深圳近海風暴潮影響因素分析

鄧國通, 劉敏聰, 邢久星, 申錦瑜,3, 周凱, 陳勝利

1. 清華大學深圳國際研究生院海洋工程研究院, 廣東 深圳 518055;

2. 深圳市海洋監(jiān)測預報中心, 廣東 深圳 518034;

3. 達爾豪斯大學海洋學院, 加拿大 哈利法克斯 B3H 4R2

在全球變暖的背景下, 極端天氣事件發(fā)生的概率不斷增加, 近海區(qū)域受到的影響更為明顯(Wang et al, 2010)。臺風作為相對常見的極端天氣事件, 其影響不僅僅是強風和降水, 還包括風暴潮、巨浪等,這些災害會形成一個災害鏈(Wu et al, 2019), 給公共基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)生產(chǎn)活動以及大眾生命財產(chǎn)帶來嚴重的威脅(隋廣軍 等, 2015)。深圳市作為我國重要的沿海城市, 氣象災害發(fā)生的次數(shù)較多, 其中最為嚴重的是臺風帶來的影響(魏巍, 2009)。2018 年第22 號臺風“山竹”登陸后給包括深圳在內(nèi)的華南地區(qū)造成了嚴重的災害, 是1979 年以來影響珠三角大部分地區(qū)最為嚴重的臺風。因此, 風暴潮的研究可以減少風暴潮災害帶來的損失, 對深圳市有著重大的現(xiàn)實意義。

不同臺風登陸所產(chǎn)生的風暴潮具有很大差異,諸如臺風路徑、登陸角度、移動速度等因素對風暴潮大小都有較大影響。Weisberg 等(2006)對影響坦帕灣的颶風進行了模擬, 分析了颶風登陸地點、行進方向、行進速度以及強度對風暴潮的影響, 發(fā)現(xiàn)水位最高的風暴潮出現(xiàn)在海灣的上游段; 對于登陸地點, 當颶風登陸點位于灣口北邊時會造成最嚴重的結(jié)果; 對于行進方向, 當颶風向北移動時, 會產(chǎn)生更大的風暴潮; 對于行進速度, 緩慢的移動速度會在坦帕灣產(chǎn)生更大的風暴潮。Irish 等(2008)探索了颶風尺度對風暴潮的影響, 發(fā)現(xiàn)颶風尺度在風暴潮生成的過程中扮演了十分重要的角色, 特別是在海底地形平緩地區(qū)登陸的情況下。Rego 等(2009)發(fā)現(xiàn)颶風移動速度對風暴潮有著重要的影響, 結(jié)果顯示增加颶風的移動速度會增加風暴潮的最高高度, 這與Weisberg 等(2006)的研究結(jié)果相反, 說明同一因素對風暴潮的影響還可能與局地特征有關(guān)。Sebastian 等(2014)對颶風“艾克”進行了模擬, 探索了在加爾維斯頓灣可能出現(xiàn)最大增水的情形, 結(jié)果顯示加爾維斯頓灣的風暴潮主要受逆時針風向的影響, 并且當風速增加15%時, 風暴潮會增加大約23%。

在我國, 夏麗花 等(2014)通過對歷史臺風要素資料的分析, 發(fā)現(xiàn)正面登陸福建和浙江南部的臺風在福建沿海引發(fā)的風暴潮最強, 其次是在廣東沿海登陸的臺風。張文舟 等(2004)利用1960—2001 年間資料分析了福建沿海的風暴潮, 發(fā)現(xiàn)地形對風暴潮的時空分布有明顯影響。趙長進 等(2015)對影響長江口及其鄰近海區(qū)的風暴潮影響因素進行了研究,發(fā)現(xiàn)向岸風力的大小與持續(xù)時間對風暴潮增水有著重要的作用, 并且風應力對增水的作用相較于氣壓更為顯著。陳波 等(2015)通過對登陸廣西沿海的臺風“納沙”的研究, 發(fā)現(xiàn)臺風登陸期間廣西沿海水位變化與風、海灣地形和大氣重力波產(chǎn)生的共振作用有著密切關(guān)系。關(guān)于深圳近海的風暴潮研究較少,毛獻忠 等(2012)選擇深圳香港海域歷史上最強的臺風“荷貝”作為設(shè)計超強臺風的強度, 選擇最不利路徑的臺風“雪莉”作為設(shè)計路徑, 研究了深圳、香港海域可能出現(xiàn)的最強風暴潮。在這種情況下, 大鵬灣北部的風暴潮可達3.0m 以上, 香港島附近的風暴潮在2.5～3.0m 之間。然而不同的臺風情況下, 行進路徑、臺風強度和移動速度的不同, 引起的風暴潮都可能存在較大差異。不同海區(qū)由于海灣形狀、水深地形等差異, 風暴潮的分布規(guī)律也會有較大不同。由于研究的匱乏, 我們對深圳近海風暴潮的分布規(guī)律并不了解。

