茅洲河口可能最大臺(tái)風(fēng)暴潮研究

蔣自勝，王其松

(1.中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518102;2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510611；3.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611)

隨著全球氣候變化和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害增多，臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮增水過程將會(huì)發(fā)生變化，最大增水研究對(duì)沿海城市防潮災(zāi)規(guī)劃制定和工程項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義[1-5]。在沿海重大工程項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮風(fēng)暴潮襲擊的頻繁程度和可能最大臺(tái)風(fēng)增水。中國(guó)建成和在建的核電站設(shè)計(jì)高潮位是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定的，即最大天文潮加上可能最大臺(tái)風(fēng)增水[6]。

隨著中國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失不斷增加，其中臺(tái)風(fēng)暴潮增水作為海洋災(zāi)害的主要形式，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)對(duì)象[7-8]。劉科成[9]分析了歷史上影響上海港的最嚴(yán)重的幾次臺(tái)風(fēng)特征，選取典型臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的“最惡劣者”的組合形成“模式臺(tái)風(fēng)”，根據(jù)臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)和風(fēng)暴增水的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系獲取了上海港的可能最大增水，然后疊加臺(tái)風(fēng)季節(jié)的天文潮極值獲得上海港可能最大臺(tái)風(fēng)增水(PMSS)值。尹慶江等[6]建立并經(jīng)過模擬檢驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模式由已確定的可能最大臺(tái)風(fēng)，按3種類型的13條臺(tái)風(fēng)路徑分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)產(chǎn)生可能最大風(fēng)暴潮的假想登陸臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了不同移速的計(jì)算，由此確定了鎮(zhèn)海的可能最大臺(tái)風(fēng)增水(PMSS)值。日本基于歷史上有記錄以來的最大臺(tái)風(fēng)事件——伊勢(shì)灣臺(tái)風(fēng)，以此作為可能最大熱帶氣旋基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)路徑平移，完成不同區(qū)域PMSS關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置[10]。

茅洲河流域位于珠江三角洲東南部，跨越深圳、東莞2個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，干流發(fā)源于深圳境內(nèi)的羊臺(tái)山，流經(jīng)石巖、公明、光明、松崗、沙井街道，在沙井民主村匯入珠江口，集水面積343.52 km2(其中深圳境內(nèi)266.14 km2，東莞境內(nèi)77.38 km2)。深圳市是國(guó)家區(qū)域中心城市，茅洲河作為深圳第一大河流，為保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)安全高效發(fā)展，防潮工程中適當(dāng)考慮可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水是必要的。

基于珠江河口風(fēng)暴潮增水影響因子的多樣性及受災(zāi)體的特殊性，風(fēng)暴潮增水具有更大不確定性。本文根據(jù)茅洲河口附近海域歷史臺(tái)風(fēng)和水文資料，構(gòu)建出對(duì)茅洲河口防洪潮最不利的假想臺(tái)風(fēng)的主要參數(shù)，包括臺(tái)風(fēng)中心氣壓、最大風(fēng)速半徑、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度以及臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)與海岸的交角，計(jì)算分析其可能出現(xiàn)的最大增水。

1 茅洲河口臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)

結(jié)合茅洲河口所處的地理位置以及歷史臺(tái)風(fēng)災(zāi)害記錄，以茅洲河口為中心、以350 km為半徑劃定圓形范圍，作為分析影響該地區(qū)臺(tái)風(fēng)特性的研究區(qū)域。以國(guó)家氣象局的臺(tái)風(fēng)資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)1949—2017年69年間出現(xiàn)在此范圍內(nèi)的熱帶氣旋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，69年間總計(jì)有256個(gè)熱帶風(fēng)暴級(jí)以上的熱帶氣旋通過，平均每年3.7個(gè)，其中超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)41個(gè)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)67個(gè)，臺(tái)風(fēng)73個(gè)，見表1。

表1 1949—2017年茅洲河口350 km范圍內(nèi)臺(tái)風(fēng)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)運(yùn)移路徑特點(diǎn)，劃分5種路徑類型：①路徑I，珠江口正面登陸型；②路徑II，粵西登陸型；③路徑III，珠江口以東登陸型；④路徑IV，海南、廣西登陸型；⑤路徑V，未在中國(guó)登陸型。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，珠江口正面登陸(路徑I)型熱帶風(fēng)暴28次，粵西登陸型(路徑II)熱帶風(fēng)暴86次，珠江口外以東登陸型(路徑III)熱帶風(fēng)暴93次，海南、廣西登陸型熱帶風(fēng)暴27次。此外，還有22次未在中國(guó)華南海岸登陸。由此可見，影響茅洲河口的臺(tái)風(fēng)類型以登陸型為主，占到所有臺(tái)風(fēng)總數(shù)的91%，其中影響最大的是珠江口和粵西沿岸登陸的臺(tái)風(fēng)[11]。

