深圳香港海域可能最高潮位和浪高计算分析

毛献忠，姜 茜

(清华大学深圳研究生院环境工程与管理研究中心，广东深圳 518055)

深圳香港海域可能最高潮位和浪高计算分析

毛献忠，姜 茜

(清华大学深圳研究生院环境工程与管理研究中心，广东深圳 518055)

基于历史数据的分析，选择历史上强度最强的台风“荷贝”作为设计超强台风的强度，最不利路径的台风“雪莉”作为设计路径，作为深圳香港海域设计超强台风。采用海洋－陆架区－海岸三重嵌套网格建立的天文潮－风暴潮－台风浪耦合模型计算设计超强台风遭遇天文大潮的高潮位登陆时深圳香港海域的可能最高潮位和浪高。计算结果表明，大鹏湾北部和香港吐露港内，可能最高风暴潮位在3.00 m以上，浪高达到4.0～5.0 m;香港维多利亚港风暴潮位2.92 m，深圳香港水域东部南部在2.50 m以上，浪高3.0～5.0 m。可能最高风暴潮位比大鹏湾防潮警戒水位高1.62 m左右，比香港维多利亚港200年一遇的潮位高0.50 m。

耦合模型;设计超强台风;风暴潮位;深圳香港海域

近岸、沿海工程的设计，如海洋石油平台、跨海大桥、电站、海塘堤防等，都必须考虑可能最大高潮位以及可能最大浪高。同时，这也是沿岸居民和生态环境所面临的最不利的自然灾害风险。因此，研究沿海可能最高潮位以及浪高对于沿海群众生命财产安全、生态环境、沿海工程和设施安全都有十分重大的意义。

在陆架宽阔的浅海沿岸，由于浅水非线性效应，天文潮与风暴潮耦合作用产生的风暴潮增水计算尤为重要，江毓武等［1］在厦门港、端义宏等［2］在长江口研究二者耦合效果;Huang等［3-4］采用MIKE模型和天文潮预报模式TPXO6.2建立了天文潮和风暴潮耦合模型，评估超强台风作用下浙江沿海可能发生的高潮位。风暴潮与台风浪的耦合模型，国内外学者也有不少研究，Cheung等［5］建立长波与WAM耦合模型，应用到海岸应急管理系统中评估飓风作用下海岸淹没情况;Funakoshi等［6］耦合了ADCIRC和SWAN模型研究海浪对风暴潮的影响;Xie等［7］耦合了POM和SWAN模型研究了Charleston海湾在飓风Hugo下风暴潮及其漫滩效应。

在我国东南、华南沿岸，可能最高潮位和浪高主要由登陆台风引发。文献［8］采用河口海岸海洋模型ECOM和第三代海浪模式SWAN，以及全球天文潮预报模式TPXO6.2，建立了适用于深圳香港水域海洋-陆架区-海岸三重嵌套网格的天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型。在文献［8］基础上研究在设计超强台风作用下该海域引发的可能最大风暴潮位和台风浪，以及分析其对沿岸的环境灾害风险。

图1 深港海域分布和检验点分布Fig.1 Sketch of Shenzhen and Hong Kong Waters and 4 verified points

1 区域概况

研究区域包括大鹏湾、深圳湾、部分珠江口和香港以南的南海海域，见图1。大鹏湾是一个半封闭海湾，深圳一侧东海岸线较为平直，香港一侧西海岸岛屿众多，水深从东北向西南逐渐变深，从8～10 m过度到超过20 m;深圳湾为珠江口东侧的一个半封闭性海湾，平均水深为2.9 m;深圳香港外海域的水深由东南向外海，从10 m左右逐渐增加至50 m左右。

深圳香港海域的最高潮位、浪高也主要由台风引发的风暴潮位和台风浪所引起。当热带气旋和台风影响深港地区时，都会在近岸海域引发不同程度的风暴增水。香港的验潮站中，采用鰂鱼涌站1968～2008年共41年实测潮位数据。以该站的潮位资料分析［9-10］，热带气旋影响下产生1 m以上增水的风暴潮有9次，见表1。

