粵港澳大灣區風暴潮時空分布特征及影響因素

羅志發，黃本勝，邱 靜，譚 超，黃廣靈

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510610； 2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東 廣州 510610； 4. 廣東省流域水環境治理與水生態修復重點實驗室，廣東 廣州 510610； 5.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519080)

粵港澳大灣區包括香港特別行政區、澳門特別行政區和廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市，總面積5.6萬 km2，總人口約7 000萬人，是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，以不足全國1%的土地面積和不足全國5%的人口，貢獻了全國經濟總量的17%，在國家發展大局中具有重要戰略地位。粵港澳大灣區位于中國大陸南端，瀕臨南海，地處珠江流域下游，河網水系發達，呈“三江匯流，八口入海”之勢。由于特殊的地理位置和氣候，大灣區臺風風暴潮災害易發頻發，平均每年有1.08個熱帶氣旋直接在大灣區登陸[1]，由此造成的人員傷亡、經濟損失相當巨大，已經成為影響人民生活質量、制約國民經濟高質量發展的重要因素。

風暴潮特征研究是開展風暴潮防災減災工作的基礎。關于大灣區臺風風暴潮特征的研究始于20世紀80年代，何洪鉅[2]采用1949—1980年的歷史潮位資料，對珠江口風暴潮的特征及機理進行了初步探討；此后，盧如秀等[3-5]采用歷史潮位資料對珠江口臺風最大增水規律、珠江口風暴潮縱向增水特征進行了研究；還有不少學者對登陸大灣區的個例臺風進行分析，討論其風暴潮特征及影響[6-8]。隨著數值模擬技術的發展，風暴潮數值模型被廣泛應用于風暴潮影響機理的分析[9-12]。雖然對大灣區風暴潮特征已有了基本的認識，但近年來影響大灣區的強臺風頻次增加明顯，河口潮位站屢次刷新歷史最高潮位值，大灣區風暴潮呈現新的特征。面對日益嚴重的風暴潮災害以及全球變化背景下風暴潮災害的頻率和強度變化趨勢，開展粵港澳大灣區風暴潮研究具有重要意義。以往大灣區風暴潮特征研究大多基于2000年以前的潮位時間序列資料，缺少2000年以來的潮位資料分析。本文采用1970—2018年的河口潮位站歷史潮位資料，統計分析大灣區臺風風暴潮時空分布特征，并結合風暴潮數值模型進一步探討大灣區風暴潮增水的影響機理，以期為粵港澳大灣區風暴潮災害防御提供參考。

1 風暴潮時空分布特征

1.1 登陸熱帶氣旋統計分析

采用中央氣象臺臺風網(http://typhoon.nmc.cn/web.html)發布的熱帶氣旋最佳路徑，統計1970—2018年登陸粵港澳大灣區的熱帶氣旋，結果表明，登陸的熱帶氣旋共有40個，年均0.8個，熱帶氣旋登陸點分布見圖1。按登陸時間統計，登陸熱帶氣旋主要發生在5—8月，其中8月最多，共登陸13次，其次為7月9次，9月8次。7—9月登陸的熱帶氣旋占總數的61.2%。9月登陸強度達到臺風及以上等級的熱帶氣旋次數最多，為6次，占35.3%；其次為8月5次，7月3次，分別占29.4%和17.6%。 將熱帶氣旋登陸點分為大灣區西岸和東岸，在大灣區西岸登陸的有24次，占60%，其中熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風和強臺風分別為3、9、9、3次；在大灣區東岸登陸的16次，占40%，其中熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風和強臺風分別為7、4、3、2次。按登陸地市統計，在江門市登陸最多，為14次，占35%；其次是珠海市和深圳市，均為10次，占25%。按登陸強度統計，臺風以上級別有17次，其中臺風級別有12次，強臺風級別有5次。登陸的強臺風2016年以來出現過3次，分別是201604號強臺風“妮妲”、201713號強臺風“天鴿”和201822號強臺風“山竹”。

