鄧國(guó)通, 劉敏聰, 邢久星, 申錦瑜,3, 周凱, 陳勝利

1. 清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海洋工程研究院, 廣東 深圳 518055;

2. 深圳市海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心, 廣東 深圳 518034;

3. 達(dá)爾豪斯大學(xué)海洋學(xué)院, 加拿大 哈利法克斯 B3H 4R2

在全球變暖的背景下, 極端天氣事件發(fā)生的概率不斷增加, 近海區(qū)域受到的影響更為明顯(Wang et al, 2010)。臺(tái)風(fēng)作為相對(duì)常見(jiàn)的極端天氣事件, 其影響不僅僅是強(qiáng)風(fēng)和降水, 還包括風(fēng)暴潮、巨浪等,這些災(zāi)害會(huì)形成一個(gè)災(zāi)害鏈(Wu et al, 2019), 給公共基礎(chǔ)設(shè)施、企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及大眾生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅(隋廣軍 等, 2015)。深圳市作為我國(guó)重要的沿海城市, 氣象災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)較多, 其中最為嚴(yán)重的是臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的影響(魏巍, 2009)。2018 年第22 號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸后給包括深圳在內(nèi)的華南地區(qū)造成了嚴(yán)重的災(zāi)害, 是1979 年以來(lái)影響珠三角大部分地區(qū)最為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)。因此, 風(fēng)暴潮的研究可以減少風(fēng)暴潮災(zāi)害帶來(lái)的損失, 對(duì)深圳市有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

不同臺(tái)風(fēng)登陸所產(chǎn)生的風(fēng)暴潮具有很大差異,諸如臺(tái)風(fēng)路徑、登陸角度、移動(dòng)速度等因素對(duì)風(fēng)暴潮大小都有較大影響。Weisberg 等(2006)對(duì)影響坦帕灣的颶風(fēng)進(jìn)行了模擬, 分析了颶風(fēng)登陸地點(diǎn)、行進(jìn)方向、行進(jìn)速度以及強(qiáng)度對(duì)風(fēng)暴潮的影響, 發(fā)現(xiàn)水位最高的風(fēng)暴潮出現(xiàn)在海灣的上游段; 對(duì)于登陸地點(diǎn), 當(dāng)颶風(fēng)登陸點(diǎn)位于灣口北邊時(shí)會(huì)造成最嚴(yán)重的結(jié)果; 對(duì)于行進(jìn)方向, 當(dāng)颶風(fēng)向北移動(dòng)時(shí), 會(huì)產(chǎn)生更大的風(fēng)暴潮; 對(duì)于行進(jìn)速度, 緩慢的移動(dòng)速度會(huì)在坦帕灣產(chǎn)生更大的風(fēng)暴潮。Irish 等(2008)探索了颶風(fēng)尺度對(duì)風(fēng)暴潮的影響, 發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)尺度在風(fēng)暴潮生成的過(guò)程中扮演了十分重要的角色, 特別是在海底地形平緩地區(qū)登陸的情況下。Rego 等(2009)發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)風(fēng)暴潮有著重要的影響, 結(jié)果顯示增加颶風(fēng)的移動(dòng)速度會(huì)增加風(fēng)暴潮的最高高度, 這與Weisberg 等(2006)的研究結(jié)果相反, 說(shuō)明同一因素對(duì)風(fēng)暴潮的影響還可能與局地特征有關(guān)。Sebastian 等(2014)對(duì)颶風(fēng)“艾克”進(jìn)行了模擬, 探索了在加爾維斯頓灣可能出現(xiàn)最大增水的情形, 結(jié)果顯示加爾維斯頓灣的風(fēng)暴潮主要受逆時(shí)針風(fēng)向的影響, 并且當(dāng)風(fēng)速增加15%時(shí), 風(fēng)暴潮會(huì)增加大約23%。

