基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程——以1822号台风“山竹”为例.pdf

基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程以 1822 号台风“山竹”为例方神光1,2，喻丰华1，王世俊1（1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东广州510611；2.广东水利电力职业技术学院,广东广州510635）摘要：基于台风“山竹”期间伶仃洋水域 6 座浮标站数据，采用主潮通量算法分析了该水域的动力特征，揭示了台风影响期间伶仃洋河口湾的动力响应过程。结果表明：台风登陆前 1d，伶仃洋整体水域气象环境开始受到明显影响，当日以北风为主且风速较小；台风登陆期间最大风速约 30m/s，为东北偏东风；登陆后，风速开始逐渐减小，以东南风为主。台风登陆期间，伶仃洋水域涨、落潮流速显著增大，潮位出现近 9h 的持续上涨，湾顶最高潮位出现时间比湾口晚约 2h。台风登陆前和登陆期间，西滩中部水域形成一落潮通道，东四口门潮流以上溯为主，遭遇上游下泄洪水，导致网河区潮位持续上涨，水位平均抬升达约 54cm；登陆后，洪水动力持续增强和风速减弱，伶仃洋水域落潮历时显著延长。内伶仃洋流速剪切梯度峰值出现在落潮至落憩时段的近底层 2m 水深范围内，台风登陆期间该范围明显向河床收缩；湾口剪切梯度峰值出现在落憩和初涨阶段的表层水域，受控于表层海面风速和风向变化，底层剪切梯度始终很小。关键词：风暴潮；伶仃洋；流速梯度；潮动力；浮标站中图分类号：P731.21文献标志码：A文章编号：1002-3682（2023）02-0149-13doi：10.12362/j.issn.1002-3682.20220728002引用格式：方神光,喻丰华,王世俊.基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程以 1822号台风“山竹”为例J.海岸工程,2023,42（2）：149-161.FANGSG,YUFH,WANGSJ.DynamicresponseprocessofextremestormsurgeintheLingdingyangEstuarybasedontheobservationsatbuoystations:takingTyphoon1822(Mangkhut)astheexampleJ.CoastalEngineering,2023,42（2）：149-161.洪水与风暴潮遭遇形成的极端增水会给河口地区造成重大灾害和损失，国内外对风暴潮的监测、预警和预报及应对开展了大量研究工作1-5。珠江河口是受风暴潮影响最为频繁的区域，卢如秀和叶锦昭6调查解放后八场台风增水数据显示，珠江口增水空间分布存在三角洲两边向中间水道渐减和漏斗状口门由外向内逐渐递增的规律。甘雨鸣等7较早构建了包含珠江口在内的南海北部大范围风暴潮动力数学模型并分析了影响珠江口台风不同登陆位置的潮位振动规律。周旭波和孙文心8指出当风暴潮最大增水出现在天文潮高潮时，不计入天文潮的影响会使计算增水偏大。邰佳爱等9认为台风“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长、天文潮潮差大以及台风登陆时珠江口内处于高潮位。贾良文等10分析显示，广东省沿海年最高设计潮位总体呈东低西高收稿日期：2022-07-28资助项目：流域水治理重大关键技术研究（SKR-2022036）；华东师范大学河口海岸学国家重点实验室 2021 年开放课题基金（SKLEC-K7-202110）作者简介：方神光（1978），男，正高级工程师，博士，主要从事河口水动力学方面研究.E-mail：（李燕编辑）第42卷第2期海岸工程Vol.42No.22023年6月COASTALENGINEERINGJune,2023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。刘士诚等11构建了珠江河口风暴潮数学模型并模拟了 1822 号强台风“山竹”的演进过程，详细探讨了不同风暴潮因子对珠江河口水域增水的时空影响规律。可见，以往绝大多数风暴潮极端增水灾害研究主要基于理论推导或数学模型反演，恶劣海况导致现场观测数据极为稀缺。