仉天宇，于福江，董劍希，付翔

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

海平面上升對(duì)河北黃驊臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮漫灘影響的數(shù)值研究

仉天宇，于福江，董劍希，付翔

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

基于河北省黃驊地區(qū)的風(fēng)暴潮漫灘災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，利用成熟的業(yè)務(wù)化臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式、100 m分辨率的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式，以及該地區(qū)的海平面上升和地面沉降結(jié)果數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)、路徑、方向進(jìn)行科學(xué)組合，利用各種組合參數(shù)條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了995、985、975、965 hPa四種臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下，海平面上升對(duì)風(fēng)暴潮漫灘的影響。在相對(duì)海平面上升50 cm和100 cm情況下，四種臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的風(fēng)暴潮平均最大漫灘面積分別增加了約35%和86%；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度中等，即985或975 hPa時(shí)，風(fēng)暴潮最大漫灘面積的增加更為顯著。研究表明，海平面上升對(duì)該地區(qū)的漫灘影響非常明顯，有效防范風(fēng)暴潮災(zāi)害的同時(shí)，在氣候變化的大背景下，應(yīng)進(jìn)一步研究和提出應(yīng)對(duì)海平面上升的長(zhǎng)效防治措施。

河北黃驊；海平面上升；風(fēng)暴潮；漫灘；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

河北省黃驊地區(qū)是中國(guó)北方沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害多發(fā)地區(qū)之一，災(zāi)害類(lèi)型包括臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，和溫帶風(fēng)暴潮，其中臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮多發(fā)生在盛夏臺(tái)風(fēng)活動(dòng)季節(jié)。1992年第l6號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴在福建沿海登陸后，一路北上，河北省黃驊沿海在這次風(fēng)暴潮災(zāi)害中也遭受到慘重?fù)p失，直接經(jīng)濟(jì)損失0.98億元。風(fēng)暴潮越過(guò)55 km長(zhǎng)的海擋，向內(nèi)陸推進(jìn)了4 km以上，沿海漁區(qū)四鎮(zhèn)被海水浸淹，歧口公路以東至海擋的16個(gè)漁村及蝦池全部被海水吞沒(méi)，平均積水達(dá)1.2 m，最深處達(dá)1.6 m，造成8 000多戶居民、43家企業(yè)進(jìn)水被淹，倒塌房屋 100多間。1997年第11號(hào)臺(tái)風(fēng)也造成河北黃驊市直接經(jīng)濟(jì)損失 1.7億元，沖毀45 km海擋、3萬(wàn)畝（0.2萬(wàn)公頃）蝦池被淹，損毀各類(lèi)船只26艘，鹽場(chǎng)13個(gè)。

黃驊地區(qū)由于位于渤海灣頂端，地理位置特殊，歷史上一直是風(fēng)暴潮重災(zāi)區(qū)，關(guān)于該地區(qū)的風(fēng)暴潮研究也較多。馮士筰[1,2]、王喜年[3,4]等在中國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)害空間分布中討論了該地區(qū)的風(fēng)暴潮特點(diǎn)，馮士筰[2]、王喜年[4]、孫文心[5,6]、史峰巖[7]、吳巍[8]、吳少華[9]等在該地區(qū)進(jìn)行了大量的風(fēng)暴潮理論和數(shù)值研究，國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心在“十五”、“十一五”期間，先后自主研發(fā)了多個(gè)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式和風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式，并投入到業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)，在黃驊地區(qū)的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)中取得了良好的效果。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)，河北省海洋局與國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心積極合作，開(kāi)展了風(fēng)暴潮災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，構(gòu)建了河北省黃驊地區(qū)的風(fēng)暴潮漫灘災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，該模型由6個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)模式和1套基于GIS的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)組成，本文的工作即是在該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

2 方法和數(shù)據(jù)資料

2.1 變網(wǎng)格臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模式的建立

利用完整的二維淺水方程來(lái)計(jì)算臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，基本方程包括連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程。在運(yùn)動(dòng)方程中，除了考慮平流項(xiàng)、科氏力項(xiàng)、底摩擦力項(xiàng)外，還考慮側(cè)向粘性項(xiàng)。

圖 1 風(fēng)暴潮模式計(jì)算網(wǎng)格Fig. 1 Grids of Storm Surge Numerical Model

選用 Takahashi（1939）和 Fujita（1952）2種嵌套（參見(jiàn)王喜年[10]、于福江[11]）來(lái)計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)域中的氣壓場(chǎng)分布。臺(tái)風(fēng)域中的風(fēng)場(chǎng)由兩個(gè)矢量場(chǎng)疊加而成，用Veno Takeo（1981）的公式進(jìn)行計(jì)算。

