许灵静, 杨　波❋❋, 江文胜

(中国海洋大学 1. 海洋与大气学院； 2.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)



台风对杭州湾水交换影响的定量研究❋

许灵静1, 杨波1❋❋, 江文胜2

(中国海洋大学 1. 海洋与大气学院； 2.海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

摘要：基于ADCIRC(Advanced Circulation Model for Shelves, Coasts, and Estuaries)模式建立了杭州湾台风风暴潮流二维数值模型，结合粒子追踪模型，分别研究了天文潮和台风过程作用下杭州湾的水交换情况，定量分析了台风对杭州湾水交换的影响;统计7场典型路径的台风，结果表明：台风影响比较剧烈时，与天文潮的单独作用相比，湾内、外参与交换的水体范围分别可增加约1.6倍和7倍，湾内流出的水体影响范围可以增加31%；湾内水交换速度可提高1.7倍。研究还发现不同路径的台风对杭州湾内外水体交换的影响有所不同。

关键词：杭州湾；水交换；台风；数值模拟

引用格式：许灵静, 杨波, 江文胜. 台风对杭州湾水交换影响的定量研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016， 46(6): 29-41.

XU Ling-Jing, YANG Bo, JIANG Wen-Sheng. Quantitative study on water exchange affected by typhoons in the Hangzhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 29-41.

杭州湾位于浙江省北部，北临上海，西起澉浦，东接中国东海，并与长江口毗邻。随着城市经济的发展，大量的污染物质如生活和工业废水、疏浚物等被排入湾中，湾内的污染物日益增多，富营养化日趋严重[1-2]，给湾内环境造成很大压力，杭州湾已成为中国近岸污染最严重的区域之一[3]。湾内污染物的输移扩散和物理自净能力主要通过水交换的强弱来衡量[4]，因此研究杭州湾水交换对于保护杭州湾，进行湾内环境规划具有重要的指导意义。

目前，通过箱式模型、水质模型、质点追踪模型等，学者们已对国内外海湾的水交换进行了大量研究[5-10]。对杭州湾的水交换，国内也已有一些研究：如张淑珍等[11]选取杭州湾内4个拟定的排污口进行研究，发现杭州湾水交换最活跃的地方为湾口中部区域；刘新成等[12]计算了杭州湾和长江口的欧拉余流，定量地研究了长江口与杭州湾的水交换范围，指出长江水向杭州湾的扩散主要集中在近岸南汇嘴至8m等深线以内的范围；Kong等[13]利用二维数值模型，分析了影响长江口和杭州湾水交换和沉积输运的各种机制如潮位的变化、潮流动能、余流、粒子追踪以及潮滩等，研究表明长江口与杭州湾之间存在一个周期性的水交换，净的水交换主要发生在0～6m等深线范围内，净水通量的最大值出现在2m等深线附近，水体的输运路径和范围与沉积物的不同；姚炎明等[14]通过淡水组分法计算了包括杭州湾在内的整个钱塘江河口的水体冲洗时间，认为冲洗时间与径流量之间存在指数函数的关系；Wang等[15]研究发现,长江与杭州湾的水交换受大小潮的调节，并随季节发生变化，冬天西北风或北风的作用促进了长江水向杭州湾的输运，水龄比夏天明显减小。从前人的研究中可以看出，其研究多侧重于长江口与杭州湾的水交换，对杭州湾内的水体情况研究较少。

水交换的众多研究表明：潮流是影响水交换的基本动力因素，风是影响水交换的重要动力要素，特别是台风过程，对水交换的影响非常显著。陈春华等[16]曾经对8410和9111台风在琼州海峡和海口湾引起的水交换进行研究，结果表明在一场台风过程中风暴流输运的水量可以使湾内的污染物浓度降低15%左右。而前人对杭州湾水交换动力机制的探讨主要集中于天文潮、季风和径流，对于极端天气情况下水交换的研究很少。

杭州湾是一个受台风影响比较频繁的地区，对中国气象局热带气旋资料中心(tcdata.typhoon.gov.cn)[17]提供的最佳路径数据集进行统计，发现自建国以来平均每年约有1.7场台风影响到杭州湾地区，因此研究台风对杭州湾水交换的影响具有重要的科学意义。

