蔣自勝，王其松

(1.中電建生態環境集團有限公司,廣東 深圳 518102;2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611；3.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611)

隨著全球氣候變化和臺風災害增多，臺風引起的風暴潮增水過程將會發生變化，最大增水研究對沿海城市防潮災規劃制定和工程項目建設具有重要意義[1-5]。在沿海重大工程項目建設時，應充分考慮風暴潮襲擊的頻繁程度和可能最大臺風增水。中國建成和在建的核電站設計高潮位是按照國際標準確定的，即最大天文潮加上可能最大臺風增水[6]。

隨著中國沿海經濟的發展，海洋災害造成的經濟損失不斷增加，其中臺風暴潮增水作為海洋災害的主要形式，成為國內外學者研究的重點對象[7-8]。劉科成[9]分析了歷史上影響上海港的最嚴重的幾次臺風特征，選取典型臺風關鍵參數的“最惡劣者”的組合形成“模式臺風”，根據臺風關鍵參數和風暴增水的經驗統計關系獲取了上海港的可能最大增水，然后疊加臺風季節的天文潮極值獲得上海港可能最大臺風增水(PMSS)值。尹慶江等[6]建立并經過模擬檢驗的臺風風暴潮數值模式由已確定的可能最大臺風，按3種類型的13條臺風路徑分別進行了計算，并對產生可能最大風暴潮的假想登陸臺風進行了不同移速的計算，由此確定了鎮海的可能最大臺風增水(PMSS)值。日本基于歷史上有記錄以來的最大臺風事件——伊勢灣臺風，以此作為可能最大熱帶氣旋基準參數進行臺風路徑平移，完成不同區域PMSS關鍵參數的設置[10]。

茅洲河流域位于珠江三角洲東南部，跨越深圳、東莞2個經濟發達地區，干流發源于深圳境內的羊臺山，流經石巖、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266.14 km2，東莞境內77.38 km2)。深圳市是國家區域中心城市，茅洲河作為深圳第一大河流，為保障地區經濟安全高效發展，防潮工程中適當考慮可能最大臺風風暴潮增水是必要的。

基于珠江河口風暴潮增水影響因子的多樣性及受災體的特殊性，風暴潮增水具有更大不確定性。本文根據茅洲河口附近海域歷史臺風和水文資料，構建出對茅洲河口防洪潮最不利的假想臺風的主要參數，包括臺風中心氣壓、最大風速半徑、臺風移動速度以及臺風登陸時與海岸的交角，計算分析其可能出現的最大增水。

1 茅洲河口臺風統計

結合茅洲河口所處的地理位置以及歷史臺風災害記錄，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臺風特性的研究區域。以國家氣象局的臺風資料為基礎，統計1949—2017年69年間出現在此范圍內的熱帶氣旋。據統計，69年間總計有256個熱帶風暴級以上的熱帶氣旋通過，平均每年3.7個，其中超強臺風41個，強臺風67個，臺風73個，見表1。

表1 1949—2017年茅洲河口350 km范圍內臺風統計

根據運移路徑特點，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，未在中國登陸型。經統計，珠江口正面登陸(路徑I)型熱帶風暴28次，粵西登陸型(路徑II)熱帶風暴86次，珠江口外以東登陸型(路徑III)熱帶風暴93次，海南、廣西登陸型熱帶風暴27次。此外，還有22次未在中國華南海岸登陸。由此可見，影響茅洲河口的臺風類型以登陸型為主，占到所有臺風總數的91%，其中影響最大的是珠江口和粵西沿岸登陸的臺風[11]。

2 茅洲河口臺風風暴潮模型

2.1 風暴潮模型

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

動量方程：

(1)

(2)

(3)

連續方程：

(4)

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

圖1 茅洲河口風暴潮模型網格布置

臺風是引起臺風暴潮的直接、關鍵因素，因此風暴潮數學模型的首要研究內容就是臺風風場。風場研究包括3個部分：臺風氣壓場模式的選取、臺風參數的確定以及臺風風場的計算。用來描述臺風氣壓場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速[14]，在氣象部門臺風預報中有最大風速信息可以直接引用，因此本文采用捷氏模式。計算公式如下：

