孙弦，王静，夏冬，聂会文，高斯，苏烨康，吴志棚

（1.珠海市公共气象服务中心，广东 珠海 5 1 9 0 0 0；2.中山大学大气科学学院，广东 珠海 519082；3.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082）

珠海市地处珠江口西侧，濒临广阔的南海，几乎每年都受台风风暴潮增水影响［1］。九洲港作为全国沿海最大的港口客运站之一，在2017年强台风“天鸽”和2018年强台风“山竹”期间，受风暴潮和天文潮共同影响，受损十分严重。因此，对台风所带来的风暴增水及沿海码头可能出现的最高潮位进行模拟和预测，对防灾减灾具有重要意义。

目前国内外潮位计算方法主要为极值潮位统计法、风暴潮增减水与天文潮组合法、风暴潮增减水与天文潮联合概率法以及风暴增水模式法共4种［2-3］，其中前3种方法需要大量长期潮位观测数据，对历史数据依赖度高，因此有很大局限。风暴增水模式法从成因分析，建立风暴增水模式，根据历史台风资料计算增水值，并叠加当时的天文潮，得到潮位极值。端义宏等［4］分别利用特定统计模式和高分辨率ECOM-Si的数值模式，计算可能最大台风对上海地区的最大可能增水影响，分析认为高分辨率ECOM-Si的数值模式计算得到的增水结果更符合实际；周才扬等［5］采用ERA-Interim数据集作为背景风场资料建立了双重嵌套的高分辨率风暴潮与天文潮耦合数学模型，采用1810号台风“安比”实测风暴增水数据对模型进行了验证，结果表明风暴潮模型能够较好地模拟河口地区径流、天文潮和风暴潮的相互作用下的风暴潮位变化。研究表明，根据台风资料进行风暴增水的数值模拟，方法符合实际，目前得到广泛研究和越来越多的应用［6-7］。但是，风暴增水模式受局地影响较大，针对珠海沿海码头的风暴潮模式目前还比较缺乏。

另外，在利用风暴潮模式进行增水模拟时，初始强迫场为根据历史台风资料构建的可能最大台风，此时需要用极值模型来进行模拟，目前尚无统一的极值模型。本研究将引入广义Pareto分布（GPD）极值模型［8］，计算不同重现期台风中心最低气压和最大风速等极值，构建出可能出现的最大台风，将其作为初试强迫场进行风暴潮模拟，确定不同重现期最高增水情况，再叠加天文潮进而得出预测的最高潮位，从而构建出更加符合实际的珠海沿海码头百年一遇的台风风暴潮情景。

1 资料与方法

1.1 潮位站资料

根据《2017年中国海洋灾害公报》提供的资料，“天鸽”期间的珠海站最大风暴增水为2.79 m［9］，可作为风暴潮模型验证资料；《2018年中国海洋灾害公报》中“山竹”期间的珠海站最大风暴增水未给出［10］，因此用周边的三灶站、横门站的最大风暴增水作为风暴潮模型验证资料，分别为3.39和2.89 m。

1.2 登陆或严重影响珠海的台风资料

为计算不同重现期的潮位极值，通过历史台风的路径、速度、中心气压以及风速等资料，构建可能最大台风进行风暴增水模拟。表1列出了近30年登陆或严重影响珠海的台风（数据来源于中央气象台台风网），作为风暴潮模式的驱动场。表1中台风筛选的依据是登陆或严重影响珠海市。严重影响是指在台风系统影响下，本地平均风力≥8级；或平均风力6～7级，且24 h雨量≥80 mm；或48 h雨量≥150 mm。例如1716台风“玛娃”在汕尾登陆，2017年9月3—4日受其影响，珠海国家基本气象站（区站号59488）录得过程极大风速13.6 m／s（6级），其中4日录得最大日雨量205.5 mm（大暴雨），对珠海造成严重影响。

表1 近30年登陆或严重影响珠海的台风资料

1.3 GPD方法

关于极值的理论概率分布，目前尚无公认的统一模型，常用的极值模型有极值Ⅰ型（Gumbel分布）、皮尔逊Ⅲ型分布、Weibull分布、广义极值分布（GEV），样本抽取通常采用“年极值抽样（AM）”，但有的年份影响本地的台风超过1个，而有的年份台风影响又很小，因此之前提到的极值模型以及AM样本抽取受到限制，容易造成数据浪费。基于“超门限峰值POT”的GPD能充分利用有效数据信息，不受原始序列样本量的影响，具有全部取值域的高精度稳定拟合，具有高精度的实用性和稳定性。GPD的分布函数为

其中，α为尺度参数，起放大或缩小分布面积的作用，描述极值分布的变率，尺度参数越大，表明极值波动范围越大；β为阈值；k为形状参数，描述极值的分布情况。GPD的参数估计方法有多种，如极大似然估计、概率权矩估计、L矩估计等，在风压计算方面，极大似然估计具有相合性和渐近最优性，是参数估计最常用的方法［11］。

1.4 风暴潮和天文潮模式

风暴潮模式是基于日本气象厅JMA研发的风暴潮模式框架，进行本地化和模式改进建立的，该模式是基于浅水波方程的二维线性正压模式，目的是预报由于风搅拌和气压抽吸作用引起的水位增量，目前已在业务系统中广泛使用，且模拟效果较好［12］。模式水平分辨率为3 km，覆盖范围100°E—130°E，0—30°N。

本研究使用经典调和分析例行程序包T_tide来进行潮汐预测［13］。T_tide根据古典潮汐计算理论对潮汐进行分析，针对大约1年或更短的潮汐资料进行调和分析，并利用节点的修正解释未定潮汐成分；T_predic.m利用T_tide.m分析的结果和计算出的调和常数对未来某时刻的潮汐进行预报。

