深圳0814号台风风暴潮数值模拟及最高潮位特征分析

徐婉明，邓伟铸，赵明利，刘斌

（1.国家海洋局南海规划与环境研究院，广东广州510300；2.珠江水资源保护科学研究所，广东广州510611）

1 引言

台风风暴潮是指由于热带气旋过境所伴随的强风和气压骤变而引起的局部海面震荡或非周期性异常升降现象[1]，多发于夏秋季节，具有来势猛、速度快、强度大、破坏力强等特点[2]。深圳市位于广东省南部，是我国经济高速发展的滨海城市，由于其特殊的地理位置和气候条件，成为遭受台风风暴潮侵袭较严重的地区之一[3]。根据历史记录，受0814号强台风“黑格比”的影响，深圳沿海出现一次典型风暴潮过程，赤湾和盐田海洋站最大增水超过100 cm[4]，最高潮位达到299 cm和282 cm（国家85高程基准），超过20年一遇标准[5]（295 cm和277cm）。本文通过建立风暴潮-天文潮耦合模型对台风“黑格比”引发的风暴潮进行数值模拟，并分析此次台风过程深圳沿海最高风暴潮位特征，为深圳沿海堤防工程应对风暴潮灾害提供科学依据和参考。

2 台风概况

0814号热带风暴“黑格比”于2008年9月19日晚上在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，20日中午加强为强热带风暴，21日下午加强为台风，22日下午加强为强台风，24日早晨6时45分（北京时，下同）在广东省茂名市电白县陈村镇沿海登陆，登陆时中心气压945 hPa，最大风力15级（风速48 m/s），移动速度25 km/h。强台风“黑格比”登陆后继续往西北偏西方向移动并逐渐减弱，24日上午在湛江廉江市减弱为台风，24日下午在广西南部沿海减弱为热带风暴，25日凌晨在广西西部减弱为热带低压，26日凌晨在越南北部继续减弱后消失[6]（见图1和表1）。

0814号台风“黑格比”具有强度大、移动快、风眼大、路径直等特点，是建国后登陆广东省的第二强秋台（统计截至2018年）。“黑格比”登陆前，38 h内一直保持强台风等级，31 h内中心气压维持在935 hPa[7]，最大7级风圈半径达500 km，最大10级风圈半径为200 km，移动速度最快达30 km/h。

图1 台风路径

表1 台风特征参数

3 数值模拟

3.1 模型介绍

本文基于MIKE21-FM水动力模型[8]，结合Holland台风模型[9]和全球潮汐模型TPXO7.2[10]，建立了风暴潮-天文潮耦合数学模型。

MIKE21-FM水动力模型由丹麦水利研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）研发，基于静水压力和Boussinesq假设，以二维不可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程求得数值解，其控制方程如下：

图2 模型计算范围及网格划分

式中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；u、v为流速矢量沿x、y方向的分量；η为水位；H为总水深；f为科氏参数；g为重力加速度；ρw为海水密度；Pa为大气压力；τsx、τsy为x、y方向的海面风应力；τbx、τby为x、y方向的底应力；A为水平涡动粘性系数。

Holland台风模型是Holland于1980年提出的一个经验模型，通过引入台风形状参数B，将台风气压分布经验函数与台风气旋径向压力梯度平衡方程结合，由台风气压场计算得出台风风场，其气压和梯度风公式如下：

式中：P(r)为距台风中心r的海表面气压值；Pc为台风中心气压；Pn为台风外围气压；Rmax为台风最大风速半径；B为台风形状参数；Vg(r)为距离台风中心r的切向风速；ρa为空气密度；f为科氏参数。

全球潮汐模型TPXO7.2由美国俄勒冈州立大学（Oregon State University）开发，基于二维正压流体动量方程，运用广义反演方法对T/P、ERS-2和Jason-1卫星测高数据进行同化，网格分辨率0.25°，对M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1和M4分潮进行最小二乘法的调和分析，其潮高表达式如下：

式中：η(t)为t时刻的潮位；η0为平均潮位；n为分潮个数；Ai、φi为i分潮调和常数（振幅和迟角）；fi为i分潮交点因子；ωi为i分潮角速率；(V0+μ)i为i分潮初相角。

3.2 计算范围和模型设置

风暴潮-天文潮耦合模型计算范围为105°40′37.647″～124°26′37.471″E，14°43′19.685″～27°8′36.881″N，东至菲律宾海西部海域，南至南海中部海域，北至东海南部海域。考虑到深圳海域岸线复杂、岛屿众多等地形特征，采用不规则三角形网格划分计算域，并对深圳海域的网格进行局部加密，网格空间步长最大为2 000 m、最小为100 m，整个计算域共66 479个单元、34 885个节点（见图2）。

广东汕头市至广西防城港市一带近岸海域水深由航海保证部海图数字化得到，其他海域采用ETOPO1水深数据。台风强迫条件采用Holland台风模型计算得出的气压场和风场，外海开边界强迫条件采用全球潮汐模型TPXO7.2根据分潮调和常数计算得到的潮位。模型计算时间为北京时间2008年9月20日2:00—9月25日20:00（涵盖0814号台风“黑格比”经过中国海域和陆域的全过程），计算时间步长为30 s。

3.3 模型验证

本文选取0814号“黑格比”、0915号“巨爵”和1319号“天兔”3场台风对风暴潮-天文潮耦合模型进行验证，验证数据采用赤湾、盐田和惠州海洋站（见图3）的逐时实测潮位数据。从风暴潮位过程曲线验证图（见图4）和验证误差统计结果（见表2）可以看出，本文建立的风暴潮-天文潮耦合模型对深圳上述3次台风风暴潮的模拟效果较好，赤湾、盐田和惠州3个海洋站模拟的风暴潮过程潮位与实际较为吻合，平均绝对误差在13～22 cm范围内，最高潮位绝对误差介于1～25 cm之间，最高潮位出现时间模拟值与实测值的相位差主要在1 h左右。