表1 鰂鱼涌站1 m以上增水的热带气旋Tab.1 List of tropical cyclones with storm surge more than 1m at Quarry Bay station

这9场热带气旋的路径如图2所示，除台风Bess外，其余热带气旋均在广东省沿岸登陆。影响该水域的台风路径有三类:第一类生成于西北太平洋，从东南向西北方向移动，在珠江口以东登陆;第二类台风的生成和路径和第一类类似，但在珠江口以西登陆;第三类台风，在南海生成，向偏北方向移动，在深港地区或附近登陆。其中第二类占的比例最高，有6场，增水也较大，主要原因是发源于西北太平洋的台风强度较大，深圳香港海域处于台风右半风圈，更易于产生风暴增水。

2 模型建立

文献［8］以河口海岸海洋模型ECOM［11］和第三代海浪模型SWAN［12］为基础，以全球天文潮预报模式TPXO6.2［13］和台风参数模型的风场及气压场作为驱动，采用海洋-陆架区-海岸三重嵌套网格，建立了适用于深圳香港水域天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型。海洋模型通过TPOX6.2模型提供外海天文潮边界和在台风作用下由ECOM模型计算风暴潮流运动，由SWAN模型计算台风浪，在深水区不考虑风暴潮位和浪的相互影响;陆架和海岸模型描述两潮运动从线性到非线性运动过程，SWAN模型计算台风浪，考虑风暴潮位、潮流和波浪的相互影响。海洋模型在第二重陆架区域模型边界上输出潮位和波谱，作为嵌套计算的边界条件;陆架模型在第三重海岸模型边界上输出潮位和波谱，作为嵌套的边界条件。深港海域天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型计算区域如图3所示。

图2 产生1 m以上增水热带气旋的路径Fig.2 Track of tropical cyclones with storm surge more than 1 m

图3 模拟区域网格结构((a)为大洋大范围，(b)为陆架中范围，(c)为近岸小范围)Fig.3 Geographic domains of study((a)ocean，(b)continental，(c)coastal)

第一重网格对应耦合模型中的大洋范围，计算域范围为 108°E ～ 123°E、15°N ～ 26°N，空间步长为0.05°，计算域包括台湾岛至菲律宾岛之间的岛链，将外边界放在岛链外。第二重嵌套模型是陆架范围，计算域范围为 112.75°E ～116.45°E、20.3°N ～22.8°N，网格空间步长为1'，外边界设置在陆架区，以保证风暴潮、天文潮由线性到非线性过渡。第三重嵌套模型是近岸小范围，包括主要深港水域，香港的离岛区和大鹏湾、以及部分珠江口，计算域范围113.7°E～114.6°E，21.9°E～22.8°E，网格空间步长为9″，能够描述细致的近岸地形。三重嵌套网格逐步加密，以保证模型可以描述不同区域的风暴潮和台风浪的特征。

地形数据采用美国NOAA的ETOPO1提供的全球1'×1'水深数据，近岸地形采用海图资料数据。文中所有的水深、潮位数据均以香港的平均海平面为基准面。

文献［8］以0814号台风“黑格比”为例，验证该耦合模型的可行性，并分析浪潮之间相互影响程度。计算结果显示，考虑风暴潮位，在浅水区，最大浪高增加了33.1%，台风引发的近岸波浪场产生的辐射应力在近岸区域波浪增水接近0.20 m，说明该区域考虑天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型是十分必要的。

3 设计超强台风的选择

可能最大热带气旋的设计是研究可能最大风暴潮位和台风浪的基础，而热带气旋的设计包括其强度和路径的设计。文献［3-4］从统计分析的角度研究设计超强台风的各种参数，研究浙江沿海可能登陆的超强台风对沿海风暴潮位的影响。对于如何设计热带气旋参数国内外并无统一的做法。此外，台风可在天文潮过程中任一时段登陆，大、中、小潮不同潮汛，高、中、低不同潮时都有可能登陆。台风登陆时遭遇天文潮的不同潮汛和潮时有一定的随机性，当台风登陆时间与天文大潮的高潮位出现的时刻重合时，就可能产生最为严重的风暴潮位和台风浪，其对环境的危害也最大。

