珠海市沿海碼頭風(fēng)暴增水及最高潮位情景預(yù)測(cè)

孫弦，王靜，夏冬，聶會(huì)文，高斯，蘇燁康，吳志棚

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 5 1 9 0 0 0；2.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082）

珠海市地處珠江口西側(cè)，瀕臨廣闊的南海，幾乎每年都受臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮增水影響［1］。九洲港作為全國(guó)沿海最大的港口客運(yùn)站之一，在2017年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”和2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間，受風(fēng)暴潮和天文潮共同影響，受損十分嚴(yán)重。因此，對(duì)臺(tái)風(fēng)所帶來(lái)的風(fēng)暴增水及沿海碼頭可能出現(xiàn)的最高潮位進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外潮位計(jì)算方法主要為極值潮位統(tǒng)計(jì)法、風(fēng)暴潮增減水與天文潮組合法、風(fēng)暴潮增減水與天文潮聯(lián)合概率法以及風(fēng)暴增水模式法共4種［2-3］，其中前3種方法需要大量長(zhǎng)期潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)依賴度高，因此有很大局限。風(fēng)暴增水模式法從成因分析，建立風(fēng)暴增水模式，根據(jù)歷史臺(tái)風(fēng)資料計(jì)算增水值，并疊加當(dāng)時(shí)的天文潮，得到潮位極值。端義宏等［4］分別利用特定統(tǒng)計(jì)模式和高分辨率ECOM-Si的數(shù)值模式，計(jì)算可能最大臺(tái)風(fēng)對(duì)上海地區(qū)的最大可能增水影響，分析認(rèn)為高分辨率ECOM-Si的數(shù)值模式計(jì)算得到的增水結(jié)果更符合實(shí)際；周才揚(yáng)等［5］采用ERA-Interim數(shù)據(jù)集作為背景風(fēng)場(chǎng)資料建立了雙重嵌套的高分辨率風(fēng)暴潮與天文潮耦合數(shù)學(xué)模型，采用1810號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”實(shí)測(cè)風(fēng)暴增水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明風(fēng)暴潮模型能夠較好地模擬河口地區(qū)徑流、天文潮和風(fēng)暴潮的相互作用下的風(fēng)暴潮位變化。研究表明，根據(jù)臺(tái)風(fēng)資料進(jìn)行風(fēng)暴增水的數(shù)值模擬，方法符合實(shí)際，目前得到廣泛研究和越來(lái)越多的應(yīng)用［6-7］。但是，風(fēng)暴增水模式受局地影響較大，針對(duì)珠海沿海碼頭的風(fēng)暴潮模式目前還比較缺乏。

另外，在利用風(fēng)暴潮模式進(jìn)行增水模擬時(shí)，初始強(qiáng)迫場(chǎng)為根據(jù)歷史臺(tái)風(fēng)資料構(gòu)建的可能最大臺(tái)風(fēng)，此時(shí)需要用極值模型來(lái)進(jìn)行模擬，目前尚無(wú)統(tǒng)一的極值模型。本研究將引入廣義Pareto分布（GPD）極值模型［8］，計(jì)算不同重現(xiàn)期臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓和最大風(fēng)速等極值，構(gòu)建出可能出現(xiàn)的最大臺(tái)風(fēng)，將其作為初試強(qiáng)迫場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)暴潮模擬，確定不同重現(xiàn)期最高增水情況，再疊加天文潮進(jìn)而得出預(yù)測(cè)的最高潮位，從而構(gòu)建出更加符合實(shí)際的珠海沿海碼頭百年一遇的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮情景。

1 資料與方法

1.1 潮位站資料

根據(jù)《2017年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》提供的資料，“天鴿”期間的珠海站最大風(fēng)暴增水為2.79 m［9］，可作為風(fēng)暴潮模型驗(yàn)證資料；《2018年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》中“山竹”期間的珠海站最大風(fēng)暴增水未給出［10］，因此用周邊的三灶站、橫門(mén)站的最大風(fēng)暴增水作為風(fēng)暴潮模型驗(yàn)證資料，分別為3.39和2.89 m。

