海平面上升對河北黃驊臺風風暴潮漫灘影響的數(shù)值研究

仉天宇，于福江，董劍希，付翔

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

海平面上升對河北黃驊臺風風暴潮漫灘影響的數(shù)值研究

仉天宇，于福江，董劍希，付翔

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

基于河北省黃驊地區(qū)的風暴潮漫灘災害風險評估模型，利用成熟的業(yè)務化臺風風暴潮數(shù)值預報模式、100 m分辨率的風暴潮漫灘數(shù)值模式，以及該地區(qū)的海平面上升和地面沉降結果數(shù)據(jù)，對臺風登陸地點、路徑、方向進行科學組合，利用各種組合參數(shù)條件進行數(shù)值計算，得到了995、985、975、965 hPa四種臺風強度下，海平面上升對風暴潮漫灘的影響。在相對海平面上升50 cm和100 cm情況下，四種臺風強度的風暴潮平均最大漫灘面積分別增加了約35%和86%；臺風強度中等，即985或975 hPa時，風暴潮最大漫灘面積的增加更為顯著。研究表明，海平面上升對該地區(qū)的漫灘影響非常明顯，有效防范風暴潮災害的同時，在氣候變化的大背景下，應進一步研究和提出應對海平面上升的長效防治措施。

河北黃驊；海平面上升；風暴潮；漫灘；風險評估

河北省黃驊地區(qū)是中國北方沿海風暴潮災害多發(fā)地區(qū)之一，災害類型包括臺風風暴潮，和溫帶風暴潮，其中臺風風暴潮多發(fā)生在盛夏臺風活動季節(jié)。1992年第l6號強熱帶風暴在福建沿海登陸后，一路北上，河北省黃驊沿海在這次風暴潮災害中也遭受到慘重損失，直接經(jīng)濟損失0.98億元。風暴潮越過55 km長的海擋，向內(nèi)陸推進了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個漁村及蝦池全部被海水吞沒，平均積水達1.2 m，最深處達1.6 m，造成8 000多戶居民、43家企業(yè)進水被淹，倒塌房屋 100多間。1997年第11號臺風也造成河北黃驊市直接經(jīng)濟損失 1.7億元，沖毀45 km海擋、3萬畝（0.2萬公頃）蝦池被淹，損毀各類船只26艘，鹽場13個。

黃驊地區(qū)由于位于渤海灣頂端，地理位置特殊，歷史上一直是風暴潮重災區(qū)，關于該地區(qū)的風暴潮研究也較多。馮士筰[1,2]、王喜年[3,4]等在中國風暴潮災害空間分布中討論了該地區(qū)的風暴潮特點，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)進行了大量的風暴潮理論和數(shù)值研究，國家海洋環(huán)境預報中心在“十五”、“十一五”期間，先后自主研發(fā)了多個風暴潮數(shù)值預報模式和風暴潮漫灘數(shù)值模式，并投入到業(yè)務化預報，在黃驊地區(qū)的風暴潮預報中取得了良好的效果。同時，為了應對嚴峻的風暴潮防災減災形勢，河北省海洋局與國家海洋環(huán)境預報中心積極合作，開展了風暴潮災害的風險評估工作，構建了河北省黃驊地區(qū)的風暴潮漫灘災害風險評估模型，該模型由6個數(shù)值預報模式和1套基于GIS的風暴潮災害風險評估系統(tǒng)組成，本文的工作即是在該項風險評估模型基礎上進行的。

2 方法和數(shù)據(jù)資料

2.1 變網(wǎng)格臺風風暴潮數(shù)值模式的建立

利用完整的二維淺水方程來計算臺風風暴潮，基本方程包括連續(xù)方程和運動方程。在運動方程中，除了考慮平流項、科氏力項、底摩擦力項外，還考慮側向粘性項。

圖 1 風暴潮模式計算網(wǎng)格Fig. 1 Grids of Storm Surge Numerical Model

選用 Takahashi（1939）和 Fujita（1952）2種嵌套（參見王喜年[10]、于福江[11]）來計算同一臺風域中的氣壓場分布。臺風域中的風場由兩個矢量場疊加而成，用Veno Takeo（1981）的公式進行計算。

采用計算區(qū)域加大，重點區(qū)域加細的思想來設計模式的網(wǎng)格分布。因此，我們設計了變網(wǎng)格系統(tǒng)用于計算河北沿海的臺風風暴潮。在黃驊沿岸的空間分辨率為200～240 m左右。

2.2 高分辨率臺風風暴潮漫灘數(shù)值模式的建立與檢驗

采用了高分辨率的小計算區(qū)進行漫灘計算，如表1所示，是黃驊臺風風暴潮計算區(qū)的兩重網(wǎng)格系統(tǒng)的相對位置劃分，采用不同的時間步長和空間步長。

利用該嵌套模式對黃驊的臺風風暴潮進行了大量的檢驗，結果較好，且穩(wěn)定性良好。本文限于篇幅，圖表從略。

表 1 黃驊臺風風暴潮數(shù)值模式的格點系統(tǒng)配置Tab. 1 Nesting grids of storm surge model in Huanghua

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

2.3 情景參數(shù)設置

參考美國NOAA開展的風暴潮風險分析方法：把襲擊大西洋和墨西哥灣沿岸的臺風按強度分為 5類，對于一個區(qū)域，采用業(yè)務化的風暴潮數(shù)值模式按臺風強度分類計算（也可以只有3類，最多5類，第 5類相當可能最大臺風），依據(jù)氣候統(tǒng)計結果而定，本文按我國風暴潮災害應急預案，分為4類，臺風移速用歷史上襲擊這一地區(qū)臺風移速的平均值或最佳值，每類臺風所有可能路徑均利用數(shù)值模式進行計算，依據(jù)模式計算結果繪出每類臺風最大的風暴潮淹沒陸地范圍。也可按100年一遇臺風計算風暴潮淹沒陸地的大小。