本文通过数值模拟的方法探讨不同台风情境下杭州湾的水交换情况，定量地给出了台风影响的程度，为改善杭州湾海水环境提供参考。

1模型介绍

1.1 ADCIRC模型

ADCIRC (Advanced Circulation Model for Shelves, Coasts, and Estuaries)由美国北卡罗来纳州大学的Luettich[18]等人主持开发，基于非结构三角网格，能很好地拟合复杂的岸线，采用空间有限元和时间有限差分相结合的方法既提高了区域的精度又提升了计算的效率。目前该模式已被广泛应用于潮汐和风暴潮的预报中[19-22]。

虽然自然界中的水体运动都是三维问题，但杭州湾水深较浅，水平尺度远远大于垂向尺度，同时流速在垂向的大小和变化都远小于水平方向，因此为简化模型、减少计算量，本文采用不考虑斜压作用的二维深度积分模型来模拟杭州湾的流场。笛卡尔坐标系下基本控制方程为：

(1)

(2)

(3)

1.2台风模型

要模拟台风引起的风暴流场，需将台风过程中的气压场和风场作为模式的强迫场。台风的位置、中心气压等基本信息可以从中国气象局热带气旋最佳路径数据集[17]中得到，最大风速WR采用ATKINSON-HOLLIDY[24]提出的经验计算公式，最大风速半径R采用MEF经验公式[25]，分别为：

WR=3.029×(P∞-P0)0.644，

(4)

(5)

其中：P∞为无穷远处的大气压(取1013.25hPa)；P0为台风的中心气压(单位hPa)；φ为台风中心的纬度(单位为度)；V为台风中心的移动速度；M为起算半径，取45km。

台风风场和气压场分布采用Jelesnianski模型[26]：

当0≤r≤R时

(6)

当r>R时

(7)

1.3 水交换模型

本文采用拉格朗日粒子追踪模型进行水体运动的模拟，以Takeoka[27]提出的剩余函数概念表示水交换量。

2模型设置及验证

2.1 ADCIRC模型设置

考虑到杭州湾的潮波能量主要由东中国海传入[28]，将中国东海和黄海的部分区域(119.2°E～128.7°E，25.7°N～36.8°N)作为模型计算区域(见图1)。模拟区域采用变分辨率网格，在开边界网格步长设为10km，岸线处500m，岛屿周边进行加密处理，杭州湾口处的大小洋山分辨率精细到150m。模型节点数132 089个，三角形单元259 262个，网格较好地拟合了计算区域内的复杂岸线(见图1)。模式中岸线资料结合卫星遥感图片和海图数字化得到；水深数据来源于Choi(Laboratory for Coastal and Ocean Dynamics Studies Sungkyunkwan Univ.)提供的1’×1’地形数据与海军航保部的3张海图插值叠加。其中3张海图分辨率为1∶250 000、1∶80 000、1∶35 000，分别对应中国东海舟山群岛及附近、南汇嘴至火山列岛、上海洋山港港区。

模型由天文潮、风场、气压场和径流驱动。4个分潮(M2，S2，K1，O1)的振幅和迟角从OTPS(Oregon State University Tidal Prediction Software)中提取得到[29]；底应力采用混合非线性底摩擦公式，最小底摩擦系数取0.001；风应力是风速的函数。大通水文站测得长江洪峰期间的多年平均流量为56 200m3·s-1，百年一遇的洪峰流量为92 600m3·s-1[30]，由于模拟的时间为夏季丰水期，模型区域中长江的西边界位于大通站下游约400km处的江阴，综合考虑多方面因素并进行试验对比前人的结果，选取73 000m3·s-1作为模式的长江径流量输入；钱塘江属于山溪型河流，其流量的变率比较大，径流量比长江的小很多，并且前人的研究表明钱塘江对杭州湾顶水交换的影响不明显[31]，因此本模型不予考虑。

2.2 粒子追踪模型的设置

为了研究杭州湾水交换的情况，将121.8300°E作为湾内外的界限，在区域28.452 5°N～32.497 5°N，120.002 5°E～123.497 5°E内(见图2中的黑色虚框)均匀布放粒子，其间距为0.005(°)×0.005(°)，然后利用模型得到的流场对这些粒子进行追踪。

(A：吴淞、B：高桥、C：中浚、D：芦潮、E：绿华山、F：滩浒(圆点)；C1～C4为测流站的位置(菱形)；黑色虚线框为追踪粒子布放区域。A：Wusong, B：Gaoqiao, C：Zhongjun, D：Luchao, E：Lvhuashan, F：Tanhu, (dots). C1～C4 are current stations (diamonds). Dashed box stands for the area where particles are released.)