本文则基于伶仃洋河口浮标观测站在“山竹”台风期间的水文观测数据，从潮流动力角度揭示极端台风作用下的伶仃洋河口湾动力时空响应过程，为深入研究珠江河口台风致灾机理提供支撑。1研究区域及数据收集1.1区域概况伶仃洋河口湾呈 NNWSSE 走向的喇叭形（图 1），自东向西依次为虎门、蕉门、洪奇沥、横门（简称东四口门），其中虎门为潮流通道，蕉门、洪奇沥、横门属径流型河口12。口门与金星门内伶仃岛赤湾断面间的半封闭水域为内伶仃洋，该水域水下地形存在“三滩两槽”格局13，东槽为矾石水道，平均水深 9m；西槽为伶仃水道，平均水深 18m，是广州港出海主航道，东、西两槽将河口湾分割为东、中、西三滩。本世纪以来，西槽由于广州出海航道等级提升，槽宽向两侧扩展，东槽中下段水深有所加大，中滩在大规模采砂下分割成上部伶仃洋拦江沙和下部矾石浅滩，东、西槽在中滩中部有贯通之势14。西滩不断向东、向南淤积，东滩滩面不断减少；澳门大濠岛断面占伶仃洋水域总纳潮量约 87.7%15，是主要的泄洪纳潮和水沙输移口门。伶仃洋西部水沙自蕉门起，沿途接纳洪奇门、横门落潮水沙，经澳门附近水域后向西南方向输运。1.2资料来源本文数据来源于珠江水利委员会水文局布置于珠江河口伶仃洋水域的 6 座浮标观测站，位置如图 1所示，其中内伶仃洋水域中西部 4 座（编号为 A1A4），外伶仃洋水域 2 座（编号为 A6 和 A7）；A1和 A4 浮标站位于主航道西槽上下游，距离约 13.5km，站点位置平均水深约 79m（珠江基面，下同）；A2 和 A3 站位于西滩水域，平均水深 6.0m 左右；A6 和 A7 站位于外伶仃洋附近澳门水域，两站距离约 11.2km，水深约 57m。各观测站均使用 1MHz 浪龙声学多普勒流速剖面仪采集流向、流速、水深等数据，仪器设定垂向分辨率为每层 0.30.5m，垂向测量范围为 0.4125.0m，采样间隔为 20min。测点位置水域平均水深在 8m 以内，本文选取 0.2H、0.6H 和 0.8H（H为水深）数据代表表、中、底层进行潮流动力特征分析。强台风“山竹”于 2018 年 9 月 16 日（农历八月初七）17:00 左右登陆珠江口西侧，登陆时珠江河口口门区各控制站处于天文潮小潮期低高潮的落潮阶段。因此，为分析“山竹”登陆前、中、后时段的伶仃洋潮周期潮动力特征，选取分析时段为 2018 年 9 月 14 日 00:00 至 19 日 23:00 共 6d，对应农历 40 30 30 30 30 20 20 20 20 20 20 10 10 10 10 10 1000000A6A7A1A2A3A4大万山桂山岛金星门内伶仃岛赤湾万顷沙南沙港横门虎门蕉门大濠岛横琴岛香港淇澳岛澳门洪奇沥矾仃水道伶道石水东滩中滩西槽西滩东槽磨刀门N224822362224221222001132411336113481140011412E测站珠江口2300注：图中等值线为水深（m）。图1伶仃洋及口门水域地形和浮标观测站位Fig.1SketchmapoftheLingdingyangEstuaryandthewatersatitsmouth150海岸工程42卷八月初五至初十，天文潮处于中小潮，这期间上游马口站和三水站来流量呈迅速增加趋势，最大出现在 18 日，马口站最大洪水流量为 16300m3/s，三水站最大洪水流量为 5070m3/s，属于珠江河口常遇洪水量级（图 2）。05 00010 00015 00020 00025 0002018-09-142018-09-162018-09-182018-09-20流量/(m3s1)日期三水站图 例马口站马口站+三水站图2马口站和三水站洪水过程线Fig.2ThefloodhygrographatMakouStationandSanshuiStation1.3研究方法1为准确探讨特征时段内海流的流动特征，引入主潮通量断面概念16，对应潮流椭圆短轴，通过该断面的单宽潮通量最大（涨潮通量和落潮通量之和），断面两侧潮流矢量定义为涨潮流或落潮流矢量。主潮通量计算方法为：任选1 个与N 轴正向夹角为 的断面，分析时长tm内，通过该断面的单宽总潮通量为：Fn1=mj=1Fj=mj=1wtjtj1Qidt=mj=1wtjtj1|vihi|dt，（1）FjFn1Fn2FnkFn(1+180o)式中：i 为时刻编号；j 为任一涨潮时段或落潮时段编号；1为任一断面与 N 轴正向夹角；为任一潮段的通量；m 为涨、落潮时段的总次数；Qi、Vi、hi分别为 i 时刻的单宽流量、流速和水深；tj和tj-1分别为涨、落潮段起止时刻。