在我國(guó), 夏麗花 等(2014)通過(guò)對(duì)歷史臺(tái)風(fēng)要素資料的分析, 發(fā)現(xiàn)正面登陸福建和浙江南部的臺(tái)風(fēng)在福建沿海引發(fā)的風(fēng)暴潮最強(qiáng), 其次是在廣東沿海登陸的臺(tái)風(fēng)。張文舟 等(2004)利用1960—2001 年間資料分析了福建沿海的風(fēng)暴潮, 發(fā)現(xiàn)地形對(duì)風(fēng)暴潮的時(shí)空分布有明顯影響。趙長(zhǎng)進(jìn) 等(2015)對(duì)影響長(zhǎng)江口及其鄰近海區(qū)的風(fēng)暴潮影響因素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)向岸風(fēng)力的大小與持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴潮增水有著重要的作用, 并且風(fēng)應(yīng)力對(duì)增水的作用相較于氣壓更為顯著。陳波 等(2015)通過(guò)對(duì)登陸廣西沿海的臺(tái)風(fēng)“納沙”的研究, 發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)登陸期間廣西沿海水位變化與風(fēng)、海灣地形和大氣重力波產(chǎn)生的共振作用有著密切關(guān)系。關(guān)于深圳近海的風(fēng)暴潮研究較少,毛獻(xiàn)忠 等(2012)選擇深圳香港海域歷史上最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)“荷貝”作為設(shè)計(jì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度, 選擇最不利路徑的臺(tái)風(fēng)“雪莉”作為設(shè)計(jì)路徑, 研究了深圳、香港海域可能出現(xiàn)的最強(qiáng)風(fēng)暴潮。在這種情況下, 大鵬灣北部的風(fēng)暴潮可達(dá)3.0m 以上, 香港島附近的風(fēng)暴潮在2.5～3.0m 之間。然而不同的臺(tái)風(fēng)情況下, 行進(jìn)路徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和移動(dòng)速度的不同, 引起的風(fēng)暴潮都可能存在較大差異。不同海區(qū)由于海灣形狀、水深地形等差異, 風(fēng)暴潮的分布規(guī)律也會(huì)有較大不同。由于研究的匱乏, 我們對(duì)深圳近海風(fēng)暴潮的分布規(guī)律并不了解。

本研究基于區(qū)域海洋模式系統(tǒng)(regional ocean model system, ROMS), 建立了一個(gè)以深圳近海為中心的三層嵌套的局地海洋模式。首先模擬了2018 年在深圳周邊登陸的臺(tái)風(fēng)“山竹”, 在臺(tái)風(fēng)“山竹”基礎(chǔ)上對(duì)臺(tái)風(fēng)的登陸地點(diǎn)、登陸角度、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)尺度和移動(dòng)速度進(jìn)行改變, 分析這些因素變化對(duì)風(fēng)暴潮的影響。

1 深圳近海三層嵌套局地海洋模式

以ROMS 模式作為研究平臺(tái), 建立一個(gè)三層嵌套海洋模式。ROMS 模式采用地形坐標(biāo), 能較好地描述地形影響, 利用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)求解靜力近似下的海洋動(dòng)力學(xué)方程。已有研究顯示, 高分辨率的ROMS 模式能較好地模擬風(fēng)暴潮過(guò)程(Li et al,2006)。

1.1 模式設(shè)置

研究區(qū)域主要為深圳近海, 但由于臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮有很大的空間尺度, 模式需要考慮到更大范圍。同時(shí)為了更加精細(xì)地描繪深圳各海灣在風(fēng)暴潮過(guò)程中的細(xì)節(jié), 需要模式的空間分辨率達(dá)到較高水平,而這樣會(huì)極大地提高計(jì)算量。因此本研究采用三層嵌套方案, 其中最外層網(wǎng)格范圍是南海北部到臺(tái)灣島外海(圖1), 分辨率約9km; 中間層范圍是廣東近海, 分辨率約為1.8km; 最內(nèi)層為深圳近海, 分辨率約為0.4km(本研究用一個(gè)變網(wǎng)格模式將分辨率提高到10m 級(jí), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬精度無(wú)明顯差異)。模式不考慮密度的影響, 最外層和中間層模式為二維模式,最內(nèi)層為三維模式, 三維模式垂直分10 層。模型為單向嵌套, 外層模型給中間層模型提供邊界的水位和流速, 同樣地, 中間層模型為內(nèi)層模型提供邊界的水位和流速。外模時(shí)間步長(zhǎng)分別為25、5、2s, 三維模式內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為40s。

1.2 臺(tái)風(fēng)模型

為了對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度、大小等進(jìn)行敏感性試驗(yàn), 本研究依據(jù)Holland(1980)提出的方程建立理想臺(tái)風(fēng)。Holland 理想臺(tái)風(fēng)模型的風(fēng)場(chǎng)方程和氣壓場(chǎng)方程如式(1)和式(2):

