張釗，梁連松，顧冬明，傅賜福，王培濤

（1.國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江溫州325023; 2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心北京100081）

1 引言

霞關(guān)漁港位于浙江省蒼南縣最南端海域[1]，是浙南漁場和閩東漁場漁業(yè)生產(chǎn)的重要后方基地。據(jù)統(tǒng)計每年約有3.9個臺風(fēng)影響蒼南，近20 a間直接在蒼南及福建北部登陸的臺風(fēng)有19 個。蒼南縣是浙江省受臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。漁港岸線作為漁港防御風(fēng)暴潮漫堤的主要工程性設(shè)施，開展?jié)O港岸線的防臺等級評估，對于提高漁港防災(zāi)減災(zāi)能力和保障沿海漁民生命財產(chǎn)安全有著十分重要的意義。

臺風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪嚴(yán)重威脅著沿海漁港岸線設(shè)施及其他重點防臺保障目標(biāo)的安全。為此，很多學(xué)者開展了風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪災(zāi)害性風(fēng)險評估研究[3-9]。鄭國誕等[3]和何佩東等[4]基于有限元海洋模式（ADvanced CIRCulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC），根據(jù)歷史資料將9711 號臺風(fēng)“蕓妮”作為最危險路徑，構(gòu)造不同等級臺風(fēng)強(qiáng)度案例，對風(fēng)暴潮淹沒危險性進(jìn)行了評估。孫志林等[5]從臺風(fēng)強(qiáng)度和受災(zāi)程度等考慮，以1211號臺風(fēng)“?？睘榇磉M(jìn)行了象山港防臺等級評估。這些工作在極限臺風(fēng)選取和模型耦合計算等方面進(jìn)行了很好的探索，也為本文的研究提供了有益的參考。

霞關(guān)漁港防臺等級不明，給漁港防臺和抗臺指揮決策帶來了困難，亟需開展相關(guān)研究。防臺等級評估過程中，在最不利風(fēng)暴潮、海浪影響臺風(fēng)路徑（即極限臺風(fēng)路徑）的選取以及臺風(fēng)風(fēng)場構(gòu)造參數(shù)計算等方面，行業(yè)內(nèi)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文綜合歷史資料和數(shù)值模擬確定極限臺風(fēng)，計算了最大風(fēng)速半徑和臺風(fēng)移速等參數(shù)，采用耦合模型模擬了各級臺風(fēng)和路徑組合下的風(fēng)暴潮和海浪過程，重點分析了臺風(fēng)期間漁港的地形特征在疊加水位抬升過程中所起的作用。最終根據(jù)漁港岸線實際防護(hù)情況，對漁港岸線防臺等級進(jìn)行了評估。

2 模型介紹

2.1 控制方程

潮流模型在球坐標(biāo)下海水運動控制方程為[10]：

式中：t為時間，λ、φ和R分別代表經(jīng)度、緯度和地球半徑，u、v和w分別為經(jīng)向、緯向和垂向速度分量，ζ和D為自由表面高度和總水深，θ、s、ρ0和PSLP為海水位溫、鹽度、密度和海平面氣壓，f為科氏參量，g為重力加速度，ζBQ為天體平衡潮強(qiáng)迫，α、β為潮汐相互影響作用系數(shù)，Km為垂直渦粘系數(shù)，F(xiàn)u和Fv為水平方向的動量分量小尺度物理參數(shù)。

海浪模型采用UG-SWAN 模型，基本控制方程為：

式中：波作用量N(σ,θ)，σ為相對頻率，θ為波向。Cx和Cy分別為波作用量在x和y方向上的傳播速度；Cσ和Cθ為波作用量在頻率空間、波向空間中的傳播速度。方程右邊S(σ,θ)表示能量的輸入和耗散。