本研究基于區(qū)域海洋模式系統(tǒng)(regional ocean model system, ROMS), 建立了一個以深圳近海為中心的三層嵌套的局地海洋模式。首先模擬了2018 年在深圳周邊登陸的臺風“山竹”, 在臺風“山竹”基礎(chǔ)上對臺風的登陸地點、登陸角度、臺風強度、臺風尺度和移動速度進行改變, 分析這些因素變化對風暴潮的影響。

1 深圳近海三層嵌套局地海洋模式

以ROMS 模式作為研究平臺, 建立一個三層嵌套海洋模式。ROMS 模式采用地形坐標, 能較好地描述地形影響, 利用先進的計算技術(shù)求解靜力近似下的海洋動力學方程。已有研究顯示, 高分辨率的ROMS 模式能較好地模擬風暴潮過程(Li et al,2006)。

1.1 模式設(shè)置

研究區(qū)域主要為深圳近海, 但由于臺風和風暴潮有很大的空間尺度, 模式需要考慮到更大范圍。同時為了更加精細地描繪深圳各海灣在風暴潮過程中的細節(jié), 需要模式的空間分辨率達到較高水平,而這樣會極大地提高計算量。因此本研究采用三層嵌套方案, 其中最外層網(wǎng)格范圍是南海北部到臺灣島外海(圖1), 分辨率約9km; 中間層范圍是廣東近海, 分辨率約為1.8km; 最內(nèi)層為深圳近海, 分辨率約為0.4km(本研究用一個變網(wǎng)格模式將分辨率提高到10m 級, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬精度無明顯差異)。模式不考慮密度的影響, 最外層和中間層模式為二維模式,最內(nèi)層為三維模式, 三維模式垂直分10 層。模型為單向嵌套, 外層模型給中間層模型提供邊界的水位和流速, 同樣地, 中間層模型為內(nèi)層模型提供邊界的水位和流速。外模時間步長分別為25、5、2s, 三維模式內(nèi)模時間步長為40s。

1.2 臺風模型

為了對臺風路徑、強度、大小等進行敏感性試驗, 本研究依據(jù)Holland(1980)提出的方程建立理想臺風。Holland 理想臺風模型的風場方程和氣壓場方程如式(1)和式(2):

式中P∞和0P分別為臺風外圍氣壓和中心氣壓,r為計算點到臺風中心的距離,R為臺風最大風速半徑,f為科氏力參數(shù),aρ為空氣密度,B為擬合參數(shù)。B的取值影響臺風的水平風場結(jié)構(gòu), 通過對比臺風“山竹”的模擬與實測水位的結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)當B取1.0 時兩者吻合效果最好, 因此在本研究中B取1.0。

輸入模式的海面10m 處風速U10將由式(3)計算:

其中vmov為臺風移動速度, 由Jelesnianski(1966)提出的式(4)計算。

式中vmc為臺風前進速度。

為了更好地表示臺風風場的風向, 引入由Bretschneider(1972)提出的入流角β, 定義為徑向和切向風分量之比的反正切, 如式(5)所示:

臺風最大風速半徑R對臺風的模擬至關(guān)重要,本研究根據(jù)Yang 等(2019), 采用式(6)進行計算:

式中φ為臺風中心緯度,Vmax為最大風速,Cv為系數(shù), 取1.2。

潮汐輸入采用全球海潮模式(TPXO9)提供的數(shù)據(jù)(Egbert et al, 2002), 在模式的邊界使用日周期和半日周期的8 個主要分潮(M2、S2、K1、O1、K2、P1、N2和Q1)進行驅(qū)動。

1.3 模式驗證

以2018 年臺風“山竹”為研究對象, 模擬時使用的臺風路徑以及中心氣壓數(shù)據(jù)來自中國氣象局熱帶氣旋資料中心的CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集(Ying et al,2014; Lu et al, 2021)。沿海觀測站的水位數(shù)據(jù)來自深圳市海洋監(jiān)測預報中心。由于臺風“山竹”破壞力巨大, 導致部分測站在其登陸期間損毀, 因此只對比南澳碼頭站和東山碼頭站的水位變化(圖2)?？梢钥吹侥Ｊ皆趦蓚€測站水位模擬值與實測值接近, 模擬結(jié)果良好, 其中南澳碼頭站和東山碼頭站的均方根誤差均為0.27m, 相關(guān)系數(shù)分別為0.88 和0.89。從兩個測站水位的變化過程可以看出, 模式對風暴潮位變化的趨勢和最高風暴潮位的模擬比較準確, 最高風暴水位模擬誤差不超過10%。在風暴潮位持續(xù)上升階段模擬結(jié)果相較實測數(shù)據(jù)較小, 這可能與臺風模型無法準確模擬實際臺風有關(guān), 因為實際中陸地的影響會導致臺風在登陸時形狀發(fā)生改變, 理想風場是未考慮陸地影響的。

2 影響因素研究

基于臺風“山竹”改變臺風特征, 分析臺風的登陸地點、登陸角度、臺風尺度、臺風強度以及移動速度對風暴潮的影響。盡管這些臺風因素有著內(nèi)在聯(lián)系, 比如臺風的尺度與強度有一定的關(guān)系, 但為了分析不同因素的影響, 參照Weisberg 等(2006)對颶風登陸地點和登陸角度的研究方法以及Rego 等(2009)對颶風尺度、強度和移動速度的研究方法, 本研究進行只改變某單一因素的敏感性分析。

2.1 臺風登陸點與登陸角度

將臺風登陸地點和登陸角度綜合到一起考慮,分析在不同登陸地點的條件下, 不同登陸角度對風暴潮的影響。臺風“山竹”登陸過程中在深圳近海產(chǎn)生的最大增水總體呈現(xiàn)西北向東南方向下降的趨勢(圖3), 在大鵬灣和大亞灣產(chǎn)生的最大增水在1.8m 到 2.2m 之間, 在深圳灣產(chǎn)生的最大增水在3.0m 左右, 在珠江口上游區(qū)域的最大增水可以達到4.0m 以上。

以臺風“山竹”為基礎(chǔ), 以登陸點為原點進行路徑的旋轉(zhuǎn), 角度分別為 15°、-15°、-30°、-60°和-90°(圖4)。根據(jù)登陸點與深圳的位置關(guān)系, 設(shè)置東、中和西登陸點(圖5), 其中西登陸點為臺風“山竹”的原始登陸點, 不同登陸點之間東西平移大約160km,中登陸點和西登陸點也分別設(shè)置15°、-15°、-30°、-60°和-90°等5 個旋轉(zhuǎn)角度進行試驗, 各試驗編號見表1。

表1 臺風登陸角度與登陸點試驗編號Tab. 1 Case numbers of different typhoon landing angles and locations

