王 凱 侯一筠,5① 馮興如 李水清 傅賜福

(1.中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071；2.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室 青島 266071；3.中國科學(xué)院大學(xué)北京 100049；4.中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071；5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 青島 266237；6.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心 北京 100081)

福建沿海位于西北太平洋臺風(fēng)的主要移動路徑上,臺風(fēng)及其引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害是福建沿海遭受的主要的海洋災(zāi)害之一。風(fēng)暴潮災(zāi)害是由于臺風(fēng)風(fēng)暴潮、天文大潮和臺風(fēng)浪等共同作用引起的沿岸水位異常上升造成的。根據(jù)國家海洋局2018年統(tǒng)計公報,2018年,風(fēng)暴潮災(zāi)害在各類海洋災(zāi)害中導(dǎo)致的直接經(jīng)濟損失最嚴(yán)重,占直接經(jīng)濟損失總額的93%；海浪災(zāi)害導(dǎo)致的死亡人數(shù)(含失蹤)最多,占總死亡人數(shù)(含失蹤)的96%。其中,風(fēng)暴潮災(zāi)害給福建造成的直接經(jīng)濟損失為11.41億元,占風(fēng)暴潮災(zāi)害直接經(jīng)濟損失總額的25.6%。海浪災(zāi)害對福建造成的直接經(jīng)濟損失為0.13億元,占海浪災(zāi)害直接經(jīng)濟損失總額的37.1%；并且海浪災(zāi)害導(dǎo)致福建29人死亡(含失蹤),占海浪災(zāi)害總死亡(含失蹤)人數(shù)的41.4%。

海堤是在河口和沿海地區(qū)修建的一種專門用來擋水的建筑物,其目的是為了防止天文大潮的高潮位和臺風(fēng)風(fēng)暴潮以及臺風(fēng)浪的侵襲,保障沿海城市的工業(yè)設(shè)施和農(nóng)田的安全。近年來,為了提高沿海城市的防洪抗災(zāi)能力,不少沿海城市都修建了不同等級的海堤。海堤在預(yù)防和減少海洋災(zāi)害方面發(fā)揮了重要的作用。但是由于海水的侵蝕,且有些海堤年久失修,當(dāng)沿海地區(qū)遭遇的天文大潮和超強臺風(fēng)極易引發(fā)漫堤甚至潰堤災(zāi)害,給人民的生命和財產(chǎn)帶來重大損失。因此,有必要研究風(fēng)暴潮期間漫堤風(fēng)險等級評估,以分析其風(fēng)險性和危害程度。及時并且準(zhǔn)確的漫堤風(fēng)險等級評估會把人員傷亡和經(jīng)濟損失減小到最低程度。

漫堤風(fēng)險等級評估一般以堤前水位是否超過堤頂高程來判斷。20世紀(jì)50年代,國內(nèi)外學(xué)者在物理模型試驗和現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上,提出了一系列越浪和波浪爬高的計算公式。國內(nèi)許多學(xué)者對風(fēng)暴潮漫堤開展了大量卓有成效的工作,尹寶樹等(2006)針對黃河三角洲示范區(qū),根據(jù)越浪的程度提出了漫堤災(zāi)害風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn),并且根據(jù)其建立的浪潮耦合數(shù)值模式以及長期預(yù)報的結(jié)果,提出了風(fēng)險評估的方法和步驟；傅賜福等(2014)利用ADCIRC+SWAN耦合模型構(gòu)建福建沿海精細(xì)化風(fēng)暴潮漫堤數(shù)值預(yù)報系統(tǒng),利用預(yù)報潮位與近岸海浪波高數(shù)據(jù)采用通用爬高公式計算各海堤堤前爬高與海堤高程對比,并按爬高的大小分為四個漫堤等級；張莉等(2016)基于SWAN海浪模式和MATLAB軟件,建立了福建沿海天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤風(fēng)險評估系統(tǒng)。

福建沿海東臨廣闊的西北太平洋,由于其特殊的地理位置,每年夏季和秋季經(jīng)常遭受到臺風(fēng)的侵襲,是我國易受海洋災(zāi)害影響的區(qū)域之一,海洋災(zāi)害形勢復(fù)雜嚴(yán)峻。近年來,隨著全球變暖和海平面上升,極端氣候事件不斷增多,熱帶氣旋中產(chǎn)生臺風(fēng)的比例上升,登陸或者嚴(yán)重影響福建沿海的強臺風(fēng)頻率不斷上升,強臺風(fēng)甚至超強臺風(fēng)頻繁襲擊福建沿海。本文擬針對臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害較為嚴(yán)重的福建海域建立浪潮耦合漫堤系統(tǒng),設(shè)計四種不同強度的臺風(fēng)等級對福建沿海206條海堤進行漫堤風(fēng)險等級評估研究,對比了在不同臺風(fēng)強度下風(fēng)暴潮增水與波浪爬高對于漫堤風(fēng)險的影響程度,為我國的海洋防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 高分辨率風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險評估系統(tǒng)的建立

