深圳0814號臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)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(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東廣州510300；2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東廣州510611）

1 引言

臺風(fēng)風(fēng)暴潮是指由于熱帶氣旋過境所伴隨的強(qiáng)風(fēng)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(xiàn)象[1]，多發(fā)于夏秋季節(jié)，具有來勢猛、速度快、強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。深圳市位于廣東省南部，是我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)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(fēng)風(fēng)暴潮侵襲較嚴(yán)重的地區(qū)之一[3]。根據(jù)歷史記錄，受0814號強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”的影響，深圳沿海出現(xiàn)一次典型風(fēng)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(dá)到299 cm和282 cm（國家85高程基準(zhǔn)），超過20年一遇標(biāo)準(zhǔn)[5]（295 cm和277cm）。本文通過建立風(fēng)暴潮-天文潮耦合模型對臺風(fēng)“黑格比”引發(fā)的風(fēng)暴潮進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析此次臺風(fēng)過程深圳沿海最高風(fēng)暴潮位特征，為深圳沿海堤防工程應(yīng)對風(fēng)暴潮災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)和參考。

2 臺風(fēng)概況

0814號熱帶風(fēng)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(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，21日下午加強(qiáng)為臺風(fēng)，22日下午加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，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(zhèn)沿海登陸，登陸時中心氣壓945 hPa，最大風(fēng)力15級（風(fēng)速48 m/s），移動速度25 km/h。強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”登陸后繼續(xù)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(fēng)，24日下午在廣西南部沿海減弱為熱帶風(fēng)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(xù)減弱后消失[6]（見圖1和表1）。

0814號臺風(fēng)“黑格比”具有強(qiáng)度大、移動快、風(fēng)眼大、路徑直等特點(diǎn)，是建國后登陸廣東省的第二強(qiáng)秋臺（統(tǒng)計截至2018年）?！昂诟癖取钡顷懬?，38 h內(nèi)一直保持強(qiáng)臺風(fēng)等級，31 h內(nèi)中心氣壓維持在935 hPa[7]，最大7級風(fēng)圈半徑達(dá)500 km，最大10級風(fēng)圈半徑為200 km，移動速度最快達(dá)30 km/h。

圖1 臺風(fēng)路徑

表1 臺風(fēng)特征參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型介紹

本文基于MIKE21-FM水動力模型[8]，結(jié)合Holland臺風(fēng)模型[9]和全球潮汐模型TPXO7.2[10]，建立了風(fēng)暴潮-天文潮耦合數(shù)學(xué)模型。

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

圖2 模型計算范圍及網(wǎng)格劃分

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；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(shù)；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(fēng)應(yīng)力；τbx、τby為x、y方向的底應(yīng)力；A為水平渦動粘性系數(shù)。

Holland臺風(fēng)模型是Holland于1980年提出的一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄟ^引入臺風(fēng)形狀參數(shù)B，將臺風(fēng)氣壓分布經(jīng)驗函數(shù)與臺風(fēng)氣旋徑向壓力梯度平衡方程結(jié)合，由臺風(fēng)氣壓場計算得出臺風(fēng)風(fēng)場，其氣壓和梯度風(fēng)公式如下：

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

全球潮汐模型TPXO7.2由美國俄勒岡州立大學(xué)（Oregon State University）開發(fā)，基于二維正壓流體動量方程，運(yùn)用廣義反演方法對T/P、ERS-2和Jason-1衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，網(wǎng)格分辨率0.25°，對M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1和M4分潮進(jìn)行最小二乘法的調(diào)和分析，其潮高表達(dá)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(shù)；Ai、φi為i分潮調(diào)和常數(shù)（振幅和遲角）；fi為i分潮交點(diǎn)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(shè)置