图2验潮站及粒子布放区域

Fig.2Tidal stations and released area of particles

2.3 模型验证

本文选取位于长江口和杭州湾附近的6个验潮站及4个测流站进行天文潮潮位和流速的验证，站位点见图2，其中圆点(A～F)为潮位站，菱形(C1～C4)为潮流测站。

2.3.1 水位验证图3为2002-09-01—30日模拟的潮位与潮汐表中潮位数据的对比，可以看出模拟的潮位与潮汐表中的比较符合，变化趋势较为一致。对潮位站的潮汐表水位数据和模拟得到的水位数据调和分析，得到调和常数的对比结果见表1。从表中可以看出4个分潮振幅的绝对误差大多在10cm以下，最大不超过15cm；迟角的绝对误差控制在20°以内。

计算台风情景时，风场和气压场是由Jelesnianski模型得到的，模式中其余设置均与只计算天文潮时一致，以此对2000-08-29—31日0012号派比安台风过程进行了模拟(见图4)。图4左侧一组图为高桥、滩浒2个站位的风暴潮总水位与实测数据的对比，可以看出台风过程中模式对水位的模拟也比较准确。图4右侧组图给出了高桥和滩浒站实测增水与模拟增水的对比，模型较好地再现了水位变化过程。

2.3.2 流场验证图5，6分别为2009年6、7月大潮和小潮期间流速流向的验证结果，实测数据源于姚炎明等[14]同期的观测，可以看出流的转向时刻与实测比较接近，模拟的大潮流速和流向与实测结果基本吻合，小潮期间模拟的与实测的流向比较吻合，流速略偏小。

对2000年8月28日涨潮和落潮潮流场进行模拟(见图7)。从涨憩和落憩的潮流矢分布可以看出，东海潮波传入杭州湾以后，潮流基本成往复状态，涨潮流向西略偏北，基本与岸线平行，进入湾内后受喇叭地形的约束逐渐转向西南；落潮流向东偏南，流向与涨潮流相反。以上研究表明该模式能较好地反映天文潮以及台风情况下所研究区域的动力情况。

2.3.3 拉格朗日余流场从2000年8月8日的高潮起释放粒子，追踪75h，得到杭州湾及其附近的拉格朗日余流场(见图8)。从图中可以看出，在南汇嘴东部，长江口余流分为向东流向外海的和贴着南汇嘴东滩流入杭州湾的两支；流入杭州湾的顺时针涡旋有利于长江水沿杭州湾北岸输入湾内；杭州湾北岸余流在金山附近南下后呈逆时针流向湾外，这是控制湾内余流的主涡旋；在湾顶南岸存在顺时针的涡旋，可将湾顶的水向湾中部输送并随逆时针主涡流向湾外；此外在舟山群岛各岛屿附近有小的涡旋。这些结构与前人[32-35]的研究基本一致。

3模拟结果与分析

为研究杭州湾内与湾外的水体交换情况，本节将从湾内外水体交换的来源、剩余函数和出流影响区域3个方面对杭州湾的水交换进行讨论。

3.1 天文潮作用下的水交换

选取长江口(121.973 5°E，31.057 5°N)、杭州湾中部(121.872 5°E，30.272 5°N)以及杭州湾南部(121.8325°E，30.1075°N)3个粒子分别在高潮时和低潮时释放，追踪162h后的路径见图9。从图中可以看出，由于杭州湾的潮流运动形式为显著的往复流，且各分潮的旋转率很小[28]，故粒子路径成往复状态；并且拉格朗日粒子追踪的结果显著依赖于初始释放时刻，初始释放时刻不同，粒子的运动路径也不同。为了研究杭州湾内外水体交换的来源情况，选择在高潮时释放粒子并追踪72h。

