珠江河網1822號臺風“山竹”期間風暴增水模擬及特性分析

劉士誠，陳永平，譚亞，于茜倩，馬經廣

（1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；3.廣東省水文局，廣東廣州510150）

1 引言

臺風暴潮來勢猛、強度大且破壞力強[1]。珠江口為我國超警戒風暴潮發生最頻繁的區域之一[2]。據中國海洋災害公報數據[3]，2015—2018年間，珠江三角洲地區風暴潮造成的直接經濟損失占全國的28%，因此研究珠江口河網風暴增水過程對該區域的發展和防災減災具有重要意義。

針對珠江口風暴潮和風暴增水，國內外諸多學者通過數值模擬和實測資料做過研究和探討。甘雨鳴等[4]、于斌等[5]和王燕妮等[6]建立了覆蓋伶仃洋和獅子洋的珠江口風暴潮模型，發現伶仃洋最大增水整體為沿外海向口門依次遞增。謝洋[7]和Yin等[8]建立了覆蓋伶仃洋和磨刀門口門的風暴潮模型，研究認為海平面上升對近岸淺水區域的增水影響較大。張露等[9]基于分辨率300 m的珠江口風暴潮浪耦合模型，對熱帶氣旋“Nida”（妮妲）進行模擬預報。徐婉明等[10]基于MIKE21建立了覆蓋深圳沿海區域的風暴潮模型，對臺風“黑格比”期間深圳沿岸最高潮位進行了研究。基于廣州浮標廠實測潮位資料，馮偉忠等[11]認為珠江口風暴潮位大小與臺風要素和天文潮時段等密切相關。王永信等[12]和史鍵輝等[13]選取1957—1996年虎門水道站點實測潮位資料，研究發現半數臺風增水在虎門水道沿程遞增。陳文想[14]基于橫門水道2008—2018年實測站點資料，發現橫門增水整體沿河道上溯遞減。

上述學者針對廣東沿海、伶仃洋和黃茅海等較大尺度地區風暴過程的模擬以及橫門水道、浮標廠等單河道和單站點的歷史實測風暴潮資料分析成果豐碩，而對于在超強臺風作用下洪奇門水道、磨刀門水道和崖門水道等珠江河網地區的風暴增水缺乏精細化模擬與時空分布特征研究。

實測資料顯示，臺風“山竹”引起珠江口多個站點超百年一遇風暴潮位，在中大和黃埔等站點為歷史最高潮位（見表1）。針對臺風“山竹”在河網地區產生的顯著影響，本文利用成熟的ADCIRC（The ADvanced CIRCulation model）風暴潮模型對臺風“山竹”進行模擬，對珠江口河網的風暴增水分布特征和引起河網強增水的成因進行分析，以期為珠江口主要河網防御風暴潮災害提供參考依據。

表1山竹臺風期間珠江口部分站點增水及潮位資料

2 臺風“山竹”概況

1822號臺風“山竹”于2018年9月7日20點在西太平洋生成，隨后逐漸增強為超強臺風，16日17時以強臺風形式登陸廣東臺山海宴鎮。登陸時中心最大風力14級，中心最低氣壓955 hPa[15]（見表2）。

根據前人對珠江口臺風的研究和實測資料發現[15-16]，在風場強度方面，臺風“山竹”明顯強于臺風“天兔”、“黑格比”和“天鴿”，表現為強度大、移速快和歷時長等特點（見表3）。該臺風在赤灣站引起的最大風暴增水明顯高于另外3場臺風[17-18]，登陸前超強臺風級別持續96 h，氣壓最低值達910 hPa，最大移動風速超過35 km/h。珠江口位于臺風路徑右側，且在喇叭口地形的匯聚作用下，在實測站點引起的最大增水達3.37 m，為超百年一遇增水[6]。

3 數值模擬

3.1 模型介紹及建立

本文基于ADCIRC模式，結合Holland臺風模型，在珠江口區域建立精細化珠江口風暴潮數學模型。模型計算范圍為112.2°～115.4°E，21°～23.5°N，模型采用非結構三角網格，并對河網區域進行局部加密，網格空間尺寸最大為12 000 m，最小尺寸為20 m，整個計算域網格數345 664個，節點數190 973個。

表2 臺風“山竹”簡況

珠江口風暴潮數學模型采用ETOPO1水深數據，風場和氣壓場由Holland臺風模型計算得到，外海開邊界由南中國海天文潮-風暴潮耦合模型提供[19]，上游徑流邊界為高要和石角等水文站點臺風期間實測流量。模型計算時間段為2018年9月15日00時至17日22時，計算步長為3 s。