在 0o180o范围按一定方向和角度内选取不同断面，即可计算出通过不同短轴断面的单宽总潮通量,，取其中最大值对应的短轴作为主潮通量断面后，可区分各时刻观测数据的涨、落潮矢量，并分解为 N 分量和 E 分量，采用沿时间轴积分法求出指定时段或潮周期内的动力特征值。2潮汐潮流时空分布特征2.1潮汐特征A7 站位于伶仃洋口门，A1 站靠近湾顶，基于 2 站实测水深给出其潮位随时间变化，如图 3 所示。从海面高度变化来看，受“山竹”台风风暴潮影 响，伶 仃 洋 湾口 A7 站 从 2018 年 9 月 16 日08:00 开始涨潮并持续至 16:00，时长达 8h，最大潮差达 2.65m，潮位最高值出现在 16 日 16:00；湾顶 A1 站从 9 月 16 日 9:00 开始涨潮持续至 18:00，时长达 9h，最大潮差达 3.05m，潮位最高值出现在 16 日 18:00。因此，“山竹”台风风暴潮期间，伶仃洋湾顶最高潮位出现时间较湾口晚约 2h，受喇叭形河口聚能作用，湾顶最大潮差大于湾口。210123登陆前登陆中登陆后A1 站A7 站潮位/m日期09-1409-1509-1609-1709-1809-1909-20图3A1 站和 A7 站潮位变化Fig.3Variationsofwatersurfaceelevation2期方神光，等：基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程151珠江河口水域为不规则半日潮，天文潮周期平均约为 24.8h，从 2018 年 9 月 14 日 00:00 至 19 日04:00 共 124h 包含了 5 个完整潮周期，初步将其分为台风登陆前（潮周期 I 和 II）、中（潮周期 III）、后（潮周期 IV 和 V）三个时段，各潮周期内平均潮差和最大潮差及所处时段如图 4 所示，由于这一时段处于天文潮由中潮转向小潮，不考虑台风登陆期间影响最大时段，A1 和 A7 站平均潮差在台风登陆前的第 I 个潮周期为 1.44m 和 0.92m，登陆后的第 V 个潮周期为 0.56m 和 0.30m，伶仃洋湾顶潮动力大于湾口；台风登陆期间的第 III 潮周期，受风暴潮影响最为显著，2 站平均潮差分别达 1.97m 和 1.34m，显著大于登陆前、后时段。2.2垂向平均流速和流向时空响应特征计算伶仃洋水域 6 个站点在 5 个完整潮周期内的垂向平均涨、落潮潮流及余流，其水深平均流矢量如图 5 所示。不考虑风暴潮影响最大的第 III 潮周期，伶仃洋水域潮周期垂向平均涨、落潮流速不超过 50cm/s，天文潮由中潮向小潮过渡期间，水域流速整体呈减小趋势，与潮差减小趋势相对应。主航道（A1 和 A4 站）水域流速呈落潮大于涨潮、上游大于下游的分布规律。“山竹”登陆期间（第 III 潮周期），伶仃洋水域垂向平均涨、落潮流速较台风登陆前、后总体显著增大；与第 II 潮周期比较，涨、落潮平均流速在主航道水域增加约 50%和 22%，在横门北支出口延伸段水域（A2站）增加约 40%和 16%；西滩中心水域（A3 站）涨潮流速增加约 88%，落潮流速反而减小约 18%。在伶仃洋湾口内、外侧水域，A6 和 A7 站平均涨潮流速增加了 2.6 倍和 4.1 倍，平均落潮流速均增加约 2.6 倍。从流向来看，伶仃洋湾口内侧水域A6 站涨潮流向为 NWNNE，落潮流向为 SWSSE，湾口外侧 A7 站涨、落潮潮流向总体为 NE向和 SW 向。因此，“山竹”登陆前后，伶仃洋水域流速总体呈显著增大，但涨、落潮流向总体不变。从观测潮周期水深平均余流矢量来看，风暴潮对伶仃洋湾口水域 A6 和 A7 站余流影响显著，两站台风登陆期间（第 III 潮周期）余流值分别达到 37.2cm/s 和 75.2cm/s，显著大于其他潮周期，但余流流向仍为 SWSSW，风暴潮对其基本无影响。内伶仃洋水域，台风登陆前、中时段内，上游来流量相对较小，主航道和横门出口延伸段水域余流流速都很小，不超过 10.0cm/s，导致上游下泄洪水径流受阻而堆积，受此影响，台风登陆前在西滩中间形成一指向下游的泄流通道，导致 A3 余流流速相对较大，尤其在台风登陆前的第二个潮周期，达 24cm/s；台风登陆后，受上游洪水流量增大、径流动力增强影响，第 IV 和第 V 个潮周期 A1A4 站余流流速主要在 1020cm/s，内伶仃洋水域余流整体显著增大且指向下游。