圖1 熱帶氣旋登陸點及潮位站分布

1.2 風暴潮增水空間分布特征

選取1970—2018年登陸粵港澳大灣區的熱帶氣旋過程，對中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬頃沙、橫門、燈籠山、黃金、西炮臺等9個潮位站(圖1)風暴潮過程的增水數據進行統計和分析(表1)。風暴潮增水是由實測潮位減去天文潮預報潮位分離得出[13]。

從增水的空間分布可看出(圖2)，大于3 m的增水在泗盛圍站出現2次，中大、黃埔、南沙、萬頃沙、橫門站均出現1次。2～3 m的增水，在中大、黃埔站出現次數較多，均為4次。風暴潮增水與臺風登陸地點和強度有關，各站點大于2 m的增水均產生于大灣區西岸登陸的臺風，且臺風風力均大于12級(表2)。臺風在大灣區西岸登陸，登陸時珠江口盛行的東南風有利于水體往伶仃洋輸移，如果遇上風力較強的臺風容易造成較大的增水。

表1 各潮位站潮位資料年限及設計潮位值

圖2 各潮位站增水統計

表2 風暴潮增水與臺風要素的關系

中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬頃沙、橫門等位于伶仃洋、獅子洋、前航道區域的站點出現較大增水的頻率較高，增水大于1 m的占比可達40%～72%(圖2)。據統計，在大灣區西岸或東岸登陸的臺風均可在該區域引起一定程度的增水，臺風在西岸登陸后的東南風有利于增水；臺風在東岸登陸后向西北行進，越過獅子洋后盛行的偏南風同樣有利于增水。同時還與伶仃洋形態有關，伶仃洋是典型的漏斗形河口灣，由灣外向里逐漸收窄，水深逐漸變小，當臺風風暴潮波向里傳入，波能逐漸集中，波高相對增大，并通過虎門沿河道上溯。

燈籠山、黃金、西炮臺等站點出現較大增水的頻率較低，增水大于1 m的占比僅為26%～38%，只有在大灣區西岸登陸的臺風才有可能引起該區域較大的增水(表2)。同時與區域岸線地形、河道走向有關。磨刀門前緣三灶和橫琴等島嶼的阻擋，影響風暴潮的涌入；黃金至白蕉一帶自白藤堵海之后只由淺小的雞啼門與外海相連，風暴潮難以上溯[3]。

1.3 風暴潮增水時間分布特征

1.3.1逐月分布

圖3是各級增水出現次數的逐月分布圖，可以看出，風暴潮主要集中在7—9月，占全年總次數的74.4%；其次，6月、10月分別占11.6%、7.0%；4、5、11月最少，占6.9%。1 m以上最大增水在7—9月出現次數最多，遠高于其他月份。2 m以上最大增水則主要集中在6—10月。整體來看，6—10月的風暴潮過程中，最大增水在1 m以上的比例超過85%，3 m以上最大增水出現在8—9月，比例超過5%。

圖3 各級增水出現次數的逐月分布

粵港澳大灣區風暴潮發生時間很大程度上由登陸熱帶氣旋的時間分布特征所決定。據前文分析，全年61.2%的熱帶氣旋登陸發生在7—9月，明顯多于其他月份。8—9月登陸強度達到臺風及以上等級的熱帶氣旋的占比最大，達到64.7%，其次是7月，占比為17.6%。