2.2 計算區(qū)域和網(wǎng)格

模型計算范圍是115°～138°E 和18°～32.5°N。網(wǎng)格的不同區(qū)域配置不同分辨率，外海網(wǎng)格分辨率為15～30 km，溫州近海網(wǎng)格分辨率為1～5 km，霞關(guān)港附近網(wǎng)格分辨率為20～100 m，網(wǎng)格單元數(shù)119 157，節(jié)點數(shù)63 654。大范圍地形使用地形高程數(shù)據(jù)ETOPO1 ，近海范圍為海圖數(shù)據(jù)，漁港港外和港內(nèi)分別采用2013 和2018 年實測地形數(shù)據(jù)。網(wǎng)格及水深分布見圖1。模型水平方向采用球坐標(biāo)，垂向為Sigma 坐標(biāo)。由于沿浦灣內(nèi)存在灘涂區(qū)，開啟了干濕計算。開邊界由S2、M2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1共8個分潮產(chǎn)生的平衡潮驅(qū)動。臺風(fēng)路徑信息來自溫州臺風(fēng)網(wǎng)（網(wǎng)址：http://www.wztf121.com）。

2.3 模型驗證

針對12 場影響蒼南海域較為明顯的臺風(fēng)過程進(jìn)行對比驗證，驗證站次達(dá)31 個。限于本文篇幅，僅給出1323 號臺風(fēng)“菲特”期間鰲江站和南麂站驗證過程線。經(jīng)統(tǒng)計（見圖2），12 場臺風(fēng)過程中南麂站波高驗證的絕對誤差為0.9～1.4 m，相對誤差為6.0%～9.8%；鰲江站風(fēng)暴增水絕對誤差為8.9～26.7 cm，相對誤差為6.1%～14.5%?？梢娊⒌呐_風(fēng)風(fēng)暴潮、臺風(fēng)浪數(shù)值模型與實測資料較為一致，可用于后續(xù)極限臺風(fēng)構(gòu)造計算。

圖1 模型網(wǎng)格及水深分布

圖2 1323號臺風(fēng)“菲特”期間不同站點結(jié)果驗證

3 極限臺風(fēng)構(gòu)造

3.1 臺風(fēng)路徑比選

（1）歷史資料分析

在臺風(fēng)風(fēng)險評估中，臺風(fēng)路徑的選取至關(guān)重要。影響蒼南縣的臺風(fēng)可分為登陸型和海上轉(zhuǎn)向型，其中海上轉(zhuǎn)向型約占30%，蒼南位于路徑左側(cè)，風(fēng)暴增水的影響不如登陸型明顯。登陸型臺風(fēng)中，尤以浙南閩北登陸的西北行臺風(fēng)對霞關(guān)漁港影響最大。根據(jù)鰲江站的增水值，從登陸型中篩選出對霞關(guān)影響最顯著的6 個臺風(fēng)：分別為9417 號臺風(fēng)“弗雷德”、9711 號臺風(fēng)“蕓妮”、0216 號臺風(fēng)“森拉克”、0608號臺風(fēng)“桑美”、1323號臺風(fēng)“菲特”和1808號臺風(fēng)“瑪莉亞”（見圖3）。這6 個臺風(fēng)在鰲江站引起的過程增水基本高于200 cm，其中0608 號臺風(fēng)“桑美”過程增水最高，為403 cm，高潮位則以1 323號臺風(fēng)“菲特”最大，達(dá)522 cm。

（2）數(shù)模比選分析

為選取對霞關(guān)漁港影響最大的極限臺風(fēng)，我們將以上6個典型臺風(fēng)的路徑平移至霞關(guān)漁港以南約35 km處登陸（與1323號臺風(fēng)“菲特”相同的登陸點）（見圖4）。對各臺風(fēng)平移后的路徑，配合典型臺風(fēng)與1323號臺風(fēng)“菲特”相同的臺風(fēng)參數(shù)，即中心氣壓965 hPa、臺風(fēng)移速22 km/h、最大風(fēng)速半徑35 km，采用藤田臺風(fēng)風(fēng)場模型構(gòu)造各路徑下的臺風(fēng)風(fēng)場，驅(qū)動海洋模型，獲取各個臺風(fēng)在新路徑條件下的港內(nèi)風(fēng)暴增水和有效波高情況。

