河口风暴潮极值增水研究进展与展望——以粤港澳大湾区为例

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｅｎｍｉｎｚｈｕｊｉａｎｇ．ｃｎ
ＤＯＩ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１ ９２３５ ２０２３ １０ ０１１
第４４卷第１０期人民珠江　２０２３年１０月　ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ
基金项目：国家重点研发计划（２０２１ＹＦＣ３００１００４）收稿日期：２０２３－０５－２４
作者简介：刘悦轩（１９８６—），男，本科，高级工程师，主要从事河口风暴潮研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：６９３８７９９３８＠ｑｑ．ｃｏｍ
刘悦轩，李慧婧，李岚斌，等．河口风暴潮极值增水研究进展与展望———以粤港澳大湾区为例［Ｊ］．人民珠江，２０２３，４４（１０）：
９５－１０４．
河口风暴潮极值增水研究进展与展望
———以粤港澳大湾区为例
刘悦轩，李慧婧，李岚斌，刘晓建
（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东　广州　５１０６１１）
摘要：台风风暴潮造成的大幅度增水和极端潮位是河口地区洪涝安全面临的首要威胁，也是造成近年粤港澳大
湾区重大自然灾害损失的主要原因。

揭示了历年来风暴潮增水的演变规律，并介绍了相应的研究方法，分别从国外和国内系统阐释了风暴潮极值潮位形成机制方面的研究成果，总结了国内外天文潮与风暴潮增水形成的极值潮位组合计算模式，重点阐述了风暴潮极端增水过程中的动力机制方面的成果。

构建了大范围南海海域和珠江河口海域二维嵌套风暴潮数学模型，设计了最不利台风强度及路径，初步模拟并获得了大湾区近岸水域最大增水分布，指出需对天文潮和风暴潮相互作用物理机制认识的基础上，尽快提出一套安全、简洁和适用的风暴潮极端潮位计算公式极为必要。

关键词：风暴潮；增水；极端潮位；进展；大湾区
中图分类号：ＴＶ１４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１ ９２３５（２０２３）１０ ００９５ １０
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人民珠江　２０２３年第１０期
粤港澳大湾区地处珠江河口，直面外海风暴潮威胁，随着近年全球气候变暖，湾区近１０年强台风有增加的趋势［１］，如２０１７年半个月之内粤港澳大湾区接连遭受“天鸽”“帕卡”及“玛娃”等强台风袭击，２０１８年又遭受超强台风“山竹”侵袭；超强台风频繁出现致使粤港澳大湾区风暴潮位屡次突破极值，严重威胁大湾区经济社会可持续发展。

卢如秀等［２］调查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里逐渐递增的规律。

周旭波等［３］指出当风暴潮最大增水（最小减水）出现在天文潮高潮（低潮）时，不计入天文潮的影响会使计算增水偏大（减水偏小）。

邰佳爱等［４］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。

海堤是抵御风暴潮最为重要的防潮工程，设计潮位是海堤高程和防潮能力确定的重要依据。

早期研究发现［５］，台风暴潮极值潮位出现是天文潮和风暴潮非线性共同作用的结果，不同海域显现特征各不相同［６］。

大湾区海堤设计潮位主要采用皮尔逊Ⅲ型分布曲线计算方法，由于不能直观反应近年超强台风风暴潮的极端增水，导致存在较大的安全风险隐患［７］。

因此，本文初步总结了当前河口水域风暴潮增水研究进展，指出了粤港澳大湾区风暴潮后续机理方面需要深入研究的方向。

１　风暴潮增减水研究方法
１．１　数值模拟方法研究进展
风暴潮增减水模拟始于２０世纪５０年代，早期为二维数值模式。

Ｊｅｌｅｓｎｉａｎｓｋｉ等［８］建立了美国第一代风暴潮数值预报模式———ＳＰＬＡＳＨ模式，经过１０多年的研制和改进，又提出了ＳＬＯＳＨ模式［９］，计算范围覆盖陆架海及近岸和内陆海域，该模式忽略浅水方程中的对流项、紊动黏性项并简化阻力系数项得到。

