第 3 期水 利 水 运 工 程 学 报No. 3 2023 年 6 月HYDRO-SCIENCE AND ENGINEERING Jun. 2023 DOI:10.12170/20220615001
曾凡兴，麦权想，路川藤，等. 港珠澳大桥沿线极端风暴增水特征研究[J]. 水利水运工程学报，2023（3）：1-9. （ZENG Fanxing, MAI Quanxiang, LU Chuanteng, et al. Study on the characteristics of extreme storm surge along Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023（3）: 1-9. （in Chinese））
港珠澳大桥沿线极端风暴增水特征研究
曾凡兴1，麦权想2，路川藤3，丁佩3，罗小峰3，高正荣3
(1. 河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098； 2. 港珠澳大桥管理局，广东珠海 519060； 3. 南京水
利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)
摘要: 开展风暴潮作用下跨海交通设施沿线增水的特征研究，对交通工程运维期的防灾减灾和结构安全评估
特征，发现自1951 年以来，珠江口附近水域的年均台风数量、台风最大风速、台风中心最低气压趋势性变化不
明显。构建了西太平洋风暴潮数学模型，计算了港珠澳大桥沿线不同区域的增水特征值，研究认为港珠澳大桥
自西向东风暴增水值逐渐降低，大桥西侧珠澳人工岛处200 年一遇风暴增水值为3.17 m，50 年一遇为2.31 m，
东侧东西人工岛处200 年一遇风暴增水值约为2.30 m，50年一遇约为1.70 m。研究结果可为港珠澳大桥运维
期安全评估提供技术支撑。
关 键 词：港珠澳大桥；风暴增水；数值模拟；重现期；台风
中图分类号：TV124 文献标志码：A 文章编号：1009-640X(2023)03-0001-09
港珠澳大桥位于珠江口伶仃洋海域内，连接香港、珠海和澳门，大桥于2009 年开工建设，2017 年实现主体工程全线贯通，2018 年完成主体工程验收并开通运营。大桥全线贯通后，珠三角地区接连遭遇超强台风“天鸽”“山竹”的袭击，造成极大的社会、经济灾害[1]，也为大桥的应急处置与管理带来了挑战。随着高强度台风的频发，台风暴潮引起的安全问题受到众多学者的重视[2-3]。台风暴潮的研究手段主要包括现场监测分析、遥感反演、数值模拟等。现场监测利用地面自动气象站、雷达、卫星等获取台风暴潮实时数据[4]，为后期相关预报、研究提供数据支撑；遥感反演主要用于大范围的风场、气压场计算，修正现有的台风经验公式[5]；数值模拟是目前研究台风暴潮的主要手段，研究主要包括台风暴潮的成因与机理[6-7]，台风暴潮的时空分布特征[8]，台风暴潮期间的降雨、风、增水、波浪等因子特征[9-10]及台风暴潮下的工程与民生安全[11]等。在珠江口水域，众多学者对风暴潮引起的区域工程安全[12-13]、城市安全[14-15]研究较多，而针对港珠澳大桥的研究较少[16-17]。港珠澳大桥设计寿命120 年，工程运维期将经历多次台风暴潮侵袭，港珠澳大桥为桥岛隧集设施，海中人工岛岛体高程相对较低，易受台风暴潮引发的增水影响。
本文在前人研究的基础上，收集1951—2020 年实测台风资料（中国台风网），在分析珠江口水域台风参数变化特征的基础上，构建大范围风暴潮数学模型，研究港珠澳大桥沿线不同区域增水变化特征，为港珠澳大桥在台风暴潮期间的应急管理与运营维护提供技术支撑。
收稿日期：2022-06-15
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2019YFB1600700）；澳门科学技术发展基金资助项目（0089/2020/A）
作者简介：曾凡兴（1995—），男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力学研究。
E-mail：****************通信作者：路川藤（E-mail：************）
1 珠江口台风特征统计分析
采用1951—2020年实测台风资料，统计以港珠澳大桥中部为核心的周边100、200、300 km 范围内的
台风路径、数量、最大风速和台风中心最低气压（统计范围内）的变化趋势特征（图1）。由图1可见，经过珠江口的台风大多由西太平洋生成，台风路径方向基本为西南-东北向，珠江口西侧登陆台风数量相对较多。根据历年台风路径资料统计，经过以港珠澳大桥中部为核心周边100 km 范围内的台风平均每年1.0个，200 km 范围内平均每年2.1个，300 km 范围内平均每年3.2个。并且，不同统计范围内，经过珠江口水域的年均台风数量、台风最大风速和台风中心最低气压趋势性变化不明显。
气压/h P a
气压/h P a
气压/h P
a