影响风暴潮位主要有三个因素:一是台风的强度，强度越大，产生的风暴潮位越高;二是台风的路径，台风的右半圈因为风向与台风移动方向相同，因此右半圈风速大于左半圈，登陆时处在台风右半圈内的水域潮位也高于左半圈;三是台风登陆时，遭遇的天文潮的潮位，影响深港地区的热带气旋主要集中在7～10月份，即夏秋季节，每年秋季也是潮差最大、潮位最高的天文大潮出现的时候，超强台风登陆遭遇天文大潮的概率和遭遇其它潮汛的概率是相同的。

因此，设计影响深港海域可能的超强台风原则:

1)选择曾经发生过的影响该海域的强度最大的台风;

2)选择一条曾经发生过的最不利于的路径;

3)其登陆时遭遇天文大潮的高潮位。

上述设计方案选择的依据是考虑在以往40年中都曾经出现过的情况，今后再次出现的可能性依然存在，而且从图2看出，在以往40年中所经历的强台风的路径十分相似。考虑上述三种情况组合的目的就是为了评估在设计超强台风作用下，深港海域可能出现的最高风暴潮位和最大浪高。

图4 设计超强台风路径及每隔6小时的中心气压Fig.4 Track and central pressure at every 6 h of design super typhoon

在以往40年影响深港地区的台风中，台风“黑格比”登陆时的中心气压为950 hPa，为登陆时的最低气压;登陆前出现的最低气压是台风“荷贝”，最低中心气压仅为898 hPa，是以往40年在该海域经历过的强度最大的超强台风，因此，选择台风“荷贝”作为设计超强台风的强度;40年来最不利的路径是台风“雪莉”，登陆时，深港水域位于台风的右半圈，因此，将“雪莉”路径作为设计超强台风的路径。设计超强台风路径和强度见图4。

天文潮的选择，则根据鰂鱼涌站的潮位记录。选2008年10月17日(农历九月十九)天文大潮期，设计超强台风在17日高潮时附近登陆。设计超强台风假定发生在10月14日15∶00至17日20∶00，设计超强台风在17日13∶00登陆，与天文大潮高潮位重合。

4 结果讨论

要评估设计超强台风作用下，深港水域的可能最高风暴潮位和最大的台风浪，采用第2节建立的天文潮-风暴潮-台风浪三重网格嵌套耦合模型进行计算，即可得到相应的结果。

选择四个不同的检验点来分析设计超强台风发生时，风暴潮位和台风浪的变化过程。四个检验点分别位于香港鰂鱼涌验潮站a点、大鹏湾中部b点、珠江口内c点、和外海d点(见图1)，分别可表征香港维多利亚港、大鹏湾、珠江口和外海在设计超强台风发生时风暴潮位和台风浪的状况，四点的水深分别为8.4 m、19 m、5 m 和30 m。

4.1 风暴潮位

在设计超强台风作用下，四个检验点可能最大风暴潮过程见图5。

图5 四个检验点风暴潮、天文潮及风暴增水过程Fig.5 Storm，astronomic tide level and storm surge at 4 verified points

图5(a)所示，鰂鱼涌站风暴潮位最高的时刻与天文大潮高潮位重合，在天文潮、风暴潮和台风浪的共同作用下，鰂鱼涌站是增水过程，该站出现的可能最高潮位为2.92 m，台风引发的最大增水为1.89 m。据表1，鰂鱼涌站历史最高潮位是2008年的2.15 m，是由台风“黑格比”引发的，设计超强台风作用下可能最高潮位超过历史高潮位0.77 m;鰂鱼涌站历史最大风暴增水为1979年1.45 m，是由台风“荷贝”引发的，可能最大增水超历史最大风暴增水0.44 m。

如图5(b)所示，在设计超强台风作用下，大鹏湾中部出现最大风暴潮位与天文大潮的高潮位重合，该处引发的最高风暴潮位为3.27 m，最大增水为2.27 m，大鹏湾也是增水过程。