二维模式操作简单且应用广泛，最早被引进用于杭州和上海风暴潮增水模拟［１０］。

但是，该模式未考虑天文潮的影响，为纯风暴潮增水模式，同时为同步模拟近远海域而做了较多简化折中处理，对于复杂动力环境下的风暴潮增水过程，如近岸浅水海域极端风暴潮增水幅度和分布则存在较大的误差。

国内２０世纪７０年代提出了超浅海风暴潮理论［１１］，在此基础上逐渐演变到二维全流模式［１２－１３］，极大改进了风暴潮增水模拟的技术手段，采用三重嵌套网格法则进一步提高了模拟精度［１２］。

风暴潮垂向动力结构数值模拟从描述流体运动的基本方程出发，采用紊流模型构成封闭的控制微分方程组，结合必要的初始和边界条件，采用数值计算方法将控制方程组离散后迭代求解。

由于不需要对方程组进行简化或做任何假设，因此采用偏微分方程可以模拟复杂地形边界和复杂动力环境下的风暴潮海流垂向动力结构及其增水过程。

Ｊｏｈｎｓ等［１４］最早提出一种风暴潮模拟的铅垂二维模式，并发展为三维模式，并首先采用湍流能量封闭的方法和坐标变换方法，对风暴潮三维数值模拟起到了重要作用。

在此基础上，基于物理海洋数值模拟的ＨＡＭＳＯＭ模式、Ｄｅｌｆｔ ３Ｄ模式、ＦＶＣＯＭ模式、ＲＯＭ模式等结合台风气压和风场模型被广泛应用到风暴潮的三维垂向海流运动结构模拟中［１５－１８］。

表１列举了目前常用的数值模型。

１．２　风暴潮观测研究进展
在现场观测方面，随着科技发展和海洋管理及防灾减灾的需要，海洋观测逐步实现从局部到面、从短时到长期、从海表到海底的综合观测，发展出遥感、漂流浮标、Ａｒｇｏ浮标、大型浮标、海床基和海底网等为目前较为有效的长期观测手段［１９］。

其中，海洋浮标具有全天候、长期连续、定点观测的特点，为其他海洋观测手段无法替代，具备气象、海流或其他海洋物理化学要素同步观测能力［１９－２１］，现场获取的时间连续的风速风向、水深及海流剖面数据对改进风暴潮极值增水预报技术、剖析垂向动力结构特征及揭示天文潮和风暴潮非线性作用的耦合物理机制提供有力支撑。

现场观测是研究风暴潮增水过程及动力机制最直接、最有说服力的研究手段，是未来风暴潮研究的发展趋势。

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表１　常用数值模型
模型名称主要特点
ＳＰＬＡＳＨ模式第一代风暴潮数值预报模式，二维数值模式，计算范围覆盖陆架海及近岸和内陆海域，忽略浅水方程中的对流项、紊动黏性项并简化阻力系数项
ＳＬＯＳＨ模式经过研制和改进后提出的模式，计算范围覆盖陆架海及近岸和内陆海域，忽略浅水方程中的对流项、紊动黏性项并简化阻力系数项
超浅海风暴潮理论国内提出的模型，逐渐演变为二维全流模式，采用三重嵌套网格法则提高模拟精度
风暴潮垂向动力结构数值模拟采用紊流模型构成封闭的控制微分方程组，可模拟复杂地形边界和复杂动力环境下的风暴潮海流垂向动力结构及其增水过程
铅垂二维模式Ｊｏｈｎｓ提出的模式，逐渐发展为三维模式，采用湍流能量封闭方法和坐标变换方法
ＨＡＭＳＯＭ模式基于物理海洋数值模拟，可结合台风气压和风场模型，广泛应用于风暴潮的三维垂向海流运动结构模拟
Ｄｅｌｆｔ ３Ｄ模式结合台风气压和风场模型，广泛应用于风暴潮的三维垂向海流运动结构模拟ＦＶＣＯＭ模式结合台风气压和风场模型，广泛应用于风暴潮的三维垂向海流运动结构模拟ＲＯＭ模式结合台风气压和风场模型，广泛应用于风暴潮的三维垂向海流运动结构模拟
２　风暴潮极值潮位研究进展
２．１　国外研究进展
针对风暴潮引起的极值潮位，国外早期处理方式是将天文潮和风暴潮线性分离，将模拟的台风暴潮潮位简单线性叠加到天文潮上，Ｐｒｏｕｄｍａｎ等［５］通过理论公式推导了半封闭的矩形海湾风暴潮水位及其影响机制；Ｈｅａｐｓ等［２２］构建了二维线性风暴潮数值模式，可对欧洲北海地区复杂岸线下的历史风暴潮极值水位进行模拟和后报。

