深圳0814號臺風風暴潮數值模擬及最高潮位特征分析

徐婉明，鄧偉鑄，趙明利，劉斌

（1.國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣東廣州510300；2.珠江水資源保護科學研究所，廣東廣州510611）

1 引言

臺風風暴潮是指由于熱帶氣旋過境所伴隨的強風和氣壓驟變而引起的局部海面震蕩或非周期性異常升降現象[1]，多發于夏秋季節，具有來勢猛、速度快、強度大、破壞力強等特點[2]。深圳市位于廣東省南部，是我國經濟高速發展的濱海城市，由于其特殊的地理位置和氣候條件，成為遭受臺風風暴潮侵襲較嚴重的地區之一[3]。根據歷史記錄，受0814號強臺風“黑格比”的影響，深圳沿海出現一次典型風暴潮過程，赤灣和鹽田海洋站最大增水超過100 cm[4]，最高潮位達到299 cm和282 cm（國家85高程基準），超過20年一遇標準[5]（295 cm和277cm）。本文通過建立風暴潮-天文潮耦合模型對臺風“黑格比”引發的風暴潮進行數值模擬，并分析此次臺風過程深圳沿海最高風暴潮位特征，為深圳沿海堤防工程應對風暴潮災害提供科學依據和參考。

2 臺風概況

0814號熱帶風暴“黑格比”于2008年9月19日晚上在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，20日中午加強為強熱帶風暴，21日下午加強為臺風，22日下午加強為強臺風，24日早晨6時45分（北京時，下同）在廣東省茂名市電白縣陳村鎮沿海登陸，登陸時中心氣壓945 hPa，最大風力15級（風速48 m/s），移動速度25 km/h。強臺風“黑格比”登陸后繼續往西北偏西方向移動并逐漸減弱，24日上午在湛江廉江市減弱為臺風，24日下午在廣西南部沿海減弱為熱帶風暴，25日凌晨在廣西西部減弱為熱帶低壓，26日凌晨在越南北部繼續減弱后消失[6]（見圖1和表1）。

0814號臺風“黑格比”具有強度大、移動快、風眼大、路徑直等特點，是建國后登陸廣東省的第二強秋臺（統計截至2018年）?！昂诟癖取钡顷懬埃?8 h內一直保持強臺風等級，31 h內中心氣壓維持在935 hPa[7]，最大7級風圈半徑達500 km，最大10級風圈半徑為200 km，移動速度最快達30 km/h。

圖1 臺風路徑

表1 臺風特征參數

3 數值模擬

3.1 模型介紹

本文基于MIKE21-FM水動力模型[8]，結合Holland臺風模型[9]和全球潮汐模型TPXO7.2[10]，建立了風暴潮-天文潮耦合數學模型。

MIKE21-FM水動力模型由丹麥水利研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）研發，基于靜水壓力和Boussinesq假設，以二維不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程求得數值解，其控制方程如下：

圖2 模型計算范圍及網格劃分

式中：x、y為直角坐標系坐標；t為時間；u、v為流速矢量沿x、y方向的分量；η為水位；H為總水深；f為科氏參數；g為重力加速度；ρw為海水密度；Pa為大氣壓力；τsx、τsy為x、y方向的海面風應力；τbx、τby為x、y方向的底應力；A為水平渦動粘性系數。

Holland臺風模型是Holland于1980年提出的一個經驗模型，通過引入臺風形狀參數B，將臺風氣壓分布經驗函數與臺風氣旋徑向壓力梯度平衡方程結合，由臺風氣壓場計算得出臺風風場，其氣壓和梯度風公式如下：

式中：P(r)為距臺風中心r的海表面氣壓值；Pc為臺風中心氣壓；Pn為臺風外圍氣壓；Rmax為臺風最大風速半徑；B為臺風形狀參數；Vg(r)為距離臺風中心r的切向風速；ρa為空氣密度；f為科氏參數。