為了進行臺風(fēng)過程下的漫堤風(fēng)險評估,本研究首先使用ADCIRC+SWAN耦合模式針對福建沿海建立了高分辨率的天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合數(shù)值系統(tǒng)。

1.1 臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場

要模擬臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮和海浪,需要將臺風(fēng)過程中的氣壓場和風(fēng)場作為模式的強迫場,風(fēng)場的準(zhǔn)確性直接影響模式模擬的準(zhǔn)確性。經(jīng)過比較和驗證,本研究采用了在福建沿海地區(qū)應(yīng)用效果較好的Jelesnianski臺風(fēng)模型(Jelesnianski,1965),該模型考慮了臺風(fēng)移動速度對于臺風(fēng)風(fēng)場的影響,其對風(fēng)場和氣壓場的計算公式如下：

當(dāng)0≤r≤R時

當(dāng)r＞R時,

其中,Vx,Vy分別為臺風(fēng)中心的移動速度；(x0,y0)為臺風(fēng)中心坐標(biāo)；(x,y)為計算點的位置；θ為入流角,取20°；β為衰減系數(shù),取0.4；r為計算點到臺風(fēng)中心的距離；R為最大風(fēng)速半徑；(Wx,Wy)為計算點的風(fēng)速；Pa為計算點的氣壓；中心氣壓P0使用Atkinson等(1977)提出的經(jīng)驗公式,如公式(3)所示,其中WR表示最大風(fēng)速,P∞表示無窮遠(yuǎn)處的大氣壓(取1013.25hPa)。

最大風(fēng)速半徑是確定臺風(fēng)影響范圍的關(guān)鍵參數(shù),本研究中最大風(fēng)速半徑R使用MEF經(jīng)驗公式(許靈靜等,2016)：

其中,P∞為無窮遠(yuǎn)處的大氣壓(取 1013.25hPa)；P0為臺風(fēng)的中心氣壓(單位hPa)；φ為臺風(fēng)中心的緯度(單位為°)；v為臺風(fēng)中心的移動速度；M為起算半徑,取45km。臺風(fēng)的位置、中心氣壓等基本信息來自中國氣象局熱帶氣旋資料中心最佳路徑數(shù)據(jù)集(Yinget al,2014)(http：//tcdata.typhoon.org.cn/)。

1.2 風(fēng)暴潮模式

目前,可用于風(fēng)暴潮模擬的數(shù)值模式有很多,風(fēng)暴潮模式不僅要使網(wǎng)格的計算區(qū)域足夠大,能夠描述海水的運動,而且要考慮沿海地區(qū)復(fù)雜地形對模擬結(jié)果的影響。ADCIRC型具有計算效率高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點,應(yīng)用較為廣泛。因此,本研究選取由美國北卡羅來納州大學(xué)Luettich博士和美國諾特丹大學(xué)Westerink博士等人共同主持開發(fā)的ADCIRC模式(Westerinket al,1992)。ADCIRC采用三角形網(wǎng)格可以在水深變化劇烈的區(qū)域使用更高的分辨率,能很好的擬合復(fù)雜的岸線,而在地形變化緩慢的地方采用低分辨率,既滿足了計算要求,又節(jié)省了計算資源和計算時間(Blainet al,1998)。

為了避免數(shù)值解法引起的錯誤,ADCIRC求解通用波連續(xù)方程(GWCE)計算水位的變化,GWCE由連續(xù)方程帶入動量方程得到,球坐標(biāo)系下垂向平均的二維連續(xù)方程形式如下：

其中,t代表時間；Re代表地球的半徑；λ和φ分別代表經(jīng)度和緯度；ξ代表自由海面距離大地水準(zhǔn)面的高度；H代表海面到海底的總深度；U和V分別代表經(jīng)向和緯向的垂直平均流速。

