2000—2022年严重影响珠江口的台风暴潮增水规律分析

罗智丰

(广东省水文局广州水文分局，广州 510150)

1 概述

珠江口位于广东省中南部，包含虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门等八大口门，珠江口城市群社会经济高度发达，是我国经济社会发展最活跃区域之一。

台风具有发生频率高、受灾范围广、灾害强度大以及次生灾害多等特点[1]，珠江口由于其特殊的地理位置和气候特点，是广东乃至我国风暴潮灾害的频发区[2-7]，且近年来呈愈发严重的趋势[8]，台风暴潮从口门沿珠江河网上溯，影响区域覆盖整个珠江口城市群，如2017年“天鸽”、2018年“山竹”台风均给珠江口的城市带来严重的灾害损失，强烈的台风暴潮增水致珠江口多个潮位站点录得突破历史纪录的高潮位。据统计，“天鸽”台风造成珠江口珠海、深圳、香港、澳门等城市6人死亡，经济损失约51.54亿元[9]，“山竹”台风致广州、珠海、深圳、中山等市受灾严重，直接经济损失23.7亿元[10]，广州南沙、番禺、黄埔、海珠、天河、越秀、荔湾、白云等区共68处堤防浸水，黄埔区江水越堤水浸达15 km，越秀区珠江前航道二沙岛区域江水越堤水浸达7.6 km，受淹车库54个(数据来源：广州市防汛防旱防风总指挥部)。南沙站位于珠江八大口门之一的蕉门，可准确反映台风暴潮影响珠江口的过程。因此，本文以南沙站风暴增水为代表，对2000—2022年严重影响珠江口的热带气旋时空分布、路径、结构、极端风暴潮等特性进行分析，探寻珠江口台风暴潮规律，对极端风暴潮沿珠江口上溯过程进行剖析，研究对珠江口未来的风暴潮预报及防灾减灾具有指导意义(研究区域见图1)。

图1 研究区域示意

2 台风筛选及特征分析

2.1 珠江口风暴潮增水等级划分

风暴增水为实测潮位减去天文潮值，本文所用实测潮位来源于水文部门整编资料，天文潮值来源于国家海洋环境预报中心，台风资料来自中央气象台台风网。根据《风暴潮等级》(GB/T 39418—2020)，风暴潮强度等级可分为5级(见表1)，通过对南沙站多年实测资料及天文潮资料统计：7—9月该站实测平均高潮位在0.7～0.9 m之间，天文大潮基本介于1.4～1.7 m之间，而南沙站50年一遇潮位为2.54 m，100年一遇潮位为2.69 m，200年一遇潮位为2.83 m[11]。若以平均高潮位遭遇风暴潮，当增水达1.5 m时，总水位将接近50年一遇，而增水达2 m时，总水位将达到或超过200年一遇标准，如遭遇天文大潮，增水大于1 m时都可能出现50年一遇以上水位。因此以Ⅳ(中等)以上级别——即南沙站增水大于1 m的台风暴潮定义为严重影响珠江口的风暴潮，而Ⅱ(强)以上级别——南沙站增水大于2 m的定义为珠江口极端风暴潮，分别探讨其共性和特性。

表1 风暴潮强度等级

按前文定义，选取2000—2022年给珠江口带来风暴增水的热带气旋，筛选出严重影响珠江口的12个，均为台风级(12级)以上，因此以下统称台风，其中201822山竹、201713天鸽和200814黑格比的风暴潮为极端风暴潮(见表2)。

表2 2000—2022年给珠江口带来严重风暴增水的热带气旋名录

2.2 时空特征分析

从时间上分布看，2000—2022年，严重影响珠江口的台风暴潮每年最多发生2次，最少0次，均发生在公历7—9月。其中，7月3次，占比25%；8月4次，占比33.3%；9月5次，占比41.7%。而极端风暴潮均发生在8—9月，其中8月1次，9月2次。显示后汛期尤其8、9月为珠江口防台关键时期的特点。从农历看，发生在农历初一和十五左右的天文大潮期有4次，在初七和二十二附近的天文小潮期和一般潮期均为4次，显示了珠江口台风暴潮遭遇天文潮概率具有一定的随机性。