3.1.1 杭州湾内外水体交换的来源在追踪过程中，只要湾外的粒子在某时刻进入到了湾内，就将其初始位置标记在图10(a)中，称为湾外参与交换的水体来源；同样只要湾内的粒子到过湾外，其初始位置就标记在图10(b)中，称为湾内参与交换的水体来源。从图10可以看出在涨落潮流的作用下，杭州湾外可以参与交换的粒子初始位置集中在长江口南岸以及湾内外分界线的附近，湾内可以进行交换的粒子初始位置全集中在分界线附近。前人的研究也表明，长江口与杭州湾的水交换主要发生在近岸[12]，而杭州湾湾口中部区域是水交换最活跃的地方[11]，这与本文的结果一致。

3.1.2 杭州湾内的剩余函数值为了进一步了解杭州湾内外的水交换情况，计算了杭州湾的剩余函数时间序列。自2002年9月1日起模拟60d，得到湾内水体剩余函数的时间序列(见图11)。结果显示，随着时间的推移，剩余函数呈明显的震荡下降趋势，2个月后，湾内剩余函数降到48%。经过计算，半交换时间约为46d；而当剩余函数为71%，即交换量达到29%时，约需要25.5d。

本文着重研究台风过程中杭州湾水交换的情形，因此在1个台风风暴潮过程内研究初始释放时间对剩余函数值的影响是有必要的。以2002年9月份为例，选取不同的大小潮高低潮组合做了8组敏感性试验(见表2)，每个试验计算72h。试验表明无论是大潮期间还是小潮期间，高潮作为初始释放时刻时湾内粒子的剩余量都比低潮作为初始释放时刻时要少：高潮时释放72h后剩余函数值约为82%～87%，而从低潮释放时剩余函数值约为93%～95%。所以选取不同潮时释放粒子对水交换结果存在着较大影响，为统一表现湾内外的水交换情况，本文的研究选择高潮时作为初始时刻来释放粒子。

Note：①Tidal moment；②Higher high tide；③Lower high tide；④Higher low tide；⑤Lower low tide；⑥Spring tide；⑦Neap tide

3.2 台风影响下的水交换结果

自1949年到2014年，共有100多场台风影响杭州湾地区，从中选取7条典型路径的台风进行研究(见图12)，分别归为南北向、东西向和转向型的台风。南北向路径中，0807、0004、1109号台风中心分别经过湾西侧，湾中部和湾东侧；东西向路径中0216、0008、1210台风中心分别在湾南侧、湾中部和湾北侧；转向型台风选择了1个个例即0515号台风。为了研究台风过程中的水交换，将初始时刻定义在台风中心进入模型计算区域后第一个高潮时，此时开始释放粒子。

3.2.1台风影响下湾内外交换的水体来源以0008

号台风(见图13左)为例，研究台风影响下杭州湾内外进行交换的水体来源。在台风作用下，可以进入湾内的粒子数明显增多，范围也扩展到崇明岛附近(见图13中)；能够从湾内流出的粒子量也显著增加，范围扩展到了杭州湾的南部区域(见图13右)，这说明台风的确大大地促进了杭州湾的水交换。

统计7场台风对杭州湾水体交换来源情况的影响(见表3)，发现除0807号台风以外，湾外参与交换的水体量都是增加的，增加量达43%～704%。湾内参与交换的水体量也都是增加的，增加量达11%～161%。0807号台风的情况将在后面的3.3节中进行详细分析。

3.2.2 台风影响下杭州湾内剩余函数的变化首先以0008号台风为例，研究天文潮和台风情况下湾内剩余函数的变化(见图14)。从图中可以看出，3天后湾内水体的剩余量分别约89.2%和70.8%，即在天文潮和有台风影响的情况下交换量分别为10.8%和29.2%，交换量提高了约1.7倍。在3.1节中提到，4个分潮作用下交换量达到29%约需要25.5d，与此处的3d相比，交换时间缩短了约7.5倍。研究其他几场台风，发现与天文潮时相比要交换相同的量所用时间可缩短约0.6～7.5倍。统计7场台风过程中的剩余函数(见表4)，对比天文潮和台风情况下的结果发现，在天文潮作用下，72h后水交换量约为10%～15%，而台风到来时，交换量则可达11%～30%，交换量增加约0.2～1.7倍。