式中P∞和0P分別為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓和中心氣壓,r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離,R為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑,f為科氏力參數(shù),aρ為空氣密度,B為擬合參數(shù)。B的取值影響臺(tái)風(fēng)的水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu), 通過(guò)對(duì)比臺(tái)風(fēng)“山竹”的模擬與實(shí)測(cè)水位的結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)B取1.0 時(shí)兩者吻合效果最好, 因此在本研究中B取1.0。

輸入模式的海面10m 處風(fēng)速U10將由式(3)計(jì)算:

其中vmov為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度, 由Jelesnianski(1966)提出的式(4)計(jì)算。

式中vmc為臺(tái)風(fēng)前進(jìn)速度。

為了更好地表示臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向, 引入由Bretschneider(1972)提出的入流角β, 定義為徑向和切向風(fēng)分量之比的反正切, 如式(5)所示:

臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑R對(duì)臺(tái)風(fēng)的模擬至關(guān)重要,本研究根據(jù)Yang 等(2019), 采用式(6)進(jìn)行計(jì)算:

式中φ為臺(tái)風(fēng)中心緯度,Vmax為最大風(fēng)速,Cv為系數(shù), 取1.2。

潮汐輸入采用全球海潮模式(TPXO9)提供的數(shù)據(jù)(Egbert et al, 2002), 在模式的邊界使用日周期和半日周期的8 個(gè)主要分潮(M2、S2、K1、O1、K2、P1、N2和Q1)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.3 模式驗(yàn)證

以2018 年臺(tái)風(fēng)“山竹”為研究對(duì)象, 模擬時(shí)使用的臺(tái)風(fēng)路徑以及中心氣壓數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心的CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集(Ying et al,2014; Lu et al, 2021)。沿海觀測(cè)站的水位數(shù)據(jù)來(lái)自深圳市海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心。由于臺(tái)風(fēng)“山竹”破壞力巨大, 導(dǎo)致部分測(cè)站在其登陸期間損毀, 因此只對(duì)比南澳碼頭站和東山碼頭站的水位變化(圖2)。可以看到模式在兩個(gè)測(cè)站水位模擬值與實(shí)測(cè)值接近, 模擬結(jié)果良好, 其中南澳碼頭站和東山碼頭站的均方根誤差均為0.27m, 相關(guān)系數(shù)分別為0.88 和0.89。從兩個(gè)測(cè)站水位的變化過(guò)程可以看出, 模式對(duì)風(fēng)暴潮位變化的趨勢(shì)和最高風(fēng)暴潮位的模擬比較準(zhǔn)確, 最高風(fēng)暴水位模擬誤差不超過(guò)10%。在風(fēng)暴潮位持續(xù)上升階段模擬結(jié)果相較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較小, 這可能與臺(tái)風(fēng)模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬實(shí)際臺(tái)風(fēng)有關(guān), 因?yàn)閷?shí)際中陸地的影響會(huì)導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)在登陸時(shí)形狀發(fā)生改變, 理想風(fēng)場(chǎng)是未考慮陸地影響的。

2 影響因素研究

基于臺(tái)風(fēng)“山竹”改變臺(tái)風(fēng)特征, 分析臺(tái)風(fēng)的登陸地點(diǎn)、登陸角度、臺(tái)風(fēng)尺度、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及移動(dòng)速度對(duì)風(fēng)暴潮的影響。盡管這些臺(tái)風(fēng)因素有著內(nèi)在聯(lián)系, 比如臺(tái)風(fēng)的尺度與強(qiáng)度有一定的關(guān)系, 但為了分析不同因素的影響, 參照Weisberg 等(2006)對(duì)颶風(fēng)登陸地點(diǎn)和登陸角度的研究方法以及Rego 等(2009)對(duì)颶風(fēng)尺度、強(qiáng)度和移動(dòng)速度的研究方法, 本研究進(jìn)行只改變某單一因素的敏感性分析。

2.1 臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)與登陸角度

將臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)和登陸角度綜合到一起考慮,分析在不同登陸地點(diǎn)的條件下, 不同登陸角度對(duì)風(fēng)暴潮的影響。臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸過(guò)程中在深圳近海產(chǎn)生的最大增水總體呈現(xiàn)西北向東南方向下降的趨勢(shì)(圖3), 在大鵬灣和大亞灣產(chǎn)生的最大增水在1.8m 到 2.2m 之間, 在深圳灣產(chǎn)生的最大增水在3.0m 左右, 在珠江口上游區(qū)域的最大增水可以達(dá)到4.0m 以上。