从登陆地看，2次海南文昌登陆，其余10次均在广东省，可见不仅登陆广东的台风会严重影响珠江口，在海南登陆的也不容忽视。而广东登陆的10次中，珠江口以东登陆仅1次(惠州)，以西登陆9次，分别为珠海2次、江门4次、茂名3次，同时，珠海至茂名登陆的台风，无论在数量上还是在风暴潮危害程度上，都是最厉害的，反映出珠江口防台需重点关注在珠江口以西、尤其是珠海至茂名一带登陆的台风，这与北半球台风为逆旋系统和进入南海台风大多西北走向有关系，其移动方向的右半圈为最严重风暴潮影响区域(见图2)。

图2 2000—2022年严重影响珠江口的热带气旋路径示意

从路径分析，11场在西北太平洋生成，1场在南海生成，移动路径均为西北西，靠近广东沿海后的路径方向及登陆的角度十分相似，登陆前后外围风圈正切珠江口，而珠江口特殊的喇叭口地形，外宽内窄，易于风暴潮堆积，且珠江口为偏东南向河道，西北行进在珠江口以西登陆的台风东南向风圈顺切入珠江口，极易在台风登陆前后产生风应力增水，统计序列中严重影响珠江口的台风此类路径占比91.7%，正印证了此类路径极易产生严重风暴潮。这与后汛期的控制广东的天气系统——强大的副热带高压有关，台风往往都是沿着副高的边缘移动。

2.3 台风结构分析

风暴潮影响程度不仅与路径和登陆点有关，还和台风的气压、最大风速、风圈半径等台风结构有关。2000—2022年严重影响珠江口的热带气旋均超过台风级(12级)，最大风力12～17级，登陆时风力12～15级，中心最大风力在33～45 m/s之间，7级风圈半径在200～480 km之间(200104尤特缺可靠风圈数据)，同时比对其登陆点与珠江口的距离发现，7级风半径在200～300 km等结构较小的台风，登陆点都在珠海至江门等距离珠江口近的地方，而登陆点在茂名至海南等离珠江口较远的台风，其风圈半径都在380 km以上。可见，珠江口以西登陆的台风(登陆时风力12级或以上)，登陆点在珠江口至江门等较近区域的，7级风圈大于200 km，就易导致严重风暴潮，而登陆点在茂名至海南等更远区域的，则需要更大的风圈(7级风圈380 km以上)，才会对珠江口产生严重风暴潮。

3 极端风暴潮特征分析

珠江口极端风暴潮按风暴增水从大到小分别由201822山竹、201713天鸽和200814黑格比引起，不断刷新珠江口多个潮位站实测纪录，反映了珠江口极端风暴潮事件呈愈发严重的趋势，与叶荣辉等[12]有关研究的结论相印证。

3.1 台风概况

“山竹”于2018年9月7日20：00在太平洋以热带风暴级别生成，11日8：000加强为超强台风，中心最大风力达到17级(65 m/s)，通过菲律宾进入南海后减弱为强台风级(15级)，16日17：00在广东省江门台山市海宴镇以强台风级登陆，中心附近最大风力14级(45 m/s)。

“天鸽”于2017年8月20日14：00在菲律宾以东西太平洋洋面以热带风暴级别生成，22日8：00西行穿过巴士海峡后加强为强热带风暴，23日7：00加强为强台风，登陆前中心最大风力达到14级(48 m/s)，于23日12：50在广东省珠海市金湾区以强台风级别登陆，登陆时中心最大风力14级(45 m/s)。

“黑格比”于2008年9月19日20：00在菲律宾以东西太平洋洋面以热带风暴级别生成，21日14：00加强为台风，横穿巴士海峡，22日14：00升级为强台风，夜间进入南海东北部海面，于9月24日6：45在广东省茂名市电白县陈村镇沿海登陆，登陆时中心附近最大平均风速48 m/s(15级)(见图3)。

图3 极端风暴增水的3场台风路径示意(注：本部分重点关注进入南海后，故省略部分黑格比和山竹位于西太平洋路径)

3.2 台风结构对比分析

1)生成地点、路径相似，登陆位置接近

从生命过程看，3场均为8月下旬至9月下旬西太平洋生成，从生成到登陆，山竹用时9 d，天鸽用时3 d，黑格比用时5 d。3场路径(尤其山竹和天鸽)极为相似，进入南海后一路往西北偏西行进，靠近广东近岸后路径更像3条平行线，登陆角度几乎一致，登陆点距离珠江口(南沙站)的直线距离，天鸽约90 km，山竹约130 km，黑格比约280 km。

