茅洲河口可能最大台风暴潮研究

2021-04-06蒋自胜王其松

人民珠江 2021年3期

蒋自胜，王其松

(1.中电建生态环境集团有限公司,广东深圳 518102;2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东广州 510611；3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州 510611)

随着全球气候变化和台风灾害增多，台风引起的风暴潮增水过程将会发生变化，最大增水研究对沿海城市防潮灾规划制定和工程项目建设具有重要意义[1-5]。在沿海重大工程项目建设时，应充分考虑风暴潮袭击的频繁程度和可能最大台风增水。中国建成和在建的核电站设计高潮位是按照国际标准确定的，即最大天文潮加上可能最大台风增水[6]。

随着中国沿海经济的发展，海洋灾害造成的经济损失不断增加，其中台风暴潮增水作为海洋灾害的主要形式，成为国内外学者研究的重点对象[7-8]。刘科成[9]分析了历史上影响上海港的最严重的几次台风特征，选取典型台风关键参数的“最恶劣者”的组合形成“模式台风”，根据台风关键参数和风暴增水的经验统计关系获取了上海港的可能最大增水，然后叠加台风季节的天文潮极值获得上海港可能最大台风增水(PMSS)值。尹庆江等[6]建立并经过模拟检验的台风风暴潮数值模式由已确定的可能最大台风，按3种类型的13条台风路径分别进行了计算，并对产生可能最大风暴潮的假想登陆台风进行了不同移速的计算，由此确定了镇海的可能最大台风增水(PMSS)值。日本基于历史上有记录以来的最大台风事件——伊势湾台风，以此作为可能最大热带气旋基准参数进行台风路径平移，完成不同区域PMSS关键参数的设置[10]。

茅洲河流域位于珠江三角洲东南部，跨越深圳、东莞2个经济发达地区，干流发源于深圳境内的羊台山，流经石岩、公明、光明、松岗、沙井街道，在沙井民主村汇入珠江口，集水面积343.52 km2(其中深圳境内266.14 km2，东莞境内77.38 km2)。深圳市是国家区域中心城市，茅洲河作为深圳第一大河流，为保障地区经济安全高效发展，防潮工程中适当考虑可能最大台风风暴潮增水是必要的。

基于珠江河口风暴潮增水影响因子的多样性及受灾体的特殊性，风暴潮增水具有更大不确定性。本文根据茅洲河口附近海域历史台风和水文资料，构建出对茅洲河口防洪潮最不利的假想台风的主要参数，包括台风中心气压、最大风速半径、台风移动速度以及台风登陆时与海岸的交角，计算分析其可能出现的最大增水。

1 茅洲河口台风统计

结合茅洲河口所处的地理位置以及历史台风灾害记录，以茅洲河口为中心、以350 km为半径划定圆形范围，作为分析影响该地区台风特性的研究区域。以国家气象局的台风资料为基础，统计1949—2017年69年间出现在此范围内的热带气旋。据统计，69年间总计有256个热带风暴级以上的热带气旋通过，平均每年3.7个，其中超强台风41个，强台风67个，台风73个，见表1。

表1 1949—2017年茅洲河口350 km范围内台风统计

根据运移路径特点，划分5种路径类型：①路径I，珠江口正面登陆型；②路径II，粤西登陆型；③路径III，珠江口以东登陆型；④路径IV，海南、广西登陆型；⑤路径V，未在中国登陆型。经统计，珠江口正面登陆(路径I)型热带风暴28次，粤西登陆型(路径II)热带风暴86次，珠江口外以东登陆型(路径III)热带风暴93次，海南、广西登陆型热带风暴27次。此外，还有22次未在中国华南海岸登陆。由此可见，影响茅洲河口的台风类型以登陆型为主，占到所有台风总数的91%，其中影响最大的是珠江口和粤西沿岸登陆的台风[11]。

2 茅洲河口台风风暴潮模型

2.1 风暴潮模型

采用华南近海岸ADCIRC风暴潮模型[12]来模拟茅洲河口风暴潮增水过程。FVCOM模型在采用Boussinesq近似和静压假定的三维原始方程基础上，通过扩展可包含波浪效应。模型中包含了表面风应力、表面热通量、淡水通量以及底部应力的计算，采用Mellor-Yamada 2.5阶紊流闭合模型求解涡黏系数。

动量方程：

(1)

(2)

(3)

连续方程：

(4)

模型计算区域范围为12.7°N～29.4°N，105.6°E～124.5°E，向茅洲河内延伸15 km，茅洲河口附近区域网格局部加密，最小网格尺寸为5 m，模型网格见图1。

图1 茅洲河口风暴潮模型网格布置

台风是引起台风暴潮的直接、关键因素，因此风暴潮数学模型的首要研究内容就是台风风场。风场研究包括3个部分：台风气压场模式的选取、台风参数的确定以及台风风场的计算。用来描述台风气压场分布的模型常用的有高桥、梅尔斯、藤田、捷氏等[13]，其中捷氏模式采用最大风速[14]，在气象部门台风预报中有最大风速信息可以直接引用，因此本文采用捷氏模式。计算公式如下：

当 0

(5)

(6)

当r>R0，

(7)

(8)

