粵港澳大灣區(qū)風(fēng)暴潮時(shí)空分布特征及影響因素

羅志發(fā)，黃本勝，邱 靜，譚 超，黃廣靈

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610； 2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610； 4. 廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610； 5.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海 519080)

粵港澳大灣區(qū)包括香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)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(wàn) km2，總?cè)丝诩s7 000萬(wàn)人，是我國(guó)開(kāi)放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，以不足全國(guó)1%的土地面積和不足全國(guó)5%的人口，貢獻(xiàn)了全國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的17%，在國(guó)家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位?；浉郯拇鬄硡^(qū)位于中國(guó)大陸南端，瀕臨南海，地處珠江流域下游，河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)，呈“三江匯流，八口入?！敝畡?shì)。由于特殊的地理位置和氣候，大灣區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害易發(fā)頻發(fā)，平均每年有1.08個(gè)熱帶氣旋直接在大灣區(qū)登陸[1]，由此造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大，已經(jīng)成為影響人民生活質(zhì)量、制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。

風(fēng)暴潮特征研究是開(kāi)展風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)工作的基礎(chǔ)。關(guān)于大灣區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮特征的研究始于20世紀(jì)80年代，何洪鉅[2]采用1949—1980年的歷史潮位資料，對(duì)珠江口風(fēng)暴潮的特征及機(jī)理進(jìn)行了初步探討；此后，盧如秀等[3-5]采用歷史潮位資料對(duì)珠江口臺(tái)風(fēng)最大增水規(guī)律、珠江口風(fēng)暴潮縱向增水特征進(jìn)行了研究；還有不少學(xué)者對(duì)登陸大灣區(qū)的個(gè)例臺(tái)風(fēng)進(jìn)行分析，討論其風(fēng)暴潮特征及影響[6-8]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)暴潮數(shù)值模型被廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮影響機(jī)理的分析[9-12]。雖然對(duì)大灣區(qū)風(fēng)暴潮特征已有了基本的認(rèn)識(shí)，但近年來(lái)影響大灣區(qū)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)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(qū)風(fēng)暴潮呈現(xiàn)新的特征。面對(duì)日益嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害以及全球變化背景下風(fēng)暴潮災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度變化趨勢(shì)，開(kāi)展粵港澳大灣區(qū)風(fēng)暴潮研究具有重要意義。以往大灣區(qū)風(fēng)暴潮特征研究大多基于2000年以前的潮位時(shí)間序列資料，缺少2000年以來(lái)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(tǒng)計(jì)分析大灣區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮時(shí)空分布特征，并結(jié)合風(fēng)暴潮數(shù)值模型進(jìn)一步探討大灣區(qū)風(fēng)暴潮增水的影響機(jī)理，以期為粵港澳大灣區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害防御提供參考。

1 風(fēng)暴潮時(shí)空分布特征

1.1 登陸熱帶氣旋統(tǒng)計(jì)分析

采用中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(http://typhoon.nmc.cn/web.html)發(fā)布的熱帶氣旋最佳路徑，統(tǒng)計(jì)1970—2018年登陸粵港澳大灣區(qū)的熱帶氣旋，結(jié)果表明，登陸的熱帶氣旋共有40個(gè)，年均0.8個(gè)，熱帶氣旋登陸點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。按登陸時(shí)間統(tǒng)計(jì)，登陸熱帶氣旋主要發(fā)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(shù)的61.2%。9月登陸強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)及以上等級(jí)的熱帶氣旋次數(shù)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(diǎn)分為大灣區(qū)西岸和東岸，在大灣區(qū)西岸登陸的有24次，占60%，其中熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)分別為3、9、9、3次；在大灣區(qū)東岸登陸的16次，占40%，其中熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)分別為7、4、3、2次。按登陸地市統(tǒng)計(jì)，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(qiáng)度統(tǒng)計(jì)，臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別有17次，其中臺(tái)風(fēng)級(jí)別有12次，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別有5次。登陸的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)2016年以來(lái)出現(xiàn)過(guò)3次，分別是201604號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“妮妲”、201713號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”和201822號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”。