在西登陸點的情況下, 當?shù)顷懡嵌饶鏁r針旋轉(zhuǎn)15°時, 相比于原始登陸角度, 最大增水在大亞灣和大鵬灣升高了0.2～0.3m(圖6a), 其他區(qū)域的最大增水變化很小; 當?shù)顷懡嵌软槙r針旋轉(zhuǎn)15°時(圖6b),最大增水在大亞灣和大鵬灣降低了0.3m 左右, 其他區(qū)域的最大增水變化很小; 隨著順時針旋轉(zhuǎn)的角度增加, 大鵬灣和大亞灣的最大增水持續(xù)降低, 當順時針旋轉(zhuǎn)90°時(圖6e), 風暴潮最高水位在大鵬灣和大亞灣下降了1.0m 以上; 珠江口區(qū)域的最大增水在登陸角度順時針旋轉(zhuǎn)60°時(圖6d)才出現(xiàn)0.5m 左右較為顯著的下降, 當順時針旋轉(zhuǎn)90°時, 珠江口區(qū)域的最大增水下降了0.8m 左右。當角度的變化在15°至-30°之間時, 對深圳沿海的最大增水的影響不是很明顯, 當?shù)顷懡嵌软槙r針變化大于60°時, 產(chǎn)生的風暴潮顯著下降, 特別是大鵬灣和大亞灣區(qū)域。總體而言, 西北向移動的臺風比南北向移動的臺風產(chǎn)生的風暴潮明顯要大, 這是因為西北向移動的臺風在深圳近海經(jīng)過的距離較長, 其作用時間也較長, 而南北向移動的臺風經(jīng)過深圳近海的距離較短, 導致的風暴潮也較小。

中登陸點和東登陸點的角度旋轉(zhuǎn)試驗結(jié)果與西登陸點的類似, 即西北方向移動的臺風比南北向移動的臺風產(chǎn)生的風暴潮明顯要大。如果只對不同登陸點的情況進行比較(圖7), 可以看到在原始登陸角度下, 在深圳西邊登陸的臺風比在深圳東邊登陸的臺風產(chǎn)生的最大增水高1.0～2.5m?？紤]到臺風的風場具有左右不對稱性, 一般在臺風前進方向右側(cè)的風場比前進方向左側(cè)的強, 我們在風場模型中加入了臺風移動速度。因此, 當臺風右側(cè)區(qū)經(jīng)過深圳近海時, 所產(chǎn)生的風暴潮要比臺風左側(cè)區(qū)經(jīng)過時更大。大亞灣風暴增水的變化相反, 這是由于西登陸點離大亞灣較遠, 風場總體較弱, 因此導致大亞灣的最大增水較低。

2.2 臺風尺度

考慮到臺風“山竹”的尺度較大, 通過改變最大風速半徑大小, 設(shè)置了以臺風“山竹”為基礎(chǔ)的4 個試驗: D2(115%)、D3(85%)、D4(70%)和D5(55%), 臺風“山竹”原始大小為100%(試驗A1)。同樣將每個試驗模擬的最大增水與臺風“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺風尺度對風暴潮的影響(圖8)。

當最大風速半徑增加15%時, 最大增水并未出現(xiàn)明顯上升, 只在珠江口上游以及大亞灣大鵬灣的局部區(qū)域產(chǎn)生了0.2m 左右的上升。當最大風速半徑減少15%時, 最大增水在深圳近海只有了0.2m 的下降。當最大風速半徑減少30%時, 最大增水在深圳近海下降大約0.4m, 在珠江口上游下降超過0.6m。當最大風速半徑減少45%時, 最大增水在大鵬灣和大亞灣大部分區(qū)域下降超過 0.6m, 局部地區(qū)超過0.8m, 在珠江口大部分區(qū)域下降超過0.8m, 局部超過1.0m。由上可知, 總體呈現(xiàn)最大風速半徑越大,最大增水越高的趨勢。最大風速半徑所在位置為臺風風場最大值, 最大風速半徑越大, 臺風中心區(qū)影響的范圍也越大, 所以可能就會導致風暴潮也越大。最大風速半徑也是臺風預報中的常見指標, 其對風暴潮的敏感性具有較為直接的指示意義。

2.3 臺風強度

考慮到臺風“山竹”是一個超強臺風, 通過整體等比例地縮放以改變風速大小, 因此設(shè)置以臺風“山竹”為基礎(chǔ)的4 個試驗: E2(115%)、E3(85%)、E4(70%)和 E5(55%), 臺風“山竹”原始強度為100%(試驗A1)。同樣將每個試驗模擬的最大增水與臺風“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺風強度對風暴潮的影響(圖9)。