后期，学者研究发现天文潮与风暴潮之间是一种非线性关系，尤其是在近岸浅水区域这种非线性关系更加明显；１９６８年，Ｋｅｅｒｓ等［２３］就提出同一潮波系统内不同站点的天文潮汐和台风暴潮的非线性程度与站点潮差密切相关，而与风暴潮增水值关系较小；Ｊｅｌｅｓｎａｎｓｋｉ等［８］于１９６５年开发了风暴潮三维模式进行风暴增水的模拟和预报，该模式把二维全流模式与局部地区的Ｅｋｍａｎ模式结合起来，１９７２年又研制了用于美国沿岸的实时风暴潮业务化预报模式，简称ＳＰＬＡＳＨ模式；Ｊｏｈｎｓ等［１４］?用了湍流能量封闭和坐标变换方法，先后研究出二维和三维风暴潮数值模式；Ｐａｎ等［２４］模拟了“７２０９”台风和“８００７”台风期间的天文潮、风暴潮和两者之间的非线性作用；Ｒｏｙ等［２５］发展了垂向积分模型计算台风暴潮期间洪水的可能最大水位，模型中利用浅水方程并考虑天文潮汐和台风暴潮之间的相互作用，认为风暴潮位与台风路径密切相关；Ａｎｔｏｎｙ等［２６］讨论了印度东海岸最大增水与天文潮潮幅、相位的相关性，认为非线性作用大小随着潮差和增水高度增加而增大；日本学者Ｋｉｍ等［２７］提出潮位的变化将引起风暴潮增水的改变，指出潮差增大时高潮位处的风暴增水加大，而低潮位处风暴增水减少；Ｃａｌａｆａｔ等［２８］通过分析欧洲各地的风暴潮观测数据和海平面上升数据，发现欧洲地区的风暴潮极值与海平面上升速率存在明显的相似趋势。

表明了全球气候变化对于欧洲风暴潮产生的影响，并支持了风暴潮灾害风险可能随着海平面上升而增加的观点；Ｌｏｎｇ等［２９］等以澳门为案例，通过建立数值模型来评估澳门面临的海平面上升和风暴潮的风险。

２．２　国内研究进展
国内１９７０年代建立了经验公式和超浅海风暴潮理论［１１，３０］。

１９８０年代冯士笮等［３１］在前期研究的基础上出版了中国首部风暴潮专著《风暴潮导论》，系统论述了风暴潮极值潮位的机制和预报方法。

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文兰等［３２］研究发现，只有考虑风暴潮与天文潮的相互作用，模拟得到风暴增减水与实测余水位数据基本相同；刘凤树［３３］推导了浅水中移行风暴潮理论模式，发现浅海、深海和无限深海处风暴潮表现出不同的特性，无限深海中，风暴潮极值潮位仅与气压有关，浅海中风暴潮水位与台风移速密切相关；端义宏等［１２］发现黄海潮周期的波动性主要是由天文潮与风暴潮耦合作用引起的，涨潮时增水增大，退潮时，增水减少；周旭波等［１３］指出当风暴潮最大增水（最小减水）出现在天文潮高潮（低潮）时，不计入天文潮的影响会使计算的增水偏大（减水偏小）；贾良文等［３４］分析显示，广东省沿海年最高设计潮位总体呈东低西高的态势，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；聂会［３５］在天文潮和风暴潮耦合的基础上，显示大潮强台风组合下非线性效应引起的河口风暴潮增水值显著大于小潮，河口风暴潮与天文潮的非线性效应主要跟地形摩阻或浅水效应、河岸收缩反射和径流顶托作用有关；张西琳等［３６］采用ＦＶＣＯＭ构建了一个覆盖中国渤海、黄海和东海的数值模型，分析了增水过程中潮汐与风暴潮的非线性作用，结果表明，高潮时非线性作用使增水值降低，低潮时非线性作用使增水值升高，潮高越高，非线性作用越明显；半日潮的非线性作用较全日潮更明显。