圖1 熱帶氣旋登陸點(diǎn)及潮位站分布

1.2 風(fēng)暴潮增水空間分布特征

選取1970—2018年登陸粵港澳大灣區(qū)的熱帶氣旋過(guò)程，對(duì)中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬(wàn)頃沙、橫門、燈籠山、黃金、西炮臺(tái)等9個(gè)潮位站(圖1)風(fēng)暴潮過(guò)程的增水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析(表1)。風(fēng)暴潮增水是由實(shí)測(cè)潮位減去天文潮預(yù)報(bào)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(xiàn)2次，中大、黃埔、南沙、萬(wàn)頃沙、橫門站均出現(xiàn)1次。2～3 m的增水，在中大、黃埔站出現(xiàn)次數(shù)較多，均為4次。風(fēng)暴潮增水與臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)和強(qiáng)度有關(guān)，各站點(diǎn)大于2 m的增水均產(chǎn)生于大灣區(qū)西岸登陸的臺(tái)風(fēng)，且臺(tái)風(fēng)風(fēng)力均大于12級(jí)(表2)。臺(tái)風(fēng)在大灣區(qū)西岸登陸，登陸時(shí)珠江口盛行的東南風(fēng)有利于水體往伶仃洋輸移，如果遇上風(fēng)力較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)容易造成較大的增水。

表1 各潮位站潮位資料年限及設(shè)計(jì)潮位值

圖2 各潮位站增水統(tǒng)計(jì)

表2 風(fēng)暴潮增水與臺(tái)風(fēng)要素的關(guān)系

中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬(wàn)頃沙、橫門等位于伶仃洋、獅子洋、前航道區(qū)域的站點(diǎn)出現(xiàn)較大增水的頻率較高，增水大于1 m的占比可達(dá)40%～72%(圖2)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大灣區(qū)西岸或東岸登陸的臺(tái)風(fēng)均可在該區(qū)域引起一定程度的增水，臺(tái)風(fēng)在西岸登陸后的東南風(fēng)有利于增水；臺(tái)風(fēng)在東岸登陸后向西北行進(jìn)，越過(guò)獅子洋后盛行的偏南風(fēng)同樣有利于增水。同時(shí)還與伶仃洋形態(tài)有關(guān)，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(dāng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮波向里傳入，波能逐漸集中，波高相對(duì)增大，并通過(guò)虎門沿河道上溯。

燈籠山、黃金、西炮臺(tái)等站點(diǎn)出現(xiàn)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(qū)西岸登陸的臺(tái)風(fēng)才有可能引起該區(qū)域較大的增水(表2)。同時(shí)與區(qū)域岸線地形、河道走向有關(guān)。磨刀門前緣三灶和橫琴等島嶼的阻擋，影響風(fēng)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(fēng)暴潮難以上溯[3]。

1.3 風(fēng)暴潮增水時(shí)間分布特征

1.3.1逐月分布

圖3是各級(jí)增水出現(xiàn)次數(shù)的逐月分布圖，可以看出，風(fēng)暴潮主要集中在7—9月，占全年總次數(shù)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(xiàn)次數(shù)最多，遠(yuǎn)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(lái)看，6—10月的風(fēng)暴潮過(guò)程中，最大增水在1 m以上的比例超過(guò)85%，3 m以上最大增水出現(xiàn)在8—9月，比例超過(guò)5%。

圖3 各級(jí)增水出現(xiàn)次數(shù)的逐月分布

粵港澳大灣區(qū)風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)間很大程度上由登陸熱帶氣旋的時(shí)間分布特征所決定。據(jù)前文分析，全年61.2%的熱帶氣旋登陸發(fā)生在7—9月，明顯多于其他月份。8—9月登陸強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)及以上等級(jí)的熱帶氣旋的占比最大，達(dá)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(jiàn)表3，中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬(wàn)頃沙、橫門以及黃金站歷史最高潮位均出現(xiàn)在2018年“山竹”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，燈籠山站出現(xiàn)在2017年“天鴿”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，西炮臺(tái)站出現(xiàn)在2009年“巨爵”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中。一般認(rèn)為，風(fēng)暴潮出現(xiàn)時(shí)間適逢天文大潮期或天文潮高潮時(shí)，可能引發(fā)嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害。如“天鴿”臺(tái)風(fēng)于2017年8月23日13時(shí)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(shè)計(jì)水位。事實(shí)上，當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，即使風(fēng)暴潮發(fā)生在天文潮小潮時(shí)，同樣也會(huì)引起巨大的風(fēng)暴潮災(zāi)害。如“山竹”臺(tái)風(fēng)于2018年9月16日17時(shí)登陸江門時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)，風(fēng)速超過(guò)45 m/s。此時(shí)為天文潮的小潮平潮期，中大、黃埔、泗盛圍、南沙、萬(wàn)頃沙、橫門等站均出現(xiàn)超過(guò)3 m的歷史高潮位。風(fēng)暴潮歷史最高潮位的出現(xiàn)也與臺(tái)風(fēng)路徑有關(guān)，由表2可知，引起各潮位站歷史最高潮位的臺(tái)風(fēng)過(guò)程如“山竹”“天鴿”“巨爵”等均由大灣區(qū)西岸登陸，并向西北方移動(dòng)。這類臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，大灣區(qū)海域普遍盛行東南風(fēng)，珠江口東南向的開(kāi)口方向有利于水體向岸輸運(yùn)堆積，此時(shí)珠江口海域普遍達(dá)到增水的最大值。尤其是伶仃洋河口灣喇叭狀的形態(tài)有利于水體向?yàn)硟?nèi)聚集，“山竹”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中泗盛圍站最高水位達(dá)到3.55 m，最大增水達(dá)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(shì)，可見(jiàn)各潮位站歷年最高潮位均呈增加趨勢(shì)，平均速率為0.02～0.03 m/a。據(jù)相關(guān)報(bào)道[1]，2010年以來(lái)，影響大灣區(qū)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別的臺(tái)風(fēng)次數(shù)增加趨勢(shì)明顯。尤其是近年來(lái)登陸粵港澳大灣區(qū)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”“山竹”登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力均超過(guò)14級(jí)，對(duì)大灣區(qū)造成了極大影響，大部分站點(diǎn)最高潮位和最大增水均超過(guò)了3 m。同時(shí)，由于河口圍墾帶來(lái)的潮汐振幅增加、潮汐不對(duì)稱性加劇和漲潮占優(yōu)趨勢(shì)加強(qiáng)，可能會(huì)加劇風(fēng)暴潮災(zāi)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(fēng)暴潮影響因素分析