ADCIRC求解基于深度平均的動量方程獲得流場數(shù)據(jù),動量方程在球坐標(biāo)中的形式如下所示：

其中,g代表重力加速度；Ps代表海表大氣壓；Re代表地球半徑；ρ0代表海水的密度；f代表柯氏參數(shù)；λ、φ、z分別代表經(jīng)度、緯度和垂向深度；u、v、w分別代表流速的在球坐標(biāo)3個坐標(biāo)上的分量；為球坐標(biāo)下對時間t的全微分；代表垂向應(yīng)力；mλ,mφ代表徑向和緯向的水平應(yīng)力梯度；bλ,bφ代表徑向和緯向的斜壓壓強梯度；η代表牛頓平衡潮勢；α是常數(shù)。更多有關(guān)ADCIRC模型的詳細(xì)描述可參看其用戶手冊(http：//adcirc.org/home/documentation/users-manual-v52/)。

1.3 海浪模式

本研究采用的目前國際上通用的第三代海浪模式SWAN(Booijet al,1999),SWAN模式是由荷蘭Delft科技大學(xué)在WAM模式基礎(chǔ)上研發(fā)的第三代淺水海浪模式,經(jīng)過多年不斷的改進,已經(jīng)趨于成熟。SWAN支持三角形網(wǎng)格,避免了精細(xì)模擬時的嵌套計算,可以高效地對包含遠(yuǎn)海和近岸整個區(qū)域的海浪進行模擬。

當(dāng)波浪在背景流場中傳播時,波浪的動譜能量密度守恒,但是能量密度不守恒。因此,在SWAN模型中,用二維動譜能量密度N(σ,θ)來描述隨機海浪場E(σ,θ),兩者之間的關(guān)系有：

其中,σ為相對頻率,θ為波向。

SWAN海浪模式使用波作用平衡方程,笛卡爾坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系都可以使用,笛卡爾坐標(biāo)系下的方程形式：

其中,x,y為地理坐標(biāo)；t為時間；θ為傳播方向；σ為相對頻率；左邊第一項代表動譜能量密度N隨著時間的變化,第二項和第三項代表動譜能量密度N在幾何空間的傳播(變化率為Cx和Cy),第四項和第五項代表地形和流場導(dǎo)致的頻移和折射對動譜能量密度N的作用。Stot是波能源函數(shù)項,代表系統(tǒng)中能量的輸入和輸出,包括風(fēng)浪的生成、發(fā)展,底面摩擦、白浪、波浪破碎導(dǎo)致的能量損失和波-波相互作用。

SWAN中的源項由如下6個過程組成：

其中Sin代表風(fēng)能輸入項,Snl3代表三波非線性相互作用,Snl4代表四波非線性相互作用引起的能量傳遞項,Sds,w代表波陡過高引起的白帽耗散,Sds,b代表底摩擦引起的能量耗散,Sds,br代表水深變淺導(dǎo)致海浪破碎造成的能量耗散。

1.4 耦合模式

海洋中的波動和流動現(xiàn)象是相互影響的,水位和流場會影響波浪的傳播以及破碎位置；波浪傳播所產(chǎn)生的輻射應(yīng)力會影響水位和流場。因此,波流過程的耦合十分必要。本研究使用美國北卡羅來納州立大學(xué)(North Carolina State University)的Dietrich博士開發(fā)的ADCIRC和SWAN的耦合方法(Dietrichet al,2011)。

ADCIRC和SWAN是由同一個風(fēng)場驅(qū)動的。由于ADCIRC的數(shù)值格式是發(fā)散的,所以根據(jù)Courant條件,其運行的時間步長為2s；但是SWAN采取全隱式絕對穩(wěn)定的差分格式是無條件收斂的,所以其計算的時間步長設(shè)置為1800s,本耦合模式數(shù)據(jù)交換的時間間隔SWAN計算時間步長相同。

漫堤風(fēng)險等級評估系統(tǒng)根據(jù)耦合模式計算結(jié)果(總水位、波浪爬高)對福建海域206條海堤進行可視化風(fēng)險等級評估,海堤數(shù)據(jù)來源于海洋公益性行業(yè)科研專項(2009513)。Feng等(2016)對這個耦合模式進行了詳細(xì)的檢驗,與實測結(jié)果吻合的很好,為可靠的漫堤風(fēng)險評估打下了良好的基礎(chǔ)

2 數(shù)值實驗方案

本研究使用的計算網(wǎng)格引用自(Fenget al,2016),該網(wǎng)格從遠(yuǎn)海到近岸逐漸加密,沿岸網(wǎng)格分辨率最高達50m,對福建沿海復(fù)雜地形和海堤信息實現(xiàn)了高精度的刻畫,同時又大大提高了計算效率。模式在開邊界處加入了8個主要天文分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1)的調(diào)和常數(shù)進行驅(qū)動,調(diào)和常數(shù)來自于NAO99潮汐模型(Matsumotoet al,2000).