風(fēng)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(fù)雜、島嶼眾多等地形特征，采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格劃分計算域，并對深圳海域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)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(jié)點(diǎn)（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(shù)字化得到，其他海域采用ETOPO1水深數(shù)據(jù)。臺風(fēng)強(qiáng)迫條件采用Holland臺風(fēng)模型計算得出的氣壓場和風(fēng)場，外海開邊界強(qiáng)迫條件采用全球潮汐模型TPXO7.2根據(jù)分潮調(diào)和常數(shù)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(fēng)“黑格比”經(jīng)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(fēng)對風(fēng)暴潮-天文潮耦合模型進(jìn)行驗證，驗證數(shù)據(jù)采用赤灣、鹽田和惠州海洋站（見圖3）的逐時實(shí)測潮位數(shù)據(jù)。從風(fēng)暴潮位過程曲線驗證圖（見圖4）和驗證誤差統(tǒng)計結(jié)果（見表2）可以看出，本文建立的風(fēng)暴潮-天文潮耦合模型對深圳上述3次臺風(fēng)風(fēng)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(fēng)暴潮過程潮位與實(shí)際較為吻合，平均絕對誤差在13～22 cm范圍內(nèi)，最高潮位絕對誤差介于1～25 cm之間，最高潮位出現(xiàn)時間模擬值與實(shí)測值的相位差主要在1 h左右。

圖3 驗證站點(diǎn)分布圖

圖4 風(fēng)暴潮位驗證過程圖

表2 風(fēng)暴潮位驗證誤差統(tǒng)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(jù)0814號臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模擬結(jié)果，通過統(tǒng)計各網(wǎng)格點(diǎn)的潮位最大值得出“黑格比”引起的風(fēng)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(fēng)“黑格比”的影響，深圳海域最高潮位表現(xiàn)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(nèi)，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(fēng)“黑格比”期間深圳沿岸的風(fēng)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(diǎn)（見圖6）輸出最高風(fēng)暴潮位，并與對應(yīng)岸段的警戒潮位[5]進(jìn)行對比（見表3）。通過結(jié)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(yīng)警戒潮位的岸段進(jìn)行了統(tǒng)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(diǎn)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(diǎn)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(fēng)“黑格比”雖然橫穿粵西海域在茂名市沿海地區(qū)登陸，但由于其最大風(fēng)力達(dá)15級（50 m/s），7級風(fēng)圈半徑達(dá)500 km，且深圳海域位于臺風(fēng)前進(jìn)方向的右半圓，因此產(chǎn)生較大增水效應(yīng)[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?shù)?1.6 km岸段（C1—C4）最高潮位大于黃色警戒潮位，灣內(nèi)東側(cè)的33.4 km岸段（C5—C8）最高潮位超過藍(lán)色警戒潮位；大亞灣內(nèi)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(cè)的22.1 km岸段（D3—D4）最高潮位低于藍(lán)色警戒潮位。

在0814號臺風(fēng)“黑格比”大范圍的風(fēng)場作用下，天文潮形成風(fēng)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(yīng)，造成風(fēng)暴潮能聚集[12]，從而使得潮位升高，導(dǎo)致深圳珠江口岸段形成水位超高的現(xiàn)象，加之珠江口距離臺風(fēng)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(tǒng)計資料也顯示，0814號臺風(fēng)“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(chuàng)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(shí)測記錄一致，其中A1代表點(diǎn)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(jié)論

本文利用風(fēng)暴潮-天文潮耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了0814號臺風(fēng)“黑格比”經(jīng)過深圳海域時引起的風(fēng)暴潮過程，重點(diǎn)分析了深圳沿岸潮位在臺風(fēng)過程中的響應(yīng)情況。結(jié)果顯示：

（1）臺風(fēng)過程中，深圳海域最高潮位沿臺風(fēng)前進(jìn)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(fēng)“黑格比”大范圍的風(fēng)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(nèi)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(fēng)路徑和岸線形狀等的影響，0814號臺風(fēng)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(fēng)進(jìn)入南海至登陸前幾乎成直線向西北移動，中心強(qiáng)度持續(xù)為強(qiáng)臺風(fēng)，是影響廣東沿海的典型臺風(fēng)，對其導(dǎo)致的風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬和分析對深圳沿岸臺風(fēng)風(fēng)暴潮的預(yù)警預(yù)報具有非常重要的參考價值，能夠為深圳沿海堤防工程應(yīng)對風(fēng)暴潮災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。