2. 广东省气象公共服务中心,广东 广州 510641
2. Guangdong Meteorological Public Service Center, Guangzhou 510641, China
台风主要通过其伴随的大风、暴雨和诱发的巨浪、风暴潮对人类造成影响, 并具有巨大的破坏力。广东是受风暴潮影响最严重的沿海省份。根据统计, 1949-1997年我国出现的18次特大风暴潮中, 有7次出现在广东沿海[1]。
风暴潮灾害作为气象次生灾害, 一直受到国内外广大学者的关注[2-15], 风暴潮灾害的数值模拟研究也趋于成熟[16-21]。谢翠娜等[22]对天津滨海地区的风暴潮极值增水进行了情景展示和风险评估, 在综合分析天津风暴潮灾特征基础上, 利用天津海河闸验潮站40 a的年最高潮水位资料, 结合天津滨海地区历史沉降数据, 对潮水位进行修正, 在理想化静水状态下, 对于同一重现期的潮灾, 考虑防潮堤(地面沉降修订后)比忽略防潮堤造成的潮灾影响明显减弱; 刘秋兴等[23]利用不同数值模型对1713号台风"天鸽"的风暴潮过程进行了检验并依据风暴潮实况分析了台风"天鸽"的可能最大强度, 指出"天鸽"登陆前后强度很可能已经达到超强台风级别, 对于此类我国近海突变型台风风暴潮过程需要引起风暴潮预报工作者的高度关注; 游大伟等[24]分析了0814号台风"黑格比"引发的珠江口超高潮位与海平面上升及围海造地之间的关系, 为沿海工程高程设计和评估气候变暖海平面上升对风暴潮潮位影响提供参考; 贾良文等[25]计算了广东省沿海地区28个潮位站的年最高设计潮位, 认为广东省沿海年最高潮位均值变化趋势总体上呈自东向西增大的趋势, 与潮差大小的变化趋势基本一致, 广东省沿海年最高设计潮位总体上呈东低西高的态势, 以潮差最大, 遭受风暴潮影响最多的粤西地区年最高设计潮位最高, 以潮差较小的港口、汕尾站年最高设计潮位最低; 邰佳爱等[26]对0814号台风"黑格比"和9615号台风"莎莉"引起的珠江口内超高潮位进行了对比分析, 台风"黑格比"造成珠江口内特高潮位的原因主要是台风低压控制时间较9615号台风长, 0814号台风登陆日珠江口外天文潮潮差超过9615号台风25%, 0814号台风登陆时珠江口内处于高潮位, 而9615号台风登陆时珠江口内处于落潮过程。
珠海市地处珠江口西岸, 濒临广阔的南海, 具有典型的南亚热带季风海洋性气候, 台风是影响珠海市的主要灾害性天气, 但目前没有主要针对珠海市的台风及其次生风暴潮灾害的分析与评估。本文通过对历史上影响珠海的台风进行特征分析, 并结合每个台风的潮位数据, 在此基础上计算出不同重现期的潮位数据。通过构建台风数据集, 确定影响珠海的假想最强台风的中心最低气压、平均移速、最大风速半径和移动路径, 并在此基础上进行风暴潮数值模拟, 确定影响珠海的最强台风登陆时珠海三灶站的最高潮位。最后利用1713号台风"天鸽"和1822号台风"山竹"对假想最强台风进行验证。
2 资料及潮位站气象资料来自1961-2018年珠海国家气象站和2003-2018年珠海市68个区域自动气象站资料, 气象资料主要为逐日降雨量(20时-20时)、逐日10 min平均风速最大值及逐日3 s极大风速最大值。台风资料主要来源于中国气象局上海台风研究所整编的《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》。潮位资料来自珠海市三灶站1964-2018年逐日潮位数据(基于珠江基准面, 下同)。
本文的风暴潮特征分析选用的潮位站为珠海市三灶站, 三灶站从1964年建站开始有潮位数据, 至2018年已有连续55年的逐日潮位数据。
本文数值模拟采用的地形数据为珠海市数字高程模型数据(Digital Elevation Model), 简称DEM, 比例尺为1:50 000。
三灶岛原为珠江口外一个孤岛, 1960年代以来, 三灶岛附近的整个磨刀门水域不断淤积并快速向外扩展[24]。1984年建成连陆三灶湾大堤后成为陆连岛, 连陆三灶湾大堤后修改成机场路。1993年台风Becky袭击时, 水闸全毁。当时机场路东侧一处平房的水痕线与窗台同高, 最高潮位在3 m以上。台风过后加高机场路路面并于东侧加修1 m以上防(潮)水墙。珠海市磨刀门至鸡啼门海岸线变化对比见图 1。