當 0

(5)

(6)

當r>R0，

(7)

(8)

式中R0——最大風速半徑；WR——最大風速；r——計算點至臺風中心的距離；Wx、Wy——r′點x、y方向的風速；Vx、Vy——x、y方向的風速。

2.2 模型驗證

茅洲河口風暴潮模型分別采用天文潮過程、風暴潮過程來驗證模型計算效果，可調節參數包括糙率、風阻系數、最大風速半徑等。天文潮率定主要采用1993年9月、2007年3月、2008年9月、2017年8月實測潮汐資料，測點布置和臺風路徑情況見圖2。限于篇幅，部分天文潮驗證結果見圖3，各潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模型的漲、落潮歷時和相位與原型實測資料一致，基本滿足JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》的驗證精度要求。

圖2 臺風路徑及驗證站點分布

a)1993年9月赤灣

風暴潮驗證選取對茅洲河口海域造成明顯影響的10場臺風進行驗證，包括：6903號超強臺風、7908號強熱帶風暴、9107號臺風、9316號臺風、9504號強熱帶風暴、0104號臺風“尤特”、0313號超強臺風“杜鵑”、0814號強臺風“黑格比”、1319號超強臺風“天兔”及1713號強臺風“天鴿”等。限于篇幅，部分風暴潮驗證結果見圖4，各主要潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模擬高潮位與實測值較為接近，相對誤差在13%以內，因此該風暴潮模型可用于茅洲河口的增水計算。

a)0814號燈籠山

3 茅洲河口可能最大風暴潮增水模擬

3.1 臺風中心氣壓

ΔP為臺風外圍不受臺風影響處的氣壓P∞(或正常氣壓)和臺風中心氣壓兩者之差，P∞取中國沿海夏季海平面氣壓的平均值(1 008 hPa)，ΔP取千年一遇的數值。資料系列取1960—2017年共計58年，對ΔP系列進行PIII型頻率分析，主要重現期結果列于表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 登陸臺風中心氣壓頻率計算成果

3.2 臺風的移動速度

臺風中心的移動速度是重要的臺風參數之一。臺風暴數值模型的研究成果表明，對于開闊水域，登陸臺風或緊靠岸邊又平行于海岸移動的臺風，臺風移動速度越快，臺風風暴增水越大，但是對于曲折海岸情況，尤其是像茅洲河口海域，上承徑流影響，外受海水頂托，臺風增水情況要復雜得多，一般采用統計結果確定該參數。統計歷史前十位臺風登陸前一日中心平均移動速度，獲得最大移速為37 km/h，最小移速為10 km/h，平均為25 km/h。在進行可能最大臺風計算時，臺風中心移動速度取其均值25 km/h。

3.3 最大風速半徑

臺風最大風速半徑是指臺風中心到出現最大風速處的半徑距離，是衡量臺風尺度的重要參數之一，也是風暴潮模式計算時所采用的臺風氣壓場和風場的重要參數之一。按照式(9)[15]計算得最大風速半徑R為29 km。

R=28.52th[0.0873(φ-28)]+

(9)

式中VF——臺風中心移動速度，取VF=25 km/h；φ——地理緯度，取22.73°N；P0——臺風中心氣壓，取911 hPa。

3.4 可能最大臺風移動路徑

合理確定臺風登陸點和移動方向是設計臺風移動路徑的2個關鍵因素。為構造可能最大臺風移動路徑，統計分析近60年來影響華南近岸的臺風，從臺風強度和增水幅度來看，1822號山竹、1713號天鴿及0814號黑格比臺風均造成南沙、大虎、舢板洲等站超過1.7 m的增水高度。在設計登陸點時，考慮1822號臺風的臺山登陸點、1713號臺風的珠海登陸點及0814號臺風的電白登陸點。陽江海域受臺風影響頻繁，在1960—2017年共有13場臺風登陸陽江，包括7411號臺風、8908號臺風、9302號臺風及1311號臺風等，其中1311號臺風影響最大，因此取1311號臺風在陽江的登陸位置作為設計臺風登陸點之一。珠江口西側的澳門海域同樣經常受臺風侵擾，其中登陸澳門的6411號臺風強度大，影響范圍廣，取澳門作為登陸點之一。因此，臺風設計登陸地點共有5個，包括電白、陽江、臺山、珠海及澳門登陸點。