2 风暴潮增水数学模型验证计算

2017年强台风“天鸽”和2018年强台风“山竹”给广东带来了严重的风暴潮灾害，珠海更是受灾严重。图1为台风“天鸽”和“山竹”的路径示意图，可以看出，这两个台风均为自东南向西偏北方向移动，活动范围介于10°N—24°N之间。

图1 2017年强台风“天鸽”（a）和2018年强台风“山竹”（b）的移动路径

图2为风暴潮模式模拟的“天鸽”、“山竹”影响期间珠海站及九洲港等站的台风增水过程曲线。

图2 各站点在强台风“天鸽”（a）和强台风“山竹”（b）期间的增水过程曲线

从图2a可以看出，珠海站从23日12：00（北京时，下同）起潮位急增，达到2.7 m，并且一直维持到当天22：00，期间出现了最高2.9 m的风暴增水，与实测的2.79 m相差较小，模拟效果较好；九洲港风暴增水最高出现在23日16：00，为3.7 m，配合当天最高天文潮位1.1 m（基于1985国家高程基准），九洲港在“天鸽”期间最高潮位可达为4.8 m。

从图2b“山竹”影响期间的横门站、三灶站、珠海站和九洲港的台风增水过程曲线可以看出，三灶站的风暴增水最高，为3.6 m，与观测值的相对误差为5.9%；横门站的风暴增水最高，为2.6 m，与观测值的相对误差为9.3%。珠海站最高增水出现在16日17：00，为2.7 m，九洲港在16：00—17：00也有明显的风暴增水高峰期，可达2.6m，并且在21：00之后还有一个峰值区，最大增水接近2.9 m，配合当天最高天文潮位0.7 m（基于1985国家高程基准），九洲港在“山竹”期间最高潮位可达为3.6 m。

3 最大可能风暴增水

在沿海重大工程项目建设和防灾规划制定时，应充分考虑风暴潮袭击的频繁程度和可能最大台风增水。可能最大台风的主要参数包括：台风中心气压、台风中心最大风速、台风移动速度以及台风登陆时与海岸的交角。基于登陆或严重影响珠海的历史台风资料（表1），构建出对九洲港可能出现的最大台风、台风移速和路径也依据统计方法计算后得到的［14］，最终模拟出可能出现的最大台风增水。

ΔP为台风外围不受台风影响处的海平面最大气压P∞和台风中心最低气压P0两者之差，其中P∞取我国沿海夏季海平面气压的平均值（1 008 hPa），对ΔP进行基于阈值抽样的GPD拟合［15］，参数估计使用较好的极大似然估计，得到50和100年一遇的台风中心最低气压分别为906和895 hPa。

同样对最大风速进行基于阈值抽样的GPD拟合，参数估计使用较好的极大似然估计，得到50和100年一遇的最大风速分别为64和68 m／s。

台风风暴数值模式的研究成果表明，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［12］，但对于曲折海岸就复杂多了。在进行可能影响最大台风计算时，统计登陆或影响珠海的台风登陆时的移动速度前10名，取其平均值，为28 km／h。

确定台风移动的方位和登陆的位置，是设计台风移动路径2个重要的元素。将登陆地点定为九洲港，移动方位为270°到360°，间隔为10°。

利用风暴潮模式模拟重现期为100年的不同移动方向的风暴增水，图3a为100年一遇、路径为270°～360°的台风增水过程曲线，发现从270°到360°，移动方向越接近正北，增水越大，100年一遇的最大风暴增水为5.1 m。图3b为重现期为100年的可能最大增水分布，从图3b可以看出，九洲港北侧的增水要比南侧更高，北侧增水可达5.2 m以上，南侧增水在4.8到5.0 m之间。

图3 重现期为100年、路径为270°～360°的台风增水过程曲线（a）和可能最大台风增水分布（b）

4 天文潮调和分析

采用九洲港潮位站2018年10月1日00：00到2019年9月30日23：00间隔1 h的潮位资料进行调和分析，T_tide中设置开始时间为2018年10月1日00：00，纬度为22.241°N，信噪比取2，计算得到该站点处的潮汐调和常数，分析回归估计值与实际观测值之间的差。该潮位站的回报准确率为96.9%，并通过了95%的置信区间检验，反演结果好（图4）。

图4 真实和反演的潮汐对比

在成功实现了对当前时次的反演后，对未来100年的可能最高潮位进行预测。从理论数据中（图5）可以看到，未来100年九洲港可能出现的最高天文潮位接近1.4 m（基于1985国家高程基准）。

图5 未来100年的最高天文潮位

5 结论

本研究以珠海九洲港为研究对象，通过模拟了百年一遇的最强台风影响下的风暴增水以及天文潮位，得出了未来100年内可能出现的最高潮位。对九洲港来说，台风移动方向越接近正北，风暴增水越大，路径为360°的台风增水模拟最大，当中心气压和最大风速设为100年一遇的值时，最大增水为5.1 m，九洲港北侧增水要比南侧增水更大。叠加未来100年可能出现的最高天文潮1.4 m，可以得出基于1985国家高程基准，未来100年九州港最高潮位可能达6.5 m。

该项工作可作为九洲港海堤高度设计的参考，其它码头的情况还需再做分析；同时，海堤堤顶高程需综合考虑设计高潮位、波浪爬高以及安全加高值等。另外，风暴增水到达九洲港后，又如何影响下游地区，需更多地考虑地形及建筑等综合因素。