2 茅洲河口臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模型

2.1 風(fēng)暴潮模型

采用華南近海岸ADCIRC風(fēng)暴潮模型[12]來模擬茅洲河口風(fēng)暴潮增水過程。FVCOM模型在采用Boussinesq近似和靜壓假定的三維原始方程基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展可包含波浪效應(yīng)。模型中包含了表面風(fēng)應(yīng)力、表面熱通量、淡水通量以及底部應(yīng)力的計(jì)算，采用Mellor-Yamada 2.5階紊流閉合模型求解渦黏系數(shù)。

動(dòng)量方程：

(1)

(2)

(3)

連續(xù)方程：

(4)

模型計(jì)算區(qū)域范圍為12.7°N～29.4°N，105.6°E～124.5°E，向茅洲河內(nèi)延伸15 km，茅洲河口附近區(qū)域網(wǎng)格局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為5 m，模型網(wǎng)格見圖1。

圖1 茅洲河口風(fēng)暴潮模型網(wǎng)格布置

臺(tái)風(fēng)是引起臺(tái)風(fēng)暴潮的直接、關(guān)鍵因素，因此風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型的首要研究?jī)?nèi)容就是臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)場(chǎng)研究包括3個(gè)部分：臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)模式的選取、臺(tái)風(fēng)參數(shù)的確定以及臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算。用來描述臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)分布的模型常用的有高橋、梅爾斯、藤田、捷氏等[13]，其中捷氏模式采用最大風(fēng)速[14]，在氣象部門臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中有最大風(fēng)速信息可以直接引用，因此本文采用捷氏模式。計(jì)算公式如下：

當(dāng) 0

(5)

(6)

當(dāng)r>R0，

(7)

(8)

式中R0——最大風(fēng)速半徑；WR——最大風(fēng)速；r——計(jì)算點(diǎn)至臺(tái)風(fēng)中心的距離；Wx、Wy——r′點(diǎn)x、y方向的風(fēng)速；Vx、Vy——x、y方向的風(fēng)速。

2.2 模型驗(yàn)證

茅洲河口風(fēng)暴潮模型分別采用天文潮過程、風(fēng)暴潮過程來驗(yàn)證模型計(jì)算效果，可調(diào)節(jié)參數(shù)包括糙率、風(fēng)阻系數(shù)、最大風(fēng)速半徑等。天文潮率定主要采用1993年9月、2007年3月、2008年9月、2017年8月實(shí)測(cè)潮汐資料，測(cè)點(diǎn)布置和臺(tái)風(fēng)路徑情況見圖2。限于篇幅，部分天文潮驗(yàn)證結(jié)果見圖3，各潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模型的漲、落潮歷時(shí)和相位與原型實(shí)測(cè)資料一致，基本滿足JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的驗(yàn)證精度要求。

圖2 臺(tái)風(fēng)路徑及驗(yàn)證站點(diǎn)分布

a)1993年9月赤灣

風(fēng)暴潮驗(yàn)證選取對(duì)茅洲河口海域造成明顯影響的10場(chǎng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證，包括：6903號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、7908號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、9107號(hào)臺(tái)風(fēng)、9316號(hào)臺(tái)風(fēng)、9504號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、0104號(hào)臺(tái)風(fēng)“尤特”、0313號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”、0814號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”、1319號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”及1713號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”等。限于篇幅，部分風(fēng)暴潮驗(yàn)證結(jié)果見圖4，各主要潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模擬高潮位與實(shí)測(cè)值較為接近，相對(duì)誤差在13%以內(nèi)，因此該風(fēng)暴潮模型可用于茅洲河口的增水計(jì)算。

a)0814號(hào)燈籠山

3 茅洲河口可能最大風(fēng)暴潮增水模擬

3.1 臺(tái)風(fēng)中心氣壓

ΔP為臺(tái)風(fēng)外圍不受臺(tái)風(fēng)影響處的氣壓P∞(或正常氣壓)和臺(tái)風(fēng)中心氣壓兩者之差，P∞取中國(guó)沿海夏季海平面氣壓的平均值(1 008 hPa)，ΔP取千年一遇的數(shù)值。資料系列取1960—2017年共計(jì)58年，對(duì)ΔP系列進(jìn)行PIII型頻率分析，主要重現(xiàn)期結(jié)果列于表2，其中1 000年一遇中心氣壓為911 hPa，100年一遇中心氣壓為927 hPa。