當臺風強度增強15%時, 最大增水在珠江口和深圳灣升高了0.4m 以上, 珠江口上游的最大增水上升超過0.6m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水上升超過0.4m。當臺風強度減弱15%時, 最大增水在珠江口和深圳灣下降超過0.4m, 珠江口上游的最大增水下降超過0.6m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過0.4m。當臺風強度減弱30%時, 最大增水在深圳灣下降大約1.0m, 在珠江口上游下降超過1.4m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過0.8m。當臺風強度減弱45%時, 最大增水在深圳灣下降大約1.7m, 在珠江口上游下降超過2.0m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過1.2m。由上可知, 臺風強度越強, 最大增水越高。

2.4 臺風移動速度

通過對各時刻臺風中心移動速度進行等比例縮放, 設(shè)置了以臺風“山竹”為基礎(chǔ)的 4 個試驗:F2(130%)、F3(115%)、F4(85%)和F5(70%), 臺風“山竹”原始移動速度為100%(試驗A1, 西登陸點)。同樣將每個試驗模擬的最大增水與臺風“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺風移動速度對風暴潮的影響(圖10)?？傮w上臺風移動速度對最大增水的影響不大, 當移動速度增加30%, 深圳近海最大增水上升0.2m 左右; 當移動速度增加15%, 深圳近海最大增水上升不超過0.2m。當移動速度減少15%時,深圳近海最大增水下降不超過0.2m; 當移動速度減少30%時, 深圳近海最大增水下降在0.2～0.4m 之間。一般來說, 臺風移動速度越慢, 對海區(qū)的影響時間越長, 風暴潮也將越高(Weisberg et al, 2006)，但我們的結(jié)果與此相反, 與Rego 等(2009)的結(jié)果類似,具體原因下面進一步分析。

由于移動速度試驗出現(xiàn)與已有研究相反的結(jié)果,因此增加了以下試驗: G2(中登陸點, 移動速度增加30%)、G3(中登陸點, 移動速度減少30%)、H2(東登陸點, 移動速度增加30%)和H3(東登陸點, 移動速度減少30%)。

可以看到, 在中登陸點時, 珠江口與大鵬灣大亞灣的變化趨勢正好相反(圖11)。當移動速度增加30%時(試驗 G2), 珠江口的最大增水出現(xiàn)了小于0.2m 的下降, 而大鵬灣和大亞灣的最大增水出現(xiàn)了0.2m 左右的上升; 當移動速度減少30%時(試驗G3),珠江口的最大增水出現(xiàn)了小于0.2m 的上升, 而大鵬灣和大亞灣的最大增水出現(xiàn)了0.2m 以上的下降。

對于東登陸點(圖12), 當移動速度增加30%(試驗H2), 珠江口上游最大增水上升0.5m 左右, 大鵬灣和大亞灣最大增水上升超過0.7m; 當移動速度減少30%時(試驗H3), 珠江口最大增水下降0.1m 左右,大鵬灣最大增水下降0.3m 左右, 大亞灣最大增水下降超過0.6m。最大增水在東登陸點變化趨勢與在西登陸點變化趨勢類似, 即移動速度加快, 深圳近海的最大增水上升; 移動速度變慢, 深圳近海的最大增水下降。

由上述內(nèi)容可知, 當臺風路徑經(jīng)過幾個海灣(中登陸點)和臺風路徑從幾個海灣邊上(西登陸點和東登陸點)經(jīng)過的結(jié)果是不同的。根據(jù) Weisberg 等(2006), 臺風在登陸過程中會使水體重新分布, 而水位重新分布是需要一定的時間的。這個時間可由馮士筰(1982)提出的公式進行計算, 當一個穩(wěn)定且軸對稱的臺風經(jīng)過一個矩形海灣時, 水體重新分布到穩(wěn)定狀態(tài)的時間