圖1 計算區(qū)域水深(a)和模式計算網(wǎng)格(b)Fig.1 Water depth of computational domain(a)and computational grid of the model(b)

2.1 漫堤風(fēng)險等級評估方案

海堤的漫堤和越浪程度主要受到海堤的高度、水位和波高的控制,在不同的水位和波浪條件下,同一海堤形成越浪和漫堤的可能性差別很大。因此,海堤的越浪漫堤風(fēng)險,應(yīng)當(dāng)依據(jù)實際情況進行具體的評估。本文采用尹寶樹等(2006)提出的漫堤越浪風(fēng)險程度標(biāo)準(zhǔn),將海堤風(fēng)險等級根據(jù)堤前水位與波浪爬高之和與海堤高程的對比分成五個等級：

一級：最大波浪爬高遠(yuǎn)未達到堤頂(距離堤頂大于0.5m)；

二級：最大波浪爬高接近堤頂(距離堤頂小于0.5m)；

三級：部分海浪越過堤頂,越浪率小于或等于13%；

四級：越浪率大于13%,至總水位與堤頂齊高；

五級：總水位高于堤頂高度。

總水位為風(fēng)暴潮與天文潮的耦合水位。

2.2 波浪爬高計算

波浪爬高是波浪向岸傳播遇到海堤時,海堤坡面上的水體的爬高程與靜水高程之差。波浪爬高的準(zhǔn)確計算在漫堤災(zāi)害預(yù)報中起著重要的作用。《海港水文規(guī)范》推薦的直立堤波浪在爬高公式為Hc/d=B(HW/d)A,其中Hc為爬高,d為堤前水深,HW為入射波高,A、B為系數(shù),分別為：

式中,Ts為有效波周期；為平均波周期；T*為無因次波周期。

3 臺風(fēng)天兔漫堤風(fēng)險等級評估

北京時間2013年9月17日02時,臺風(fēng)天兔(1319)在菲律賓以東的西北太平洋上形成,最大風(fēng)速18m/s(8級),臺風(fēng)中心最低氣壓1000hPa；天兔緩慢向西移動并且逐漸增強,18日20時增強為臺風(fēng),19日11時增強為強臺風(fēng),9月19日17時增強為超強臺風(fēng)并且維持了30h,期間最大風(fēng)速為52m/s(16級),中心最低氣壓為930hPa；之后臺風(fēng)繼續(xù)往西北方向移動,于21日20時減弱為強臺風(fēng),9月22日19時40分左右在廣東省汕尾市南部沿海地區(qū)登陸,登陸時最大風(fēng)速為45m/s(14級),中心最低氣壓為940hPa。臺風(fēng)天兔期間受風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪的共同影響,福建省受災(zāi)人口9.29萬人,緊急轉(zhuǎn)移安置14.46萬人,水產(chǎn)養(yǎng)殖受災(zāi)面積達3.03千公頃,40艘漁船遭受毀壞,264艘漁船損壞,碼頭損毀1.26km,防波堤損毀7.36km,海堤和護岸損毀4.86km,直接經(jīng)濟損失達6.36億元。天兔在登陸時恰逢天文大潮,風(fēng)暴潮增水與天文大潮疊加,加重了災(zāi)情。本文對超強臺風(fēng)天兔期間,福建沿海的風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險等級進行評估,同時以超強臺風(fēng)天兔為基礎(chǔ),設(shè)計四種不同臺風(fēng)強度,研究不同臺風(fēng)強度下福建沿岸海堤的漫堤風(fēng)險等級。

圖2 臺風(fēng)天兔路徑Fig.2 Trajectory of the typhoon Usagi

將風(fēng)險等級評估結(jié)果與本次臺風(fēng)期間福建沿海有實況調(diào)查的兩條海堤的漫堤情況進行比較驗證,實況調(diào)查數(shù)據(jù)來自(張莉等,2016)。系統(tǒng)評估結(jié)果顯示,東山縣沃角海堤和東山縣康美海堤漫堤風(fēng)險等級為五級,即總水位高于堤頂高度,說明這兩處海堤會發(fā)生漫堤、漫灘甚至潰堤災(zāi)害,在災(zāi)后調(diào)查中發(fā)現(xiàn),這兩處海堤被不同程度的毀壞,說明本系統(tǒng)模擬得到的漫堤風(fēng)險等級評估基本準(zhǔn)確。

