2000—2022年嚴重影響珠江口的臺風暴潮增水規律分析

羅智豐

(廣東省水文局廣州水文分局，廣州 510150)

1 概述

珠江口位于廣東省中南部，包含虎門、蕉門、洪奇瀝、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門等八大口門，珠江口城市群社會經濟高度發達，是我國經濟社會發展最活躍區域之一。

臺風具有發生頻率高、受災范圍廣、災害強度大以及次生災害多等特點[1]，珠江口由于其特殊的地理位置和氣候特點，是廣東乃至我國風暴潮災害的頻發區[2-7]，且近年來呈愈發嚴重的趨勢[8]，臺風暴潮從口門沿珠江河網上溯，影響區域覆蓋整個珠江口城市群，如2017年“天鴿”、2018年“山竹”臺風均給珠江口的城市帶來嚴重的災害損失，強烈的臺風暴潮增水致珠江口多個潮位站點錄得突破歷史紀錄的高潮位。據統計，“天鴿”臺風造成珠江口珠海、深圳、香港、澳門等城市6人死亡，經濟損失約51.54億元[9]，“山竹”臺風致廣州、珠海、深圳、中山等市受災嚴重，直接經濟損失23.7億元[10]，廣州南沙、番禺、黃埔、海珠、天河、越秀、荔灣、白云等區共68處堤防浸水，黃埔區江水越堤水浸達15 km，越秀區珠江前航道二沙島區域江水越堤水浸達7.6 km，受淹車庫54個(數據來源：廣州市防汛防旱防風總指揮部)。南沙站位于珠江八大口門之一的蕉門，可準確反映臺風暴潮影響珠江口的過程。因此，本文以南沙站風暴增水為代表，對2000—2022年嚴重影響珠江口的熱帶氣旋時空分布、路徑、結構、極端風暴潮等特性進行分析，探尋珠江口臺風暴潮規律，對極端風暴潮沿珠江口上溯過程進行剖析，研究對珠江口未來的風暴潮預報及防災減災具有指導意義(研究區域見圖1)。

圖1 研究區域示意

2 臺風篩選及特征分析

2.1 珠江口風暴潮增水等級劃分

風暴增水為實測潮位減去天文潮值，本文所用實測潮位來源于水文部門整編資料，天文潮值來源于國家海洋環境預報中心，臺風資料來自中央氣象臺臺風網。根據《風暴潮等級》(GB/T 39418—2020)，風暴潮強度等級可分為5級(見表1)，通過對南沙站多年實測資料及天文潮資料統計：7—9月該站實測平均高潮位在0.7～0.9 m之間，天文大潮基本介于1.4～1.7 m之間，而南沙站50年一遇潮位為2.54 m，100年一遇潮位為2.69 m，200年一遇潮位為2.83 m[11]。若以平均高潮位遭遇風暴潮，當增水達1.5 m時，總水位將接近50年一遇，而增水達2 m時，總水位將達到或超過200年一遇標準，如遭遇天文大潮，增水大于1 m時都可能出現50年一遇以上水位。因此以Ⅳ(中等)以上級別——即南沙站增水大于1 m的臺風暴潮定義為嚴重影響珠江口的風暴潮，而Ⅱ(強)以上級別——南沙站增水大于2 m的定義為珠江口極端風暴潮，分別探討其共性和特性。

表1 風暴潮強度等級

按前文定義，選取2000—2022年給珠江口帶來風暴增水的熱帶氣旋，篩選出嚴重影響珠江口的12個，均為臺風級(12級)以上，因此以下統稱臺風，其中201822山竹、201713天鴿和200814黑格比的風暴潮為極端風暴潮(見表2)。

表2 2000—2022年給珠江口帶來嚴重風暴增水的熱帶氣旋名錄

2.2 時空特征分析

從時間上分布看，2000—2022年，嚴重影響珠江口的臺風暴潮每年最多發生2次，最少0次，均發生在公歷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%。而極端風暴潮均發生在8—9月，其中8月1次，9月2次。顯示后汛期尤其8、9月為珠江口防臺關鍵時期的特點。從農歷看，發生在農歷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為4次，顯示了珠江口臺風暴潮遭遇天文潮概率具有一定的隨機性。

從登陸地看，2次海南文昌登陸，其余10次均在廣東省，可見不僅登陸廣東的臺風會嚴重影響珠江口，在海南登陸的也不容忽視。而廣東登陸的10次中，珠江口以東登陸僅1次(惠州)，以西登陸9次，分別為珠海2次、江門4次、茂名3次，同時，珠海至茂名登陸的臺風，無論在數量上還是在風暴潮危害程度上，都是最厲害的，反映出珠江口防臺需重點關注在珠江口以西、尤其是珠海至茂名一帶登陸的臺風，這與北半球臺風為逆旋系統和進入南海臺風大多西北走向有關系，其移動方向的右半圈為最嚴重風暴潮影響區域(見圖2)。