以臺(tái)風(fēng)“山竹”為基礎(chǔ), 以登陸點(diǎn)為原點(diǎn)進(jìn)行路徑的旋轉(zhuǎn), 角度分別為 15°、-15°、-30°、-60°和-90°(圖4)。根據(jù)登陸點(diǎn)與深圳的位置關(guān)系, 設(shè)置東、中和西登陸點(diǎn)(圖5), 其中西登陸點(diǎn)為臺(tái)風(fēng)“山竹”的原始登陸點(diǎn), 不同登陸點(diǎn)之間東西平移大約160km,中登陸點(diǎn)和西登陸點(diǎn)也分別設(shè)置15°、-15°、-30°、-60°和-90°等5 個(gè)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行試驗(yàn), 各試驗(yàn)編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 臺(tái)風(fēng)登陸角度與登陸點(diǎn)試驗(yàn)編號(hào)Tab. 1 Case numbers of different typhoon landing angles and locations

在西登陸點(diǎn)的情況下, 當(dāng)?shù)顷懡嵌饶鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)15°時(shí), 相比于原始登陸角度, 最大增水在大亞灣和大鵬灣升高了0.2～0.3m(圖6a), 其他區(qū)域的最大增水變化很小; 當(dāng)?shù)顷懡嵌软槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)15°時(shí)(圖6b),最大增水在大亞灣和大鵬灣降低了0.3m 左右, 其他區(qū)域的最大增水變化很小; 隨著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度增加, 大鵬灣和大亞灣的最大增水持續(xù)降低, 當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°時(shí)(圖6e), 風(fēng)暴潮最高水位在大鵬灣和大亞灣下降了1.0m 以上; 珠江口區(qū)域的最大增水在登陸角度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°時(shí)(圖6d)才出現(xiàn)0.5m 左右較為顯著的下降, 當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°時(shí), 珠江口區(qū)域的最大增水下降了0.8m 左右。當(dāng)角度的變化在15°至-30°之間時(shí), 對(duì)深圳沿海的最大增水的影響不是很明顯, 當(dāng)?shù)顷懡嵌软槙r(shí)針變化大于60°時(shí), 產(chǎn)生的風(fēng)暴潮顯著下降, 特別是大鵬灣和大亞灣區(qū)域。總體而言, 西北向移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)比南北向移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮明顯要大, 這是因?yàn)槲鞅毕蛞苿?dòng)的臺(tái)風(fēng)在深圳近海經(jīng)過(guò)的距離較長(zhǎng), 其作用時(shí)間也較長(zhǎng), 而南北向移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)深圳近海的距離較短, 導(dǎo)致的風(fēng)暴潮也較小。

中登陸點(diǎn)和東登陸點(diǎn)的角度旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果與西登陸點(diǎn)的類似, 即西北方向移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)比南北向移動(dòng)的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)暴潮明顯要大。如果只對(duì)不同登陸點(diǎn)的情況進(jìn)行比較(圖7), 可以看到在原始登陸角度下, 在深圳西邊登陸的臺(tái)風(fēng)比在深圳東邊登陸的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的最大增水高1.0～2.5m?？紤]到臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)具有左右不對(duì)稱性, 一般在臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向右側(cè)的風(fēng)場(chǎng)比前進(jìn)方向左側(cè)的強(qiáng), 我們?cè)陲L(fēng)場(chǎng)模型中加入了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度。因此, 當(dāng)臺(tái)風(fēng)右側(cè)區(qū)經(jīng)過(guò)深圳近海時(shí), 所產(chǎn)生的風(fēng)暴潮要比臺(tái)風(fēng)左側(cè)區(qū)經(jīng)過(guò)時(shí)更大。大亞灣風(fēng)暴增水的變化相反, 這是由于西登陸點(diǎn)離大亞灣較遠(yuǎn), 風(fēng)場(chǎng)總體較弱, 因此導(dǎo)致大亞灣的最大增水較低。