2.1 典型臺(tái)風(fēng)“山竹”風(fēng)暴潮過(guò)程數(shù)值模擬

選取近年來(lái)對(duì)大灣區(qū)影響較大的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”，對(duì)其風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。風(fēng)暴潮模型選用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的海洋環(huán)流模式SELFE (semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model)，可精細(xì)化擬合復(fù)雜岸線和地形，提高網(wǎng)格分辨率。珠江口網(wǎng)格大小從河網(wǎng)區(qū)的50 m逐漸過(guò)渡到外海的20 km。風(fēng)場(chǎng)通過(guò)圓形臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與ERA5 (the fifth generation ECMWF atmospheric reanalysis of the global climate)再分析風(fēng)場(chǎng)合成的方式給出。為提高風(fēng)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(jì)算得到余水位，將余水位以及風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、天文潮作為珠江口模型的驅(qū)動(dòng)條件，對(duì)大灣區(qū)風(fēng)暴潮增水進(jìn)行數(shù)值模擬。模型詳細(xì)介紹及設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

選用珠江口門及河網(wǎng)區(qū)水文站(南沙、泗盛圍、黃埔、中大)實(shí)測(cè)水位資料對(duì)風(fēng)暴潮計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由圖5可知，計(jì)算結(jié)果水位變化過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水位變化趨勢(shì)一致，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。最高潮位絕對(duì)誤差為0.05～0.30 m，相對(duì)誤差控制在9%以內(nèi)，最高潮位的相位誤差均在1 h以內(nèi)。綜上分析，模型計(jì)算結(jié)果較為合理，所建立的模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬珠江口的風(fēng)暴潮過(guò)過(guò)程，可為進(jìn)一步分析珠江口的風(fēng)暴潮影響機(jī)理提供基礎(chǔ)。

2.2 臺(tái)風(fēng)路徑的影響

不同臺(tái)風(fēng)路徑引起的珠江口風(fēng)暴潮增水并不相同。以“山竹”臺(tái)風(fēng)真實(shí)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(tái)風(fēng)登陸時(shí)的最大風(fēng)速半徑，經(jīng)計(jì)算取45 km，得到8條影響路徑(圖6中的試驗(yàn)1～8，其中試驗(yàn)1為真實(shí)路徑)，運(yùn)用風(fēng)暴潮數(shù)值模型進(jìn)一步探討臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)風(fēng)暴潮增水的影響。