Note：①Tides；②Typhoons；③Increased multiples

3.2.3 湾内水体对湾外的影响范围为了进一步了解台风对杭州湾水交换的影响，以0008台风为例，模拟了杭州湾水体出流后的去向(见图15(a))及其对湾外的影响面积(见图15(b))。从图15(a)可以看出，台风情况下，湾内水体影响范围不仅仅局限在湾口中部区域，还扩展到南部舟山群岛附近。图15(b)中实线为每个时刻湾内水体在湾外的影响面积；虚线为整个过程中湾内水体能够影响到湾外的所有区域的面积，称为扫海面积。天文潮作用下各个时刻的影响范围出现周期性震荡，与涨落潮流有关。台风作用下湾内水体对湾外的影响范围迅速增加。对比两幅图可知，台风过程比天文潮过程影响面积约增加31%。

(图中实线表示每个时刻对湾外的影响面积;虚线表示总影响面积。The solid lines stand for the affected acreage at every moment; The dotted lines stand for the total affected acreage.)

图15天文潮(左)和台风(右)情况下湾内水体对湾外的影响范围(a)和面积(b)

Fig.15The area affected by the water outflow from Hangzhou Bay under the tidal condition(left) and typhoon-tidal condition (right)

3.3 不同路径的台风对杭州湾水体来源与出流的影响

郑东升等[36]研究风场对渤海湾水交换的影响时发现：风向决定风场对水交换是否有影响，风速大小决定影响的程度。不同路径的台风在杭州湾附近的风向不相同，因此不同路径的台风对水交换的影响也不相同。7场台风过程除0004和0807号在计算过程中约为10～11级风，其余5场约为12～13级风。本文在这里只考虑风向对水交换的影响，风速的影响在以后的研究中讨论。0008台风过程中湾内水体的来源与出流情况见图13，其余6场台风则如图16所示。

在3.2节台风对湾内水体来源的影响研究中发现，在0807台风的作用下，可以进入湾内的水体量减少了约6%，与其路径平行的0004号台风增量也只有43%。分析两场台风发现，当台风在台湾岛附近登陆北上或者不登陆继续北上时，台风路径基本与杭州湾的走向垂直，台风中心位于杭州湾左侧，台风移动过程中，风场由东南向顺时针转为西南向，抑制长江水北下，促进水从北部及湾口中部区域流出。从图16(a)和(d)可以看出，0004和0807号台风对长江水进入杭州湾有显著的抑制作用，而促进湾内水体从杭州湾北岸流出。

1109台风也属于南北向路径的台风，与另外2条南北向路径台风不同的是：其台风中心位于杭州湾的东侧，台风过程中影响杭州湾的风场由东北向逆时针转向为西向促进长江水进入杭州湾；在湾南部的风场为东南向，促进湾内的水从南部流出(见图16(e))。

3个东西向的台风中，0008和0216台风的中心位于湾的西侧，在台风移动的过程中，杭州湾附近的台风由北向顺时针转为东北向，最终转为东南向；而1210台风的中心位于杭州湾右侧，在杭州湾附近产生的风场由北向逆时针转为西南。3场台风产生的风暴余流场都与1109相似，湾北部东南向，湾南部西南向，因而湾内水体的来源与流出区域也比较相似(见图13，图16(b),16(f))。

转向型台风0515在移动过程中，杭州湾附近的风场由东北顺时针转为西南，产生的风暴余流场比较混乱，但湾北部有向南的分量，促进长江水进入杭州湾，而对于能够从湾内出来的水体范围无明显规律(见图16(c))。

综上，虽然台风在移动的过程中，风场的方向不尽相同，但是只有南北向从台湾岛附近登陆或者不登陆直接北上的台风会促进杭州湾内水体从杭州湾北部流出，抑制长江水进入杭州湾；其余路径的台风都促进长江水进入杭州湾，除转向型路径外，其余路径还促进湾内的水从南部流出，只是由于台风强度的不同，影响的大小也不一样。

4结论

在杭州湾及其临近海域二维潮汐潮流模式的基础上，结合拉格朗日粒子追踪方法，模拟了不同台风过程中杭州湾水体交换的情况，得出结论如下：

(1)大多台风能够促进湾外水进入湾内，湾外参与交换的水体增加量因台风强度和路径的不同最少是原来的0.43倍，最大可以达到7.04倍；台风也会促进湾内水体的出流，湾内参与交换的水体增加量至少是原来的0.11倍，最大可达到1.61倍。