從霞關(guān)漁港內(nèi)選取6 個水位對比點和12 個波高對比點。經(jīng)統(tǒng)計分析（圖略），1323 號臺風(fēng)“菲特” 路徑下模擬得到的潮位最高，達(dá)4.46～4.51 m；1808號臺風(fēng)“瑪莉亞”次之，為4.14～4.22 m；0216號臺風(fēng)“森拉克”路徑下潮位最小。波浪方面，1808 號臺風(fēng)“瑪莉亞”路徑引起的波高為各路徑下最大，處于1.12～1.42 m 之間。1323 號臺風(fēng)“菲特”在港內(nèi)有25.0%的點波高值為各路徑下最大，58.3%的點波高值位于第二。綜合最高潮位和有效波高的對比結(jié)果，選用1323號臺風(fēng)“菲特”作為本次漁港防臺等級評估的極限臺風(fēng)。

3.2 臺風(fēng)路徑構(gòu)造

將1323 號臺風(fēng)“菲特”路徑平移到霞關(guān)漁港中心位置，并以22.5 km 為間距分別向南北方向平移，平移路徑分布如圖5所示。在原路徑基礎(chǔ)上派生成18 條相互平行的臺風(fēng)路徑，生成的路徑要覆蓋整個研究區(qū)域并使得區(qū)域的每個點都能受到這種類型路徑下最不利路徑的影響。

3.3 最大風(fēng)速半徑

以霞關(guān)漁港為中心、登陸點位于100 km 半徑范圍內(nèi)，2004 年后影響蒼南較顯著的12 場臺風(fēng)的7 級風(fēng)圈半徑為基礎(chǔ)，將7 級風(fēng)圈半徑的1/10 作為最大風(fēng)速半徑來作統(tǒng)計。12場臺風(fēng)的7級風(fēng)圈平均值為356 km，據(jù)此選擇最大風(fēng)速半徑為35 km。這與1323號臺風(fēng)“菲特”的相關(guān)參數(shù)特征相接近。

3.4 臺風(fēng)強(qiáng)度及移速

為了評估相同臺風(fēng)強(qiáng)度影響下霞關(guān)漁港岸線防臺等級，以極限臺風(fēng)路徑距漁港最近點強(qiáng)度（965 hPa）為原始強(qiáng)度，按照10 個等級改變臺風(fēng)強(qiáng)度，應(yīng)用于數(shù)值模擬計算，以獲得各級下的最大增水分布與海浪分布。文中統(tǒng)一以近中心最大風(fēng)速等級（見表1中的風(fēng)級）代表臺風(fēng)等級。臺風(fēng)移動速度也是影響近海風(fēng)暴潮和海浪的重要因素，一般在10～40 km/h，選取1959 年來對霞關(guān)影響較大的22場臺風(fēng)的移速，取其平均值，為22 km/h。

4 漁港岸線設(shè)施評估

利用以上信息構(gòu)造極限臺風(fēng)風(fēng)場，驅(qū)動耦合模型，將風(fēng)暴潮最大增水疊加到近3 a 6—9 月期間的平均高潮位上，獲得不同等級下的風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪模擬結(jié)果。霞關(guān)漁港岸線可分為人工岸線和自然岸線（見圖6）。人工岸線以瑤洞村-大蕉坑段最長，墻身采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為低樁承臺，長約1.8 km，實測堤頂高程4.0～4.6 m，擋浪墻高程5.1～5.6 m；其余人工岸線較短，結(jié)構(gòu)為直立式護(hù)岸，墻身采用塊石結(jié)構(gòu)，堤長約0.55 km，堤頂高程分別為5.6～7.0m。自然岸線后方無人工建筑，且地勢較陡，故不對其進(jìn)行評價。沿漁港護(hù)岸設(shè)置S1—S6共計6個評估點，提取風(fēng)暴潮潮位和有效波高，結(jié)合護(hù)岸和設(shè)施高程數(shù)據(jù)，評估越浪和漫堤的可能。

圖3 平移前臺風(fēng)路徑

圖4 平移后各臺風(fēng)路徑

圖5 1323號臺風(fēng)“菲特” 平移路徑及派生路徑

表1 不同等級臺風(fēng)構(gòu)造信息表

判斷岸線是否漫堤或者越浪的標(biāo)準(zhǔn)為[11]：

圖6 漁港岸線高程及評估點分布

式中：Hwl為疊加水位，即最高潮位和0.5 倍有效波高之和。Ht為天文潮、風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪作用下的最高潮位，H擋浪墻為漁港岸線的堤防或擋浪墻頂高程，H波為有效波高。逐級施加臺風(fēng)作用，計算得出各評估點的Hwl并與岸線高程進(jìn)行比較。當(dāng)Hwl高于岸線高程時，即認(rèn)為漁港岸線防臺能力喪失，從而確定漁港岸線的防臺等級。