全球潮汐模型TPXO7.2由美國俄勒岡州立大學（Oregon State University）開發，基于二維正壓流體動量方程，運用廣義反演方法對T/P、ERS-2和Jason-1衛星測高數據進行同化，網格分辨率0.25°，對M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1和M4分潮進行最小二乘法的調和分析，其潮高表達式如下：

式中：η(t)為t時刻的潮位；η0為平均潮位；n為分潮個數；Ai、φi為i分潮調和常數（振幅和遲角）；fi為i分潮交點因子；ωi為i分潮角速率；(V0+μ)i為i分潮初相角。

3.2 計算范圍和模型設置

風暴潮-天文潮耦合模型計算范圍為105°40′37.647″～124°26′37.471″E，14°43′19.685″～27°8′36.881″N，東至菲律賓海西部海域，南至南海中部海域，北至東海南部海域?？紤]到深圳海域岸線復雜、島嶼眾多等地形特征，采用不規則三角形網格劃分計算域，并對深圳海域的網格進行局部加密，網格空間步長最大為2 000 m、最小為100 m，整個計算域共66 479個單元、34 885個節點（見圖2）。

廣東汕頭市至廣西防城港市一帶近岸海域水深由航海保證部海圖數字化得到，其他海域采用ETOPO1水深數據。臺風強迫條件采用Holland臺風模型計算得出的氣壓場和風場，外海開邊界強迫條件采用全球潮汐模型TPXO7.2根據分潮調和常數計算得到的潮位。模型計算時間為北京時間2008年9月20日2:00—9月25日20:00（涵蓋0814號臺風“黑格比”經過中國海域和陸域的全過程），計算時間步長為30 s。

3.3 模型驗證

本文選取0814號“黑格比”、0915號“巨爵”和1319號“天兔”3場臺風對風暴潮-天文潮耦合模型進行驗證，驗證數據采用赤灣、鹽田和惠州海洋站（見圖3）的逐時實測潮位數據。從風暴潮位過程曲線驗證圖（見圖4）和驗證誤差統計結果（見表2）可以看出，本文建立的風暴潮-天文潮耦合模型對深圳上述3次臺風風暴潮的模擬效果較好，赤灣、鹽田和惠州3個海洋站模擬的風暴潮過程潮位與實際較為吻合，平均絕對誤差在13～22 cm范圍內，最高潮位絕對誤差介于1～25 cm之間，最高潮位出現時間模擬值與實測值的相位差主要在1 h左右。

圖3 驗證站點分布圖

圖4 風暴潮位驗證過程圖

表2 風暴潮位驗證誤差統計

4 最高潮位特征分析

4.1 海域最高潮位平面分布特征

根據0814號臺風風暴潮數值模擬結果，通過統計各網格點的潮位最大值得出“黑格比”引起的風暴潮在深圳海域的形成的最高潮位平面分布（見圖5）。由圖5可以看出，受臺風“黑格比”的影響，深圳海域最高潮位表現出由外海向近岸、東南向西北逐漸增大的趨勢，西部海域最高潮位在2.6～3.6 m范圍內，東部海域最高潮位在2.0～2.6 m之間（潮位起算基面：國家85高程基面）。

4.2 沿岸最高潮位空間分布特征

圖5 深圳海域最高潮位平面分布（潮位起算面：國家85高程基面）

為了更全面地分析0814號臺風“黑格比”期間深圳沿岸的風暴潮位特征，本文將深圳岸線劃分為深圳珠江口岸段、深圳灣岸段、深圳大鵬灣岸段和深圳大亞灣岸段（見圖6），在各岸段上共選取26個代表點（見圖6）輸出最高風暴潮位，并與對應岸段的警戒潮位[5]進行對比（見表3）。通過結合深圳各岸段四色警戒潮位，對深圳沿岸最高潮位超過對應警戒潮位的岸段進行了統計，給出了深圳沿岸超警戒潮位的岸段分布情況（見圖7）。