圖7為不同臺(tái)風(fēng)路徑各站點(diǎn)風(fēng)暴潮的增水過(guò)程。臺(tái)風(fēng)從不同地點(diǎn)登陸，其增水規(guī)律有所差異。從珠江口西岸登陸的臺(tái)風(fēng)(試驗(yàn)1～4)，風(fēng)暴潮位對(duì)風(fēng)場(chǎng)響應(yīng)較快，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)水位迅速上升，存在明顯的增水峰值，在臺(tái)風(fēng)登陸后2～6 h(登陸時(shí)刻為第5 h)可達(dá)到最大增水值。從珠江口東岸登陸的臺(tái)風(fēng)(試驗(yàn)5～8)增水過(guò)程較為緩慢，臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)首先產(chǎn)生較為明顯的減水，而后增水緩慢增大，增水峰值較小，在臺(tái)風(fēng)登陸后約8～10 h達(dá)到最大增水值。珠江口西岸登陸臺(tái)風(fēng)的最大增水值均高于東岸登陸的臺(tái)風(fēng)，這與臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的風(fēng)向和伶仃洋河口灣的喇叭狀形態(tài)有關(guān)，數(shù)值模擬結(jié)果與上文基于實(shí)測(cè)資料的分析結(jié)果一致。

(a)南沙

(b)泗盛圍

(d)中大

圖6 設(shè)置的臺(tái)風(fēng)路徑

(a)中大

(b)南沙

(c)燈籠山

(d)西炮臺(tái)

臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)對(duì)風(fēng)暴潮增水的空間分布有較大影響，當(dāng)臺(tái)風(fēng)從珠海登陸時(shí)(試驗(yàn)3)，伶仃洋、前航道等區(qū)域增水值較大，中大、南沙最大增水可分別達(dá)到3.67 m和3.19 m；當(dāng)臺(tái)風(fēng)從江門登陸時(shí)(試驗(yàn)1)，黃茅海、磨刀門等區(qū)域增水值較大，燈籠山、西炮臺(tái)最大增水可分別達(dá)到3.19 m、3.21 m。距離臺(tái)風(fēng)中心的位置不同，產(chǎn)生的最大增水也不同。Xie等[16]認(rèn)為最大增水出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)右側(cè)最大風(fēng)速半徑處，而李健[17]對(duì)粵西沿岸的研究顯示臺(tái)風(fēng)引起最大增水的位置位于臺(tái)風(fēng)右側(cè)2倍最大風(fēng)速處。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，當(dāng)臺(tái)風(fēng)在大灣區(qū)西岸登陸，距離臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)約2.5倍最大風(fēng)速半徑的位置可產(chǎn)生較大的增水值。

2.3 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響

以“山竹”臺(tái)風(fēng)真實(shí)路徑為基礎(chǔ)，將臺(tái)風(fēng)的中心壓強(qiáng)分別設(shè)置為980 hPa、960 hPa、940 hPa、920 hPa、900 hPa，分別對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度為11～12級(jí)、13～14級(jí)、15～16級(jí)、17級(jí)、17級(jí)以上，探討不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)大灣區(qū)風(fēng)暴潮增水的影響。臺(tái)風(fēng)中心壓強(qiáng)變化對(duì)風(fēng)暴潮增水的影響分為兩種：①由于臺(tái)風(fēng)中心低壓的抽吸效應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)生較大的梯度風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)水體向岸輸運(yùn)產(chǎn)生沿岸增水，增水值一般較大。本節(jié)主要討論第二種增水情況。圖8為各潮位站在不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的作用下風(fēng)暴潮增水的過(guò)程，可見(jiàn)各潮位站最大增水隨著臺(tái)風(fēng)中心壓強(qiáng)的降低而升高，中心壓強(qiáng)每下降10 hPa，最大增水值上升0.4～1.1 m。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)不同站點(diǎn)最大增水的影響取決于該潮位站與臺(tái)風(fēng)中心的距離。在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，離臺(tái)風(fēng)中心距離較近的燈籠山、西炮臺(tái)站，由中心壓強(qiáng)降低導(dǎo)致的最大增水的變化相比其他潮位站更為顯著，中心壓強(qiáng)每下降10 hPa，燈籠山、西炮臺(tái)最大增水上升0.80～0.84 m；距離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)的中大、南沙站，中心壓強(qiáng)每下降10 hPa，最大增水上升0.59～0.62 m。

2.4 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度的影響

珠江口水體在臺(tái)風(fēng)風(fēng)應(yīng)力的作用下，水體向岸輸運(yùn)，水位抬升，當(dāng)產(chǎn)生的水位梯度與風(fēng)應(yīng)力平衡時(shí)，增水達(dá)到最大。該平衡過(guò)程并不是瞬間完成，而是需要風(fēng)應(yīng)力的持續(xù)作用，因此臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度起到重要的作用。為研究臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)增水的影響，以“山竹”臺(tái)風(fēng)實(shí)際移動(dòng)速度(v=8.3 m/s)作為參考，設(shè)置5個(gè)數(shù)值試驗(yàn)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度分別設(shè)置為2v、v、v/2、v/3、v/4，臺(tái)風(fēng)路徑選用“山竹”實(shí)際路徑。以南沙站為例，從不同臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度下的風(fēng)暴潮增水過(guò)程(圖9)可以看出，當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度較大時(shí)(16.6 m/s)，由于沒(méi)有充足的時(shí)間建立水位梯度，最大增水值較小。隨著臺(tái)風(fēng)移動(dòng)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(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度小于8.3 m/s時(shí)，最大增水值變化不大(其他站點(diǎn)的增水過(guò)程有相同的規(guī)律，圖略)。