表2 登陸臺(tái)風(fēng)中心氣壓頻率計(jì)算成果

3.2 臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度

臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)速度是重要的臺(tái)風(fēng)參數(shù)之一。臺(tái)風(fēng)暴數(shù)值模型的研究成果表明，對(duì)于開闊水域，登陸臺(tái)風(fēng)或緊靠岸邊又平行于海岸移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水越大，但是對(duì)于曲折海岸情況，尤其是像茅洲河口海域，上承徑流影響，外受海水頂托，臺(tái)風(fēng)增水情況要復(fù)雜得多，一般采用統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定該參數(shù)。統(tǒng)計(jì)歷史前十位臺(tái)風(fēng)登陸前一日中心平均移動(dòng)速度，獲得最大移速為37 km/h，最小移速為10 km/h，平均為25 km/h。在進(jìn)行可能最大臺(tái)風(fēng)計(jì)算時(shí)，臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度取其均值25 km/h。

3.3 最大風(fēng)速半徑

臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑是指臺(tái)風(fēng)中心到出現(xiàn)最大風(fēng)速處的半徑距離，是衡量臺(tái)風(fēng)尺度的重要參數(shù)之一，也是風(fēng)暴潮模式計(jì)算時(shí)所采用的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的重要參數(shù)之一。按照式(9)[15]計(jì)算得最大風(fēng)速半徑R為29 km。

R=28.52th[0.0873(φ-28)]+

(9)

式中VF——臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度，取VF=25 km/h；φ——地理緯度，取22.73°N；P0——臺(tái)風(fēng)中心氣壓，取911 hPa。

3.4 可能最大臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑

合理確定臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)和移動(dòng)方向是設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的2個(gè)關(guān)鍵因素。為構(gòu)造可能最大臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑，統(tǒng)計(jì)分析近60年來影響華南近岸的臺(tái)風(fēng)，從臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和增水幅度來看，1822號(hào)山竹、1713號(hào)天鴿及0814號(hào)黑格比臺(tái)風(fēng)均造成南沙、大虎、舢板洲等站超過1.7 m的增水高度。在設(shè)計(jì)登陸點(diǎn)時(shí)，考慮1822號(hào)臺(tái)風(fēng)的臺(tái)山登陸點(diǎn)、1713號(hào)臺(tái)風(fēng)的珠海登陸點(diǎn)及0814號(hào)臺(tái)風(fēng)的電白登陸點(diǎn)。陽(yáng)江海域受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，在1960—2017年共有13場(chǎng)臺(tái)風(fēng)登陸陽(yáng)江，包括7411號(hào)臺(tái)風(fēng)、8908號(hào)臺(tái)風(fēng)、9302號(hào)臺(tái)風(fēng)及1311號(hào)臺(tái)風(fēng)等，其中1311號(hào)臺(tái)風(fēng)影響最大，因此取1311號(hào)臺(tái)風(fēng)在陽(yáng)江的登陸位置作為設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)之一。珠江口西側(cè)的澳門海域同樣經(jīng)常受臺(tái)風(fēng)侵?jǐn)_，其中登陸澳門的6411號(hào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大，影響范圍廣，取澳門作為登陸點(diǎn)之一。因此，臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)登陸地點(diǎn)共有5個(gè)，包括電白、陽(yáng)江、臺(tái)山、珠海及澳門登陸點(diǎn)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，導(dǎo)致茅洲河口海域出現(xiàn)大幅增水的臺(tái)風(fēng)均為西行偏北向。在可能最大臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑設(shè)計(jì)時(shí)，單個(gè)登陸點(diǎn)選取270～350°、間隔10°共計(jì)8個(gè)臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向進(jìn)行風(fēng)暴潮增水計(jì)算，以獲取可能最大臺(tái)風(fēng)的路徑。數(shù)值計(jì)算組合見圖5，圖中紅色圓點(diǎn)為5個(gè)設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)，共有40個(gè)路徑組合。

圖5 可能最大臺(tái)風(fēng)路徑設(shè)計(jì)方案(以電白登陸點(diǎn)為例)

