深圳香港海域可能最高潮位和浪高計算分析

毛獻忠，姜 茜

(清華大學深圳研究生院環境工程與管理研究中心，廣東深圳 518055)

深圳香港海域可能最高潮位和浪高計算分析

毛獻忠，姜 茜

(清華大學深圳研究生院環境工程與管理研究中心，廣東深圳 518055)

基于歷史數據的分析，選擇歷史上強度最強的臺風“荷貝”作為設計超強臺風的強度，最不利路徑的臺風“雪莉”作為設計路徑，作為深圳香港海域設計超強臺風。采用海洋－陸架區－海岸三重嵌套網格建立的天文潮－風暴潮－臺風浪耦合模型計算設計超強臺風遭遇天文大潮的高潮位登陸時深圳香港海域的可能最高潮位和浪高。計算結果表明，大鵬灣北部和香港吐露港內，可能最高風暴潮位在3.00 m以上，浪高達到4.0～5.0 m;香港維多利亞港風暴潮位2.92 m，深圳香港水域東部南部在2.50 m以上，浪高3.0～5.0 m?？赡茏罡唢L暴潮位比大鵬灣防潮警戒水位高1.62 m左右，比香港維多利亞港200年一遇的潮位高0.50 m。

耦合模型;設計超強臺風;風暴潮位;深圳香港海域

近岸、沿海工程的設計，如海洋石油平臺、跨海大橋、電站、海塘堤防等，都必須考慮可能最大高潮位以及可能最大浪高。同時，這也是沿岸居民和生態環境所面臨的最不利的自然災害風險。因此，研究沿?？赡茏罡叱蔽灰约袄烁邔τ谘睾Ｈ罕娚敭a安全、生態環境、沿海工程和設施安全都有十分重大的意義。

在陸架寬闊的淺海沿岸，由于淺水非線性效應，天文潮與風暴潮耦合作用產生的風暴潮增水計算尤為重要，江毓武等［1］在廈門港、端義宏等［2］在長江口研究二者耦合效果;Huang等［3-4］采用MIKE模型和天文潮預報模式TPXO6.2建立了天文潮和風暴潮耦合模型，評估超強臺風作用下浙江沿?？赡馨l生的高潮位。風暴潮與臺風浪的耦合模型，國內外學者也有不少研究，Cheung等［5］建立長波與WAM耦合模型，應用到海岸應急管理系統中評估颶風作用下海岸淹沒情況;Funakoshi等［6］耦合了ADCIRC和SWAN模型研究海浪對風暴潮的影響;Xie等［7］耦合了POM和SWAN模型研究了Charleston海灣在颶風Hugo下風暴潮及其漫灘效應。

在我國東南、華南沿岸，可能最高潮位和浪高主要由登陸臺風引發。文獻［8］采用河口海岸海洋模型ECOM和第三代海浪模式SWAN，以及全球天文潮預報模式TPXO6.2，建立了適用于深圳香港水域海洋-陸架區-海岸三重嵌套網格的天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模型。在文獻［8］基礎上研究在設計超強臺風作用下該海域引發的可能最大風暴潮位和臺風浪，以及分析其對沿岸的環境災害風險。

圖1 深港海域分布和檢驗點分布Fig.1 Sketch of Shenzhen and Hong Kong Waters and 4 verified points

1 區域概況

研究區域包括大鵬灣、深圳灣、部分珠江口和香港以南的南海海域，見圖1。大鵬灣是一個半封閉海灣，深圳一側東海岸線較為平直，香港一側西海岸島嶼眾多，水深從東北向西南逐漸變深，從8～10 m過度到超過20 m;深圳灣為珠江口東側的一個半封閉性海灣，平均水深為2.9 m;深圳香港外海域的水深由東南向外海，從10 m左右逐漸增加至50 m左右。

深圳香港海域的最高潮位、浪高也主要由臺風引發的風暴潮位和臺風浪所引起。當熱帶氣旋和臺風影響深港地區時，都會在近岸海域引發不同程度的風暴增水。香港的驗潮站中，采用鰂魚涌站1968～2008年共41年實測潮位數據。以該站的潮位資料分析［9-10］，熱帶氣旋影響下產生1 m以上增水的風暴潮有9次，見表1。