因此，“山竹”登陆期间，伶仃洋水域涨、落潮流速整体以增01234A1A7A1A7A1A7A1A7A1A7潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V登陆前登陆中登陆后潮差/m平均潮差最大潮差图4各潮周期 A1 站和 A7 站潮差变化Fig.4VariationsoftidalrangeatstationsA1andA7duringthetidalperiodsA7A6A4A3A2A1NN潮周期(a)涨、落潮潮流矢量(b)余流矢量站点A7A6A4A3A2A1潮周期站点50 cms150 cms1图5水深平均流矢量Fig.5Vectorsofverticalmeanflowvelocityduringthetidalperiods152海岸工程42卷大为主，对流向影响较小；伶仃洋湾口附近水域余流显著增大，流向不变；内伶仃洋水域在台风登陆前虎门、蕉门、洪奇门和横门附近余流流速很小，并在西滩中间形成一泄流通道，台风登陆后，余流主要受上游洪水控制，流速整体增大且指向外海。2.3涨、落潮历时响应特征各观测站潮周期内平均涨、落潮历时占比如图 6 所示。内伶仃洋主航道水域，“山竹”登陆前第II 潮周期，除西滩中部落潮历时明显长于涨潮，主航道及口门水域都为涨潮历时长于落潮；登陆期间和登陆后，受上游洪水径流动力增强影响，内伶仃洋水域落潮历时更长且随时间呈增加趋势，如第 V 潮周期内，主航道水域 A4 站落潮历时占比达到 66%，横门北支延伸段水域 A2 站落潮历时为 61%，西滩中心水域 A3 站为 55%。伶仃洋湾口附近水域在台风登陆中、后期落潮历时显著延长，尤其是口外水域 A7 站在第 V 潮周期（9 月 18 日至 19 日）都为落潮流，显然是由风暴潮与上游洪水径流共同作用所致。因此，“山竹”登陆前、中、后阶段，伶仃洋湾口附近水域涨、落潮历时即开始受到显著影响，风暴潮作用主导了该变化过程；内伶仃洋水域在第 II 潮周期涨、落潮历时开始受到风暴潮明显影响，表现为主航道和东四口门水域涨潮历时更长、西滩中部水域落潮历时明显延长，台风登陆后，受控于上游洪水径流动力增强，整体表现落潮历时更长，与内伶仃洋余流在第IV 和 V 潮周期明显增大且流向不变相对应。050100潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V历时占比/%历时占比/%历时占比/%历时占比/%历时占比/%历时占比/%050100涨潮(c)A3 站(d)A4 站(a)A1 站(b)A2 站(e)A6 站(f)A7 站050100050100050100050100落潮图6各潮周期平均涨、落潮历时占比变化Fig.6Theaveragedurationsoftherisingtideandtheebbtideduringthetidalperiods2期方神光，等：基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程1532.4净潮通量响应特征伶仃洋站点 5 个完整潮周期的 E 轴和 N 轴单宽净潮通量结果如图 7 所示。台风登陆前和登陆期间，内伶仃洋主航道水域和东四口门 E 轴和 N 轴向单宽净潮通量都很小，基本不超过 500m3。台风登陆期间 A1 站净潮通量指向 NW，A2 站在 E 轴上始终指向西，显示在“山竹”作用主导下，主航道水域和横门北支延伸段水域潮流净潮通量整体呈上溯态势，造成台风登陆期间上游口门内洪水径流无法外泄，从而出现极端潮位。台风登陆前的第 II 潮周期西滩中部水域单宽潮通量较大，尤以N 轴向最为明显，绝对值达 1821m3，且指向下游，与台风登陆前第 II 潮周期余流增大和落潮历时更长相对应，进一步证实台风登陆前会在内伶仃洋西滩中部形成泄流通道。台风登陆后，受上游洪水径流动力增强主导，内伶仃洋水域净潮通量在 N 轴整体指向南侧外海方向，E 轴向上靠近东四口门的 A1 和 A2 站净潮通量指向东、远离口门的 A3 和 A4 指向西，内伶仃洋水域东四口门下泄径流东偏，中部水域则变为西偏。另外，台风登陆期间（第 III 潮周期），主航道纵向（N 轴向）净潮通量在上游（A1 站）为正、下游（A4 站）为负，出现“上游朝北、下游朝南”的分离流态势，会进一步加强由东向西的补偿流运动，该现象与台风登陆期间内伶仃洋水域强劲东风密切相关。伶仃洋湾口内、外侧水域，A6 和 A7 站在 E 轴和 N 轴净潮通量最大值均出现在台风登陆期间的第 III 潮周期内，受风暴潮主导明显，且方向均指向西侧和南侧。