圖2 2000—2022年嚴重影響珠江口的熱帶氣旋路徑示意

從路徑分析，11場在西北太平洋生成，1場在南海生成，移動路徑均為西北西，靠近廣東沿海后的路徑方向及登陸的角度十分相似，登陸前后外圍風圈正切珠江口，而珠江口特殊的喇叭口地形，外寬內窄，易于風暴潮堆積，且珠江口為偏東南向河道，西北行進在珠江口以西登陸的臺風東南向風圈順切入珠江口，極易在臺風登陸前后產生風應力增水，統計序列中嚴重影響珠江口的臺風此類路徑占比91.7%，正印證了此類路徑極易產生嚴重風暴潮。這與后汛期的控制廣東的天氣系統——強大的副熱帶高壓有關，臺風往往都是沿著副高的邊緣移動。

2.3 臺風結構分析

風暴潮影響程度不僅與路徑和登陸點有關，還和臺風的氣壓、最大風速、風圈半徑等臺風結構有關。2000—2022年嚴重影響珠江口的熱帶氣旋均超過臺風級(12級)，最大風力12～17級，登陸時風力12～15級，中心最大風力在33～45 m/s之間，7級風圈半徑在200～480 km之間(200104尤特缺可靠風圈數據)，同時比對其登陸點與珠江口的距離發現，7級風半徑在200～300 km等結構較小的臺風，登陸點都在珠海至江門等距離珠江口近的地方，而登陸點在茂名至海南等離珠江口較遠的臺風，其風圈半徑都在380 km以上?？梢?，珠江口以西登陸的臺風(登陸時風力12級或以上)，登陸點在珠江口至江門等較近區域的，7級風圈大于200 km，就易導致嚴重風暴潮，而登陸點在茂名至海南等更遠區域的，則需要更大的風圈(7級風圈380 km以上)，才會對珠江口產生嚴重風暴潮。

3 極端風暴潮特征分析

珠江口極端風暴潮按風暴增水從大到小分別由201822山竹、201713天鴿和200814黑格比引起，不斷刷新珠江口多個潮位站實測紀錄，反映了珠江口極端風暴潮事件呈愈發嚴重的趨勢，與葉榮輝等[12]有關研究的結論相印證。

3.1 臺風概況

“山竹”于2018年9月7日20：00在太平洋以熱帶風暴級別生成，11日8：000加強為超強臺風，中心最大風力達到17級(65 m/s)，通過菲律賓進入南海后減弱為強臺風級(15級)，16日17：00在廣東省江門臺山市海宴鎮以強臺風級登陸，中心附近最大風力14級(45 m/s)。

“天鴿”于2017年8月20日14：00在菲律賓以東西太平洋洋面以熱帶風暴級別生成，22日8：00西行穿過巴士海峽后加強為強熱帶風暴，23日7：00加強為強臺風，登陸前中心最大風力達到14級(48 m/s)，于23日12：50在廣東省珠海市金灣區以強臺風級別登陸，登陸時中心最大風力14級(45 m/s)。

“黑格比”于2008年9月19日20：00在菲律賓以東西太平洋洋面以熱帶風暴級別生成，21日14：00加強為臺風，橫穿巴士海峽，22日14：00升級為強臺風，夜間進入南海東北部海面，于9月24日6：45在廣東省茂名市電白縣陳村鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大平均風速48 m/s(15級)(見圖3)。

圖3 極端風暴增水的3場臺風路徑示意(注：本部分重點關注進入南海后，故省略部分黑格比和山竹位于西太平洋路徑)

3.2 臺風結構對比分析

1)生成地點、路徑相似，登陸位置接近

從生命過程看，3場均為8月下旬至9月下旬西太平洋生成，從生成到登陸，山竹用時9 d，天鴿用時3 d，黑格比用時5 d。3場路徑(尤其山竹和天鴿)極為相似，進入南海后一路往西北偏西行進，靠近廣東近岸后路徑更像3條平行線，登陸角度幾乎一致，登陸點距離珠江口(南沙站)的直線距離，天鴿約90 km，山竹約130 km，黑格比約280 km。