1.3.2逐年分布

各潮位站歷史最高潮位和最大增水情況見表3，中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬頃沙、橫門以及黃金站歷史最高潮位均出現在2018年“山竹”臺風過程中，燈籠山站出現在2017年“天鴿”臺風過程中，西炮臺站出現在2009年“巨爵”臺風過程中。一般認為，風暴潮出現時間適逢天文大潮期或天文潮高潮時，可能引發嚴重的風暴潮災害。如“天鴿”臺風于2017年8月23日13時登陸珠海，適逢天文大潮且接近高潮位，燈籠山站最高水位為2.92 m，接近100年一遇設計水位。事實上，當臺風登陸風力較強時，即使風暴潮發生在天文潮小潮時，同樣也會引起巨大的風暴潮災害。如“山竹”臺風于2018年9月16日17時登陸江門時中心附近最大風力14級，風速超過45 m/s。此時為天文潮的小潮平潮期，中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬頃沙、橫門等站均出現超過3 m的歷史高潮位。風暴潮歷史最高潮位的出現也與臺風路徑有關，由表2可知，引起各潮位站歷史最高潮位的臺風過程如“山竹”“天鴿”“巨爵”等均由大灣區西岸登陸，并向西北方移動。這類臺風登陸時，大灣區海域普遍盛行東南風，珠江口東南向的開口方向有利于水體向岸輸運堆積，此時珠江口海域普遍達到增水的最大值。尤其是伶仃洋河口灣喇叭狀的形態有利于水體向灣內聚集，“山竹”臺風過程中泗盛圍站最高水位達到3.55 m，最大增水達3.40 m。

圖4給出了中大、南沙、燈籠山站歷年最高水位的變化趨勢，可見各潮位站歷年最高潮位均呈增加趨勢，平均速率為0.02～0.03 m/a。據相關報道[1]，2010年以來，影響大灣區的強臺風以上級別的臺風次數增加趨勢明顯。尤其是近年來登陸粵港澳大灣區的超強臺風“天鴿”“山竹”登陸時中心附近最大風力均超過14級，對大灣區造成了極大影響，大部分站點最高潮位和最大增水均超過了3 m。同時，由于河口圍墾帶來的潮汐振幅增加、潮汐不對稱性加劇和漲潮占優趨勢加強，可能會加劇風暴潮災害[14]。

(a)中大

(b)南沙

(c)燈籠山

表3 各潮位站歷史最高潮位和最大增水

2 風暴潮影響因素分析

2.1 典型臺風“山竹”風暴潮過程數值模擬

選取近年來對大灣區影響較大的超強臺風“山竹”，對其風暴潮過程進行數值模擬。風暴潮模型選用基于非結構網格的海洋環流模式SELFE (semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model)，可精細化擬合復雜岸線和地形，提高網格分辨率。珠江口網格大小從河網區的50 m逐漸過渡到外海的20 km。風場通過圓形臺風風場與ERA5 (the fifth generation ECMWF atmospheric reanalysis of the global climate)再分析風場合成的方式給出。為提高風暴潮模擬精度，建立南海-珠江口雙重嵌套模型，由南海模型計算得到余水位，將余水位以及風場、氣壓場、天文潮作為珠江口模型的驅動條件，對大灣區風暴潮增水進行數值模擬。模型詳細介紹及設置見文獻[15]。

選用珠江口門及河網區水文站(南沙、泗盛圍、黃埔、中大)實測水位資料對風暴潮計算結果進行驗證。由圖5可知，計算結果水位變化過程與實測數據水位變化趨勢一致，計算結果與實測結果吻合較好。最高潮位絕對誤差為0.05～0.30 m，相對誤差控制在9%以內，最高潮位的相位誤差均在1 h以內。綜上分析，模型計算結果較為合理，所建立的模型能夠較為準確地模擬珠江口的風暴潮過過程，可為進一步分析珠江口的風暴潮影響機理提供基礎。

2.2 臺風路徑的影響

不同臺風路徑引起的珠江口風暴潮增水并不相同。以“山竹”臺風真實路徑作為參考路徑，將參考路徑以R的間隔平移，其中R為臺風登陸時的最大風速半徑，經計算取45 km，得到8條影響路徑(圖6中的試驗1～8，其中試驗1為真實路徑)，運用風暴潮數值模型進一步探討臺風路徑對風暴潮增水的影響。