圖 3 7203、7303、8509號臺風登陸黃驊臺風路徑示意圖Fig. 3 Tracks of 7203, 7303 and 8509 typhoons landing at Huanghua

黃驊地區(qū)從1949年到2005年的臺風發(fā)生頻率剛好是1次/a。因為這個地區(qū)處于中國的北方地區(qū)，所以受臺風影響次數(shù)相對較少，但幾次較強的臺風都引發(fā)了比較嚴重的風暴潮災害。經(jīng)統(tǒng)計分析，影響該地區(qū)的四類典型臺風路徑的分別是 9406、0108、0209、0421。同時，我們還對6005、9711、0509號等幾十個典型臺風做了分析研究，根據(jù)檢測結果選定了以 7203、8509、7303號臺風為基準，通過變動臺風路徑的位置，對上百種臺風路徑進行了試算，選取了可能引起比較嚴重災害的臺風路徑。同時根據(jù)中國的臺風強度分級（中心低氣壓）將臺風風暴潮淹沒危險性分成了四級，對應著相應的四級風力。臺風風暴潮淹沒危險性分級：第一級臺風風暴潮，中心氣壓 995hPa，近中心最大風力8～9級；第二級臺風風暴潮，中心氣壓985hPa，近中心最大風力10～11級；第三級臺風風暴潮，中心氣壓975 hPa，近中心最大風力12級；第四級臺風風暴潮，中心氣壓965 hPa，近中心最大風力12～13級。

2.4 相對海平面上升

根據(jù)具體的相對海平面上升數(shù)據(jù)來分析風暴潮災害對海平面上升的響應情況。《中國海平面公報》[12]提供的數(shù)據(jù)表明：近 30年來，中國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。同時我們還綜合考慮了當?shù)氐牡孛娉两狄蛩豙13]。由于地下水超量開采等原因，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 主要結果

圖 4 不同臺風強度下海平面上升對風暴潮漫灘的模擬結果（藍色：風暴潮漫灘風險范圍；黃色：海平面上升50 cm的漫灘風險增加區(qū)域；紅色：海平面上升100 cm的漫灘風險增加區(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因素綜合考慮，對該區(qū)的海平面上升程度重新進行了風險評估和計算。假設該地區(qū)海平面上升50 cm/100 cm，那么淹沒區(qū)的面積會增加多少。圖4是臺風強度分別為995、985、975和965 hPa時的海平面上升模擬結果。圖中該區(qū)域對應了三種顏色，藍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?？梢钥闯觯?95百帕的臺風強度下海平面高度的變化還不是特別大。但是當臺風強度增強到985、975和965 hPa時，其變化范圍就迅速的擴大了。表3是不同臺風強度下的海平面上升模擬結果。在海平面上升50cm的情況下，風暴潮淹沒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 海平面上升對黃驊臺風風暴潮的影響Tab. 3 Effects on typhoon storm surge inundation in Huanghua by sea level rising

4 分析與結論

4.1 海平面上升對風暴潮的可能影響因素

海平面上升對風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，它們都將引起風暴潮水位升高。風暴潮的間接影響因素有：氣候變暖可能會引起的中國北方登陸臺風風力強度加強，風力變大；海平面上升會使得地面降水的徑流水位提高，從而變相地抬高了風暴潮，引起風暴潮水位上升；水位上升引起近岸浪增高，破壞力變強；地形變化影響導致天文潮變高，進一步引起海浪破壞能力增強等因素的影響。

4.2 主要結論

（1）海平面上升可能通過多方面因素加劇黃驊沿海地區(qū)風暴潮災害，當海平面上升 50 cm和100 cm時，該地區(qū)平均最大淹沒面積可能增加約35%和86%；

（2）臺風強度中等，即985或975 hPa時，風暴潮最大漫灘面積的增加更為顯著；

（3）海平面上升對黃驊沿海地區(qū)的風暴潮漫灘影響非常明顯，有效防范風暴潮災害的同時，在氣候變化的大背景下，應進一步研究和提出應對海平上升的長效防治措施，尤其是與黃驊毗鄰的天津濱海新區(qū)，是中國沿海經(jīng)濟當前和未來發(fā)展的重點地區(qū)，進行海平面上升背景下風暴潮災害風險評估是非常必要的，需要在這方面引起足夠的重視。

[1] 馮士筰. 風暴潮的研究進展 [J]. 世界科技研究與發(fā)展, 1998,20(4): 44-47.

[2] 馮士筰. 風暴潮導論 [M]. 北京:科學出版社, 1982.

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[5] 孫文心. 超淺海風暴潮進一步研究 [J]. 山東海洋學院學報,1987, 17(1): 34-45.

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[10] 王喜年. 見：包澄瀾主編, 海洋災害及預報 [M]. 北京: 海洋出版社, 1991: 第三章.

[11] 于福江, 張占海. 一個東海嵌套網(wǎng)格臺風暴潮數(shù)值預報模式的研究與應用 [J]. 海洋學報, 2002, 24(4): 23-33.

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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

海洋公益項目資助：200905013

仉天宇（1974- ），男，博士，研究員，主要從事風暴潮災害風險評估、海洋GIS應用和海洋觀測預報發(fā)展戰(zhàn)略研究。電子郵箱：zhangty@nmefc.gov.cn