1 00050005001 0001 5001 00050005001 000净潮通量/m3净潮通量/m3净潮通量/m3净潮通量/m3净潮通量/m3净潮通量/m32 0001 5001 00050005003 0002 0001 00003 0002 0001 00008 0006 0004 0002 0000潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V(c)A3 站(d)A4 站(a)A1 站(b)A2 站(e)A6 站(f)A7 站N 向E 向图7各潮周期 E 向和 N 向单宽净潮通量Fig.7NetfluxperunitwidthintheE-axisdirectionandtheN-axisdirectionduringthetidalperiods154海岸工程42卷3垂向动力结构响应特征3.1海面风特征浮标站同步观测了海面以上 2m 的风速和风向，计算 5 个潮周期内的平均风速和平均风向如表 1所示，潮周期内平均风为根据高频实测风速和风向数据分解到 E 轴和 N 轴的标量沿时间轴积分平均后合成的矢量，反映潮周期内海面风的主方向和净吹程，是影响水域潮流物质输移强度和路径的重要物理参数，与水域表层余流密切相关。观测数据中，A3 站在第 IIIV 潮周期内数据缺测。分析可见，第 I 潮周期内，内伶仃洋水域 A1A4 站海面风以 SSSE 风为主，明显有别于伶仃洋湾口附近水域 A6 和 A7 站的 EENE 风，显示第 I 潮周期内“山竹”台风暂未影响到内伶仃洋水域，期间观测到内伶仃洋水域最大风速出现在 A1 站，为 6.8m/s，ESE 风，湾口水域最大风速6.2m/s，NE 风；各站在第 I 潮周期内平均风速则均不超过 2.0m/s，风速较小。第 IIV 潮周期，伶仃洋水域各站观测到的海面风向基本一致，分别以 N 风、ENE 风、SE 风和 SE 风为主，显示“山竹”台风风暴潮已经影响到伶仃洋全部水域，风速整体呈现由湾口往湾内递减规律，以台风登陆期间的第 III 潮周期风速最大，最大风速出现在伶仃洋湾口水域 A7 站，达 30m/s，为 ENE 风，内伶仃洋最大风速出现在 A1 站，达 29m/s，也为 ENE 风。表1各潮周期海面平均风速和风向统计结果Table1Statisticsofmeanwindspeedanddirectionatthewatersurfaceduringthetidalperiods测站潮周期 I潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V平均风速/(ms1)平均风向平均风速/(ms1)平均风向平均风速/(ms1)平均风向平均风速/(ms1)平均风向平均风速/(ms1)平均风向A1 站1.1S3.6N9.7ENE7.5SE3.2SEA2 站1.4SSE3.7N9.3ENE7.9SE4.0SEA3 站1.2SSE3.9N缺测缺测缺测缺测缺测缺测A4 站1.0S3.8N9.3ENE8.2SE4.0SEA6 站1.3E4.6N9.8ENE9.9SE5.5ESEA7 站1.8ENE4.9N9.6E9.6SE5.7E3.2垂向分层余流结构响应分析图 8 给出了各潮周期内分层余流矢量和海面平均风矢量图。纵坐标 01 段为相对水深，0 代表近海面层，1 代表近河床底层，对应的矢量为余流。图中除 A7 站余流比尺采用 50cm/s，其他站都为 20cm/s。分析海面风特征可知，第 I 潮周期内，“山竹”台风风暴潮暂未影响到内伶仃洋水域，海面风速小且对余流影响不大，受表层冲淡水下泄和底层陆架高盐水体上溯影响，余流表、底层方向相反；内伶仃洋主航道水域，A4 站垂向以 0.60.7 层水深为界，余流在分界线以上为 S 向、以下为 N 向，表层余流流速最大，达 23.2cm/s；主航道上游水域 A1 垂向余流近似以 0.4 层水深为界，以上为ESE 向、以下为 NW 向。第 IIV 个潮周期，“山竹”台风风暴潮影响到伶仃洋全部水域，以湾口水域受影响最明显，台风登陆期间，A6 和 A7 站余流流速达到最大，且全剖面流向基本一致，均为SWSSW 向，两站最大余流流速分别达 46.5cm/s 和 90cm/s，以表层余流流速最大。