圖7為不同臺風路徑各站點風暴潮的增水過程。臺風從不同地點登陸，其增水規律有所差異。從珠江口西岸登陸的臺風(試驗1～4)，風暴潮位對風場響應較快，臺風登陸時水位迅速上升，存在明顯的增水峰值，在臺風登陸后2～6 h(登陸時刻為第5 h)可達到最大增水值。從珠江口東岸登陸的臺風(試驗5～8)增水過程較為緩慢，臺風登陸時首先產生較為明顯的減水，而后增水緩慢增大，增水峰值較小，在臺風登陸后約8～10 h達到最大增水值。珠江口西岸登陸臺風的最大增水值均高于東岸登陸的臺風，這與臺風登陸時的風向和伶仃洋河口灣的喇叭狀形態有關，數值模擬結果與上文基于實測資料的分析結果一致。

(a)南沙

(b)泗盛圍

(d)中大

圖6 設置的臺風路徑

(a)中大

(b)南沙

(c)燈籠山

(d)西炮臺

臺風登陸點對風暴潮增水的空間分布有較大影響，當臺風從珠海登陸時(試驗3)，伶仃洋、前航道等區域增水值較大，中大、南沙最大增水可分別達到3.67 m和3.19 m；當臺風從江門登陸時(試驗1)，黃茅海、磨刀門等區域增水值較大，燈籠山、西炮臺最大增水可分別達到3.19 m、3.21 m。距離臺風中心的位置不同，產生的最大增水也不同。Xie等[16]認為最大增水出現在臺風右側最大風速半徑處，而李健[17]對粵西沿岸的研究顯示臺風引起最大增水的位置位于臺風右側2倍最大風速處。根據本文計算結果，當臺風在大灣區西岸登陸，距離臺風登陸點約2.5倍最大風速半徑的位置可產生較大的增水值。

2.3 臺風強度的影響

以“山竹”臺風真實路徑為基礎，將臺風的中心壓強分別設置為980 hPa、960 hPa、940 hPa、920 hPa、900 hPa，分別對應臺風強度為11～12級、13～14級、15～16級、17級、17級以上，探討不同臺風強度對大灣區風暴潮增水的影響。臺風中心壓強變化對風暴潮增水的影響分為兩種：①由于臺風中心低壓的抽吸效應產生的增水，這種增水一般很小，中心氣壓每下降10 hPa，增水極值增加2%～3%[9]；②由于中心氣壓下降產生較大的梯度風場，風場驅動水體向岸輸運產生沿岸增水，增水值一般較大。本節主要討論第二種增水情況。圖8為各潮位站在不同強度臺風的作用下風暴潮增水的過程，可見各潮位站最大增水隨著臺風中心壓強的降低而升高，中心壓強每下降10 hPa，最大增水值上升0.4～1.1 m。臺風強度對不同站點最大增水的影響取決于該潮位站與臺風中心的距離。在臺風移動過程中，離臺風中心距離較近的燈籠山、西炮臺站，由中心壓強降低導致的最大增水的變化相比其他潮位站更為顯著，中心壓強每下降10 hPa，燈籠山、西炮臺最大增水上升0.80～0.84 m；距離臺風中心較遠的中大、南沙站，中心壓強每下降10 hPa，最大增水上升0.59～0.62 m。

2.4 臺風移動速度的影響

珠江口水體在臺風風應力的作用下，水體向岸輸運，水位抬升，當產生的水位梯度與風應力平衡時，增水達到最大。該平衡過程并不是瞬間完成，而是需要風應力的持續作用，因此臺風移動速度起到重要的作用。為研究臺風移動速度對增水的影響，以“山竹”臺風實際移動速度(v=8.3 m/s)作為參考，設置5個數值試驗，臺風移動速度分別設置為2v、v、v/2、v/3、v/4，臺風路徑選用“山竹”實際路徑。以南沙站為例，從不同臺風移動速度下的風暴潮增水過程(圖9)可以看出，當臺風移動速度較大時(16.6 m/s)，由于沒有充足的時間建立水位梯度，最大增水值較小。隨著臺風移動速度由16.6 m/s減小至8.3 m/s，最大增水值明顯增大，由2.42 m增大至3.03 m。當臺風移動速度小于8.3 m/s時，最大增水值變化不大(其他站點的增水過程有相同的規律，圖略)。