(2)当一场台风影响杭州湾时，72h的水交换量可以提高0.2～1.7倍。与天文潮作用相比，要交换相同的量，台风情景时所需要的时间可缩短约0.6～7.5倍。台风作用下杭州湾内水体对湾外的影响区域发生改变，影响面积也显著增大。

(3)不同路径的台风对杭州湾参与交换的水体来源及湾内水体的出流影响区域不同，南北向从台湾岛附近登陆或者不登陆直接北上的台风促进杭州湾内的水从湾北部流出，抑制长江水进入杭州湾；转向型路径促进长江水进入杭州湾，对湾内水体出流的区域影响不明显；其余路径台风都促进长江径流进入杭州湾并促进湾内的水从北部流出。

参考文献：

[1]高生泉, 陈建芳, 金海燕, 等. 杭州湾及邻近水域营养盐的时空分布与富营养化特征[J]. 海洋学研究, 2011(3): 36-47.

Gao S, Chen J, Jin H, et al. Characteristics of nutrients and eutrophicationin the Hangzhou Bay and its adjacent waters[J]. Journal of Marine Sciences, 2011(3): 36-47.

[2]张健, 施青松, 邬翱宇, 等. 杭州湾丰水期主要污染因子的分布变化及成因[J]. 东海海洋， 2002(4): 35-41.

Zhang J, Shi Q, Wu A, et al. Distribution characteristic analysis of main pollution factor in rainy season in the Hangzhou Bay [J]. Donghai Marine Science, 2002(4): 35-41.

[3]国家海洋局. 2014年中国海洋环境状况公报[R]. 北京: 国家海洋局, 2015.

State Oceanic Administration People's Republic of China. Bulletin of Marine Environmental Status of China for the year of 2014[R]. Beijing: State Oceanic Administration People's Republic of China, 2015.

[4]姚炎明, 彭辉, 杜雅杰, 等. 象山港分区水交换数值研究[J]. 海洋学报(中文版), 2014(1): 126-130.

Yao Y, Peng H, Du Y, et al. Numerical study on water exchange in the Xiangshangang Bay[J]. Acta Oceanologica Sinica(in Chinese), 2014(1): 126-130.

[5]高抒, 谢钦春. 狭长形海湾与外海水体交换的一个物理模型[J]. 海洋通报， 1991(3): 1-9.

Gao S, Xie Q. Physical model for water exchange process in Xiangshan Bay[J]. Marine Science Bulletin, 1991(3): 1-9.

[6]Kitheka J U. Coastal tidally-driven circulation and the role of water exchange in the linkage between tropical coastal ecosystems[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1997, 45(2): 177-187.

[7]魏皓, 田恬, 周锋, 等. 渤海水交换的数值研究-水质模型对半交换时间的模拟[J]. 青岛海洋大学学报, 2002(4): 519-525.

Wei H, Tian T, Zhou F, et al. Numerical study on the water exchange of the Bohai Sea: simulation of the half -life time by dispersion model[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 2002(4): 519-525.

[8]Luff R P T. Calculation of water exchange times in the ICES-boxes with an Eulerian dispersion model using a half-life time approach[J]. Deutsche Hydrografische Zeitschrift, 1995, 47(4): 287-299.

[9]Signell R P, Butman B. Modeling tidal exchange and dispersion in Boston Harbor[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1992, 97(C10): 15591-15606.

[10]Bilgili A, Proehl J A, Lynch D R, et al. Estuary/ocean exchange and tidal mixing in a Gulf of Maine Estuary: A Lagrangian modeling study[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2005, 65(4): 607-624.

[11]张淑珍, 俞光耀, 王化桐. 海湾物理自净能力分析及水质预测实例[J]. 山东海洋学院学报, 1988(S1): 53-72.

Zhang S, Yu G, Wang H. Analysis of physical self-purification capacity and prediction of water quality in the bay[J]. Journal of Shandong College of Oceanology, 1988(S1): 53-72.

[12]刘新成, 卢永金, 潘丽红, 等. 长江口和杭州湾潮流数值模拟及水体交换的定量研究[J]. 水动力学研究与进展, 2006(2): 171-180.