２．３　天文潮与风暴潮增水组合计算模式研究进展国内外学者基于长系列观测数据采用水文学方法开展了重现期风暴潮极值水位研究。

目前国内外最高潮位的计算方法主要有：最高潮位统计法、风暴增水与天文潮位组合法（风暴增水与天文高潮位组合法，风暴增水与天文潮概率组合法）、风暴增水年极值计算和风暴增水模式法［３７－３８］；考虑多因素相关的联合概率方法一直是研究的重点和难点；Ｐｕｇｈ等［３９］提出将水位数据中的潮汐水位与余水位分离，将得到的这两部分分别求其分布，最后通过联合概率的方法来求极值水位及其重现期；方国洪等［４０］在联合概率计算法的基础上，考虑了潮汐与余水位的相关性，提出了条件分布联合概率计算法；董吉田等［４１］在２０世纪９０年代就提出了大风浪与高水位的联合概率统计分析方法；刘德辅等［４２］推荐在滨海核电站防护工程设计标准风险评估中，采用多维复合极值分布理论及双层嵌套多目标联合概率模式来确保核电安全；王燕妮等［４３］在ＦＶＣＯＭ模型对历史风暴潮模拟的基础上，采用Ｇｕｍｂｅｌ分布计算了珠江河口百年一遇的风暴潮极值增水分布；杨万康等［４４］提出了经验模态分解方法（ＥＭＤ），用来将三门湾内增水解构为海湾共振、天文潮和风暴潮耦合及外海潮波传入三部分组成；陈磊［４５］基于Ｃｏｐｕｌａ理论和方法构建风暴潮、极值潮位、风浪等的联合概率分布函数，探讨了不同因子的联合概率密度、条件概率密度和同现概率；Ｎｏｒｄｉｏ等［４６］通过实地观测和数值模拟的方法，发现风暴潮和潮汐在三角洲湿地与主要水道之间发生复杂的交互作用，其中风暴潮的传播和衰减呈现出明显的空间变化；Ｍｏｈａｎｔｙ等［４７］通过分析印度海岸地区的观测数据和数值模拟结果，研究了天文潮的特征以及对海平面极值的调制作用。

近年来，还有学者提出了采用人工神经网络方法预测风暴潮极值增水的方法［４８］。

重现期风暴潮极值水位对河口海域工程安全设计极为重要，数值模拟方法常用来弥补水文分析中实际观测数据时空尺度上的不足。

风暴潮极值潮位中的增水幅度精准分离及其与天文潮的组合模式是近年来研究的难点和热点，大湾区内如何构建一套简单实用的风暴潮极值水位计算方法用于指导工程实际还需开展更多的实践和研究工作。