1.2 登陸或嚴(yán)重影響珠海的臺(tái)風(fēng)資料

為計(jì)算不同重現(xiàn)期的潮位極值，通過(guò)歷史臺(tái)風(fēng)的路徑、速度、中心氣壓以及風(fēng)速等資料，構(gòu)建可能最大臺(tái)風(fēng)進(jìn)行風(fēng)暴增水模擬。表1列出了近30年登陸或嚴(yán)重影響珠海的臺(tái)風(fēng)（數(shù)據(jù)來(lái)源于中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)），作為風(fēng)暴潮模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。表1中臺(tái)風(fēng)篩選的依據(jù)是登陸或嚴(yán)重影響珠海市。嚴(yán)重影響是指在臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)影響下，本地平均風(fēng)力≥8級(jí)；或平均風(fēng)力6～7級(jí)，且24 h雨量≥80 mm；或48 h雨量≥150 mm。例如1716臺(tái)風(fēng)“瑪娃”在汕尾登陸，2017年9月3—4日受其影響，珠海國(guó)家基本氣象站（區(qū)站號(hào)59488）錄得過(guò)程極大風(fēng)速13.6 m／s（6級(jí)），其中4日錄得最大日雨量205.5 mm（大暴雨），對(duì)珠海造成嚴(yán)重影響。

表1 近30年登陸或嚴(yán)重影響珠海的臺(tái)風(fēng)資料

1.3 GPD方法

關(guān)于極值的理論概率分布，目前尚無(wú)公認(rèn)的統(tǒng)一模型，常用的極值模型有極值Ⅰ型（Gumbel分布）、皮爾遜Ⅲ型分布、Weibull分布、廣義極值分布（GEV），樣本抽取通常采用“年極值抽樣（AM）”，但有的年份影響本地的臺(tái)風(fēng)超過(guò)1個(gè)，而有的年份臺(tái)風(fēng)影響又很小，因此之前提到的極值模型以及AM樣本抽取受到限制，容易造成數(shù)據(jù)浪費(fèi)。基于“超門(mén)限峰值POT”的GPD能充分利用有效數(shù)據(jù)信息，不受原始序列樣本量的影響，具有全部取值域的高精度穩(wěn)定擬合，具有高精度的實(shí)用性和穩(wěn)定性。GPD的分布函數(shù)為

其中，α為尺度參數(shù)，起放大或縮小分布面積的作用，描述極值分布的變率，尺度參數(shù)越大，表明極值波動(dòng)范圍越大；β為閾值；k為形狀參數(shù)，描述極值的分布情況。GPD的參數(shù)估計(jì)方法有多種，如極大似然估計(jì)、概率權(quán)矩估計(jì)、L矩估計(jì)等，在風(fēng)壓計(jì)算方面，極大似然估計(jì)具有相合性和漸近最優(yōu)性，是參數(shù)估計(jì)最常用的方法［11］。

1.4 風(fēng)暴潮和天文潮模式

風(fēng)暴潮模式是基于日本氣象廳JMA研發(fā)的風(fēng)暴潮模式框架，進(jìn)行本地化和模式改進(jìn)建立的，該模式是基于淺水波方程的二維線性正壓模式，目的是預(yù)報(bào)由于風(fēng)攪拌和氣壓抽吸作用引起的水位增量，目前已在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中廣泛使用，且模擬效果較好［12］。模式水平分辨率為3 km，覆蓋范圍100°E—130°E，0—30°N。