表1 鰂魚涌站1 m以上增水的熱帶氣旋Tab.1 List of tropical cyclones with storm surge more than 1m at Quarry Bay station

這9場熱帶氣旋的路徑如圖2所示，除臺風Bess外，其余熱帶氣旋均在廣東省沿岸登陸。影響該水域的臺風路徑有三類:第一類生成于西北太平洋，從東南向西北方向移動，在珠江口以東登陸;第二類臺風的生成和路徑和第一類類似，但在珠江口以西登陸;第三類臺風，在南海生成，向偏北方向移動，在深港地區或附近登陸。其中第二類占的比例最高，有6場，增水也較大，主要原因是發源于西北太平洋的臺風強度較大，深圳香港海域處于臺風右半風圈，更易于產生風暴增水。

2 模型建立

文獻［8］以河口海岸海洋模型ECOM［11］和第三代海浪模型SWAN［12］為基礎，以全球天文潮預報模式TPXO6.2［13］和臺風參數模型的風場及氣壓場作為驅動，采用海洋-陸架區-海岸三重嵌套網格，建立了適用于深圳香港水域天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模型。海洋模型通過TPOX6.2模型提供外海天文潮邊界和在臺風作用下由ECOM模型計算風暴潮流運動，由SWAN模型計算臺風浪，在深水區不考慮風暴潮位和浪的相互影響;陸架和海岸模型描述兩潮運動從線性到非線性運動過程，SWAN模型計算臺風浪，考慮風暴潮位、潮流和波浪的相互影響。海洋模型在第二重陸架區域模型邊界上輸出潮位和波譜，作為嵌套計算的邊界條件;陸架模型在第三重海岸模型邊界上輸出潮位和波譜，作為嵌套的邊界條件。深港海域天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模型計算區域如圖3所示。

圖2 產生1 m以上增水熱帶氣旋的路徑Fig.2 Track of tropical cyclones with storm surge more than 1 m

圖3 模擬區域網格結構((a)為大洋大范圍，(b)為陸架中范圍，(c)為近岸小范圍)Fig.3 Geographic domains of study((a)ocean，(b)continental，(c)coastal)

第一重網格對應耦合模型中的大洋范圍，計算域范圍為 108°E ～ 123°E、15°N ～ 26°N，空間步長為0.05°，計算域包括臺灣島至菲律賓島之間的島鏈，將外邊界放在島鏈外。第二重嵌套模型是陸架范圍，計算域范圍為 112.75°E ～116.45°E、20.3°N ～22.8°N，網格空間步長為1'，外邊界設置在陸架區，以保證風暴潮、天文潮由線性到非線性過渡。第三重嵌套模型是近岸小范圍，包括主要深港水域，香港的離島區和大鵬灣、以及部分珠江口，計算域范圍113.7°E～114.6°E，21.9°E～22.8°E，網格空間步長為9″，能夠描述細致的近岸地形。三重嵌套網格逐步加密，以保證模型可以描述不同區域的風暴潮和臺風浪的特征。

地形數據采用美國NOAA的ETOPO1提供的全球1'×1'水深數據，近岸地形采用海圖資料數據。文中所有的水深、潮位數據均以香港的平均海平面為基準面。

文獻［8］以0814號臺風“黑格比”為例，驗證該耦合模型的可行性，并分析浪潮之間相互影響程度。計算結果顯示，考慮風暴潮位，在淺水區，最大浪高增加了33.1%，臺風引發的近岸波浪場產生的輻射應力在近岸區域波浪增水接近0.20 m，說明該區域考慮天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模型是十分必要的。

3 設計超強臺風的選擇

可能最大熱帶氣旋的設計是研究可能最大風暴潮位和臺風浪的基礎，而熱帶氣旋的設計包括其強度和路徑的設計。文獻［3-4］從統計分析的角度研究設計超強臺風的各種參數，研究浙江沿?？赡艿顷懙某瑥娕_風對沿海風暴潮位的影響。對于如何設計熱帶氣旋參數國內外并無統一的做法。此外，臺風可在天文潮過程中任一時段登陸，大、中、小潮不同潮汛，高、中、低不同潮時都有可能登陸。臺風登陸時遭遇天文潮的不同潮汛和潮時有一定的隨機性，當臺風登陸時間與天文大潮的高潮位出現的時刻重合時，就可能產生最為嚴重的風暴潮位和臺風浪，其對環境的危害也最大。