2)登陸時中心風速、氣壓相似，但風圈大小不同

登陸時中心的風速、氣壓相似，但過程有所不同(見圖4)。登陸中心風速均在45～48 m/s，氣壓在950～955 hPa，進入南海后，山竹和黑格比風速較穩定，直到登陸前變化不大，而天鴿則一路加強，風速從23 m/s增大到登陸前48 m/s，氣壓方面，黑格比大部分時間氣壓穩定在935 hPa，山竹在靠近珠江口時氣壓逐漸升高，而天鴿氣壓則一路下降，直到登陸前鄰近珠江口是降到最低940 hPa。風圈大小也存在差異，其中山竹和黑格比風圈相似，均是罕見的大風圈，鄰近珠江口后7級風圈400 km，10級風圈180～200 km，天鴿風圈相對較小，7級風圈280 km，10級風圈80 km。

a 風速

3)進入南海后平均移速接近，均有利增水

臺風的移動速度決定了其風應力作用水體的時間，水體從外海向珠江口輸運、水位抬升、建立水位梯度均需要時間，當其與風應力平衡時，增水達到最大。3場進入南海后至登陸用時較接近，其中山竹用時28 h，天鴿31 h，黑格比33 h，山竹平均移速30.7 km/h，天鴿25.9 km/h，黑格比26.8 km/h，山竹移速總體較另外兩場更快。羅志發等[13]對臺風移動速度對珠江口風暴潮增水研究發現移速小于山竹的速度時，增水變化不大，移速更大時，增水將明顯減小，表明該3場臺風的移速均屬于有利于珠江口增水的。

3.3 風暴增水過程分析

對3次風暴增水過程進行分析(如圖5所示)，以進入南海為起算時刻，至風暴增水退至0.5 m以下為止，結果顯示：總體上均符合標準型風暴潮發展的3個階段：即初振、主振和余振階段[14]，山竹和黑格比的增水全過程及形態非常相似，在進入南海后22 h內，處于明顯的初振期，增水在0.3 m以下周期性振蕩波動，22 h時南沙處于兩場臺風10級風圈邊緣(中心距離南沙站220～240 km)，同時進入主振期，增水明顯呈峰狀大幅突起，可分為增水上升期和增水衰退期，增水上升期持續7 h，增水顯著上升，山竹平均增水速率0.37 m/h，增水最大漲率0.51 m/h，黑格比平均增水速率0.24 m/h，增水最大漲率0.43 m/h，29 h同時達到最大增水。此時，山竹已登陸1 h，中心距離南沙170 km，黑格比未登陸，中心距離南沙220 km，兩個中心處于同一經度的相近位置，在風速、氣壓和風圈半徑相差不大的情況下，山竹增水上升期中心距離珠江口更近，故最大增水比黑格比大0.67 m，之后進入相似的增水衰退期，分別用時11 h和9 h進入余振期(見表3)。

表3 3次極端風暴潮增水特征統計(南沙站)

圖5 山竹、天鴿、黑格比進入南海后南沙站風暴增水對比示意

而天鴿的增水過程具有一些獨特之處，首先，由于其路徑更北，在臨近珠江口時東北風的不斷加強，使其在初振期出現了一段減水期，而越過珠江口中線后，迅速轉為增水上升期，此時距南沙站約90 km(10級風圈80 km)，僅用2 h達到最大增水，平均增水速率1.19 m/h，增水最大漲率1.47 m/h，最大增水時刻為登陸后1 h，中心距南沙站約110 km，與山竹最大增水時刻中心位置距離66 km，增水衰退期用時5 h，之后進入余振期，見表3?？梢娞禅澋顷扅c雖距離珠江口更近，但其14級風力維持時間較短以及風圈半徑不夠大的特點，使其風暴增水強度和持續時間均不如山竹，但其增水之迅速遠超山竹和黑格比，使這種臺風暴潮的預報難度更大，危害程度也同樣高。

總結3次極端風暴潮增水過程：臺風進入南海后靠近珠江口附近前先經歷一段時間初振階段(21～29 h)；進入臺風10級風圈邊緣范圍時開始猛烈增水；山竹和黑格比在各階段的增水過程相似度極高，而天鴿的增水過程與前兩者差異較大，增水過程暴漲速退，與臺風本身結構特點相符；登陸點在珠江口以西至江門等距離珠江口近的，最大增水多發生在登陸后，而距離更遠的，則易發生在登陸前。