表3 21世紀珠江口主要臺風對比分析

圖1 模型網格劃分和驗證站點分布

3.2 模型驗證

本模型利用1822號臺風“山竹”引起的風暴增水進行風暴潮模型驗證。驗證數據主要包括南沙、大橫琴、大盛和西炮臺等站點的逐時增水數據。從表4可以看出，增水模擬效果較好，最大增水相對誤差低于15%，模擬的相位誤差在2 h以內。

4 風暴增水特征及影響分析

考慮到臺風“山竹”引起風暴增水的特殊性，利用精細化珠江口風暴潮模型對臺風“山竹”引起的風暴增水過程進行模擬，對區域內增水最大值和特征增水量級歷時等進行統計，同時選取珠江河網特征水道和站點，著重研究珠江河網風暴增水的時空分布特征，此外對臺風期徑流和水道口門走勢等因素對風暴增水的影響進行初步研究。

4.1 珠江口風暴增水分布特征分析

根據1822號臺風期間風暴增水的模擬結果，統計珠江口區域風暴增水的最大值和最大值出現時間等，得到珠江河網的最大增水時空分布（見圖2）。臺風“山竹”為珠江口西向登陸，珠江河網長時間處于向岸風影響，同時受珠江口喇叭地形和臺風期上游徑流影響，珠江河網產生較大增水。

從圖2a可以看出，在臺風“山竹”期間，珠江口風暴增水自口門外向口門處、東南向西北逐漸增大，與甘雨鳴等[4-6]結論一致。珠江口門外增水等級為Ⅰ—Ⅴ級（見圖2c和表5），量級為0.5～3.0 m，與柳龍生等[20]分析一致，最大增水出現時間整體為登陸前后2 h以內（見圖2b），外海區域Ⅱ級（增水>2 m）增水歷時為0～4 h（見圖2d）。

受外海風暴潮和上游徑流頂托的影響，珠江河網最大增水和最大增水等級呈收縮狀分布，上游干流和下游口門普遍較大，中游支流偏小，上下游整體超過2 m，最大增水等級均在Ⅱ級及以上。河網中最大增水出現時間和Ⅱ級增水歷時整體自下游口門向上游干流逐漸滯后和增大，最大增水出現時間自口門至干流為臺風登陸前2 h至登陸后6 h不等，Ⅱ級增水歷時自口門至上游干流為2～5 h以上。

表4風暴增水情況驗證表

4.2 珠江河網風暴增水分析

為明確“山竹”臺風期間珠江河網增水時空分布特征，本文選取珠江河網中下段，即八大口門及對應河網，包含：虎門水道、蕉門水道、洪奇門水道、橫門水道、磨刀門水道、雞鳴門水道、虎跳門水道和崖門水道，在不同水道選取30個特征點（見圖3a）。通過對上述特征點最大增水量級和Ⅱ級增水歷時等特征的分析，給出珠江河網中下段風暴增水的時空分布特征。

從圖2a和表6可以看出，臺風“山竹”在珠江河網產生的風暴增水表現為明顯的區域差異性。最大增水方面，虎門水道、蕉門水道和磨刀門水道為沿程增長再衰減的趨勢，與王永信等[12-13]結論基本一致，其余水道整體為沿程衰減；最大增水出現時間方面，除磨刀門水道和雞鳴門水道，其余水道內部最大增水出現時間整體滯后于登陸時間，且滯后程度與增水上溯距離呈正相關。

虎門水道處于伶仃洋灣頂，風向與河道走勢基本平行（見圖3b），且伶仃洋喇叭口地形對增水的匯聚作用顯著，同時受東江等上游徑流的頂托作用，該水道風暴增水普遍在2.8 m以上，均為Ⅰ級特大風暴增水，A3—A4站點為超百年一遇增水[6,21]，水道最大增水出現時間為登陸后1～5 h，Ⅱ級增水歷時普遍超過3 h。

受龍穴島和橫門島等島嶼的遮蔽作用，蕉門水道、洪奇門水道和橫門水道3條水道的增水較虎門水道減小，整體增水超過2.0 m，增水等級不低于Ⅱ級，其中B1—B3段、C2—C4段和D1站點均出現超百年一遇增水[6,21]，除C4站點，其余河段Ⅱ級增水歷時均不低于3 h，3個水道中上段受河道分叉和灘地密布等地形影響，使得B3—B4段和C3—C4段增水衰減顯著，3條水道最大增水出現時間整體為臺風登陸后4 h以內。

磨刀門水道作為珠江口最主要的泄洪通道，受上游徑流的影響顯著，且風向與水道走勢接近平行（見圖3b），使得該河道最大增水整體超過2.3 m，為Ⅰ—Ⅱ級風暴增水。E2站風暴增水達到超百年一遇[6,21]，除E5站點，其余河段最大增水出現時間為臺風登陸前后1 h，河段Ⅱ級增水歷時均不低于2 h。