影響風暴潮位主要有三個因素:一是臺風的強度，強度越大，產生的風暴潮位越高;二是臺風的路徑，臺風的右半圈因為風向與臺風移動方向相同，因此右半圈風速大于左半圈，登陸時處在臺風右半圈內的水域潮位也高于左半圈;三是臺風登陸時，遭遇的天文潮的潮位，影響深港地區的熱帶氣旋主要集中在7～10月份，即夏秋季節，每年秋季也是潮差最大、潮位最高的天文大潮出現的時候，超強臺風登陸遭遇天文大潮的概率和遭遇其它潮汛的概率是相同的。

因此，設計影響深港海域可能的超強臺風原則:

1)選擇曾經發生過的影響該海域的強度最大的臺風;

2)選擇一條曾經發生過的最不利于的路徑;

3)其登陸時遭遇天文大潮的高潮位。

上述設計方案選擇的依據是考慮在以往40年中都曾經出現過的情況，今后再次出現的可能性依然存在，而且從圖2看出，在以往40年中所經歷的強臺風的路徑十分相似?？紤]上述三種情況組合的目的就是為了評估在設計超強臺風作用下，深港海域可能出現的最高風暴潮位和最大浪高。

圖4 設計超強臺風路徑及每隔6小時的中心氣壓Fig.4 Track and central pressure at every 6 h of design super typhoon

在以往40年影響深港地區的臺風中，臺風“黑格比”登陸時的中心氣壓為950 hPa，為登陸時的最低氣壓;登陸前出現的最低氣壓是臺風“荷貝”，最低中心氣壓僅為898 hPa，是以往40年在該海域經歷過的強度最大的超強臺風，因此，選擇臺風“荷貝”作為設計超強臺風的強度;40年來最不利的路徑是臺風“雪莉”，登陸時，深港水域位于臺風的右半圈，因此，將“雪莉”路徑作為設計超強臺風的路徑。設計超強臺風路徑和強度見圖4。

天文潮的選擇，則根據鰂魚涌站的潮位記錄。選2008年10月17日(農歷九月十九)天文大潮期，設計超強臺風在17日高潮時附近登陸。設計超強臺風假定發生在10月14日15∶00至17日20∶00，設計超強臺風在17日13∶00登陸，與天文大潮高潮位重合。

4 結果討論

要評估設計超強臺風作用下，深港水域的可能最高風暴潮位和最大的臺風浪，采用第2節建立的天文潮-風暴潮-臺風浪三重網格嵌套耦合模型進行計算，即可得到相應的結果。

選擇四個不同的檢驗點來分析設計超強臺風發生時，風暴潮位和臺風浪的變化過程。四個檢驗點分別位于香港鰂魚涌驗潮站a點、大鵬灣中部b點、珠江口內c點、和外海d點(見圖1)，分別可表征香港維多利亞港、大鵬灣、珠江口和外海在設計超強臺風發生時風暴潮位和臺風浪的狀況，四點的水深分別為8.4 m、19 m、5 m 和30 m。

4.1 風暴潮位

在設計超強臺風作用下，四個檢驗點可能最大風暴潮過程見圖5。

圖5 四個檢驗點風暴潮、天文潮及風暴增水過程Fig.5 Storm，astronomic tide level and storm surge at 4 verified points

圖5(a)所示，鰂魚涌站風暴潮位最高的時刻與天文大潮高潮位重合，在天文潮、風暴潮和臺風浪的共同作用下，鰂魚涌站是增水過程，該站出現的可能最高潮位為2.92 m，臺風引發的最大增水為1.89 m。據表1，鰂魚涌站歷史最高潮位是2008年的2.15 m，是由臺風“黑格比”引發的，設計超強臺風作用下可能最高潮位超過歷史高潮位0.77 m;鰂魚涌站歷史最大風暴增水為1979年1.45 m，是由臺風“荷貝”引發的，可能最大增水超歷史最大風暴增水0.44 m。

如圖5(b)所示，在設計超強臺風作用下，大鵬灣中部出現最大風暴潮位與天文大潮的高潮位重合，該處引發的最高風暴潮位為3.27 m，最大增水為2.27 m，大鵬灣也是增水過程。