2.2 臺(tái)風(fēng)尺度

考慮到臺(tái)風(fēng)“山竹”的尺度較大, 通過(guò)改變最大風(fēng)速半徑大小, 設(shè)置了以臺(tái)風(fēng)“山竹”為基礎(chǔ)的4 個(gè)試驗(yàn): D2(115%)、D3(85%)、D4(70%)和D5(55%), 臺(tái)風(fēng)“山竹”原始大小為100%(試驗(yàn)A1)。同樣將每個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的最大增水與臺(tái)風(fēng)“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺(tái)風(fēng)尺度對(duì)風(fēng)暴潮的影響(圖8)。

當(dāng)最大風(fēng)速半徑增加15%時(shí), 最大增水并未出現(xiàn)明顯上升, 只在珠江口上游以及大亞灣大鵬灣的局部區(qū)域產(chǎn)生了0.2m 左右的上升。當(dāng)最大風(fēng)速半徑減少15%時(shí), 最大增水在深圳近海只有了0.2m 的下降。當(dāng)最大風(fēng)速半徑減少30%時(shí), 最大增水在深圳近海下降大約0.4m, 在珠江口上游下降超過(guò)0.6m。當(dāng)最大風(fēng)速半徑減少45%時(shí), 最大增水在大鵬灣和大亞灣大部分區(qū)域下降超過(guò) 0.6m, 局部地區(qū)超過(guò)0.8m, 在珠江口大部分區(qū)域下降超過(guò)0.8m, 局部超過(guò)1.0m。由上可知, 總體呈現(xiàn)最大風(fēng)速半徑越大,最大增水越高的趨勢(shì)。最大風(fēng)速半徑所在位置為臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)最大值, 最大風(fēng)速半徑越大, 臺(tái)風(fēng)中心區(qū)影響的范圍也越大, 所以可能就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)暴潮也越大。最大風(fēng)速半徑也是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中的常見(jiàn)指標(biāo), 其對(duì)風(fēng)暴潮的敏感性具有較為直接的指示意義。

2.3 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度

考慮到臺(tái)風(fēng)“山竹”是一個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 通過(guò)整體等比例地縮放以改變風(fēng)速大小, 因此設(shè)置以臺(tái)風(fēng)“山竹”為基礎(chǔ)的4 個(gè)試驗(yàn): E2(115%)、E3(85%)、E4(70%)和 E5(55%), 臺(tái)風(fēng)“山竹”原始強(qiáng)度為100%(試驗(yàn)A1)。同樣將每個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的最大增水與臺(tái)風(fēng)“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)風(fēng)暴潮的影響(圖9)。

當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)15%時(shí), 最大增水在珠江口和深圳灣升高了0.4m 以上, 珠江口上游的最大增水上升超過(guò)0.6m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水上升超過(guò)0.4m。當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱15%時(shí), 最大增水在珠江口和深圳灣下降超過(guò)0.4m, 珠江口上游的最大增水下降超過(guò)0.6m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過(guò)0.4m。當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱30%時(shí), 最大增水在深圳灣下降大約1.0m, 在珠江口上游下降超過(guò)1.4m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過(guò)0.8m。當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱45%時(shí), 最大增水在深圳灣下降大約1.7m, 在珠江口上游下降超過(guò)2.0m, 大亞灣和大鵬灣的局部區(qū)域的最大增水下降超過(guò)1.2m。由上可知, 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng), 最大增水越高。

2.4 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度

通過(guò)對(duì)各時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度進(jìn)行等比例縮放, 設(shè)置了以臺(tái)風(fēng)“山竹”為基礎(chǔ)的 4 個(gè)試驗(yàn):F2(130%)、F3(115%)、F4(85%)和F5(70%), 臺(tái)風(fēng)“山竹”原始移動(dòng)速度為100%(試驗(yàn)A1, 西登陸點(diǎn))。同樣將每個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的最大增水與臺(tái)風(fēng)“山竹”模擬的最大增水相減, 得到不同臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)風(fēng)暴潮的影響(圖10)。總體上臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)最大增水的影響不大, 當(dāng)移動(dòng)速度增加30%, 深圳近海最大增水上升0.2m 左右; 當(dāng)移動(dòng)速度增加15%, 深圳近海最大增水上升不超過(guò)0.2m。當(dāng)移動(dòng)速度減少15%時(shí),深圳近海最大增水下降不超過(guò)0.2m; 當(dāng)移動(dòng)速度減少30%時(shí), 深圳近海最大增水下降在0.2～0.4m 之間。一般來(lái)說(shuō), 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越慢, 對(duì)海區(qū)的影響時(shí)間越長(zhǎng), 風(fēng)暴潮也將越高(Weisberg et al, 2006)，但我們的結(jié)果與此相反, 與Rego 等(2009)的結(jié)果類似,具體原因下面進(jìn)一步分析。