圖2 珠江口風暴增水時空分布

圖3 珠江河網及登陸時刻風場分布（注：水道對應實際口門的主河道，非嚴格按照相應河道地理區間劃分）

雞鳴門水道增水受口門地形和水道彎曲走勢的影響，最大增水量級變化較大，變化范圍為1.89～3.48 m，風暴增水等級不低于Ⅲ級，F1站點最大增水最大，達到超百年一遇增水[6,21]，且Ⅱ級增水歷時達3 h，其余站點均低于1 h，最大增水出現時間為臺風登陸前后2 h以內。

受黃茅海喇叭地形對增水的匯聚作用的影響，虎跳門水道和崖門水道增水整體高于2.3 m，增水等級不低于Ⅱ級，但虎跳門口門寬度較小，且風向與河道走勢接近垂直（見圖3b），增水上溯能力較弱，G1站點Ⅱ級增水歷時僅為1 h。崖門水道水深較大，風向與河道走勢接近平行（圖3b），增水沿程衰減較小，同時受上游徑流頂沖作用，增水上溯能力減弱，最大增水出現時間為臺風登陸后4 h以內。

4.3 水道口門走勢對河網風暴增水影響分析

臺風“山竹”期間較強降雨引起上游較大徑流，對水位頂托作用明顯，迫使河道水位處于汛期高水位。考慮到西江和北江為珠江口主要徑流入口，且磨刀門水道、蕉門水道和橫門水道為珠江河網3個主要泄洪通道，因此選取上述水道研究上游徑流對風暴增水的影響。通過對比有無徑流的增水特征發現（見表7），上游徑流對增水影響顯著，表現為明顯的區域差異性。站點越靠近上游，徑流對水位頂托作用越顯著，Ⅱ級增水歷時越長：D4和E5站點上游徑流對增水影響分別達到1.42 m和1.58 m，兩點Ⅱ級增水歷時增加超過20 h；上游徑流與河道上溯增水的頂沖作用，使D3—D4段最大風暴增水出現時間較無徑流工況提前1～2 h；E5站點最大增水出現時間滯后可能與臺風期降雨產匯流引起洪峰的滯后效應有關。

表5 風暴增水等級劃分標準[2]

表6珠江河網特征站點增水分布特征

針對水道口門走勢與風向的相對夾角對風暴增水的影響，選取相鄰且風速差異較小的水道口門進行對比，如洪奇門水道與橫門水道對比，虎跳門水道與崖門水道對比。統計4個口門走勢、口門特征點風速、風向和增水等結果（見表8和圖3b），發現風向和河道走勢對河道增水存在影響。對比洪奇門水道與橫門水道發現，橫門水道口門站點風速大于洪奇門水道，但橫門水道口門走勢與風向夾角差值較大，使得橫門水道站點增水較洪奇門水道口門站點低0.05 m。對比虎跳門水道與崖門水道發現，崖門水道口門站點風速大于虎跳門水道口門站點，且崖門水道口門走勢與風向夾角較小，使得口門走勢方向風應力分量較大，引起增水量級較大，相應上溯能力較強，崖門水道口門特征站點增水明顯大于虎跳門水道口門特征站點，增水量級相差0.32 m。

表7 徑流影響下部分河網特征站點增水分布

表8 部分口門走勢特征與增水關系

5 結論

本文利用珠江口精細化風暴潮模型，模擬了1822號臺風“山竹”在珠江河網引起的增水過程，模擬最大增水相對誤差小于15%，時間誤差小于2 h。根據模擬結果，分析了珠江河網本次臺風過程的最高風暴增水時空分布，初步探究了臺風期徑流和口門走勢對風暴增水的影響。結果表明：

（1）臺風“山竹”期間，增水整體呈現由口外向口門、東南向西北沿程增大的趨勢，最大增水出現在臺風登陸前后2 h以內，增水范圍0.5～3.0 m，增水等級為Ⅰ—Ⅴ級，且Ⅱ級增水歷時在0～4 h。

（2）在大范圍風場、喇叭口地形和上游徑流的影響下，最大增水在珠江河網整體呈收縮狀分布。八大口門水道均出現2.3 m以上增水，除虎跳門水道和崖門水道外，其余口門水道均出現超百年一遇增水。

（3）河網中Ⅱ級增水（增水＞2 m）歷時與最大增水出現時間變化趨勢基本一致，分別為由口門向西北干流逐漸增加和滯后。虎門水道、蕉門水道和橫門水道全河道Ⅱ級增水歷時不低于3 h，除磨刀門水道和雞鳴門水道外，其余6大口門水道最大增水出現時間均不早于臺風登陸時刻。

（4）水道口門走勢和風向的相對夾角對珠江河網風暴增水量級存在影響，臺風期上游徑流對珠江河網風暴增水量級、增水歷時和最大增水出現時間均影響顯著，上述因素在河道風暴潮研究中應給予考慮。