根據統計分析，導致茅洲河口海域出現大幅增水的臺風均為西行偏北向。在可能最大臺風移動路徑設計時，單個登陸點選取270～350°、間隔10°共計8個臺風行進方向進行風暴潮增水計算，以獲取可能最大臺風的路徑。數值計算組合見圖5，圖中紅色圓點為5個設計臺風登陸點，共有40個路徑組合。

圖5 可能最大臺風路徑設計方案(以電白登陸點為例)

采用風暴潮增水數學模型，對不同臺風設計路徑進行模擬計算，表3列出各設計方案下茅洲河口增水值。由表可知，不同登陸方案，形成最大增水的臺風行進方向不同。如臺風登陸地點與0814號臺風相同，臺風行進方向為280°時引起茅洲河口增水最大，為2.07 m，該移動方向與0814號登陸前臺風的行進方向一致；如臺風在陽江登陸，行進方向為280°時茅洲河口最大增水2.2 m；如臺風在臺山登陸，行進方向為350°時茅洲河口最大增水達3.12 m；如臺風在珠海登陸，行進方向為350°時茅洲河口最大增水達3.55 m；臺風在澳門登陸、行進方向為340°時，將造成茅洲河口最大臺風增水3.64 m，取其為可能最大臺風設計路徑，見圖5中的藍色點劃線。

表3 不同計算方案下茅洲河口臺風增水值數值試驗結果

3.5 可能最大臺風增水數值模擬

根據以上確定的可能最大臺風的參數P0=911 hPa、R=29 km、VF=25 km/h，登陸地點為澳門，移動方向為340°，進行風暴潮數值模擬，繪制可能最大臺風期間茅洲河口臺風增水過程線，見圖6。由圖可見，可能最大臺風增水發生在臺風登陸后2～3 h，茅洲河口最大增水達到3.64 m。

圖6 可能最大臺風期間臺風增水過程線

圖7為可能最大臺風登陸3 h廣東省近岸水域臺風增水分布。臺風中心位置如圖中紅色圓點所示。圖中顯示，在臺風推動下海水向珠江口內涌入，臺風增水由伶仃洋1.0 m向珠江口內遞增，口內臺風增水達到3.5 m以上。

圖7 可能最大臺風增水分布(m)

3.6 小結

采用統計法構造假想臺風，通過設計不同的臺風中心氣壓、移動速度、最大風速半徑、臺風路徑參數組合，構建出對茅洲河口防洪潮最不利的臺風暴潮，計算分析其可能出現的最大增水。當臺風路徑沿西北偏西、移動方向角340°、登陸點接近6411號臺風登陸點澳門時，茅洲河可能最大臺風增水為3.64 m。

4 結論

在統計分析華南近岸歷年臺風資料基礎上，構建了茅洲河口臺風暴潮模型，并采用3個月的天文潮數據對模型參數進行率定，且對10場臺風、20個站點的典型風暴潮實測數據進行驗證，并采用此風暴潮模型對設計的可能最大臺風進行了模擬，得出以下結論。

a)相同強度的臺風，在珠三角澳門-臺山間登陸時所引起的風暴潮增水最大，其次為粵西。

b)華南近岸ADCIRC風暴潮模型、捷氏風壓模式在模擬茅洲河口臺風風暴潮增水過程中，各主要潮位站模型與原型的潮位過程線吻合良好，模擬高潮位與實測值較為接近，相對誤差在13%以內，該風暴潮模型可用于茅洲河增水計算。

c)統計法構造的臺風路徑沿西北偏西、移動方向角340°、登陸點接近6411號臺風登陸點澳門為可能最大臺風暴潮。

d)可能最大臺風增水發生在臺風登陸后2～3 h，茅洲河口最大增水達到3.64 m。