，模型设置的网格分辨率为300 m，随着离岸距离的增加，分辨率依次变化为 1 000 m、2 000 m、4 000 m 和 8 000 m，到渤海海峡开边界区域，达到10 000 m。三角形网格节点数为66 040 个，网格单元个数为129 710 个，开边界节点个数为27 个。在开边界，利用OTPS 软件预报得到实时水位驱动，对M2、S2和K1等8 个主要分潮进行调和分析，提供海洋水边界条件。模型使用的风场数据来自中尺度气象预报模型WRF 风场数据[15]，时间分辨率是每3 小时一次，空间分辨率是0.1°×0.1°，利用潮汐和风场共同驱动 FVCOM 模型。
图1 模型研究的渤海海域地形和水深图（其中:蓝色实线是2000 年岸线，红色实线是2010 年岸线）
结合渤海潮汐模型的输出数据，利用T-tide 软件对渤海各个主要分潮进行了调和分析，调和分析得到的调和常数与验潮站的观测数据基本一致（表1）。
表1 M2分潮调和常数观测值和模拟值的比较验潮站 位置 振幅/cm 迟角/°纬度(°N) 经度(°E) 模拟 观测 绝对误差 模拟 观测 绝对误差塘沽 39.00 117.72 117.3 117.0 0.3 89.0 90.9 -1.9大口河 38.25 117.85 115.0 112.0 3.0 109.5 109.0 0.5洼拉沟 38.13 118.25 81.4 84.0 -2.6 113.9 127.0 -13.1曹妃甸 39.95 118.52 66.1 73.0 -6.9 67.6 74.0 -6.4秦皇岛 39.92 119.62 15.8 11.0 4.8 306.7 311.0 -4.3龙口 37.65 120.32 36.8 40.0 -3.2 328.5 316.0 12.5娘娘庙 40.18 120.33 24.2 25.0 -0.8 157.9 162.0 -4.1蓬莱 37.83 120.73 55.5 53.0 2.5 286.3 292.0 -5.7葫芦岛 40.72 120.98 96.9 96.0 0.9 145.0 150.0 -5.0振幅差的平均值-0.2 迟角差的平均值-3.0振幅差的标准差3.6 迟角差的标准差6.9
图2 和图3 分别是模拟得到的曹妃甸港和黄骅港的潮汐流速分量，图中显示潮汐最大流速在0.4～0.6 m/s 之间，流向为明显的往复流，呈现明显的不正规半日潮特征，模拟的流速和流向数据与实测数据进行对比分析，结果和实测数据基本吻合。对2003 年10 月渤海寒潮风暴潮过程进行数值模拟，计算塘沽站风暴潮增水和风速时间序列，二者的相关系数为0.95，成显著相关。气压场对渤海风暴潮的影响效应不明显。在渤海海域，和风场相比气压场是一个小量，可以不予考虑，风应力是渤海风暴潮的主要强迫动力[1]。对塘沽站等站位的风暴潮增水和实测增水数据的时间序列进行了对比，模型数据与实测数据在增水极值、过程、趋势都基本一致[12,16]。这说明本文建立的潮汐模型和风暴潮模型可以用来研究渤海海域的寒潮风暴潮过程及其动力学特征。
文章来源：《环渤海经济瞭望》 网址: http://www.hbhjjw.cn/qikandaodu/2021/0412/817.html