数量/个数量/个数量/个
风速/(m ·s −1)
风速/(m ·s −1)
风速/(m ·s −1)
年份
年份
年份
(a) 100 km 范围内台风最大风速
(b) 200 km 范围内台风最大风速
(c) 300 km 范围内台风最大风速
(d) 100 km 范围内台风中心最低气压
(e) 200 km 范围内台风中心最低气压
(f) 300 km 范围内台风中心最低气压
(g) 100 km 范围内台风数量
(h) 200 km 范围内台风数量
(i) 300 km 范围内台风数量
年份
年份
年份
年份
年份
年份
图 1 港珠澳大桥周边100~300 km 范围内台风数量、最大风速和中心最低气压变化趋势Fig. 1 Variation Trend of typhoon numbers, maximum wind speed and minimum pressure within
100~300 km around Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge
2 风暴潮数学模型
2.1 风暴潮数值模拟方法
本文数值模拟采用南京水利科学研究院研发的河口海岸潮流泥沙数值模拟系统。笛卡尔坐标系下的二维水流运动方程[18]为：
2
水 利 水 运 工 程 学 报
2023 年 6 月
z m ）H m ）u v m /s t s f s −1g m /s 2N x N y x y m 2/s P a ρ0kg /m 3τs x τs y x y kg /(m ·s 2)τb x τb
y x y kg /(m ·s 2)式中：为水位（；为水深（；、为流速分量（）；为时间（）；为科氏力（
）；为重力加速度（）；、为、向水流紊动黏性系数（）； 为大气压强（Pa ）；为海水密度（）；、为、
向的风切应力（）；、为、向的切应力（）。
采用三角形网格有限体积法求解方程（1）~（3），方程离散过程见文献[18]。风暴潮数值模拟过程中，气压场与风场的计算尤为重要，其中气压场由Holland 模型[19]计算：
p (r )r hPa p c hPa ∆p hPa B φ式中：为距离台风中心
处的气压（）；为台风中心最低气压（）；为外围与中心最低气压的差值（）；R M 为最大风速半径（km ）；为Holland 引入描述气压剖面形状的参数；为台风中心所在纬度。
V V c V s 台风实际风速 由台风移行速度 和环行速度叠加而成，V s 采用Miller 经验修正模型[20]计算：
V max m /s Y 式中：为环流最大风速（），实际计算时认为该值近似于气象资料中给出的最大风速；为常数，可调节最大风速半径外的风速分布，一般取值为0.5~0.7，本文取0.65。
V c 移行风速采用
Jelesnianski 模型[21]计算，计算式如下：
v 0m /s 式中：为台风移动速度（）。
风的切应力计算[22]如下：
ρa kg /m 3U 10m /s C D 式中：为空气密度（）；为距离海面10 m 处的风速（）；为风拖曳力系数[22]，表达如下：
2.2 数学模拟范围与参数
Hu ∗u ∗数学模拟范围包括西太平洋和中国近海，模型西边界至越南与马来西亚西侧连线，东经108°附近，东侧
边界到东经134°附近，珠江口海域地形采用2013—2019 年组合水下地形，港珠澳大桥沿线水域采用2020年实测1∶500的水下地形，我国近岸地区采用最新海图水下地形，其他海域采用NOAA 全球海洋水深数据，基面统一至85高程。整个计算区域采用三角形网格，珠江口水域网格加密，模型范围与网格见图2，模型网格总数99 417 个，节点总数51 926 个，最小网格边长为63.5 m ，最大网格边长69 791 m ，时间步长取3 s ，紊动黏性系数取0.1（为摩阻流速），计算过程采用基于CUDA 技术的并行加速技术[23]。
第 3 期
曾凡兴，等：港珠澳大桥沿线极端风暴增水特征研究3
2.3 模型验证
以“山竹”台风发生期间的水位过程对数学模型进行验证。验证分为天文潮验证和风暴增水验证两部分，天文潮验证用于检验数学模型计算参数的合理性及大范围模型潮波传播能力，风暴增水验证用于检验数
学模型计算增水值的准确性。“山竹”台风于2018 年9 月 7日20:00生成，于9 月16 日17:00在广东台山海宴镇二次登陆，各潮位站最大增水均出现于9 月16 日，因此潮位验证时间选取2018 年9 月14—17 日。数学模型计算初始条件采用“冷启动”，即模型区域给定初始潮位，流速取0，为不影响验证时间段的潮位过程，数学模型实际计算时间为2018 年9 月8—17 日。模型外海开边界采用潮位控制，潮位过程通过天文潮预报软件Nao99获得。
2.3.1 天文潮验证 天文潮验证选取香港、大九洲和内伶仃3个站点的潮位过程，潮位站位置见图3，3个站点覆盖了港珠澳大桥沿线南北侧水域。天文
潮数据采用国家海洋信息中心发布的潮汐表数据，
天文潮过程验证见图4。可见，数学模型计算的天文潮过程与潮汐表预报值吻合较好，这说明本文数学