靠近虎门的2期方神光，等：基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程155A1 站和横门的 A2 站，上游洪水径流动力影响显著且不断增强，台风登陆前、中的第 II、III 潮周期，两站 00.4 近表层水体余流流向同时受径流动力和强风影响，第 IV 和第 V 潮周期，海面风主要为SE 风，但 A1 和 A2 站近表层水体余流流向为 SE 向，因主要受控于上游下泄洪水径流动力增强所致。从垂向分层余流来看，第 IIV 潮周期，受台风登陆及后期洪水径流动力增强，西滩中心水域（A3）垂向余流流速相差不大、流向一致，以 SSW 为主，且以台风登陆前的第 II 潮周期余流流速最大，显示台风登陆前西滩中心水域形成的洪潮下泄通道动力强劲。1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10N余流:20 cms1风速:10 ms1NNNNN海面风相对水深1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10海面风相对水深1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10海面风相对水深1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10海面风相对水深1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10海面风相对水深1.0 潮周期 0.90.80.70.60.50.40.30.20.10海面风相对水深(a)A1 站(b)A2 站(c)A3 站(d)A4 站(e)A6 站(f)A7 站余流:20 cms1风速:10 ms1余流:20 cms1风速:10 ms1余流:20 cms1风速:10 ms1余流:20 cms1风速:10 ms1余流:50 cms1风速:10 ms1图8各潮周期垂向分层余流和海面风矢量分布Fig.8Verticalstratifiedresidualcurrentandwatersurfacewindvectorsduringthetidalperiods3.3水平流速梯度的时空响应特征图 9 为伶仃洋各站水平流速梯度时空变化图，纵坐标海面高度为各时刻相对测点位置分析时段实测平均高度的差值。基于各时刻沿水深分层观测潮流，计算各层潮流矢量在 E 轴和 N 轴上的分量值，根据分量值计算垂向每层的梯度分量，最后将每层 E 轴和 N 轴梯度分量合成后，得到每层水平流速梯度值，主要体现台风风暴潮动力过程下的水体垂向流速的变化及由此形成的水平剪切作用力大小。图 9 显示，在内伶仃洋水域，水平流速梯度值总体在 0.7s1以内，各站最大流速梯度主要出现在近底层 2m 范围内，并形成以最大值为中心的局部剪切环，且流速梯度峰值主要出现在潮汐落潮至落憩时段，此范围之外，流速梯度总体在 00.2s1范围内变化，且水深越浅，该规律越明显。台风登陆的第 III 潮周期，由于海面风动力增强，流速分布进一步趋于均匀，流速梯度小于0.1s1的区域垂向上明显扩大。因此，洪季内伶仃洋水域，从水平流速梯度峰值主要出现在近底层水域和落潮阶段来看，其形成原因主要是落潮阶段淡水径流下泄动力增强，造成底层高盐陆架水上溯补偿流加剧；台风登陆期间，海面风动力强劲并占据主导作用，内伶仃洋水域流速趋于均匀分布，水平流速梯度呈显著减小趋势。在伶仃洋湾口附近的 A6 和 A7 站，受“山竹”台风风暴潮作用影响更早也更显著，该水域是伶仃洋西侧蕉门、洪奇门和横门及澳门水道下泄洪水西南输运的主通道；A6 站水深浅，洪水径流及海面风作用容易抵达底层，水平流速梯度总体在 0.4s1以内，台风登陆期间，在强烈海面风和底边界层作用下，近底层水平流速梯度显著大于表、中层；A7 站156海岸工程42卷水域水深相对较大，最大水平流速梯度达到 1.2s1以上，且出现在近表层，明显大于伶仃洋其他水域，中、底层水域总体相对较小且绝大部分在 0.2s1以内；由于台风登陆前第 II 潮周期伶仃洋湾口水域以北风为主、登陆期间（潮周期 III）和登陆后（潮周期 IV、潮周期 V）以 SE 风为主，与该水域东北偏东的涨潮主向总体相反，叠加上游下泄洪水径流影响，导致最大流速剪切梯度出现在近表层水域和落憩至初涨阶段时段。