珠江口内(见图5(c))的最大风暴潮位较小，为1.73 m，比天文潮高1.19 m。该处风暴潮位较小的原因是未能与天文潮的高潮位重合，在天文潮高潮位过后才登陆。风暴高潮位和天文潮高潮位相位差为3 h。最大风暴潮出现的时刻10月17日17∶00，此时台风中心移至珠江口内，天文潮涨潮过程已经结束，潮位开始下降，进入落潮期。该点位的增减水过程和其他站点也有很大的不同，在17日涨潮过程中，由于台风尚未登陆，吹离岸风，表现为减水过程，最大减水为1.22 m，之后台风登陆，该点表现为增水过程，最大增水为1.45 m。

如图5(d)所示，在设计超强台风作用下，外海处的最高风暴潮位为2.64 m，台风引起增水主要表现为增水过程，最大增水为1.64 m。

4.2 台风浪

四个检验点在超强台风作用下台风浪的发生过程见图6。

图6 四个检验点在超强台风作用下台风浪的变化过程Fig.6 Wave under design super typhoon at 4 verified points

在设计超强台风作用下，鰂鱼涌站引发的最大有效浪高为1.89 m，比“黑格比”登陆时高0.42 m;在大鹏湾内最大有效浪高5.99 m，比“黑格比”登陆时高1.54 m;在珠江口最大有效浪高为2.00 m，比“黑格比”登陆时的低0.55 m;在外海最大有效浪高高达10.70 m，比“黑格比”登陆时的高3.36 m。

设计超强台风引发的有效波高比台风“黑格比”普遍提高，主要是设计超强台风强度大于“黑格比”，路径也更加不利;另一方面，在设计超强台风作用下，沿岸风暴潮位普遍提高，水深加大，更有利于台风浪的形成。台风浪的浪高受水深影响较大，一般情况下，水深越大，波高值越大，鰂鱼涌站最大波高值相对较小，主要因为鰂鱼涌站位于维多利亚港内，港外岛屿密布阻挡波浪向港内传播，同时港湾狭窄，也不利于波浪在港内传播。

4.3 深港水域的风暴潮位、浪高分布

图7是10月17日13时，即在鰂鱼涌站、大鹏湾内和外海最高风暴潮位出现时刻，超强台风在近岸引发的风暴潮位的分布。由图看，在大鹏湾的北部和香港的吐露港内，风暴潮位最高，均在3.00 m以上;香港岛附近水域、维多利亚港、九龙、新界和大屿山的西部海域的风暴潮位在2.50～3.00 m;大屿山的东部海域、珠江口、深圳湾由于岛屿的阻挡和台风尚未登陆，风暴潮位没有达到最大值，此刻的风暴潮位在1.00 m以下。

图8是10月17日13时，超强台风在近岸引发的风暴潮增水的分布。由图看，在大鹏湾的北部和香港的吐露港内，风暴增水最大，均在2.00 m以上;香港岛附近水域、维多利亚港、九龙、新界和大屿山的西部海域的风暴增水在1.50～2.00 m;大屿山的东部海域、珠江口、深圳湾由于岛屿的阻挡和台风尚未登陆，此刻表现为减水，大约在1.00 m左右。

图9所示为对应时刻台风浪在近岸的分布。在大鹏湾的北部大部分水域浪高达到5.00 m，在沿岸浪高也达4.00 m;香港的吐露港内的浪高在3m以上;维多利亚港内的浪高约为2 m;在香港岛东南部、九龙新界的东部海域沿岸地区，浪高达5 m以上;大屿山西侧和珠江口水域浪高2～3 m。与“黑格比”登陆时的浪高分布图［8］比较，有效波高普遍提高 1.0 ～2.0 m。

图7 鰂鱼涌站出现最大潮位时刻的风暴潮位分布Fig.7 Storm tide level distribution at the highest tide level at Quarry Bay

图8 鰂鱼涌站出现最大潮位时刻的风暴增水分布Fig.8 Storm surge distribution at the highest tide level at Quarry Bay

图9 鰂鱼涌站出现最大潮位时刻的浪高分布Fig.9 Wave distribution at the highest tide level at Quarry Bay