3.4 風暴潮上溯分析

選取位于蕉門的南沙站、沙灣水道近虎門的三沙口站、前后航道與獅子洋交匯處的黃埔站和珠江前航道的中大站為代表(見圖1)，分析3次極端風暴潮在各站點的增水過程(見圖6)，以反映風暴潮沿珠江口往廣州市中心城區上溯的過程特點。

a 山竹

通過比對分析：① 共性上總體傳播趨勢是一致的。3次過程均直觀的反映出風暴潮沿珠江口上溯的形態，各站增水漲退規律幾乎一致，且存在較穩定的時間差，風暴潮從南沙傳播至三沙口約1 h，至黃埔和中大約2 h，與天文潮的傳播規律基本一致。② 各站點最大增水值存在差異。風暴潮從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，中間(三沙口、黃埔)最小，天鴿呈現穩定的從下游往上游衰減，而黑格比則是中游最大，下游次之，上游最小。表明各點風暴潮最大增水值并無明顯規律可循，但通過分析臺風的特性也可找尋一些規律，例如風暴潮上溯時刻天文潮是處于漲潮還是退潮階段的潮動力狀態、上游來水量大小[15]以及登陸期間有無強降雨匯流等，均可能影響風暴潮上溯，且越往上游影響越大，圖6中大站的差異性明顯大于下游站正是如此。

對比山竹和天鴿，登陸前后路徑、移速相似，但風暴潮上溯過程卻差別較大，山竹風暴潮上溯過程中先衰減后增強，而天鴿上溯過程呈現標準的衰減趨勢，從上游來水、天文潮和降雨情況進行對比：① 來水量差別不大，珠江口水量來自西、北、東江和本地流溪河和增江來水，對比兩次臺風登陸日和前一日上游各江控制站馬口、三水、博羅、太平場鎮和麒麟咀站的流量，發現上游來水量差別不大(見表4)；② 天鴿的天文潮情況不利于風暴潮上溯，山竹登陸時，南沙站天文潮處于剛過次高潮，天文潮較低僅0.39 m，呈緩慢下降趨勢，而天鴿登陸時，南沙站處于天文大潮期且剛過高潮，天文潮1.23 m，呈快速下降趨勢(見圖7)，可見天鴿登陸時退潮動力遠高于山竹同期，增大了風暴潮上溯難度；③ 山竹風暴潮遭遇廣州中心城區強降雨有利于中大站壅水，風暴潮猛烈增水期廣州中心區6 h降雨量超過40 mm，而天鴿期間6 h僅10～20 mm，根據預報經驗，廣州中心區短時強降雨匯流會明顯增大中大站的增水，而下游站點由于珠江口上窄下寬的地形，降雨產生增水效益不顯著。

表4 山竹和天鴿風暴潮過程上游來水量

圖7 山竹和天鴿天文潮過程對比示意(南沙站)

4 結語

通過對2000—2022年來嚴重影響珠江口的熱帶氣旋的特性進行分析，結合珠江口天文潮及工程防御特點，以增水大于1 m的臺風暴潮定義為嚴重影響珠江口的風暴潮，能較合理的反映珠江口的風暴潮風險，分析以此標準篩選出的12個臺風暴潮樣本，結果表明：

1)嚴重影響珠江口的臺風暴潮每年發生0～2次、平均每兩年發生1次，全部發生在公歷7—9月，其中8—9月占比75%，且3次極端風暴潮均發生在此期間，可見7—9月尤其是8、9月為珠江口防臺關鍵時期。

2)珠江口風暴潮遭遇天文潮概率具有隨機性，12個樣本中，發生在天文大潮、小潮和一般潮期各有4個。

3)從臺風路徑看，西北或西北偏西方向路徑行進，珠江口以西、尤其是珠海至茂名一帶登陸、登陸時中心風力12級以上的臺風最易給珠江口帶來嚴重風暴潮，12個樣本中此類路徑占比91.7%。

4)從臺風結構特點看，珠江口以西登陸的臺風(登陸時風力12級或以上)，登陸點在珠江口至江門等較近區域的，7級風圈大于200 km，就易導致嚴重風暴潮，而登陸點在茂名至海南等更遠區域的，但風圈更大的(7級風圈380 km以上)，也會對珠江口產生嚴重風暴潮。

5)對極端風暴潮過程分析可知，珠江口極端風暴潮強度呈增強趨勢，結構上生成地點、路徑相似，登陸位置接近，進入南海后平均移速接近，但過程各具差異。過程上進入臺風10級風圈邊緣范圍時開始猛烈增水，登陸點在珠江口以西至江門等距離珠江口近的，最大增水發生在登陸后，而距離更遠的，則易發生在登陸前。風暴潮沿珠江口上溯傳播時間與日常天文潮基本一致，但最大增水值受到上游來水、天文潮狀態和期間遭遇降雨情況等多因素影響。