采用計(jì)算區(qū)域加大，重點(diǎn)區(qū)域加細(xì)的思想來(lái)設(shè)計(jì)模式的網(wǎng)格分布。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了變網(wǎng)格系統(tǒng)用于計(jì)算河北沿海的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮。在黃驊沿岸的空間分辨率為200～240 m左右。

2.2 高分辨率臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式的建立與檢驗(yàn)

采用了高分辨率的小計(jì)算區(qū)進(jìn)行漫灘計(jì)算，如表1所示，是黃驊臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮計(jì)算區(qū)的兩重網(wǎng)格系統(tǒng)的相對(duì)位置劃分，采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)。

利用該嵌套模式對(duì)黃驊的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮進(jìn)行了大量的檢驗(yàn)，結(jié)果較好，且穩(wěn)定性良好。本文限于篇幅，圖表從略。

表 1 黃驊臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值模式的格點(diǎn)系統(tǒng)配置Tab. 1 Nesting grids of storm surge model in Huanghua

圖 2 黃驊計(jì)算區(qū)域粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格位置圖Fig. 2 Rough and fine grids of storm surge model in Huanghua

2.3 情景參數(shù)設(shè)置

參考美國(guó)NOAA開(kāi)展的風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)分析方法：把襲擊大西洋和墨西哥灣沿岸的臺(tái)風(fēng)按強(qiáng)度分為 5類(lèi)，對(duì)于一個(gè)區(qū)域，采用業(yè)務(wù)化的風(fēng)暴潮數(shù)值模式按臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分類(lèi)計(jì)算（也可以只有3類(lèi)，最多5類(lèi)，第 5類(lèi)相當(dāng)可能最大臺(tái)風(fēng)），依據(jù)氣候統(tǒng)計(jì)結(jié)果而定，本文按我國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，分為4類(lèi)，臺(tái)風(fēng)移速用歷史上襲擊這一地區(qū)臺(tái)風(fēng)移速的平均值或最佳值，每類(lèi)臺(tái)風(fēng)所有可能路徑均利用數(shù)值模式進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)模式計(jì)算結(jié)果繪出每類(lèi)臺(tái)風(fēng)最大的風(fēng)暴潮淹沒(méi)陸地范圍。也可按100年一遇臺(tái)風(fēng)計(jì)算風(fēng)暴潮淹沒(méi)陸地的大小。

圖 3 7203、7303、8509號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸黃驊臺(tái)風(fēng)路徑示意圖Fig. 3 Tracks of 7203, 7303 and 8509 typhoons landing at Huanghua

黃驊地區(qū)從1949年到2005年的臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率剛好是1次/a。因?yàn)檫@個(gè)地區(qū)處于中國(guó)的北方地區(qū)，所以受臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)相對(duì)較少，但幾次較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)都引發(fā)了比較嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，影響該地區(qū)的四類(lèi)典型臺(tái)風(fēng)路徑的分別是 9406、0108、0209、0421。同時(shí)，我們還對(duì)6005、9711、0509號(hào)等幾十個(gè)典型臺(tái)風(fēng)做了分析研究，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選定了以 7203、8509、7303號(hào)臺(tái)風(fēng)為基準(zhǔn)，通過(guò)變動(dòng)臺(tái)風(fēng)路徑的位置，對(duì)上百種臺(tái)風(fēng)路徑進(jìn)行了試算，選取了可能引起比較嚴(yán)重災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)路徑。同時(shí)根據(jù)中國(guó)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分級(jí)（中心低氣壓）將臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒(méi)危險(xiǎn)性分成了四級(jí)，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的四級(jí)風(fēng)力。臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒(méi)危險(xiǎn)性分級(jí)：第一級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，中心氣壓 995hPa，近中心最大風(fēng)力8～9級(jí)；第二級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，中心氣壓985hPa，近中心最大風(fēng)力10～11級(jí)；第三級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，中心氣壓975 hPa，近中心最大風(fēng)力12級(jí)；第四級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，中心氣壓965 hPa，近中心最大風(fēng)力12～13級(jí)。

2.4 相對(duì)海平面上升

根據(jù)具體的相對(duì)海平面上升數(shù)據(jù)來(lái)分析風(fēng)暴潮災(zāi)害對(duì)海平面上升的響應(yīng)情況?！吨袊?guó)海平面公報(bào)》[12]提供的數(shù)據(jù)表明：近 30年來(lái)，中國(guó)沿海海平面總體上升了約90 mm。其中，天津沿岸上升最快，約為196 mm。同時(shí)我們還綜合考慮了當(dāng)?shù)氐牡孛娉两狄蛩豙13]。由于地下水超量開(kāi)采等原因，該地區(qū)的地面沉降速率急速上升（表2）。