本研究使用經(jīng)典調(diào)和分析例行程序包T_tide來(lái)進(jìn)行潮汐預(yù)測(cè)［13］。T_tide根據(jù)古典潮汐計(jì)算理論對(duì)潮汐進(jìn)行分析，針對(duì)大約1年或更短的潮汐資料進(jìn)行調(diào)和分析，并利用節(jié)點(diǎn)的修正解釋未定潮汐成分；T_predic.m利用T_tide.m分析的結(jié)果和計(jì)算出的調(diào)和常數(shù)對(duì)未來(lái)某時(shí)刻的潮汐進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2 風(fēng)暴潮增水?dāng)?shù)學(xué)模型驗(yàn)證計(jì)算

2017年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”和2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”給廣東帶來(lái)了嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害，珠海更是受災(zāi)嚴(yán)重。圖1為臺(tái)風(fēng)“天鴿”和“山竹”的路徑示意圖，可以看出，這兩個(gè)臺(tái)風(fēng)均為自東南向西偏北方向移動(dòng)，活動(dòng)范圍介于10°N—24°N之間。

圖1 2017年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（a）和2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”（b）的移動(dòng)路徑

圖2為風(fēng)暴潮模式模擬的“天鴿”、“山竹”影響期間珠海站及九洲港等站的臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程曲線。

圖2 各站點(diǎn)在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（a）和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”（b）期間的增水過(guò)程曲線

從圖2a可以看出，珠海站從23日12：00（北京時(shí)，下同）起潮位急增，達(dá)到2.7 m，并且一直維持到當(dāng)天22：00，期間出現(xiàn)了最高2.9 m的風(fēng)暴增水，與實(shí)測(cè)的2.79 m相差較小，模擬效果較好；九洲港風(fēng)暴增水最高出現(xiàn)在23日16：00，為3.7 m，配合當(dāng)天最高天文潮位1.1 m（基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），九洲港在“天鴿”期間最高潮位可達(dá)為4.8 m。

從圖2b“山竹”影響期間的橫門(mén)站、三灶站、珠海站和九洲港的臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程曲線可以看出，三灶站的風(fēng)暴增水最高，為3.6 m，與觀測(cè)值的相對(duì)誤差為5.9%；橫門(mén)站的風(fēng)暴增水最高，為2.6 m，與觀測(cè)值的相對(duì)誤差為9.3%。珠海站最高增水出現(xiàn)在16日17：00，為2.7 m，九洲港在16：00—17：00也有明顯的風(fēng)暴增水高峰期，可達(dá)2.6m，并且在21：00之后還有一個(gè)峰值區(qū)，最大增水接近2.9 m，配合當(dāng)天最高天文潮位0.7 m（基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），九洲港在“山竹”期間最高潮位可達(dá)為3.6 m。

3 最大可能風(fēng)暴增水

在沿海重大工程項(xiàng)目建設(shè)和防災(zāi)規(guī)劃制定時(shí)，應(yīng)充分考慮風(fēng)暴潮襲擊的頻繁程度和可能最大臺(tái)風(fēng)增水?？赡茏畲笈_(tái)風(fēng)的主要參數(shù)包括：臺(tái)風(fēng)中心氣壓、臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度以及臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)與海岸的交角?；诘顷懟驀?yán)重影響珠海的歷史臺(tái)風(fēng)資料（表1），構(gòu)建出對(duì)九洲港可能出現(xiàn)的最大臺(tái)風(fēng)、臺(tái)風(fēng)移速和路徑也依據(jù)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算后得到的［14］，最終模擬出可能出現(xiàn)的最大臺(tái)風(fēng)增水。

ΔP為臺(tái)風(fēng)外圍不受臺(tái)風(fēng)影響處的海平面最大氣壓P∞和臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓P0兩者之差，其中P∞取我國(guó)沿海夏季海平面氣壓的平均值（1 008 hPa），對(duì)ΔP進(jìn)行基于閾值抽樣的GPD擬合［15］，參數(shù)估計(jì)使用較好的極大似然估計(jì)，得到50和100年一遇的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓分別為906和895 hPa。