4.1 模型結(jié)果分析

霞關(guān)漁港位于沿浦灣，港外修建有老鼠尾防波堤和門仔嶼防波堤，水下地形整體由南向北逐漸變淺（見圖1c）。受防波堤掩護(hù)及水下地形影響，從模擬結(jié)果來看，最大有效波高呈現(xiàn)霞關(guān)港外向港內(nèi)、沿浦灣外向灣內(nèi)雙遞減的趨勢。最高潮位變化同樣受到沿浦灣地形的影響，越接近灣頂，隨著水深變淺，最高潮位呈現(xiàn)增大的趨勢。臨近臺風(fēng)登陸時，海流分別從東口門（即門仔嶼-南關(guān)島口門以及門仔嶼-霞關(guān)口門）、沿浦灣灣口分兩路向灣內(nèi)涌入，尤其是東口門處較不施加風(fēng)強(qiáng)迫時海流顯著增強(qiáng)，有利于海水在港內(nèi)堆積。隨著臺風(fēng)強(qiáng)度的增大，海流向岸越強(qiáng)，最高潮位與臺風(fēng)強(qiáng)度顯著正相關(guān)。具體分析如下:

圖7 各級臺風(fēng)下霞關(guān)漁港海域最大有效波高分布

通過比較各平移路徑下潮位和有效波高計算結(jié)果，確定霞關(guān)以南22.5 km 的平移路徑為極限臺風(fēng)路徑。該路徑下11、12 和13 級臺風(fēng)對應(yīng)的最大有效波高和最高潮位結(jié)果如圖7所示。11級臺風(fēng)影響下，波高1 m 等值線大致位于南關(guān)島-瑤洞村和三星澳-老鼠尾防波堤堤頭，港內(nèi)有效波高基本處于1 m以下，防波堤外有效波高約為1.25～1.75 m。12級臺風(fēng)影響下，漁港附近海域1 m 等值線中三星澳-老鼠尾防波堤堤頭部分向東延伸了300 m，瑤洞村-南關(guān)島1 m 線則無明顯移動，評估點有效波高增大了0.10～0.30 m。13 級臺風(fēng)影響下，漁港附近海域1 m 等值線中三星澳-老鼠尾防波堤堤頭一線較12級向東延伸了500 m，瑤洞村-南關(guān)島1 m 線無明顯移動，S1—S6 有效波高增大約0.10 m，達(dá)0.90～1.15 m，防波堤外有效波高約為1.25～2.00 m。

圖8 各級臺風(fēng)登陸前1 h霞關(guān)漁港海域流場分布

臺風(fēng)登陸前，強(qiáng)勁的東北風(fēng)會驅(qū)動海水形成風(fēng)暴潮流涌向岸邊，導(dǎo)致港池內(nèi)海水堆積，潮位增大。這在臺風(fēng)登陸前1 h 的流場分布對比中體現(xiàn)最為明顯（見圖8）。由于接近漲憩，未施加風(fēng)場強(qiáng)迫時港內(nèi)及東口門處流速普遍偏小，介于10～25 cm/s，灣口處流速約15 cm/s。當(dāng)施加了11 級臺風(fēng)風(fēng)場強(qiáng)迫后，東北風(fēng)驅(qū)使海水自南關(guān)島東北海域向西南流動，在南關(guān)島北側(cè)附近海流分為西北、東南兩支，其中西北支海流由東口門涌入港內(nèi)。漁港海域流速普遍增大，港內(nèi)流速約為20～40 cm/s；東口門流速顯著增強(qiáng)，達(dá)到45 cm/s，流向西北；灣口流速增幅較小，流速約為25 cm/s，流向為北。臺風(fēng)登陸前東口門及灣口流向均指向灣頂及港內(nèi)，極大地抬升了港內(nèi)潮位，港內(nèi)最大潮位達(dá)到4.45～4.57 m，灣頂潮位為4.57～4.60 m（見圖9）。12 和13 級臺風(fēng)作用下漁港海域流速進(jìn)一步增大，13 級臺風(fēng)時東口門達(dá)到了80 cm/s，港內(nèi)流速約30～80 cm/s，港內(nèi)和灣頂潮位較11級分別增大約0.45 m和1.10 m。