３　风暴潮动力机制研究进展
风暴潮极值潮位形成是天文潮与风暴潮非线性作用的结果，伴随的内生潮流动力机制较为复杂。

秦曾灏等［１１］基于风暴潮动力基本特征给出了衡量惯性系和非线性效应的特征参数，由此将浅海风暴潮理论划分为普通浅海理论和“超浅海”理论；Ｗｏ１ｆ［４９］研究显示风暴潮作用下的半封闭水道中摩擦力项占主导作用；Ｐａｎ等［５０］研究表明，对流项引起的风暴潮非线性作用较小，浅水效应则与纯风暴增水和水深的比值有关，水深越小，浅水效应越明显，摩擦系数越大，潮位减幅越大，相位越滞后，非线
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性作用影响越明显；姜兆敏等［５１］对一维狭长半封闭水域中的潮汐和风暴潮之间的非线性作用研究显示，浅水效应对增水水位起主要作用，非线性效应对增水的作用取决于波幅和水深比值的量阶；李艳芸等［５２］运用ＣＯＨＥＲＥＮＳ三维多功能大陆架水动力学模型模拟渤海风暴增水过程，发现底摩阻系数较大时涨潮过程水位略低一些，而落潮过程水位略高一些；Ｊｏｎｅｓ等［５３－５４］对爱尔兰海的研究表明，潮汐和风潮的非线性作用影响了风暴潮的增水高度，非线性作用主要来自于底摩擦项和对流项；Ｒｏｓｓｉｔｅｒ等［５５］对Ｔｈａｍｅｓ河口非线性作用研究发现，主要原因是水位的改变致使潮波速度的改变；Ｒｅｇｏ等［５６］利用ＦＶＣＯＭ对飓风丽塔（Ｒｉｔａ）期间的增水进行模拟表明，非线性作用导致台风在高潮和低潮时登陆的最高水位分别变低和变高，对流项造成的非线性作用大于底摩擦项；Ｚｈａｎｇ等［５７］对台湾海峡的风暴潮进行模拟分析的结果表明，非线性作用主要来自于底摩擦项，对流项和浅水作用影响较小；Ｙａｎｇ等［５８］利用ＡＤＣＲＩＣ海洋模式对铁山湾的风暴潮增水进行模拟分析表明，造成非线性作用的主要是风应力和底摩擦的合力项与对流项，越靠近海湾内部，非线性作用就越强；Ｗａｎｇ等［５９］通过建立ＡＤＣＩＲＣ模型，模拟了山东半岛地区长时间范围内的风暴潮和波浪情景。

分别采用Ｇｕｍｂｅｌ分布模型和双变量Ｇｕｍｂｅｌ逻辑模型获得了浪涌的返回周期和浪涌的联合返回周期以及伴随的波高，进一步提高了ＡＤＣＩＲＣ模型的准确性和可信度。

摩擦力项、浅水效应和对流项是造成近岸海域天文潮和风暴潮非线性作用的主要原因，不同海域非线性作用的主控动力因子有所差异，但风暴潮极值潮位形成过程中主控动力因子的时空演变特征不清晰，主控动力因子之间的相互耦合机制及其在极值潮位形成过程中作用研究较为少见。

４　大湾区风暴潮数学模型构建及极值增水讨论
４．１　最大可能设计台风
大湾区风暴增水最为显著的４次台风过程有：０８１４“黑格比”、１４０９“威马逊”、１７１３“天鸽”、１８２２“山竹”，以１８２２号台风“山竹”大风区影响范围广、强风持续时间长，对珠江河口影响最大，因此选定１８２２号“山竹”台风强度（台风中心低压、最大风速、最大风速半径）作为模型计算的设计台风强度。

４场台风登陆前的移动路径均为西北型（图１），是引起大湾区剧烈增水的登陆路径；同等条件下比较这４条台风路径中的风暴增水，将０８１４号、１４０９号、１７１３号台风平移至１８２２号台风相同的登陆位置，采用相同台风参数驱动，比较了它们之间的风暴增水情况。

根据计算结果显示，八大口门站在１４０９型路径下整体增水略大。

这表明，１４０９号台风在大湾区登陆时产生的风暴增水最为显著，更加突出。

因此，选定１４０９型路径作为模型计算的设计台风路
径。

图１　典型台风路径
将１４０９型路径作为设计台风路径，１８２２号台风各时刻的台风强度作为设计台风强度，由此构建一场设计台风。

将设计台风分别向东北偏移２５、５０ｋｍ，向西南偏移２５、５０ｋｍ，由此派生出５条相互平行的路径，影响范围基本覆盖整个大湾区。

在不同的台风路径中，以八大口门潮位站为基准，探究影响大湾区风暴潮的最大可能设计台风。

４．２　风暴潮数学模型构建与验证
采用模型二重嵌套的方式，建立大尺度的南中国海天文潮、风暴潮耦合模型，为大湾区风暴潮数学模型提供外海边界。

南中国海模型范围为１０°～２５°２０′Ｎ，１０５°～１２５°Ｅ，模型区域剖分为２′×２′的网
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格，计算所用网格水深资料从地球物理数据系统（ＧＥＯＤＡＳ）下载。