采用風(fēng)暴潮增水?dāng)?shù)學(xué)模型，對(duì)不同臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)路徑進(jìn)行模擬計(jì)算，表3列出各設(shè)計(jì)方案下茅洲河口增水值。由表可知，不同登陸方案，形成最大增水的臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向不同。如臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)與0814號(hào)臺(tái)風(fēng)相同，臺(tái)風(fēng)行進(jìn)方向?yàn)?80°時(shí)引起茅洲河口增水最大，為2.07 m，該移動(dòng)方向與0814號(hào)登陸前臺(tái)風(fēng)的行進(jìn)方向一致；如臺(tái)風(fēng)在陽(yáng)江登陸，行進(jìn)方向?yàn)?80°時(shí)茅洲河口最大增水2.2 m；如臺(tái)風(fēng)在臺(tái)山登陸，行進(jìn)方向?yàn)?50°時(shí)茅洲河口最大增水達(dá)3.12 m；如臺(tái)風(fēng)在珠海登陸，行進(jìn)方向?yàn)?50°時(shí)茅洲河口最大增水達(dá)3.55 m；臺(tái)風(fēng)在澳門登陸、行進(jìn)方向?yàn)?40°時(shí)，將造成茅洲河口最大臺(tái)風(fēng)增水3.64 m，取其為可能最大臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)路徑，見圖5中的藍(lán)色點(diǎn)劃線。

表3 不同計(jì)算方案下茅洲河口臺(tái)風(fēng)增水值數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果

3.5 可能最大臺(tái)風(fēng)增水?dāng)?shù)值模擬

根據(jù)以上確定的可能最大臺(tái)風(fēng)的參數(shù)P0=911 hPa、R=29 km、VF=25 km/h，登陸地點(diǎn)為澳門，移動(dòng)方向?yàn)?40°，進(jìn)行風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，繪制可能最大臺(tái)風(fēng)期間茅洲河口臺(tái)風(fēng)增水過程線，見圖6。由圖可見，可能最大臺(tái)風(fēng)增水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)登陸后2～3 h，茅洲河口最大增水達(dá)到3.64 m。

圖6 可能最大臺(tái)風(fēng)期間臺(tái)風(fēng)增水過程線

圖7為可能最大臺(tái)風(fēng)登陸3 h廣東省近岸水域臺(tái)風(fēng)增水分布。臺(tái)風(fēng)中心位置如圖中紅色圓點(diǎn)所示。圖中顯示，在臺(tái)風(fēng)推動(dòng)下海水向珠江口內(nèi)涌入，臺(tái)風(fēng)增水由伶仃洋1.0 m向珠江口內(nèi)遞增，口內(nèi)臺(tái)風(fēng)增水達(dá)到3.5 m以上。

圖7 可能最大臺(tái)風(fēng)增水分布(m)

3.6 小結(jié)

采用統(tǒng)計(jì)法構(gòu)造假想臺(tái)風(fēng)，通過設(shè)計(jì)不同的臺(tái)風(fēng)中心氣壓、移動(dòng)速度、最大風(fēng)速半徑、臺(tái)風(fēng)路徑參數(shù)組合，構(gòu)建出對(duì)茅洲河口防洪潮最不利的臺(tái)風(fēng)暴潮，計(jì)算分析其可能出現(xiàn)的最大增水。當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑沿西北偏西、移動(dòng)方向角340°、登陸點(diǎn)接近6411號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)澳門時(shí)，茅洲河可能最大臺(tái)風(fēng)增水為3.64 m。

4 結(jié)論

在統(tǒng)計(jì)分析華南近岸歷年臺(tái)風(fēng)資料基礎(chǔ)上，構(gòu)建了茅洲河口臺(tái)風(fēng)暴潮模型，并采用3個(gè)月的天文潮數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，且對(duì)10場(chǎng)臺(tái)風(fēng)、20個(gè)站點(diǎn)的典型風(fēng)暴潮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并采用此風(fēng)暴潮模型對(duì)設(shè)計(jì)的可能最大臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論。

a)相同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)，在珠三角澳門-臺(tái)山間登陸時(shí)所引起的風(fēng)暴潮增水最大，其次為粵西。

b)華南近岸ADCIRC風(fēng)暴潮模型、捷氏風(fēng)壓模式在模擬茅洲河口臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水過程中，各主要潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模擬高潮位與實(shí)測(cè)值較為接近，相對(duì)誤差在13%以內(nèi)，該風(fēng)暴潮模型可用于茅洲河增水計(jì)算。

c)統(tǒng)計(jì)法構(gòu)造的臺(tái)風(fēng)路徑沿西北偏西、移動(dòng)方向角340°、登陸點(diǎn)接近6411號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)澳門為可能最大臺(tái)風(fēng)暴潮。

d)可能最大臺(tái)風(fēng)增水發(fā)生在臺(tái)風(fēng)登陸后2～3 h，茅洲河口最大增水達(dá)到3.64 m。