表1 臺風(fēng)強度等級Tab.1 Typhoon intensity scale

表2 臺風(fēng)天兔過程漫堤風(fēng)險等級預(yù)報及實況對比Tab.2 Comparison in risk level of overtopping seawall between the hindcast and the actual situation during Typhoon Usagi

在不同臺風(fēng)強度的情況下,對海堤逐條進行了風(fēng)險等級劃分,并在此基礎(chǔ)上做了統(tǒng)計分析,并將結(jié)果展示在(圖3)中。得出在強度一的情況下,有35處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了四級,10處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了五級；在強度二的情況下,有35處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了四級,7處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了五級；在強度三的情況下,有48處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了四級,10處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了五級；在強度四的情況下,有55處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了四級,10處海堤的漫堤風(fēng)險等級達到了五級。

以下是在4種強度下漫堤風(fēng)險等級均達到了五級的7處海堤,有必要做好防范措施。

選取了其中四條典型的海堤做出堤前風(fēng)暴潮增水和波浪爬高過程曲線。

由圖4可知,在臺風(fēng)強度為最低級別時,四條海堤的風(fēng)暴潮增水普遍低于1m。隨著臺風(fēng)強度的增強,風(fēng)暴潮增水也在逐漸增加,當(dāng)臺風(fēng)強度達到最大時,風(fēng)暴潮增水最大可達1.3m。但是風(fēng)暴潮增水的值相對于福建沿岸海堤的高度較小,臺風(fēng)強度增強導(dǎo)致的風(fēng)暴潮水位的增長對海漫堤風(fēng)險等級影響程度很小。在福建省現(xiàn)有的海堤條件下,漫堤風(fēng)險等級達到五級的海堤一般都是高度較低的海堤,除了強度二由于臺風(fēng)強度較低,只有7條海堤漫堤風(fēng)險等級達到五級以外(圖3),其余臺風(fēng)強度條件下,都是漳浦縣杜潯海堤等10條海堤的漫堤風(fēng)險等級達到五級(圖3),風(fēng)暴潮水位的升高沒有使更多的海堤的堤前水位超過海堤高度。

表3 海堤信息Tab.3 Seawall information

圖3 不同臺風(fēng)強度下的漫堤風(fēng)險等級Fig.3 Risk level of overtopping seawall under different typhoon intensities

圖4 四種不同強度情況下風(fēng)暴潮增水時間序列Fig.4 Time series of storm surge under four typhoon intensity scales

由圖5可知,即使在最低臺風(fēng)強度情況下,波浪爬高普遍都超過了2m,在強度四的情況下波浪爬高最大可達4.7m,波浪爬高的值比風(fēng)暴潮增水的值大很多,考慮波浪爬高后,海堤由于越浪導(dǎo)致的漫堤風(fēng)險會大大增加,從強度二到強度四,漫堤風(fēng)險等級為四級的海堤從35條迅速上升到55條(圖3)。臺風(fēng)浪引起的4m高的越浪對海堤的沖擊力會很大,會導(dǎo)致海堤有潰堤甚至毀堤的風(fēng)險,需要增強沿岸海堤對于臺風(fēng)浪的防范措施。

圖5 四種不同強度情況波浪爬高時間序列Fig.5 Time series of wave run-up under four typhoon intensity scales

4 結(jié)論

本文建立了福建沿海地區(qū)天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤風(fēng)險等級評估系統(tǒng)。通過波浪爬高所及高程與海堤高程進行比較的方式來判斷漫堤風(fēng)險等級；選取2013年超強臺風(fēng)天兔,并且制定了4種不同的臺風(fēng)強度等級,通過數(shù)值模擬對福建沿海206條海堤進行了漫堤風(fēng)險等級評估,并給出了漫堤風(fēng)險等級分布圖。結(jié)果表明：波浪爬高對漫堤風(fēng)險的影響高于單純的風(fēng)暴潮增水；風(fēng)暴潮增水隨臺風(fēng)強度的增強增量較小,對于漫堤的風(fēng)險影響較??；福建沿海波浪爬高普遍較高,隨著臺風(fēng)強度的增強,波浪爬高會顯著增加漫堤的風(fēng)險等級,并且應(yīng)該重視臺風(fēng)浪對海堤造成的沖擊所導(dǎo)致的潰堤甚至毀堤災(zāi)害,本研究可為沿海防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

致謝本文的數(shù)值模擬是在中國科學(xué)院海洋研究所的高性能計算平臺上完成的,特此致謝。