1953-2017年, 影响珠海市(日雨量≥ 50 mm或日最大风速≥ 10.8 m/s)的台风共有166个, 年平均2.6个, 最多年份有7个(1974年), 除1956年、1998年和2005年无台风之外, 其余年份均至少有一个台风登陆或影响(图 2)。珠海市受台风影响时段为4-12月, 其中又以7-9月为主(图 3)。影响珠海市最早的台风为4月19日(2008年1号台风"浣熊", 登陆地点为广东阳江), 最迟为12月2日(1974年第39号台风Irma, 登陆地点为广东江门台山)。
台风造成的珠海市日最大风速(10 min平均)和极大风速(3 s阵风)的极端最大值分别为40.0 m/s和57.2 m/s, 均为荷包岛海岛站录得, 出现在1713号台风"天鸽"影响期间(2017年8月23日)。
4 三灶站最高潮位重现期计算本文对三灶站(1964-2018年)的年最高潮位以及历史台风增水极值建立评估序列, 采用Gumble分布、对数正态分布和Pearson-Ⅲ型分布对该站最高潮位年极值及增水极值进行了概率分布拟合, 通过柯尔莫哥洛夫检验逐点分析经验分布与理论分布的偏差, 从而确定理论分布的拟合优度。当使用经验分布函数(EDF)统计量检验分布模型时, 会出现多个分布被接受的情况, 此时, 需要甄别拟合优度最好的分布模型。采用似然比检验(likelihood ration test, LRT)评价多个分布函数的拟合优度[27]。
对于最高潮位和极值增水的重现期计算, 还要考虑资料的一致性。据上文第2节中三灶站的历史环境变迁情况说明, 三灶站自1984年建成三灶湾大堤后, 周边环境的变化对于潮位数据影响较大, 因此, 本文对三灶站(1984-2018年)的年最高潮位以及历史台风增水极值重新建立评估序列。
结果表明, 三灶站重现期最高潮位采用Pearson-Ⅲ型概率分布函数为最优模型, 三灶站重现期极值增水采用对数正态分布函数为最优模型。计算得到三灶站不同重现期最高潮位和极值增水(见表 1)。
本文涉及到的模拟潮位数据为天文潮和极值增水线性叠加处理后的数据, 将计算出的极值增水叠加潮汐预报点的天文潮位, 得出总的综合潮位。本方法是目前国内外普遍采用的方法, 也是《核安全导则》中建议采用的方法[28]。影响台风风暴潮模拟精度的因素主要有:模型计算域、台风中心最低气压场、台风移动速度、最大风速半径、台风移动路径等相关参数的选取。
5.1.1 基本方程及定解条件本文采用的风暴潮全流方程组如下:
(1) |
(2) |
(3) |
对应于方程(1)~(3)的有限差分方程组以及模式计算时所采用的台风域中的气压场和风场模型的有关内容和技术细节见文献[29]。
5.1.2 模型计算域根据张长宽等[30]对于广东省珠江口地区风暴潮的专题研究, 为高效、准确地模拟局部水域不同地点的增水分布, 并能够进行实时有效的水情发布, 需要建立适合于珠海的风暴潮增水数学模型。模型计算范围为105.5~122.0 °E, 12~25 °N(图 4), 采用五级网格离散, 南海大网格尺度为19.295 km×22.168 km, 各级网格的空间比为1:3, 经5级嵌套, 珠江口内南沙近岸水域最小网格尺度小于270 m。大小网格间采用"小网格的水位提供给大网格, 大网格的流量提供给小网格"的方法, 使计算在整个计算域的嵌套网格顺序推进。
本文选取1960-2016年(2017年和2018年的"天鸽"及"山竹"用来验证假想台风的计算结果)影响珠海的逐年台风中心最低气压P0建立评估序列, 采用Gumble分布、Weibull分布、对数正态分布和Pearson-Ⅲ型分布对台风中心最低气压P0年极值进行了概率分布拟合, 并检验筛选最优模型。结果表明, 采用Pearson-Ⅲ型分布概率函数为最优模型, 主要重现期结果列于表 2, 其中1 000年一遇台风中心最低气压为914 hPa, 100年一遇台风中心最低气压为930 hPa。
台风中心的移动速度VF是重要的台风参数之一。对于开阔水域, 登陆台风或紧靠岸边又平行于海岸移动的台风, 台风移动速度越快, 台风风暴增水越大。统计历史上影响珠海的前十位台风资料, 登陆前一日中心最大移动速度为37 km/h, 最小为10 km/h, 平均为24.5 km/h。在进行可能最大台风计算时, 台风中心移动速度取最大值37 km/h。
5.1.5 最大风速半径R台风最大风速半径是指台风中心到出现最大风速处的半径距离, 是衡量台风尺度的重要参数之一。按照美国格雷厄姆(Graham)和纽恩(Nunn)提出的经验公式:
(4) |
式中, VF是台风中心移动速度, 取在研究区域内登陆前一日中心最大移动速度, VF=37 km/h; φ为地理纬度, 取珠海市大陆部分最低纬度22.04 °N; P0是台风中心气压, 取914 hPa。计算得到最大风速半径R为31 km。
5.1.6 台风移动路径设计台风路径时, 需确定台风登陆地点和台风移动方向两个要素。从台风强度和致灾严重程度来看, 1208号台风和0814号台风造成三灶站超过260 cm的增水。在设计登陆点时, 考虑0814号台风在电白登陆和1208号台风在台山登陆。另外, 在1960-2012年间, 共有12个台风登陆广东阳江, 例如7610号台风、8404号台风、0218号台风等, 鉴于遭受台风侵袭的频繁程度, 取0218台风在阳江的登陆位置作为设计台风的登陆点。最后, 选取离珠海较近的澳门作为登陆点之一。
在台风路径设计时, 选取270~350 °之间、间隔10 °共计9个台风行进方向、四个登陆点进行风暴潮数值模拟, 以获取可能最大台风的路径。图 5为以澳门作为登陆点的数值模拟方案, 图中红色圆点为四个设计台风登陆点。
对不同台风设计路径进行模拟(表 3), 结果表明:台风在台山登陆、行进方向为310 °时, 将造成三灶站极值增水3.01 m, 取其为可能最大台风设计路径, 如图 5中的蓝色点划线所示。
将上文中确定的可能最大台风的参数:P0= 914 hPa, R=31 km, VF=37 km/h, 登陆地点为台山, 移动方向为310 °, 进行风暴潮数值模拟。台风中心位置如图 6中红色"*"所示。图 6显示, 台风引起三灶站极值增水在3.0 m左右。
2017年台风"天鸽"(1713)和2018年台风"山竹"(1822)台风路径图如图 7所示, 两次台风登陆点和强度以及移动方向都符合上述假想台风模型, 两次台风过程的基本信息见表 4。根据表 1三灶站重现期最高潮位及极值增水(1984-2018年资料), "天鸽"影响期间, 三灶站实测最高潮位2.7 4 m, 为50~100年一遇, 极值增水1.86 m, 为10~ 25年一遇; "山竹"影响期间, 三灶站实测最高潮位3.37 m, 为200~500年一遇, 极值增水2.84 m, 为50~100年一遇。与计算方案下强台风级别在台山登陆引起的计算结果一致。
本文基于1961-2018年珠海市气象观测资料以及珠海三灶站1964-2018年逐日潮位数据, 对珠海市台风及风暴潮灾害进行特征分析和频率计算。通过构建台风数据集, 计算得到影响珠海的可能最强台风的中心气压、移动速度、最大风速半径以及可能移动路径, 并通过此最强台风模拟出珠海三灶站的最高潮位和极值增水, 最后通过1713号台风"天鸽"和1822号台风"山竹"对于模拟结果进行验证。
(1) 1953-2017年, 影响珠海市(日雨量≥ 50 mm或日最大风速≥ 10.8 m/s)的台风共有166个, 年平均2.6个, 最多年份有7个(1974年)。珠海市受台风影响时段为4-12月, 其中又以7-9月为主。影响珠海市最早的台风为4月19日(2008年1号台风"浣熊", 登陆阳江), 最迟为12月2日(1974年第39号台风Irma, 登陆江门台山)。台风造成的珠海市日最大风速(10 min平均)和极大风速(3 s阵风)的极端最大值分别为40.0 m/s和57.2 m/s, 均为荷包岛海岛站录得, 出现在1713号台风"天鸽"影响期间(2017年8月23日)。
(2) 考虑到数据的一致性, 本文对三灶站(1984-2018年)的年最高潮位以及历史台风增水极值建立评估序列, 计算得到三灶站不同重现期最高潮位和极值增水。
(3) 影响珠海市的可能最大台风参数为:P0= 914 hPa, R=31 km, VF=37 km/h, 登陆地点为台山, 移动方向为310 °。利用1713号台风"天鸽"和1822号台风"山竹"对于可能最大台风进行验证, "天鸽"影响期间, 三灶站实测最高潮位2.74 m, 为50~100年一遇, 极值增水1.86 m, 为10~25年一遇; "山竹"影响期间, 三灶站实测最高潮位3.37 m, 为200~500年一遇, 极值增水2.84 m, 为50~ 100年一遇。与计算方案下强台风级别在台山登陆引起的计算结果一致。
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