式中R0——最大风速半径；WR——最大风速；r——计算点至台风中心的距离；Wx、Wy——r′点x、y方向的风速；Vx、Vy——x、y方向的风速。

2.2 模型验证

茅洲河口风暴潮模型分别采用天文潮过程、风暴潮过程来验证模型计算效果，可调节参数包括糙率、风阻系数、最大风速半径等。天文潮率定主要采用1993年9月、2007年3月、2008年9月、2017年8月实测潮汐资料，测点布置和台风路径情况见图2。限于篇幅，部分天文潮验证结果见图3，各潮位站模型与原型的潮位过程线吻合良好，模型的涨、落潮历时和相位与原型实测资料一致，基本满足JTS/T 231-2—2010《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的验证精度要求。

图2 台风路径及验证站点分布

a)1993年9月赤湾

风暴潮验证选取对茅洲河口海域造成明显影响的10场台风进行验证，包括：6903号超强台风、7908号强热带风暴、9107号台风、9316号台风、9504号强热带风暴、0104号台风“尤特”、0313号超强台风“杜鹃”、0814号强台风“黑格比”、1319号超强台风“天兔”及1713号强台风“天鸽”等。限于篇幅，部分风暴潮验证结果见图4，各主要潮位站模型与原型的潮位过程线吻合良好，模拟高潮位与实测值较为接近，相对误差在13%以内，因此该风暴潮模型可用于茅洲河口的增水计算。

a)0814号灯笼山

3 茅洲河口可能最大风暴潮增水模拟

3.1 台风中心气压

ΔP为台风外围不受台风影响处的气压P∞(或正常气压)和台风中心气压两者之差，P∞取中国沿海夏季海平面气压的平均值(1 008 hPa)，ΔP取千年一遇的数值。资料系列取1960—2017年共计58年，对ΔP系列进行PIII型频率分析，主要重现期结果列于表2，其中1 000年一遇中心气压为911 hPa，100年一遇中心气压为927 hPa。

表2 登陆台风中心气压频率计算成果

3.2 台风的移动速度

台风中心的移动速度是重要的台风参数之一。台风暴数值模型的研究成果表明，对于开阔水域，登陆台风或紧靠岸边又平行于海岸移动的台风，台风移动速度越快，台风风暴增水越大，但是对于曲折海岸情况，尤其是像茅洲河口海域，上承径流影响，外受海水顶托，台风增水情况要复杂得多，一般采用统计结果确定该参数。统计历史前十位台风登陆前一日中心平均移动速度，获得最大移速为37 km/h，最小移速为10 km/h，平均为25 km/h。在进行可能最大台风计算时，台风中心移动速度取其均值25 km/h。

3.3 最大风速半径

台风最大风速半径是指台风中心到出现最大风速处的半径距离，是衡量台风尺度的重要参数之一，也是风暴潮模式计算时所采用的台风气压场和风场的重要参数之一。按照式(9)[15]计算得最大风速半径R为29 km。

R=28.52th[0.0873(φ-28)]+

(9)

式中VF——台风中心移动速度，取VF=25 km/h；φ——地理纬度，取22.73°N；P0——台风中心气压，取911 hPa。

3.4 可能最大台风移动路径

合理确定台风登陆点和移动方向是设计台风移动路径的2个关键因素。为构造可能最大台风移动路径，统计分析近60年来影响华南近岸的台风，从台风强度和增水幅度来看，1822号山竹、1713号天鸽及0814号黑格比台风均造成南沙、大虎、舢板洲等站超过1.7 m的增水高度。在设计登陆点时，考虑1822号台风的台山登陆点、1713号台风的珠海登陆点及0814号台风的电白登陆点。阳江海域受台风影响频繁，在1960—2017年共有13场台风登陆阳江，包括7411号台风、8908号台风、9302号台风及1311号台风等，其中1311号台风影响最大，因此取1311号台风在阳江的登陆位置作为设计台风登陆点之一。珠江口西侧的澳门海域同样经常受台风侵扰，其中登陆澳门的6411号台风强度大，影响范围广，取澳门作为登陆点之一。因此，台风设计登陆地点共有5个，包括电白、阳江、台山、珠海及澳门登陆点。

根据统计分析，导致茅洲河口海域出现大幅增水的台风均为西行偏北向。在可能最大台风移动路径设计时，单个登陆点选取270～350°、间隔10°共计8个台风行进方向进行风暴潮增水计算，以获取可能最大台风的路径。数值计算组合见图5，图中红色圆点为5个设计台风登陆点，共有40个路径组合。

图5 可能最大台风路径设计方案(以电白登陆点为例)

采用风暴潮增水数学模型，对不同台风设计路径进行模拟计算，表3列出各设计方案下茅洲河口增水值。由表可知，不同登陆方案，形成最大增水的台风行进方向不同。如台风登陆地点与0814号台风相同，台风行进方向为280°时引起茅洲河口增水最大，为2.07 m，该移动方向与0814号登陆前台风的行进方向一致；如台风在阳江登陆，行进方向为280°时茅洲河口最大增水2.2 m；如台风在台山登陆，行进方向为350°时茅洲河口最大增水达3.12 m；如台风在珠海登陆，行进方向为350°时茅洲河口最大增水达3.55 m；台风在澳门登陆、行进方向为340°时，将造成茅洲河口最大台风增水3.64 m，取其为可能最大台风设计路径，见图5中的蓝色点划线。