09-14T00:0064海面高度/m20209-15T00:48 09-16T01:36时刻流速梯度/s1流速梯度/s1流速梯度/s1流速梯度/s1流速梯度/s1流速梯度/s109-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:0009-14T00:00 09-15T00:48 09-16T01:36 09-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:0009-14T00:00 09-15T00:48 09-16T01:36 09-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:0009-14T00:00 09-15T00:48 09-16T01:36 09-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:0009-14T00:00 09-15T00:48 09-16T01:36 09-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:0009-14T00:00 09-15T00:48 09-16T01:36 09-17T02:24 09-18T03:12 09-19T04:00时刻时刻时刻时刻时刻00.10.20.30.40.500.10.20.30.40.60.500.10.20.30.40.60.500.10.20.30.40.60.500.10.20.30.40.500.10.40.60.81.00.20.30.50.70.91.21.164海面高度/m2024海面高度/m20264海面高度/m2024海面高度/m20264海面高度/m202潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V潮周期 I 潮周期 II 潮周期 III 潮周期 IV 潮周期 V(c)A3 站(d)A4 站(a)A1 站(b)A2 站(e)A6 站(f)A7 站图9各站水平流速梯度时空变化Fig.9Temporalandspatialvariationofverticalflowvelocitygradientatthestations3.4涨、落潮历时响应特征基于 Kriging 插值法绘制了各潮周期涨、落潮历时占比差（潮周期平均落潮历时占比平均涨潮2期方神光，等：基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程157历时占比）的时空变化图（图 10），图中纵向相对水深为各时刻最大水深的相对位置（近表层为 0，近底层为 1）。潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V历时占比差/%历时占比差/%历时占比差/%历时占比差/%历时占比差/%历时占比差/%40200204060402002040402002040608040200204060804020020406080202004060潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V潮周期 I1.00.5相对水深0潮周期 II潮周期 III潮周期 IV潮周期 V(c)A3 站(d)A4 站(a)A1 站(b)A2 站(e)A6 站(f)A7 站图10站点涨、落潮历时占比差时空变化Fig.10Temporalandspatialvariationsofthedifferenceintidaldurationatstations内伶仃洋主航道（A1 站和 A4 站）和横门北支出口延伸段水域（A2 站）垂向涨、落潮历时差时空变化规律基本一致，台风登陆前、中潮周期（I、II、III），受洪季表层冲淡水下泄和底层高盐水上溯影响，垂向总体呈现近表层水域落潮历时长于涨潮、近底层水域涨潮历时长于落潮的规律，其分界线 A1 站在中层附近，A4 站总体更靠近表层，A2 则更近底层。台风登陆后（IV、V），受上游洪水动力继续增强影响，主航道和延伸段水域全断面基本都为落潮历时长于涨潮，历时差最大值 A1站出现在第 IV 潮周期的中层水域、A4 站和 A2 站出现在表层。西滩中部水域 A3 站各潮周期内全水深断面总体都为落潮历时长于涨潮；伶仃洋湾口附近水域 A6 和 A7 站在台风登陆中、后时段内全水深断面也为落潮历时长于涨潮历时，台风登陆前，呈现表、中层为落潮历时长于涨潮，近底层为涨潮历时长于落潮。