模型能够较好地模拟潮波的传播。2.3.2 风暴增水验证 台风期间的气压与风速资料分别引用自香港天文台（https:∥v.hk/sc/cis/statistic.htm ）逐日资料和文献[24]。图5为“山
竹”台风期间的气压与风速验证，可见本文数学模
型计算的气压及风速与实测值基本吻合。风暴潮期间的水位验证选取香港、大九洲和内伶仃3 个站315 km
韩国
日本
山东江苏上海浙江福建
珠海
氹仔
台湾
菲律宾
广东r = 100 km
广西
海南
越南
4 km
37°58′0″N
22°9′0″N
21°59′0″N
21°49′0″N
32°34′0″N
27°10′0″N
21°44′0″N
16°19′0″N
10°52′0″N
5°29′0″N
131°28′0″E
113°
51′0″
113°42′0″
113°33′0″
127°11′0″E
122°47′0″E
118°28′0″E
113°57′0″E
109°28′0″E
图 2 数学模拟范围及局部网格示意
Fig. 2 Schematic diagram of mathematical model range and local grids
10 km 南沙香港
横门
赤湾
内伶仃岛大九州
马骝洲
三灶图 3 “山竹”台风期间珠江口最大增水分布
Fig. 3 Storm surge distribution in the Pearl River Estuary during typhoon “Shanzhu ”
4
水 利 水 运 工 程 学 报2023 年 6 月
“山竹”台风期间的实测水位过程（图6）。可见，台风期间的水位过程与实测值基本一致。台风期间水位与天文潮间的差值即为增减水值，除上述3 个站点外，本文还收集了三灶、南沙、横门和澳门站的最大增水值，引自文献[25]和https:∥v.mo/zh（见表1）。可见本文计算的各站最大增水值与实测值偏差大多在10%以内，这说明本文构建的风暴潮数学模型能够较好地复演“山竹”台风期间珠江口风暴增水特征。
3港珠澳大桥沿线增水特征
3.1 增水沿线分布特征
以港珠澳大桥中部为核心周边100 km的范围包含珠江八大口门、大鹏湾和部分大亚湾水域，外海至−55 m等深线（见图2），能够捕获近年来诸如“天鸽”“山竹”“海高斯”等对珠江口影响较大的台风路径。1951—2020 年，经过该范围的台风共约70场，以此70场台风为基础资料，通过风场、气压
表 1 “山竹”台风期间珠江口站点增水值比较Tab. 1 Storm surge comparison in the Pearl River Estuary during typhoon “Shanzhu”
站名实测值/m计算值/m偏差/%香港 1.90 1.76−7.49内伶仃岛 2.28 2.43 6.66大九洲 2.35 2.6512.77
三灶 3.22 3.6312.73南沙 2.97 3.269.76横门 3.01 3.11 3.32澳门 3.40 3.32−2.35
潮
位
/
m
日期
潮
位
/
m
日期
(a) 内伶仃岛 (2018 年)(b) 大九洲 (2018 年)(c) 香港 (2018 年)
潮
位
/
m
日期
图 4 “山竹”台风期间珠江口天文潮验证
Fig. 4 Astronomical tide verification in the Pearl River Estuary during typhoon “Shanzhu”
(a) 气压 (2018 年)(b) 风速 (2018 年)
10
20
30
40
50
60
70
80
风
速
/
(
m
·
s
−
1
)
日期
950
970
990
1 010
1 030
1 050
气
台风天鸽压
/
h
P
a
日期
图 5 “山竹”台风期间气压与风速过程验证
Fig. 5 The barometric pressure and wind speed verification during typhoon “Shanzhu”
(a) 内伶仃岛 (2018 年)(b) 大九洲 (2018 年)(c) 香港 (2018 年)
水
位
/
m
日期
水
位
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m
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水
位
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m
日期
图 6 “山竹”台风期间珠江口水位过程验证
Fig. 6 Water level verification in the Pearl River Estuary during typhoon “Shanzhu”
第 3 期曾凡兴，等：港珠澳大桥沿线极端风暴增水特征研究5
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