2)登陆时中心风速、气压相似，但风圈大小不同

登陆时中心的风速、气压相似，但过程有所不同(见图4)。登陆中心风速均在45～48 m/s，气压在950～955 hPa，进入南海后，山竹和黑格比风速较稳定，直到登陆前变化不大，而天鸽则一路加强，风速从23 m/s增大到登陆前48 m/s，气压方面，黑格比大部分时间气压稳定在935 hPa，山竹在靠近珠江口时气压逐渐升高，而天鸽气压则一路下降，直到登陆前邻近珠江口是降到最低940 hPa。风圈大小也存在差异，其中山竹和黑格比风圈相似，均是罕见的大风圈，邻近珠江口后7级风圈400 km，10级风圈180～200 km，天鸽风圈相对较小，7级风圈280 km，10级风圈80 km。

a 风速

3)进入南海后平均移速接近，均有利增水

台风的移动速度决定了其风应力作用水体的时间，水体从外海向珠江口输运、水位抬升、建立水位梯度均需要时间，当其与风应力平衡时，增水达到最大。3场进入南海后至登陆用时较接近，其中山竹用时28 h，天鸽31 h，黑格比33 h，山竹平均移速30.7 km/h，天鸽25.9 km/h，黑格比26.8 km/h，山竹移速总体较另外两场更快。罗志发等[13]对台风移动速度对珠江口风暴潮增水研究发现移速小于山竹的速度时，增水变化不大，移速更大时，增水将明显减小，表明该3场台风的移速均属于有利于珠江口增水的。

3.3 风暴增水过程分析

对3次风暴增水过程进行分析(如图5所示)，以进入南海为起算时刻，至风暴增水退至0.5 m以下为止，结果显示：总体上均符合标准型风暴潮发展的3个阶段：即初振、主振和余振阶段[14]，山竹和黑格比的增水全过程及形态非常相似，在进入南海后22 h内，处于明显的初振期，增水在0.3 m以下周期性振荡波动，22 h时南沙处于两场台风10级风圈边缘(中心距离南沙站220～240 km)，同时进入主振期，增水明显呈峰状大幅突起，可分为增水上升期和增水衰退期，增水上升期持续7 h，增水显著上升，山竹平均增水速率0.37 m/h，增水最大涨率0.51 m/h，黑格比平均增水速率0.24 m/h，增水最大涨率0.43 m/h，29 h同时达到最大增水。此时，山竹已登陆1 h，中心距离南沙170 km，黑格比未登陆，中心距离南沙220 km，两个中心处于同一经度的相近位置，在风速、气压和风圈半径相差不大的情况下，山竹增水上升期中心距离珠江口更近，故最大增水比黑格比大0.67 m，之后进入相似的增水衰退期，分别用时11 h和9 h进入余振期(见表3)。

表3 3次极端风暴潮增水特征统计(南沙站)

图5 山竹、天鸽、黑格比进入南海后南沙站风暴增水对比示意

而天鸽的增水过程具有一些独特之处，首先，由于其路径更北，在临近珠江口时东北风的不断加强，使其在初振期出现了一段减水期，而越过珠江口中线后，迅速转为增水上升期，此时距南沙站约90 km(10级风圈80 km)，仅用2 h达到最大增水，平均增水速率1.19 m/h，增水最大涨率1.47 m/h，最大增水时刻为登陆后1 h，中心距南沙站约110 km，与山竹最大增水时刻中心位置距离66 km，增水衰退期用时5 h，之后进入余振期，见表3。可见天鸽登陆点虽距离珠江口更近，但其14级风力维持时间较短以及风圈半径不够大的特点，使其风暴增水强度和持续时间均不如山竹，但其增水之迅速远超山竹和黑格比，使这种台风暴潮的预报难度更大，危害程度也同样高。

总结3次极端风暴潮增水过程：台风进入南海后靠近珠江口附近前先经历一段时间初振阶段(21～29 h)；进入台风10级风圈边缘范围时开始猛烈增水；山竹和黑格比在各阶段的增水过程相似度极高，而天鸽的增水过程与前两者差异较大，增水过程暴涨速退，与台风本身结构特点相符；登陆点在珠江口以西至江门等距离珠江口近的，最大增水多发生在登陆后，而距离更远的，则易发生在登陆前。