因此，“山竹”登陆的前、中、后全过程阶段，伶仃洋中、西部水域垂向涨、落潮历时的此消彼长仍表现出典型的洪季表层大量洪水径流下泄和底层高盐陆架水入侵相互作用的动力特征17，台风登陆期间强烈的扰动和登陆后上游洪水径流动力的显著增强削弱了垂向咸淡水158海岸工程42卷的密度分层作用，导致垂向分层落潮历时都长于涨潮历时。4极端台风风暴潮对网河区防洪潮影响讨论珠江河口属于堆积型弱潮河口，形成于距今 6000 年左右，由古海湾内淤积而来，地势低洼平坦，极易受洪潮顶托影响导致区域内严重洪涝灾害。刘俊勇18提出了珠江三角洲水库概念模型，范围主要涵盖整个珠江三角洲区域，最低潮位以上随洪潮水位变化区域作为防洪潮库容，指出库容减少 2%以上就会造成三角洲网河区平均水位抬升 10cm 以上。“山竹”台风风暴潮期间，台风登陆前的潮周期 II 和登陆期间的潮周期 III 伶仃洋东四口门净潮通量很小且指向口门上游，若根据三角洲河网水库概念，此段时间三角洲河网水库只有入流而没有出流，会导致水位迅速升高。珠江河口洪水主要来自西江、北江，采用图 2 中马口站和三水站流量计算第 II 和第 III 潮周期进入三角洲网河区的总水量约 22.0 亿 m3，相关研究显示，珠三角网河区总水域占土地面积的 9.54%19，则“山竹”登陆前和登陆期间将导致网河区水位平均抬升约 54cm，且台风风暴潮期间大多数堤围外江水闸处于关闭状态，洪水主要集中在西江、北江干流水道，是导致口门及干流水道普遍出现超百年一遇水位的主要原因。洪水出现时间与刘士诚等11得到的西北江干流最大增水出现时间为台风登陆前 2h 至登陆后 10h 基本对应。珠江河口洪水主要由八大口门入海，由于台风登陆前及登陆期间西江部分洪水、北江和东江洪水将无法从东四口门（虎门、蕉门、洪奇沥、横门）进入伶仃洋，网河区水位会形成东高西低的分布特征，水位差作用下，更多洪水将由西四口门（磨刀门等）朝外海宣泄，从而迅速增加西侧干支流堤防的防洪压力。因此，珠江三角洲网河区在极端台风风暴潮遭遇上游较大洪水时，洪水无法顺畅下泄是导致短时间内网河区快速壅水的主要原因。5结论基于伶仃洋水域布置的 6 座浮标观测站，捕捉到了“山竹”极端台风风暴潮期间水文气象要素的时空变化过程，剖析了极端台风风暴潮作用下伶仃洋水域的平面潮流结构，揭示了垂向潮流结构的动力响应。研究显示，伶仃洋湾顶和湾口最大潮差出现在“山竹”登陆期间，分别达到 3.05m 和2.65m，受喇叭形聚能作用，湾顶平均潮差大于湾口，且湾顶最高潮位出现时间较湾口晚约 2h。伶仃洋水域海面风在台风登陆前 1d 开始受到明显影响，以 N 向风为主且风速较小，登陆期间伶仃洋最大风速达到 30m/s，为 ENE 向，登陆后以 SE 向风为主，风速逐渐减小；风速整体呈现由湾口往湾内递减规律。台风登陆期间，伶仃洋水域整体涨、落潮流速大幅度增大，并以湾口最为明显，口外水域涨、落潮流速增大为登陆前的 4.1 倍和 2.6 倍；伶仃洋水域整体呈涨潮平均流速增加幅度显著大于落潮的规律；西滩中部水域形成一条洪水潮流下泄通道，并在台风登陆前 1 天最为明显，“山竹”台风风暴潮总体对伶仃洋水域涨、落潮流向影响不大；内伶仃洋水域东四口门附近净潮通量都很小且净泄量为负，呈口外指向口内，造成上游下泄洪水在口门及网河区堆积，是造成口门水域持续近 9h潮位连续上涨并出现极端高潮位的直接原因；强东风作用下，内伶仃洋主槽水域出现北侧朝北、南侧朝南的分离流态势。台风登陆后，随着风速减弱和上游洪水来流量继续增大，伶仃洋水域主要受下泄洪水主导，落潮历时明显延长且大于涨潮，湾口外侧水域在台风登陆后的第 2 天出现了全天都为落潮流的特征。台风登陆前、后时段，内伶仃洋水域垂向流速梯度峰值主要出现在落潮至落憩时段内的近河床底层 2m 水深范围内，台风登陆期间，该范围显著向河床底层方向缩小。湾口外侧水域垂向流速剪切峰值主要出现在落憩至初涨阶段时段的表层，底层则很小可忽略不计。分析认为，内伶仃洋水2期方神光，等：基于浮标站观测的伶仃洋河口湾极端风暴潮动力响应过程159域的流速剪切梯度峰值形成主要由表层下泄冲淡水和底层上溯高盐水主导造成，湾口则由海面风形成的水平流速梯度剪切力作用主导。参考文献(References)：侯一筠,尹宝树,管长龙,等.我国海洋动力灾害研究进展与展望J.海洋与湖沼,2020,51(4):759-767.HOUYJ,YINBS,GUANCL,etal.Progressandprospectinres