由于移動(dòng)速度試驗(yàn)出現(xiàn)與已有研究相反的結(jié)果,因此增加了以下試驗(yàn): G2(中登陸點(diǎn), 移動(dòng)速度增加30%)、G3(中登陸點(diǎn), 移動(dòng)速度減少30%)、H2(東登陸點(diǎn), 移動(dòng)速度增加30%)和H3(東登陸點(diǎn), 移動(dòng)速度減少30%)。

可以看到, 在中登陸點(diǎn)時(shí), 珠江口與大鵬灣大亞灣的變化趨勢(shì)正好相反(圖11)。當(dāng)移動(dòng)速度增加30%時(shí)(試驗(yàn) G2), 珠江口的最大增水出現(xiàn)了小于0.2m 的下降, 而大鵬灣和大亞灣的最大增水出現(xiàn)了0.2m 左右的上升; 當(dāng)移動(dòng)速度減少30%時(shí)(試驗(yàn)G3),珠江口的最大增水出現(xiàn)了小于0.2m 的上升, 而大鵬灣和大亞灣的最大增水出現(xiàn)了0.2m 以上的下降。

對(duì)于東登陸點(diǎn)(圖12), 當(dāng)移動(dòng)速度增加30%(試驗(yàn)H2), 珠江口上游最大增水上升0.5m 左右, 大鵬灣和大亞灣最大增水上升超過(guò)0.7m; 當(dāng)移動(dòng)速度減少30%時(shí)(試驗(yàn)H3), 珠江口最大增水下降0.1m 左右,大鵬灣最大增水下降0.3m 左右, 大亞灣最大增水下降超過(guò)0.6m。最大增水在東登陸點(diǎn)變化趨勢(shì)與在西登陸點(diǎn)變化趨勢(shì)類似, 即移動(dòng)速度加快, 深圳近海的最大增水上升; 移動(dòng)速度變慢, 深圳近海的最大增水下降。

由上述內(nèi)容可知, 當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過(guò)幾個(gè)海灣(中登陸點(diǎn))和臺(tái)風(fēng)路徑從幾個(gè)海灣邊上(西登陸點(diǎn)和東登陸點(diǎn))經(jīng)過(guò)的結(jié)果是不同的。根據(jù) Weisberg 等(2006), 臺(tái)風(fēng)在登陸過(guò)程中會(huì)使水體重新分布, 而水位重新分布是需要一定的時(shí)間的。這個(gè)時(shí)間可由馮士筰(1982)提出的公式進(jìn)行計(jì)算, 當(dāng)一個(gè)穩(wěn)定且軸對(duì)稱的臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)一個(gè)矩形海灣時(shí), 水體重新分布到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間

其中是L海灣的長(zhǎng)度;β是湍流阻力系數(shù), 取1.5×10-3s-1;h是海灣平均水深。

我們將臺(tái)風(fēng)影響海灣的時(shí)間稱為臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間, 這個(gè)時(shí)間為臺(tái)風(fēng)前緣經(jīng)過(guò)海灣的時(shí)間, 臺(tái)風(fēng)前緣的范圍設(shè)為三倍最大風(fēng)速半徑。當(dāng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間大于Ts時(shí), 海灣內(nèi)風(fēng)暴潮對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度的變化將不敏感;當(dāng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間小于Ts時(shí), 海灣內(nèi)風(fēng)暴潮將受臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度變化的影響, 且移動(dòng)速度越慢, 最大增水將越高。此時(shí)將珠江口整體看作一個(gè)海灣, 由式(9)估算得出的珠江口、大鵬灣和大亞灣水體重新分布到穩(wěn)定的時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 深圳沿海各海灣水體重新分布時(shí)間Tab. 2 The time of redistribution of water bodies in each bay along the Shenzhen coast