3.4 风暴潮上溯分析

选取位于蕉门的南沙站、沙湾水道近虎门的三沙口站、前后航道与狮子洋交汇处的黄埔站和珠江前航道的中大站为代表(见图1)，分析3次极端风暴潮在各站点的增水过程(见图6)，以反映风暴潮沿珠江口往广州市中心城区上溯的过程特点。

a 山竹

通过比对分析：① 共性上总体传播趋势是一致的。3次过程均直观的反映出风暴潮沿珠江口上溯的形态，各站增水涨退规律几乎一致，且存在较稳定的时间差，风暴潮从南沙传播至三沙口约1 h，至黄埔和中大约2 h，与天文潮的传播规律基本一致。② 各站点最大增水值存在差异。风暴潮从南沙到中大的最大增水值各不相同，山竹最大增水上游(中大)比下游(南沙)大，中间(三沙口、黄埔)最小，天鸽呈现稳定的从下游往上游衰减，而黑格比则是中游最大，下游次之，上游最小。表明各点风暴潮最大增水值并无明显规律可循，但通过分析台风的特性也可找寻一些规律，例如风暴潮上溯时刻天文潮是处于涨潮还是退潮阶段的潮动力状态、上游来水量大小[15]以及登陆期间有无强降雨汇流等，均可能影响风暴潮上溯，且越往上游影响越大，图6中大站的差异性明显大于下游站正是如此。

对比山竹和天鸽，登陆前后路径、移速相似，但风暴潮上溯过程却差别较大，山竹风暴潮上溯过程中先衰减后增强，而天鸽上溯过程呈现标准的衰减趋势，从上游来水、天文潮和降雨情况进行对比：① 来水量差别不大，珠江口水量来自西、北、东江和本地流溪河和增江来水，对比两次台风登陆日和前一日上游各江控制站马口、三水、博罗、太平场镇和麒麟咀站的流量，发现上游来水量差别不大(见表4)；② 天鸽的天文潮情况不利于风暴潮上溯，山竹登陆时，南沙站天文潮处于刚过次高潮，天文潮较低仅0.39 m，呈缓慢下降趋势，而天鸽登陆时，南沙站处于天文大潮期且刚过高潮，天文潮1.23 m，呈快速下降趋势(见图7)，可见天鸽登陆时退潮动力远高于山竹同期，增大了风暴潮上溯难度；③ 山竹风暴潮遭遇广州中心城区强降雨有利于中大站壅水，风暴潮猛烈增水期广州中心区6 h降雨量超过40 mm，而天鸽期间6 h仅10～20 mm，根据预报经验，广州中心区短时强降雨汇流会明显增大中大站的增水，而下游站点由于珠江口上窄下宽的地形，降雨产生增水效益不显著。

表4 山竹和天鸽风暴潮过程上游来水量

图7 山竹和天鸽天文潮过程对比示意(南沙站)

4 结语

通过对2000—2022年来严重影响珠江口的热带气旋的特性进行分析，结合珠江口天文潮及工程防御特点，以增水大于1 m的台风暴潮定义为严重影响珠江口的风暴潮，能较合理的反映珠江口的风暴潮风险，分析以此标准筛选出的12个台风暴潮样本，结果表明：

1)严重影响珠江口的台风暴潮每年发生0～2次、平均每两年发生1次，全部发生在公历7—9月，其中8—9月占比75%，且3次极端风暴潮均发生在此期间，可见7—9月尤其是8、9月为珠江口防台关键时期。

2)珠江口风暴潮遭遇天文潮概率具有随机性，12个样本中，发生在天文大潮、小潮和一般潮期各有4个。

3)从台风路径看，西北或西北偏西方向路径行进，珠江口以西、尤其是珠海至茂名一带登陆、登陆时中心风力12级以上的台风最易给珠江口带来严重风暴潮，12个样本中此类路径占比91.7%。

4)从台风结构特点看，珠江口以西登陆的台风(登陆时风力12级或以上)，登陆点在珠江口至江门等较近区域的，7级风圈大于200 km，就易导致严重风暴潮，而登陆点在茂名至海南等更远区域的，但风圈更大的(7级风圈380 km以上)，也会对珠江口产生严重风暴潮。

5)对极端风暴潮过程分析可知，珠江口极端风暴潮强度呈增强趋势，结构上生成地点、路径相似，登陆位置接近，进入南海后平均移速接近，但过程各具差异。过程上进入台风10级风圈边缘范围时开始猛烈增水，登陆点在珠江口以西至江门等距离珠江口近的，最大增水发生在登陆后，而距离更远的，则易发生在登陆前。风暴潮沿珠江口上溯传播时间与日常天文潮基本一致，但最大增水值受到上游来水、天文潮状态和期间遭遇降雨情况等多因素影响。