4.2 等級評估

11級臺風(fēng)影響下，港內(nèi)評估點S1—S6的有效波高為0.70～0.80 m，評估點最高潮位為4.47～4.51 m。 綜合最高潮位和有效波高，S1—S6 的疊加水位在4.85～4.89 m 之間，均低于圖6 相應(yīng)岸線高程值，尚未發(fā)生漫堤。

12 級臺風(fēng)影響下，S1—S6 的有效波高比11 級臺風(fēng)增大了0.10～0.30 m，最高潮位較11 級升幅約為0.24 m，達(dá)4.73～4.75 m。綜合最高潮位和有效波高，各評估點的疊加水位為5.14～5.26 m，其中S4已經(jīng)高于其高程，該岸段會發(fā)生漫堤。

13 級臺風(fēng)影響下，漁港內(nèi)有效波高總體趨勢增大，有效波高較12級增大約0.10 m，達(dá)0.90～1.15 m，最高潮位升幅0.20～0.25 m，達(dá)4.93～4.96 m。綜合最高潮位和有效波高，各評估點疊加水位為5.41～5.54 m，除S3 點外，疊加水位均超過其余點高程，霞關(guān)港內(nèi)大部分岸段會漫堤。

綜合各級極限臺風(fēng)下各評估點的可能漫灘情 況，對岸線防臺等級進(jìn)行評估，其中S5 處防臺等級稍低為11 級，S3 處防臺等級最高為13 級，其余點的防臺等級均為12 級（見圖10）。綜合各評估點防臺等級，按照就低不就高的原則[7]，評估霞關(guān)漁港岸線設(shè)施的防臺等級為11級。

圖9 各級臺風(fēng)下霞關(guān)漁港海域最高潮位分布

圖10 評估點岸線防臺等級

5 結(jié)論

為評估浙江省霞關(guān)漁港岸線防臺等級，本文構(gòu)建了適用于該海域的浪-流-潮耦合模型，并進(jìn)行風(fēng)暴潮案例的驗證，以保證模型精度。選取了歷史上對霞關(guān)漁港影響較為嚴(yán)重的6 個臺風(fēng)，通過路徑平移，并設(shè)定一致參數(shù)的方式構(gòu)建臺風(fēng)風(fēng)場驅(qū)動數(shù)值模型，比較了各路徑模擬的潮位和波高后，確定1323 臺風(fēng)“菲特”路徑為極限臺風(fēng)。以極限臺風(fēng)為基礎(chǔ)，平移形成18 條派生路徑，并對應(yīng)10 個臺風(fēng)等級，形成不同路徑和強(qiáng)度的臺風(fēng)風(fēng)場，模擬了霞關(guān)漁港內(nèi)的風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪過程，獲取最大可能影響結(jié)果。

霞關(guān)漁港受沿浦灣地形影響，越靠近灣頂，最高潮位越大，同時灣內(nèi)具有良好的遮蔽性，灣口防波堤增強(qiáng)了港內(nèi)避浪效果，港內(nèi)的波高顯著小于防波堤外波高。臺風(fēng)影響時，強(qiáng)勁的東北風(fēng)極大地增強(qiáng)了自東口門輸運入港內(nèi)的水量，導(dǎo)致海水不斷堆積，抬升了港內(nèi)及灣頂?shù)某蔽弧Ｔ?1 級臺風(fēng)影響下，港內(nèi)疊加水位在4.85～4.89 m 之間，均低于相應(yīng)岸線高程；12 級臺風(fēng)影響下港內(nèi)疊加水位為5.14～5.26 m，中部部分岸段會發(fā)生漫堤；在13 級臺風(fēng)影響下大部分岸段會漫堤；按照漁港防臺導(dǎo)則，結(jié)合漁港實際防臺情況，以就低不就高的原則，將霞關(guān)漁港岸線防臺等級確定為11級。

本文研究重點是評估霞關(guān)漁港岸線設(shè)施，研究方法對于沿海漁港岸線設(shè)施及其他重點防臺保障目標(biāo)的風(fēng)險評估也有重要的可借鑒意義。