當(dāng)?shù)顷扅c(diǎn)為中登陸點(diǎn)時(shí), 臺(tái)風(fēng)前后經(jīng)過(guò)三個(gè)海灣, 原始移動(dòng)速度下臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間是3.00h。當(dāng)移動(dòng)速度增加30%, 臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間為2.31h; 當(dāng)移動(dòng)速度減少30%, 臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間為4.29h?？梢钥吹皆谠家苿?dòng)速度下, 珠江口水體重新分布時(shí)間大于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間, 大鵬灣和大亞灣水體重新分布時(shí)間小于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間。在珠江口, 水體穩(wěn)定前移動(dòng)速度增加時(shí), 臺(tái)風(fēng)作用水體的時(shí)間減少, 因此最大增水下降; 當(dāng)移動(dòng)速度減少時(shí), 臺(tái)風(fēng)作用水體的時(shí)間增加, 最大增水上升。在大鵬灣和大亞灣,水體重新分布時(shí)間都小于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間, 水體在臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間內(nèi)早已穩(wěn)定, 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度減小并沒(méi)有造成風(fēng)暴增水變強(qiáng); 中登陸點(diǎn)變化趨勢(shì)與在東西兩個(gè)登陸點(diǎn)時(shí)三個(gè)海灣的變化趨勢(shì)相同, 推測(cè)是移動(dòng)速度增減導(dǎo)致局地風(fēng)速增減, 進(jìn)而導(dǎo)致更高或者更低的最大增水。

3 結(jié)論

本研究對(duì)影響深圳近海風(fēng)暴潮的主要因素進(jìn)行了分析和研究, 包括臺(tái)風(fēng)的登陸地點(diǎn)、登陸角度、強(qiáng)度、尺度和移動(dòng)速度等。以臺(tái)風(fēng)“山竹”為對(duì)象, 對(duì)影響風(fēng)暴潮過(guò)程的各因素進(jìn)行敏感性分析, 探究不同因素對(duì)深圳近海風(fēng)暴潮的影響, 獲得如下結(jié)論:

1) 對(duì)于臺(tái)風(fēng)的登陸地點(diǎn), 相同條件下, 在深圳西邊登陸的臺(tái)風(fēng)比在深圳東邊登陸的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的最大增水高1.5m 左右。主要是因?yàn)樵谏钲谖鬟叺顷懙呐_(tái)風(fēng)正好是臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向右側(cè)掃過(guò)深圳近海, 該側(cè)的風(fēng)力較強(qiáng), 所以能引起更大的風(fēng)暴潮增水。對(duì)于登陸角度, 由東南往西北登陸深圳的臺(tái)風(fēng)比由南向北登陸深圳的臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的最大增水高1.0m 左右, 因?yàn)閺臇|南往西北登陸的臺(tái)風(fēng)對(duì)深圳近海作用的時(shí)間較長(zhǎng)。

2) 對(duì)于臺(tái)風(fēng)尺度, 臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑增加15%,最大增水上升0.2m 左右。這可能主要是由于當(dāng)風(fēng)速半徑越大時(shí), 臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域影響范圍更大, 從而導(dǎo)致風(fēng)暴潮更強(qiáng)。臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑作為臺(tái)風(fēng)的一個(gè)重要指標(biāo), 其對(duì)風(fēng)暴潮影響的敏感性值得注意。對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度, 15%的增強(qiáng)幅度會(huì)使最大增水上升0.4m 左右。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)風(fēng)暴潮的影響比較直接, 臺(tái)風(fēng)在南海北部臨近登陸時(shí)常常發(fā)生強(qiáng)度增大的情況。

3) 對(duì)于臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度, 總體上對(duì)風(fēng)暴潮的影響較弱。當(dāng)臺(tái)風(fēng)在深圳西邊或者東邊登陸時(shí), 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度增加30%, 深圳沿海各海灣的最大增水上升0.2～0.6m, 推測(cè)是移動(dòng)速度的增加導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)整體風(fēng)速的增加, 進(jìn)而導(dǎo)致更高的最大增水。當(dāng)臺(tái)風(fēng)從深圳中部登陸時(shí), 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度增加30%, 珠江口的最大增水降低0.1m 左右, 大鵬灣和大亞灣的最大增水上升0.2m 左右, 這與各海灣水體重新分布到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間和臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)水體重新分布的時(shí)間大于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間時(shí), 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度越慢, 最大增水越高;當(dāng)水體重新分布的時(shí)間小于臺(tái)風(fēng)作用時(shí)間時(shí), 水體在臺(tái)風(fēng)作用的時(shí)間內(nèi)早已穩(wěn)定, 導(dǎo)致其變化趨勢(shì)的原因推測(cè)為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度增加導(dǎo)致其局地風(fēng)速增加, 因此產(chǎn)生更高的最大增水。