Liu X, Lu Y, Pan L, et al. Tidal current numerical simulating and water exchange research in Yangtze Estuary and Hangzhou Bay[J]. Journal of Hydrodynamics, 2006(2): 171-180.

[13]Kong J, Song Z, Xia Y, et al. Characteristics of water and sediment exchange Between Yangtze Estuary and Hangzhou Bay[J]. China Ocean Engineering, 2007, 21(2): 255-266.

[14]姚炎明, 朱斌, 李佳. 钱塘江河口水体冲洗时间的计算[J]. 浙江大学学报(理学版), 2012(6): 711-716.

Yao Y, Zhu B, Li J. The computation of flushing time in Qiantang Estuary[J]. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2012(6): 711-716.

[15]Wang Y, Shen J, He Q, et al. Seasonal variations of transport time of freshwater exchanges between Changjiang Estuary and its adjacent regions[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2015, 157: 109-119.

[16]陈春华, 侍茂崇, 孙士才, 等. 琼州海峡和海口湾台风引起的水交换研究[J]. 海洋环境科学, 1997(3): 9-11.

Chen C, Shi M, Sun S, et al. Study on the water exchange by typhoon in Qiongzhou Strait and Haikou Bay[J]. Marine Environmental Science, 1997(3): 9-11.

[17]Ying M, Zhang W, Yu H, et al. An overview of the China meteorological administration tropical cyclone database[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2014, 31(2): 287-301.

[18]Luettich R A, Westerink J J. ADCIRC User Manual: A (Parallel) Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal and Estuarine Waters[R]. Morehead City: University of North Corolina at Chapel Hill Institute of Marine Sciences, 2006.

[19]郭洪琳. 瓯江口风暴潮漫滩数值预报研究[D]. 北京： 国家海洋环境预报研究中心, 2011.

Guo H. A numerical prediction study of storm surge and flood plain on the delta of Oujiang[D]. Beijing: National Marine Environmental Forecasting Center, 2011.

[20]冯兴如. 重点区台风风暴潮数值预报与灾害评估研究[D]. 青岛: 中国科学院研究生院(海洋研究所), 2012.

Feng X. Study on the hurricane storm surge disaster assessment and numerical prediction technique[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy Sciences. 2012.

[21]赵长进. 长江口及其邻近海区无结构网格风暴潮模式的建立与应用[D]. 上海: 华东师范大学, 2014.

Zhao C. Development and analysis of the unstructured numerical model for storm surge in the Changjiang Estuary[D]. Shanghai: East China Normal University. 2014.

[22]Feng J, Jiang W, Bian C. Numerieal prediction of storm surge in the Qingdao area under the impact of climate change[J]. Journal of Ocean University of China, 2014, 13(4): 539-551.

[23]Luettich R A, Westerink J J, Scheflher N W. An Advanced Three-Dimensional Circulation Model for Shelves, Coasts, and Estuaries. Report 1. Theory and Methodology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL[R]. Washington, DC: Coastal Engineering Research Center Vicksburg Ms, 1992.

[24]Atkinson G D, Holliday C R. Tropical cyclone minimum sea level pressure/maximum sustained wind relationship for the western north Pacific[J]. Monthly Weather Review, 1977, 105(4): 421-427.

[25]潘丽红. 台风条件下上海地区典型海堤防御能力评价研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2011.

Pan L. Assessment of defense capability of sea dikes in Shanghai for typhoon[D]. Shanghai: East China Normal University. 2011.

[26]Jelesnianski C P. A numerical calculation of storm tides induced by a tropical storm impinging on a continental shelf[J]. Monthly Weather Review, 1965(93): 343-358.

[27]Takeoka H. Fundamental concepts of exchange and transport time scales in a coastal sea[J]. Continental Shelf Research, 1984, 3(3): 311-326.

[28]谷国传, 李身铎, 胡方西. 杭州湾北部近岸水域水文泥沙特性[J]. 东海海洋, 1987, 5(4): 15-24.

Gu G, Li S, Hu F. The hydrologic characteristics and silts transportation in nearshore waters of northern Hangzhou Bay[J]. Donghai Marine Science, 1987, 5(4): 15-24.