珠江口內(見圖5(c))的最大風暴潮位較小，為1.73 m，比天文潮高1.19 m。該處風暴潮位較小的原因是未能與天文潮的高潮位重合，在天文潮高潮位過后才登陸。風暴高潮位和天文潮高潮位相位差為3 h。最大風暴潮出現的時刻10月17日17∶00，此時臺風中心移至珠江口內，天文潮漲潮過程已經結束，潮位開始下降，進入落潮期。該點位的增減水過程和其他站點也有很大的不同，在17日漲潮過程中，由于臺風尚未登陸，吹離岸風，表現為減水過程，最大減水為1.22 m，之后臺風登陸，該點表現為增水過程，最大增水為1.45 m。

如圖5(d)所示，在設計超強臺風作用下，外海處的最高風暴潮位為2.64 m，臺風引起增水主要表現為增水過程，最大增水為1.64 m。

4.2 臺風浪

四個檢驗點在超強臺風作用下臺風浪的發生過程見圖6。

圖6 四個檢驗點在超強臺風作用下臺風浪的變化過程Fig.6 Wave under design super typhoon at 4 verified points

在設計超強臺風作用下，鰂魚涌站引發的最大有效浪高為1.89 m，比“黑格比”登陸時高0.42 m;在大鵬灣內最大有效浪高5.99 m，比“黑格比”登陸時高1.54 m;在珠江口最大有效浪高為2.00 m，比“黑格比”登陸時的低0.55 m;在外海最大有效浪高高達10.70 m，比“黑格比”登陸時的高3.36 m。

設計超強臺風引發的有效波高比臺風“黑格比”普遍提高，主要是設計超強臺風強度大于“黑格比”，路徑也更加不利;另一方面，在設計超強臺風作用下，沿岸風暴潮位普遍提高，水深加大，更有利于臺風浪的形成。臺風浪的浪高受水深影響較大，一般情況下，水深越大，波高值越大，鰂魚涌站最大波高值相對較小，主要因為鰂魚涌站位于維多利亞港內，港外島嶼密布阻擋波浪向港內傳播，同時港灣狹窄，也不利于波浪在港內傳播。

4.3 深港水域的風暴潮位、浪高分布

圖7是10月17日13時，即在鰂魚涌站、大鵬灣內和外海最高風暴潮位出現時刻，超強臺風在近岸引發的風暴潮位的分布。由圖看，在大鵬灣的北部和香港的吐露港內，風暴潮位最高，均在3.00 m以上;香港島附近水域、維多利亞港、九龍、新界和大嶼山的西部海域的風暴潮位在2.50～3.00 m;大嶼山的東部海域、珠江口、深圳灣由于島嶼的阻擋和臺風尚未登陸，風暴潮位沒有達到最大值，此刻的風暴潮位在1.00 m以下。

圖8是10月17日13時，超強臺風在近岸引發的風暴潮增水的分布。由圖看，在大鵬灣的北部和香港的吐露港內，風暴增水最大，均在2.00 m以上;香港島附近水域、維多利亞港、九龍、新界和大嶼山的西部海域的風暴增水在1.50～2.00 m;大嶼山的東部海域、珠江口、深圳灣由于島嶼的阻擋和臺風尚未登陸，此刻表現為減水，大約在1.00 m左右。

圖9所示為對應時刻臺風浪在近岸的分布。在大鵬灣的北部大部分水域浪高達到5.00 m，在沿岸浪高也達4.00 m;香港的吐露港內的浪高在3m以上;維多利亞港內的浪高約為2 m;在香港島東南部、九龍新界的東部海域沿岸地區，浪高達5 m以上;大嶼山西側和珠江口水域浪高2～3 m。與“黑格比”登陸時的浪高分布圖［8］比較，有效波高普遍提高 1.0 ～2.0 m。

圖7 鰂魚涌站出現最大潮位時刻的風暴潮位分布Fig.7 Storm tide level distribution at the highest tide level at Quarry Bay

圖8 鰂魚涌站出現最大潮位時刻的風暴增水分布Fig.8 Storm surge distribution at the highest tide level at Quarry Bay

圖9 鰂魚涌站出現最大潮位時刻的浪高分布Fig.9 Wave distribution at the highest tide level at Quarry Bay