圖6 深圳各岸段及代表點分布圖

圖7 深圳沿岸超警戒潮位岸段分布圖

表3 各代表點最高潮位與警戒潮位對比（潮位起算面：國家85高程基面）

0814號臺風“黑格比”雖然橫穿粵西海域在茂名市沿海地區登陸，但由于其最大風力達15級（50 m/s），7級風圈半徑達500 km，且深圳海域位于臺風前進方向的右半圓，因此產生較大增水效應[11]，造成水位抬升，深圳沿岸最高潮位普遍超出警戒潮位。從表3和圖7可以看出，“黑格比”對深圳各岸段最高潮位的影響程度不同；前海灣以北的37.5 km岸段（A1—A3）最高潮位超過紅色警戒潮位；大鏟島以南的8.0 km岸段及全長28.5 km的深圳灣岸段最高潮位高出橙色警戒潮位；大鵬灣灣頂的31.6 km岸段（C1—C4）最高潮位大于黃色警戒潮位，灣內東側的33.4 km岸段（C5—C8）最高潮位超過藍色警戒潮位；大亞灣內大鵬澳的14.2 km岸段和白沙灣的5.7 km岸段最高潮位高于黃色警戒潮位，大鵬半島東南側的22.1 km岸段（D3—D4）最高潮位低于藍色警戒潮位。

在0814號臺風“黑格比”大范圍的風場作用下，天文潮形成風暴潮由外海向海岸線傳播，由于珠江口伶仃洋的喇叭形地形效應，造成風暴潮能聚集[12]，從而使得潮位升高，導致深圳珠江口岸段形成水位超高的現象，加之珠江口距離臺風中心較大鵬灣和大亞灣近，因此深圳西部海岸最高潮位明顯高于東部海岸。珠江三角洲水文站的統計資料也顯示，0814號臺風“黑格比”期間，珠江口伶仃洋附近橫門（1953—2010年）、萬頃沙西（1953—2010年）和大虎（1984—2010年）等3個水文站的最高潮位均創歷史新高[13]（3.49 m、3.48 m和3.39 m，國家85高程基面），超過100 a一遇潮位[13]（3.34 m、3.34 m和3.38 m，國家85高程基面）。深圳珠江口岸段最高潮位沿珠江口伶仃洋縱深方向由南向北遞增，這與附近潮位站實測記錄一致，其中A1代表點最高潮位高出紅色警戒潮位35 cm。大鵬灣和大亞灣岸段，由于潮水向西堆積，在西部和西北部灣頂造成了較高的水位。

5 結論

本文利用風暴潮-天文潮耦合數學模型，模擬了0814號臺風“黑格比”經過深圳海域時引起的風暴潮過程，重點分析了深圳沿岸潮位在臺風過程中的響應情況。結果顯示：

（1）臺風過程中，深圳海域最高潮位沿臺風前進方向，由外海向近岸逐漸增大，西部海域最高潮位約2.6～3.6 m，東部海域最高潮位為2.0～2.6 m（潮位起算基面：國家85高程基面）；

（2）在臺風“黑格比”大范圍的風場作用下，深圳沿岸最高潮位普遍超出警戒潮位，前海灣以北的珠江口岸段最高潮位超過紅色警戒潮位，全長28.5 km的深圳灣岸段最高潮位高出橙色警戒潮位，大鵬灣灣頂31.6 km岸段最高潮位大于黃色警戒潮位，大亞灣內大鵬澳岸段和白沙灣岸段最高潮位超出黃色警戒潮位；

（3）受臺風路徑和岸線形狀等的影響，0814號臺風期間深圳西部沿岸最高潮位明顯高于東部沿岸，珠江口伶仃洋縱深方向最高潮位由南往北遞增。

本文選取的0814號臺風進入南海至登陸前幾乎成直線向西北移動，中心強度持續為強臺風，是影響廣東沿海的典型臺風，對其導致的風暴潮過程進行模擬和分析對深圳沿岸臺風風暴潮的預警預報具有非常重要的參考價值，能夠為深圳沿海堤防工程應對風暴潮災害提供科學依據。