[29]Maritin P J, Smith S R, Posey P G, et al. Use of the Oregon State University Tidal Inversion Software (OTIS) to Generate Improved Tidal Prediction in the East-Asian Seas[R].Arlington: Naval Research Laboratory Oceanography Division Stemis Space Center, 2009.

[30]黄华. 长江口及杭州湾风暴潮三维数值模拟[D]. 上海: 华东师范大学, 2006.

Huang H. 3-D numerical simulation of storm surges in the Changjiang Estuary and Hangzhou Bay[D]. Shanghai: East China Normal University, 2006.

[31]郜会彩, 李若华, 朱军政. 强潮河口水体交换能力敏感因素分析[J]. 浙江水利科技, 2013(5): 5-7.

Gao H, Li R, Zhu J. Sensitive factor analysis of water exchange capacity in strong tide estuary[J]. Zhejiang Hydrotechnics, 2013(5): 5-7.

[32]李身铎, 孙卫阳. 杭州湾潮致余流数值研究[J]. 海洋与湖沼, 1995(3): 254-261.

Li S, Sun W. Numerical modeling residual currents in Hangzhou Bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1995(3): 254-261.

[33]朱首贤, 丁平兴, 史峰岩, 等. 杭州湾、长江口余流及其物质输运作用的模拟研究Ⅱ冬季余流及其对物质的运输作用[J]. 海洋学报(中文版), 2000(6): 1-12.

Zhu S, Ding P, Shi F, et al. Numerical study on residual current and its effect on mass transport in the Hangzhou Bay and the Changjiang EstuaryⅡ. The residual current and its effect on mass transport in winter [J]. Acta Oceanologica Sinica (in Chinese), 2000(6): 1-12.

[34]孔俊. 长江口、杭州湾水沙交换特性初步研究[D]. 南京： 河海大学, 2005.

Kong J. Preliminary study on the flow and sediment flux exchange characteristics between Changjiang Estuary and Hangzhou Bay[D]. Nanjing: Hohai University, 2005.

[35]邹涛, 高会旺, 孙文心, 等. 长江口、杭州湾及其邻近海区Lagrange环流的数值模拟研究Ⅰ——正压环流[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2009(1): 153-159.

Zou T, Gao H, Sun W, et al. Numerical simulation of Lagrange residual current in the Changjiang Estuary and their adjacent sea Ⅰ: Barotropic circulation[J]. Periodical of Ocean University of China, 2009(1): 153-159.

[36]郑东升, 孙健, 陶建华. 一种基于能量形式的风场数据统计方法及其在渤海湾水交换方面的应用[J]. 海洋环境科学, 2013(2): 280-283.

Zheng D, Sun J, Tao J. A statistical method of wind field based on the form of energy and its application in Bohai Bay water exchange[J]. Marine Environmental Science, 2013(2): 280-283.

责任编辑庞旻

Quantitative Study on Water Exchange Affected by Typhoons in the Hangzhou Bay

XU Ling-Jing1, YANG Bo1, JIANG Wen-Sheng2

(Ocean University of China, 1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences; 2.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China)

Abstract：A 2D numerical model of storm surge is established based on ADCIRC model in the Hangzhou Bay. The Particle Tracking Method is used to study the water exchange according to the model results under the tidal condition and typhoon-tidal condition respectively. The influences of typhoons on water exchange in Hangzhou Bay are quantitatively analyzed. Results show that when the bay is affected by strong typhoons, the outflow water area inside the bay can increase 1.6 times compared to conditions that only forced by tide, while the inflow area outside the bay can increase 7 times. And the affected area of outflow water can increase 31%, the water exchange rate can increase 1.7 times compared with those under tidal conditions. It also reveals that typhoons with different paths have different influences on the water exchange of Hangzhou Bay.

Key words:Hangzhou Bay; water exchange; typhoon; numerical simulation

基金项目：❋ 海洋公益性行业科研专项经费项目(201205017-3)；国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目(U1406401)资助

收稿日期：2015-08-05；

修订日期：2015-11-12

作者简介：许灵静(1991-)，女，硕士生。E-mail：lingjingxu2016@126.com ❋❋通讯作者：E-mail: yang.bo@ouc.edu.cn

中图法分类号：P731.27

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)06-029-13

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150280

Supported by Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean (201205017-3)； NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers (U1406401)