馮士筰[18]認為，風暴潮位梯度的建立是由海面風應力建立了風生流，其水體的順風輸運形成了風暴潮位的梯度，從而產生了反向的梯度流，它抑制了正向流量的發展，直至達到全流(垂向各層流速沿垂向的積分)消失的定常狀態。這個過程的時間尺度可表示為T=L2β/πgh，其中L為河口灣的長度，β為與湍流阻尼系數有關的量，g為重力加速度，h為海域平均水深。在珠江口可以取特征值L=60 km，h=10 m，β=7×10-4s-1，T估算值為2.3 h。對于移動速度分別為16.6 m/s、8.3 m/s、4.2 m/s、2.8 m/s、2.1 m/s的臺風，其掠過珠江口的時間大致分別為1.0 h、2.0 h、3.9 h、5.9 h和7.9 h。臺風移動速度較快時(v=16.6 m/s)，臺風作用時間遠小于2.3 h，沒有足夠的時間建立水位梯度，因此最大增水值較小；當臺風移動速度小于8.3 m/s時，臺風作用時間接近或超過2.3 h，臺風對珠江口的影響時間較長，可形成較為穩定的水位梯度，最大增水值較大。

(a)中大

(b)南沙

(c)燈籠山

(d)西炮臺

圖9 不同臺風移動速度下南沙站風暴潮增水過程Fig.9 Process of storm surge at Nansha Station with different typhoon speeds

3 結 論

a.從最大增水的空間分布特征來看，位于伶仃洋、獅子洋、前航道等區域的潮位站出現較大增水的頻率較高，增水大于1 m的占比可達到40%～72%。在大灣區西岸或東岸登陸的臺風均可在該區域引起一定程度的增水。伶仃洋河口灣由外向里逐漸收窄，水深逐漸變小，呈漏斗狀形態，當臺風暴潮波向里傳入，波能逐漸集中，波高相對增大，并通過虎門沿河道上溯。

b.風暴潮發生時間很大程度上是由登陸熱帶氣旋的時間分布特征決定的，風暴潮主要集中在7—9月，占全年總次數的74.4%；2 m以上最大增水則主要集中在6—10月，其中3 m以上最大增水出現在8—9月，比例超過5%。

c.從各站點歷史最高潮位來看，當風暴潮增水疊加天文大潮時比較容易出現突破歷史記錄的高潮位，如“天鴿”臺風；當臺風風力較大時，即使在小潮階段也可引起較高的水位，如“山竹”臺風；影響粵港澳大灣區風暴潮的臺風主要為西岸登陸的臺風，受北半球熱帶氣旋風場逆時針旋轉及珠江口岸線影響，往往出現較高的潮位值，各站點歷史最高潮位均由大灣區西岸登陸的臺風引起。近年來，影響粵港澳大灣區的強臺風以上級別的臺風次數增加趨勢明顯，各站點歷年最高潮位呈增加趨勢，平均速率為0.02～0.03 m/a。

d.臺風登陸點對風暴潮增水的空間分布有較大影響，距離臺風登陸點約2.5倍最大風速半徑的位置，可產生較大的增水值。最大增水隨著臺風中心壓強的降低而升高，中心壓強每下降10 hPa，最大增水值上升0.4～1.1 m。在臺風移動過程中，離臺風中心距離較近的站點由中心壓強降低導致的最大增水的變化相比其他站點更為顯著。當臺風移動速度接近8.3 m/s，風應力作用于珠江口的時間接近2.3 h，可形成較為穩定的風暴潮水位梯度，在大灣區可產生較大的風暴潮增水。