其中是L海灣的長度;β是湍流阻力系數(shù), 取1.5×10-3s-1;h是海灣平均水深。

我們將臺風影響海灣的時間稱為臺風作用時間, 這個時間為臺風前緣經(jīng)過海灣的時間, 臺風前緣的范圍設(shè)為三倍最大風速半徑。當臺風作用時間大于Ts時, 海灣內(nèi)風暴潮對臺風移動速度的變化將不敏感;當臺風作用時間小于Ts時, 海灣內(nèi)風暴潮將受臺風移動速度變化的影響, 且移動速度越慢, 最大增水將越高。此時將珠江口整體看作一個海灣, 由式(9)估算得出的珠江口、大鵬灣和大亞灣水體重新分布到穩(wěn)定的時間見表2。

表2 深圳沿海各海灣水體重新分布時間Tab. 2 The time of redistribution of water bodies in each bay along the Shenzhen coast

當?shù)顷扅c為中登陸點時, 臺風前后經(jīng)過三個海灣, 原始移動速度下臺風作用時間是3.00h。當移動速度增加30%, 臺風作用時間為2.31h; 當移動速度減少30%, 臺風作用時間為4.29h?？梢钥吹皆谠家苿铀俣认? 珠江口水體重新分布時間大于臺風作用時間, 大鵬灣和大亞灣水體重新分布時間小于臺風作用時間。在珠江口, 水體穩(wěn)定前移動速度增加時, 臺風作用水體的時間減少, 因此最大增水下降; 當移動速度減少時, 臺風作用水體的時間增加, 最大增水上升。在大鵬灣和大亞灣,水體重新分布時間都小于臺風作用時間, 水體在臺風作用時間內(nèi)早已穩(wěn)定, 臺風移動速度減小并沒有造成風暴增水變強; 中登陸點變化趨勢與在東西兩個登陸點時三個海灣的變化趨勢相同, 推測是移動速度增減導致局地風速增減, 進而導致更高或者更低的最大增水。

3 結(jié)論

本研究對影響深圳近海風暴潮的主要因素進行了分析和研究, 包括臺風的登陸地點、登陸角度、強度、尺度和移動速度等。以臺風“山竹”為對象, 對影響風暴潮過程的各因素進行敏感性分析, 探究不同因素對深圳近海風暴潮的影響, 獲得如下結(jié)論:

1) 對于臺風的登陸地點, 相同條件下, 在深圳西邊登陸的臺風比在深圳東邊登陸的臺風產(chǎn)生的最大增水高1.5m 左右。主要是因為在深圳西邊登陸的臺風正好是臺風前進方向右側(cè)掃過深圳近海, 該側(cè)的風力較強, 所以能引起更大的風暴潮增水。對于登陸角度, 由東南往西北登陸深圳的臺風比由南向北登陸深圳的臺風產(chǎn)生的最大增水高1.0m 左右, 因為從東南往西北登陸的臺風對深圳近海作用的時間較長。

2) 對于臺風尺度, 臺風最大風速半徑增加15%,最大增水上升0.2m 左右。這可能主要是由于當風速半徑越大時, 臺風中心區(qū)域影響范圍更大, 從而導致風暴潮更強。臺風最大風速半徑作為臺風的一個重要指標, 其對風暴潮影響的敏感性值得注意。對于臺風強度, 15%的增強幅度會使最大增水上升0.4m 左右。臺風強度對風暴潮的影響比較直接, 臺風在南海北部臨近登陸時常常發(fā)生強度增大的情況。

3) 對于臺風的移動速度, 總體上對風暴潮的影響較弱。當臺風在深圳西邊或者東邊登陸時, 臺風移動速度增加30%, 深圳沿海各海灣的最大增水上升0.2～0.6m, 推測是移動速度的增加導致臺風整體風速的增加, 進而導致更高的最大增水。當臺風從深圳中部登陸時, 臺風移動速度增加30%, 珠江口的最大增水降低0.1m 左右, 大鵬灣和大亞灣的最大增水上升0.2m 左右, 這與各海灣水體重新分布到穩(wěn)定狀態(tài)的時間和臺風作用時間有關(guān)。當水體重新分布的時間大于臺風作用時間時, 臺風移動速度越慢, 最大增水越高;當水體重新分布的時間小于臺風作用時間時, 水體在臺風作用的時間內(nèi)早已穩(wěn)定, 導致其變化趨勢的原因推測為臺風移動速度增加導致其局地風速增加, 因此產(chǎn)生更高的最大增水。