同樣對(duì)最大風(fēng)速進(jìn)行基于閾值抽樣的GPD擬合，參數(shù)估計(jì)使用較好的極大似然估計(jì)，得到50和100年一遇的最大風(fēng)速分別為64和68 m／s。

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴數(shù)值模式的研究成果表明，對(duì)于開(kāi)闊水域，登陸臺(tái)風(fēng)或緊靠岸邊又平行于海岸移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越快，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水越大［12］，但對(duì)于曲折海岸就復(fù)雜多了。在進(jìn)行可能影響最大臺(tái)風(fēng)計(jì)算時(shí)，統(tǒng)計(jì)登陸或影響珠海的臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的移動(dòng)速度前10名，取其平均值，為28 km／h。

確定臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的方位和登陸的位置，是設(shè)計(jì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑2個(gè)重要的元素。將登陸地點(diǎn)定為九洲港，移動(dòng)方位為270°到360°，間隔為10°。

利用風(fēng)暴潮模式模擬重現(xiàn)期為100年的不同移動(dòng)方向的風(fēng)暴增水，圖3a為100年一遇、路徑為270°～360°的臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程曲線，發(fā)現(xiàn)從270°到360°，移動(dòng)方向越接近正北，增水越大，100年一遇的最大風(fēng)暴增水為5.1 m。圖3b為重現(xiàn)期為100年的可能最大增水分布，從圖3b可以看出，九洲港北側(cè)的增水要比南側(cè)更高，北側(cè)增水可達(dá)5.2 m以上，南側(cè)增水在4.8到5.0 m之間。

圖3 重現(xiàn)期為100年、路徑為270°～360°的臺(tái)風(fēng)增水過(guò)程曲線（a）和可能最大臺(tái)風(fēng)增水分布（b）

4 天文潮調(diào)和分析

采用九洲港潮位站2018年10月1日00：00到2019年9月30日23：00間隔1 h的潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析，T_tide中設(shè)置開(kāi)始時(shí)間為2018年10月1日00：00，緯度為22.241°N，信噪比取2，計(jì)算得到該站點(diǎn)處的潮汐調(diào)和常數(shù)，分析回歸估計(jì)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的差。該潮位站的回報(bào)準(zhǔn)確率為96.9%，并通過(guò)了95%的置信區(qū)間檢驗(yàn)，反演結(jié)果好（圖4）。

圖4 真實(shí)和反演的潮汐對(duì)比

在成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前時(shí)次的反演后，對(duì)未來(lái)100年的可能最高潮位進(jìn)行預(yù)測(cè)。從理論數(shù)據(jù)中（圖5）可以看到，未來(lái)100年九洲港可能出現(xiàn)的最高天文潮位接近1.4 m（基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）。

圖5 未來(lái)100年的最高天文潮位

5 結(jié)論

本研究以珠海九洲港為研究對(duì)象，通過(guò)模擬了百年一遇的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)暴增水以及天文潮位，得出了未來(lái)100年內(nèi)可能出現(xiàn)的最高潮位。對(duì)九洲港來(lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向越接近正北，風(fēng)暴增水越大，路徑為360°的臺(tái)風(fēng)增水模擬最大，當(dāng)中心氣壓和最大風(fēng)速設(shè)為100年一遇的值時(shí)，最大增水為5.1 m，九洲港北側(cè)增水要比南側(cè)增水更大。疊加未來(lái)100年可能出現(xiàn)的最高天文潮1.4 m，可以得出基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，未來(lái)100年九州港最高潮位可能達(dá)6.5 m。

該項(xiàng)工作可作為九洲港海堤高度設(shè)計(jì)的參考，其它碼頭的情況還需再做分析；同時(shí)，海堤堤頂高程需綜合考慮設(shè)計(jì)高潮位、波浪爬高以及安全加高值等。另外，風(fēng)暴增水到達(dá)九洲港后，又如何影響下游地區(qū)，需更多地考慮地形及建筑等綜合因素。