4.4 可能引發的環境風險

在設計超強臺風作用下，大鵬灣北部和香港吐露港的可能最高風暴潮位在3.00 m以上，而2001年深圳市核定的大鵬灣沿岸的防潮警戒水位為1.65 m［15］，比可能最高風暴潮位低1.62 m(按b點計算)，這將導致沿岸大部分地區被淹沒;香港島附近水域、維多利亞港風暴潮位接近3.00 m，資料顯示［16］，維多利亞港潮位在1.62 m時，沿岸低洼地區便有可能受海水淹浸;維多利亞港200年一遇的潮位為2.42 m，比可能最高風暴潮位低0.50 m(按a點計算)，九龍港島區的雨水管網最高標準按200年一遇的潮位來設計，這將意味著發生設計超強臺風時，九龍港島區將會出現大面積海水倒灌;九龍、新界和大嶼山的西部海域的風暴潮位在2.50 m以上，沿岸都可能發生海水淹侵。

在大鵬灣的北部大部分水域浪高達到5.0 m，沿岸浪高達4.0 m，灣內海灘、沿岸的工程和設施可能會遭受大浪的破壞，海灘上的海沙面臨著大量流失的可能;維多利亞港內在超高風暴潮位的基礎上浪高約為2.0 m，碼頭、道路、堤防等沿岸設施和工程都極易遭受破壞;香港島東南部、九龍新界的東部海域沿岸地區在特高風暴潮位基礎上，浪高達5 m以上，而且是正面襲擊，對沿岸的工程和設施將會帶來很大的破壞。因此，如果發生設計超強臺風、或接近設計超強臺風時，應該密切監測，科學評估，及時發布預警信息，并作出相應安排部署，將生命財產損失、環境生態破壞降低到最低程度。

5 結語

1)基于對歷史數據的分析，選擇歷史上強度最強的臺風“荷貝”作為設計超強臺風的強度，最不利路徑的臺風“雪莉”作為設計路徑，并選擇登陸時遭遇天文大潮的高潮位，作為深圳香港海域在設計超強臺風下引發的可能最高風暴潮位和浪高的條件。

2)在設計超強臺風作用下，通過天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模型計算，大鵬灣的北部和香港的吐露港內，可能最高風暴潮位在3.00 m以上，浪高達到4.0～5.0 m;香港島附近水域、維多利亞港、九龍、新界和大嶼山的西部海域的風暴潮位在2.50 ～3.00 m，浪高3.0 ～5.0 m。

3)在設計超強臺風作用下，大鵬灣風暴潮位將高出防潮警戒水位1.62 m，香港島附近水域、維多利亞港風暴潮位高出200年一遇的潮位0.50 m，沿岸大部分地區可能發生海水倒灌，陸地水侵淹沒;3.0～5.0 m的大浪對沿岸的工程和設施、生態環境可能會帶來很大的破壞。

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Possible maximum storm water level and wave height in Shenzhen and Hong Kong Waters

MAO Xian-zhong，JIANG Qian
(Research Center for Environmental Engineering and Management，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China)

The design super-typhoon is chosen considering the most intensity“Hope”and the worst track“Shirly”from the historical data in Shenzhen and Hong Kong Waters.The possible highest storm tide level and wave height are evaluated by the coupling model of the tide-storm-wave in three levels of nested geographic domains，ocean，continental and coastal，when the design super-typhoon is landing during the highest astronomic tide level.The computational results show that the possible highest storm tide level is more than 3.00 m in the north Mirs Bay and Tolo Harbor，and wave height is about 4.0-5.0 m;the maximum storm tide level is 2.92 m in the Victoria Harbor，and more than 2.50 m in the east and south in Shenzhen and Hong Kong Waters.The possible maximum storm water level is 1.62 m higher than the warning tide level in the Mirs Bay，and 0.50 m higher than 1 in 200 year tide level in Victoria Harbor.

coupled model;design super typhoon;storm water level;Shenzhen and Hong Kong Waters

P731.3

A

1005-9865(2012)02-0129-07

2011-06-13

深圳市科技計劃項目(2007-330)

毛獻忠(1968－)，男，浙江人，博士，主要從事海洋動力災害計算模擬。E-mail:maoxz@sz.tsinghua.edu.cn

志謝:感謝香港天文臺為本研究提供潮位和氣象資料。