馮士筰[18]認(rèn)為，風(fēng)暴潮位梯度的建立是由海面風(fēng)應(yīng)力建立了風(fēng)生流，其水體的順風(fēng)輸運(yùn)形成了風(fēng)暴潮位的梯度，從而產(chǎn)生了反向的梯度流，它抑制了正向流量的發(fā)展，直至達(dá)到全流(垂向各層流速沿垂向的積分)消失的定常狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程的時(shí)間尺度可表示為T=L2β/πg(shù)h，其中L為河口灣的長(zhǎng)度，β為與湍流阻尼系數(shù)有關(guān)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(duì)于移動(dòng)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(tái)風(fēng)，其掠過(guò)珠江口的時(shí)間大致分別為1.0 h、2.0 h、3.9 h、5.9 h和7.9 h。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度較快時(shí)(v=16.6 m/s)，臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間遠(yuǎn)小于2.3 h，沒(méi)有足夠的時(shí)間建立水位梯度，因此最大增水值較??；當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度小于8.3 m/s時(shí)，臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間接近或超過(guò)2.3 h，臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口的影響時(shí)間較長(zhǎng)，可形成較為穩(wěn)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(tái)

圖9 不同臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度下南沙站風(fēng)暴潮增水過(guò)程Fig.9 Process of storm surge at Nansha Station with different typhoon speeds

3 結(jié) 論

a.從最大增水的空間分布特征來(lái)看，位于伶仃洋、獅子洋、前航道等區(qū)域的潮位站出現(xiàn)較大增水的頻率較高，增水大于1 m的占比可達(dá)到40%～72%。在大灣區(qū)西岸或東岸登陸的臺(tái)風(fēng)均可在該區(qū)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(tài)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)暴潮波向里傳入，波能逐漸集中，波高相對(duì)增大，并通過(guò)虎門沿河道上溯。

b.風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí)間很大程度上是由登陸熱帶氣旋的時(shí)間分布特征決定的，風(fēng)暴潮主要集中在7—9月，占全年總次數(shù)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(xiàn)在8—9月，比例超過(guò)5%。

c.從各站點(diǎn)歷史最高潮位來(lái)看，當(dāng)風(fēng)暴潮增水疊加天文大潮時(shí)比較容易出現(xiàn)突破歷史記錄的高潮位，如“天鴿”臺(tái)風(fēng)；當(dāng)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力較大時(shí)，即使在小潮階段也可引起較高的水位，如“山竹”臺(tái)風(fēng)；影響粵港澳大灣區(qū)風(fēng)暴潮的臺(tái)風(fēng)主要為西岸登陸的臺(tái)風(fēng)，受北半球熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及珠江口岸線影響，往往出現(xiàn)較高的潮位值，各站點(diǎn)歷史最高潮位均由大灣區(qū)西岸登陸的臺(tái)風(fēng)引起。近年來(lái)，影響粵港澳大灣區(qū)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別的臺(tái)風(fēng)次數(shù)增加趨勢(shì)明顯，各站點(diǎn)歷年最高潮位呈增加趨勢(shì)，平均速率為0.02～0.03 m/a。

d.臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)對(duì)風(fēng)暴潮增水的空間分布有較大影響，距離臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)約2.5倍最大風(fēng)速半徑的位置，可產(chǎn)生較大的增水值。最大增水隨著臺(tái)風(fēng)中心壓強(qiáng)的降低而升高，中心壓強(qiáng)每下降10 hPa，最大增水值上升0.4～1.1 m。在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，離臺(tái)風(fēng)中心距離較近的站點(diǎn)由中心壓強(qiáng)降低導(dǎo)致的最大增水的變化相比其他站點(diǎn)更為顯著。當(dāng)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度接近8.3 m/s，風(fēng)應(yīng)力作用于珠江口的時(shí)間接近2.3 h，可形成較為穩(wěn)定的風(fēng)暴潮水位梯度，在大灣區(qū)可產(chǎn)生較大的風(fēng)暴潮增水。