表 2 黃驊地面沉降幅度和速率Tab. 2 Land sediment observation in Huanghua

3 主要結(jié)果

圖 4 不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下海平面上升對(duì)風(fēng)暴潮漫灘的模擬結(jié)果（藍(lán)色：風(fēng)暴潮漫灘風(fēng)險(xiǎn)范圍；黃色：海平面上升50 cm的漫灘風(fēng)險(xiǎn)增加區(qū)域；紅色：海平面上升100 cm的漫灘風(fēng)險(xiǎn)增加區(qū)域）Fig. 4 Storm surge inundation modeling results affected by sea level rising in different P0

我們將海平面上升和地面沉降兩個(gè)因素綜合考慮，對(duì)該區(qū)的海平面上升程度重新進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和計(jì)算。假設(shè)該地區(qū)海平面上升50 cm/100 cm，那么淹沒(méi)區(qū)的面積會(huì)增加多少。圖4是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分別為995、985、975和965 hPa時(shí)的海平面上升模擬結(jié)果。圖中該區(qū)域?qū)?yīng)了三種顏色，藍(lán)色是海平面不上升的情況，黃色是海平面上升50 cm的情況，紅色是海平面上升100 cm的情況?？梢钥闯?，在995百帕的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下海平面高度的變化還不是特別大。但是當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)到985、975和965 hPa時(shí)，其變化范圍就迅速的擴(kuò)大了。表3是不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下的海平面上升模擬結(jié)果。在海平面上升50cm的情況下，風(fēng)暴潮淹沒(méi)面積平均增加百分比為35.4%；上升 100 cm的情況下，增加百分比為86.4%。

表 3 海平面上升對(duì)黃驊臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的影響Tab. 3 Effects on typhoon storm surge inundation in Huanghua by sea level rising

4 分析與結(jié)論

4.1 海平面上升對(duì)風(fēng)暴潮的可能影響因素

海平面上升對(duì)風(fēng)暴潮的可能影響因素可分為直接和間接影響因素。直接影響因素又包括海平面上升和地面沉降，它們都將引起風(fēng)暴潮水位升高。風(fēng)暴潮的間接影響因素有：氣候變暖可能會(huì)引起的中國(guó)北方登陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)力強(qiáng)度加強(qiáng)，風(fēng)力變大；海平面上升會(huì)使得地面降水的徑流水位提高，從而變相地抬高了風(fēng)暴潮，引起風(fēng)暴潮水位上升；水位上升引起近岸浪增高，破壞力變強(qiáng)；地形變化影響導(dǎo)致天文潮變高，進(jìn)一步引起海浪破壞能力增強(qiáng)等因素的影響。

4.2 主要結(jié)論

（1）海平面上升可能通過(guò)多方面因素加劇黃驊沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害，當(dāng)海平面上升 50 cm和100 cm時(shí)，該地區(qū)平均最大淹沒(méi)面積可能增加約35%和86%；

（2）臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度中等，即985或975 hPa時(shí)，風(fēng)暴潮最大漫灘面積的增加更為顯著；

（3）海平面上升對(duì)黃驊沿海地區(qū)的風(fēng)暴潮漫灘影響非常明顯，有效防范風(fēng)暴潮災(zāi)害的同時(shí)，在氣候變化的大背景下，應(yīng)進(jìn)一步研究和提出應(yīng)對(duì)海平上升的長(zhǎng)效防治措施，尤其是與黃驊毗鄰的天津?yàn)I海新區(qū)，是中國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)當(dāng)前和未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)，進(jìn)行海平面上升背景下風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是非常必要的，需要在這方面引起足夠的重視。

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Numerical research on effects of mean sea level on storm surge inundation in Huanghua

ZHANG Tian-yu, YU Fu-jiang, DONG Jian-xi, FU Xiang

(National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081, China)

Based on the risk assessment model for the storm surge flood disaster in Huanghua of Hebei Province, with robust typhoon storm surge numerical model and 100m spatial resolution storm surge overland numerical model, and with the result data about mean sea level rising and land subside, the author calculated all possible routes, landing points, and direction of typhoon, and also considered 4 levels typhoon strength, including P0= 995 hPa, 985 hPa, 975 hPa and 965 hPa, and finally concluded with the effects of mean sea level on storm surge flooding area. The results show, if sea level rising 50/100cm, the average typhoon storm surge flooding area would increase about 35%/86%. And while P0=985 hPa or 975 Pa, the increasing area would become larger in percentage. The research indicates that the sea level rising will affect severely on the typhoon storm surge inundation in Huanghua. Nowadays, the climate change causing sea level rising will lead to some important attention on these low plain areas such as Huanghua and its adjacent Tianjin Binhai New District.

Huanghua; sea level rising; storm surge; inundation; risk assessment

P731.23

A

1001-6932(2010)05-0499-05

2010-07-07；

2010-07-25

海洋公益項(xiàng)目資助：200905013

仉天宇（1974- ），男，博士，研究員，主要從事風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海洋GIS應(yīng)用和海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展戰(zhàn)略研究。電子郵箱：zhangty@nmefc.gov.cn