大湾区风暴潮数学模型的上游边界分别取在潭江上游石咀、西江上游高要、北江上游石角、东江上游博罗和广州片区的老鸦岗，模型的外边界取在珠江口外南海８０ｍ等深线附近；水深地形资料为２
０１０年以来实测数据，模型采用非结构网格，网格数为１４７６７２个，网格节点数１１７９１３个，嵌套模型示意见图３。

图２　
设计台风路径
图３　二重嵌套模型范围
风暴潮数学模型以水动力方程为基础，考虑台风风场、气压场的影响。

台风气压场方程采用Ｍｙｅｒｓ（１９５４）经验模型描述，台风模型风场通过梯度风和气压场的关系得到。

对１８２２号强台风“山竹”风暴潮、１７１３号强台风“天鸽”风暴潮和０８１４号强台风“黑格比”风暴潮模拟显示，八大口门站潮位误差均控制在１６ｃｍ以下，绝对误差平均值为８ｃｍ，相位误差在２．０ｈ以内，误差平均值为１．１ｈ；口外区站点潮位误差均控制在２
４ｃｍ以下，绝对误差平均值为１３ｃｍ，相位误差在１．５ｈ以内；河网区站点潮位误差均控制在１
９ｃｍ以下，相位误差在１ｈ以内；详细方程组及验证过程可参见相关文献［６０］
，图
４为１８２２号强台风“山竹”风暴潮计算值与大湾区部分站点实测值的对比结果，证实了构建的大湾区
风暴潮可以有效模拟风暴潮增水过程。

ａ）
大虎实测值
ｂ）南沙实测值
０
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人民珠江　２０２３年第１０
期
ｃ）万顷沙实测值图４　１８２２号强台风“山竹”
风暴潮实测值与计算值对比
ｄ）
横门实测值
ｅ）
灯笼山实测值
ｆ）
黄金实测值
ｇ）
西炮台计算值
ｈ）
官冲计算值
ｉ）
三灶计算值
ｊ）
大横琴计算值
ｋ）
内港计算值
ｌ）大九洲计算值
续图４　１８２２号强台风“山竹”风暴潮实测值与计算值对比
４．３　大湾区风暴潮极端增水特征讨论
采用构建的大湾区风暴潮数学模型，对图２给出的５种最大可能设计台风过程进行模拟，并得到大湾区沿岸最大可能增水分布见图４。

根据结果显示，在珠江河口东四口门、伶仃洋河口湾内伶仃以上区域、珠海东南沿海、磨刀门、三灶湾、鸡啼门等地，增水最为严重，普遍达到３．２ｍ以上；广州市和东莞市面向伶仃洋和狮子洋的近岸水域增水幅度都在３．０ｍ以上；深圳面向伶仃洋的近岸水域最大风暴潮增水幅度在２
．５～３．０ｍ；中山市面向伶仃洋河口湾的近岸水域风暴潮增水都在３．０ｍ以上；珠海市东侧伶仃洋和西侧磨刀门近岸水域最大风暴潮增水幅度都在３
．０ｍ以上；江门市银洲湖海堤崖门水道段、江新联围银洲湖段等近岸增水幅度都在２．５～３．０ｍ。

海堤是大湾区抵御风暴潮最为重要的安全保障，然而，目前大湾区约有６２％的海堤长度防潮标准低于５
０年一遇，澳门部分区域防潮标准只有２～５年一遇，均低于东京湾区的２００年一遇和美国城市１００～５００年一遇，也低于国内上海１０００年一遇防洪（潮）标准；由此导致海堤堤顶高程不足，如
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人民珠江　２０２３年第１０期
２０１７年台风“天鸽”登陆期间，澳门内港和珠海情侣路淹水深度达到１．０ｍ以上；另外由于海堤标准偏低，海堤结构强度也不高，台风“山竹”登陆期间，由于堤身防护不足，导致惠州市盐洲海堤、考洲海堤和大亚湾石化海堤、深圳市鹏城海堤、王母海堤和盐田海堤等均出现了较大范围严重垮塌现象。