4.4 可能引发的环境风险

在设计超强台风作用下，大鹏湾北部和香港吐露港的可能最高风暴潮位在3.00 m以上，而2001年深圳市核定的大鹏湾沿岸的防潮警戒水位为1.65 m［15］，比可能最高风暴潮位低1.62 m(按b点计算)，这将导致沿岸大部分地区被淹没;香港岛附近水域、维多利亚港风暴潮位接近3.00 m，资料显示［16］，维多利亚港潮位在1.62 m时，沿岸低洼地区便有可能受海水淹浸;维多利亚港200年一遇的潮位为2.42 m，比可能最高风暴潮位低0.50 m(按a点计算)，九龙港岛区的雨水管网最高标准按200年一遇的潮位来设计，这将意味着发生设计超强台风时，九龙港岛区将会出现大面积海水倒灌;九龙、新界和大屿山的西部海域的风暴潮位在2.50 m以上，沿岸都可能发生海水淹侵。

在大鹏湾的北部大部分水域浪高达到5.0 m，沿岸浪高达4.0 m，湾内海滩、沿岸的工程和设施可能会遭受大浪的破坏，海滩上的海沙面临着大量流失的可能;维多利亚港内在超高风暴潮位的基础上浪高约为2.0 m，码头、道路、堤防等沿岸设施和工程都极易遭受破坏;香港岛东南部、九龙新界的东部海域沿岸地区在特高风暴潮位基础上，浪高达5 m以上，而且是正面袭击，对沿岸的工程和设施将会带来很大的破坏。因此，如果发生设计超强台风、或接近设计超强台风时，应该密切监测，科学评估，及时发布预警信息，并作出相应安排部署，将生命财产损失、环境生态破坏降低到最低程度。

5 结语

1)基于对历史数据的分析，选择历史上强度最强的台风“荷贝”作为设计超强台风的强度，最不利路径的台风“雪莉”作为设计路径，并选择登陆时遭遇天文大潮的高潮位，作为深圳香港海域在设计超强台风下引发的可能最高风暴潮位和浪高的条件。

2)在设计超强台风作用下，通过天文潮-风暴潮-台风浪耦合模型计算，大鹏湾的北部和香港的吐露港内，可能最高风暴潮位在3.00 m以上，浪高达到4.0～5.0 m;香港岛附近水域、维多利亚港、九龙、新界和大屿山的西部海域的风暴潮位在2.50 ～3.00 m，浪高3.0 ～5.0 m。

3)在设计超强台风作用下，大鹏湾风暴潮位将高出防潮警戒水位1.62 m，香港岛附近水域、维多利亚港风暴潮位高出200年一遇的潮位0.50 m，沿岸大部分地区可能发生海水倒灌，陆地水侵淹没;3.0～5.0 m的大浪对沿岸的工程和设施、生态环境可能会带来很大的破坏。

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Possible maximum storm water level and wave height in Shenzhen and Hong Kong Waters

MAO Xian-zhong，JIANG Qian
(Research Center for Environmental Engineering and Management，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China)

The design super-typhoon is chosen considering the most intensity“Hope”and the worst track“Shirly”from the historical data in Shenzhen and Hong Kong Waters.The possible highest storm tide level and wave height are evaluated by the coupling model of the tide-storm-wave in three levels of nested geographic domains，ocean，continental and coastal，when the design super-typhoon is landing during the highest astronomic tide level.The computational results show that the possible highest storm tide level is more than 3.00 m in the north Mirs Bay and Tolo Harbor，and wave height is about 4.0-5.0 m;the maximum storm tide level is 2.92 m in the Victoria Harbor，and more than 2.50 m in the east and south in Shenzhen and Hong Kong Waters.The possible maximum storm water level is 1.62 m higher than the warning tide level in the Mirs Bay，and 0.50 m higher than 1 in 200 year tide level in Victoria Harbor.

coupled model;design super typhoon;storm water level;Shenzhen and Hong Kong Waters

P731.3

A

1005-9865(2012)02-0129-07

2011-06-13

深圳市科技计划项目(2007-330)

毛献忠(1968－)，男，浙江人，博士，主要从事海洋动力灾害计算模拟。E-mail:maoxz@sz.tsinghua.edu.cn

志谢:感谢香港天文台为本研究提供潮位和气象资料。