图3 验证站点分布图

图4 风暴潮位验证过程图

表2 风暴潮位验证误差统计

4 最高潮位特征分析

4.1 海域最高潮位平面分布特征

根据0814号台风风暴潮数值模拟结果，通过统计各网格点的潮位最大值得出“黑格比”引起的风暴潮在深圳海域的形成的最高潮位平面分布（见图5）。由图5可以看出，受台风“黑格比”的影响，深圳海域最高潮位表现出由外海向近岸、东南向西北逐渐增大的趋势，西部海域最高潮位在2.6～3.6 m范围内，东部海域最高潮位在2.0～2.6 m之间（潮位起算基面：国家85高程基面）。

4.2 沿岸最高潮位空间分布特征

图5 深圳海域最高潮位平面分布（潮位起算面：国家85高程基面）

为了更全面地分析0814号台风“黑格比”期间深圳沿岸的风暴潮位特征，本文将深圳岸线划分为深圳珠江口岸段、深圳湾岸段、深圳大鹏湾岸段和深圳大亚湾岸段（见图6），在各岸段上共选取26个代表点（见图6）输出最高风暴潮位，并与对应岸段的警戒潮位[5]进行对比（见表3）。通过结合深圳各岸段四色警戒潮位，对深圳沿岸最高潮位超过对应警戒潮位的岸段进行了统计，给出了深圳沿岸超警戒潮位的岸段分布情况（见图7）。

图6 深圳各岸段及代表点分布图

图7 深圳沿岸超警戒潮位岸段分布图

表3 各代表点最高潮位与警戒潮位对比（潮位起算面：国家85高程基面）

0814号台风“黑格比”虽然横穿粤西海域在茂名市沿海地区登陆，但由于其最大风力达15级（50 m/s），7级风圈半径达500 km，且深圳海域位于台风前进方向的右半圆，因此产生较大增水效应[11]，造成水位抬升，深圳沿岸最高潮位普遍超出警戒潮位。从表3和图7可以看出，“黑格比”对深圳各岸段最高潮位的影响程度不同；前海湾以北的37.5 km岸段（A1—A3）最高潮位超过红色警戒潮位；大铲岛以南的8.0 km岸段及全长28.5 km的深圳湾岸段最高潮位高出橙色警戒潮位；大鹏湾湾顶的31.6 km岸段（C1—C4）最高潮位大于黄色警戒潮位，湾内东侧的33.4 km岸段（C5—C8）最高潮位超过蓝色警戒潮位；大亚湾内大鹏澳的14.2 km岸段和白沙湾的5.7 km岸段最高潮位高于黄色警戒潮位，大鹏半岛东南侧的22.1 km岸段（D3—D4）最高潮位低于蓝色警戒潮位。

在0814号台风“黑格比”大范围的风场作用下，天文潮形成风暴潮由外海向海岸线传播，由于珠江口伶仃洋的喇叭形地形效应，造成风暴潮能聚集[12]，从而使得潮位升高，导致深圳珠江口岸段形成水位超高的现象，加之珠江口距离台风中心较大鹏湾和大亚湾近，因此深圳西部海岸最高潮位明显高于东部海岸。珠江三角洲水文站的统计资料也显示，0814号台风“黑格比”期间，珠江口伶仃洋附近横门（1953—2010年）、万顷沙西（1953—2010年）和大虎（1984—2010年）等3个水文站的最高潮位均创历史新高[13]（3.49 m、3.48 m和3.39 m，国家85高程基面），超过100 a一遇潮位[13]（3.34 m、3.34 m和3.38 m，国家85高程基面）。深圳珠江口岸段最高潮位沿珠江口伶仃洋纵深方向由南向北递增，这与附近潮位站实测记录一致，其中A1代表点最高潮位高出红色警戒潮位35 cm。大鹏湾和大亚湾岸段，由于潮水向西堆积，在西部和西北部湾顶造成了较高的水位。

5 结论

本文利用风暴潮-天文潮耦合数学模型，模拟了0814号台风“黑格比”经过深圳海域时引起的风暴潮过程，重点分析了深圳沿岸潮位在台风过程中的响应情况。结果显示：

（1）台风过程中，深圳海域最高潮位沿台风前进方向，由外海向近岸逐渐增大，西部海域最高潮位约2.6～3.6 m，东部海域最高潮位为2.0～2.6 m（潮位起算基面：国家85高程基面）；

（2）在台风“黑格比”大范围的风场作用下，深圳沿岸最高潮位普遍超出警戒潮位，前海湾以北的珠江口岸段最高潮位超过红色警戒潮位，全长28.5 km的深圳湾岸段最高潮位高出橙色警戒潮位，大鹏湾湾顶31.6 km岸段最高潮位大于黄色警戒潮位，大亚湾内大鹏澳岸段和白沙湾岸段最高潮位超出黄色警戒潮位；

（3）受台风路径和岸线形状等的影响，0814号台风期间深圳西部沿岸最高潮位明显高于东部沿岸，珠江口伶仃洋纵深方向最高潮位由南往北递增。

本文选取的0814号台风进入南海至登陆前几乎成直线向西北移动，中心强度持续为强台风，是影响广东沿海的典型台风，对其导致的风暴潮过程进行模拟和分析对深圳沿岸台风风暴潮的预警预报具有非常重要的参考价值，能够为深圳沿海堤防工程应对风暴潮灾害提供科学依据。