因此，科学合理选定大湾区海堤设计标准和堤顶高程对于保障大湾区水安全至关重要。

尤其是堤顶高程设计需要依托天文潮和风暴潮相互作用下的最高潮位分析成果，一方面需要深入探讨其物理作用机制，另一方面需要基于这些成果尽快提出适用于大湾区的安全、
简洁的风暴潮极值潮位计算公式。

图５　大湾区近岸最大风暴潮增水结果示意
５　总结与展望
超强台风暴潮是河口区面临的最为严重的自然灾害，本文系统阐述了超强台风暴潮在河口区所带来的严重自然灾害，并对数学模型、模拟技术和现场观测等方面的研究进展进行了介绍。

然而，认识到仍需要深入研究极端风暴潮增水形成的物理机制。

首先，风暴潮增水与天文潮耦合形成的极值潮位对河口防洪潮的安全至关重要。

因此，需要深入了解风暴潮和天文潮非线性耦合的物理机制，以创新安全简洁的风暴潮极值潮位计算模式。

其次，着力于研究强台风暴潮与天文潮动力耦合作用机制下的增水过程。

通过现场观测、数值模拟和量纲分析等技术手段，可以重点研究强台风暴潮和天文潮相互作用的物理特征，并反演其生命过程。

此外，还应分析风暴潮和天文潮的动力耦合机制，探究强台风暴潮和天文潮作用下湾区潮汐海流的平面和垂向分布结构。

最后，通过深入研究强风环境下的水流聚散效应，并建立风暴潮增水与动力因子之间的相关关系。

通过预测主要海域风暴潮增水的时空变化可以为风暴潮极端高潮位的计算提供科学依据。

针对以上问题，可以进一步开展以下研究：深入研究风暴潮与天文潮非线性耦合物理机制，通过多学科交叉合作，提高对其相互作用的认识水平。

进一步加强现场观测和数值模拟技术，以更精确地描述强台风暴潮与天文潮的动力耦合过程，并验证模型的准确性和可靠性。

建立综合评估模型，包括考虑风暴潮和天文潮等影响因素，为河口区域的防洪工作提供更精细的决策支持。

开展风暴潮增水与河口区域城镇洪涝风险的关联研究，为城市规划和河口区域防灾工作提供科学依据。

加强国际合作，利用其他海洋国家和地区的研究成果，共同推进对超强台风暴潮的认知和管理。

综上所述，通过进一步的研究和探索，可以深入了解超强台风暴潮的物理机制，并为河口区域的防洪工作提供更精确的预测和决策支持。

参考文献：
［１］陈文龙，刘培，陈军．珠江河口治理与保护思考［Ｊ］．中国水利，
２０２０（２０）：３６－３９．
［２］卢如秀，叶锦昭．珠江河口台风最大增水规律的研究［Ｊ］．中山大
学学报（自然科学版），１９８２，（２）：２６－２９．
［３］周旭波，孙文心．长江口以外海域风暴潮与天文潮的非线性相互
作用［Ｊ］．青岛海洋大学学报，２０００，３０（２）：２０１－２０６．
［４］邰佳爱，张长宽，宋立荣．强台风０８１４（黑格比）和９６１５（莎莉）
台风暴潮珠江口内超高潮位分析［Ｊ］．海洋通报，２００９，２８（６）：１４－１８．
［５］ＰＲＯＵＤＭＡＮＪ．Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｉｄｅａｎｄｓｕｒｇｅｉｎａｎｅｓｔｕａｒｙｏｆｆｉｎｉｔｅ
ｌｅｎｇｔｈ犤Ｊ犦．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ牞１９５７牞２牗４牘牶３７１－３８２．
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