海浪災害對貽貝脫落率的影響

王 勤，李尚魯，盧 美，郭 敬，丁 駿

(浙江省海洋監(jiān)測預報中心，浙江 杭州 310007)

0 引言

臺風是對浙江危害最大的一種氣象災害，伴有狂風、暴雨、巨浪及風暴潮, 活動范圍很廣, 具有很強的破壞力。根據(jù)浙江省氣象臺的統(tǒng)計資料表明：1950—2019年70 a間，在浙江登陸的臺風有45個，其中 97.8% 都是在6—10月登陸浙江沿海。每年6—10月是貽貝成熟的季節(jié)，一旦遭遇大風浪災害，貽貝養(yǎng)殖損失嚴重。2011年的9號臺風“梅花”使嵊泗縣枸杞鄉(xiāng)707 hm2貽貝絕收，直接經(jīng)濟損失共計達4億元[1]。浙江省漁業(yè)互保協(xié)會經(jīng)常接到淺海貝類養(yǎng)殖戶受臺風影響損失的報案，但貽貝存于水下，查勘人員通過選點抽查來確定貽貝脫落比例，效率低下。何豪力[2]通過分析同一貽貝養(yǎng)殖戶在2018年兩次臺風過程的損失，建立了貽貝脫落率和風浪的關系，但分析的樣本較少，僅2018年的“瑪利亞”和“安比”臺風。

嵊泗貽貝養(yǎng)殖發(fā)展于近30年，但嵊泗海域附近實際觀測波浪數(shù)據(jù)偏少，僅有2018年嵊泗嵊山站浮標的部分數(shù)據(jù)，不足以建立貽貝損失與有效波高的相關性。本文嘗試用SWAN模式計算有效波高，進而分析嵊泗附近海域有效波高重現(xiàn)期分布及臺風期間貽貝損失樣本，并用有效波高對脫落率進行判定，為科學的養(yǎng)殖規(guī)劃提供依據(jù)，同時能減輕理賠工作量。該方法不受時效性限制，可為漁業(yè)互保的保險理賠提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地點與研究對象

嵊泗縣位于舟山群島北部，長江口和杭州灣匯合處，周邊海域水質(zhì)肥沃，餌料豐富，水溫適宜，擁有浙江省最大的貽貝筏式養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化基地。貽貝養(yǎng)殖區(qū)主要集中在水深10～30 m的海域，一般都在初級生產(chǎn)力高、泥沙含量少、作業(yè)距離近、水深和流速適宜、風浪較小的海灣或島礁周邊海域。養(yǎng)殖品種以養(yǎng)殖周期1 a、價格稍低的紫貽貝為主，其次為養(yǎng)殖周期 2～3 a，價值更高的厚殼貽貝。近年來，厚殼貽貝養(yǎng)殖面積占比不斷增加，而該品種養(yǎng)殖周期長，遭受風暴襲擊的概率更大。

1.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)來源

2015—2018年11次臺風過程嵊泗貽貝養(yǎng)殖受災點的貽貝脫落率數(shù)據(jù)，由浙江省漁業(yè)互保協(xié)會提供。當養(yǎng)殖戶報案后，保險勘察人員到達現(xiàn)場，在養(yǎng)殖區(qū)域不同位置拉3串貽貝上岸，目視判斷脫落率。以1個案列為1個樣本，共獲得267個樣本用于研究，樣本點位置分布見圖1。樣本點大部分位于嵊山島和枸杞島附近，嵊泗的綠華島和花鳥島附近也有零星分布。

圖1 樣本點分布示意圖Fig.1 Diagram of sample distribution

2018年5月—2019年9月有效波高數(shù)據(jù)來自嵊泗嵊山站浮標觀測數(shù)據(jù)，由浙江省海洋監(jiān)測預報中心提供。2015—2017年的有效波高數(shù)據(jù)通過SWAN模式計算得到。有效波高是將某一時段連續(xù)測得的波高序列從大到小排列，取排序后前1/3個波高的平均值。

1990—2019年臺風數(shù)據(jù)，來自中國臺風網(wǎng)最佳路徑數(shù)據(jù)集(http:∥tcdata.typhoon.org.cn/)。其中2015—2018年的臺風數(shù)據(jù)用于脫落率計算，與貽貝養(yǎng)殖損失的數(shù)據(jù)匹配。1990—2019年，每年選擇2次登陸浙江省或?qū)φ憬Ｓ袊乐赜绊懙呐_風用于海浪重現(xiàn)期計算，共60次。其中對浙江近海有嚴重影響的臺風判定標準為在125E以西近岸轉(zhuǎn)向，且強度達臺風級以上。

1.3 計算方法

海浪重現(xiàn)期選用Pearson-Ⅲ型頻率曲線的方法計算[3]。選用第三代海浪模型SWAN[4]計算嵊泗附近海域的有效波高。SWAN模式考慮了淺水中的波浪破碎、波浪繞射、底部摩擦、能量耗散和地形誘發(fā)的三相波波相互作用[5]，采用隱式格式離散控制方程，使該模型合理計算潛水波浪破碎效應，更適用于近岸波浪模擬[6]。

SWAN模式采用基于波能量的平衡方程。在笛卡爾坐標系下，波能量平衡方程可表示為[4]

(1)

式中：左邊第一項為固定點波能量密度N隨時間的變化率；第二和第三項表示波浪能量在二維地球空間中的傳播，其中Cx、Cy分別為波作用量在x方向和y方向上的傳播速度；第四項表示由于流和水深所引起的相對頻率的漂移導致N在σ空間的變化，Cσ代表在σ方向的波浪傳播速度；第五項表示N在θ空間的轉(zhuǎn)移，亦即水深及流場所引起的折射，Cθ代表在θ方向波浪傳播速度[5-6]。方程右邊S代表以波譜密度表示的源匯項，包括風能的輸入、波與波之間非線性相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎等引起的能量損耗，表示能量的輸入和耗散，具體形式為

S=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

(2)

上式右邊分別表示風能輸入項Sin、三波相互作用Snl3、四波相互作用Snl4、白帽耗散Sds,w、底摩擦Sds,b和波浪破碎Sds,br[7]。

本文采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，用大小區(qū)域網(wǎng)格嵌套計算的方法獲取嵊泗海域深水區(qū)和淺水區(qū)的波浪場，分辨率從外到內(nèi)逐漸增大。大區(qū)域網(wǎng)格覆蓋整個東中國海海域，計算范圍為115°E—134°E，16°N—41°N，此網(wǎng)格包括29 193個計算節(jié)點，15 423個三角形。小區(qū)域的計算網(wǎng)格包含長江口杭州灣海域，網(wǎng)格細致，達到44萬多個，采用局部加密的方式，在嵊泗附近海域最高空間分辨率達200 m。模式采用閉合邊界，由大區(qū)域為小區(qū)域提供邊界條件(圖2)。

圖2 模式計算網(wǎng)格Fig.2 Grid for model calculation

2 模型驗證

選取2019年影響浙江海域的4次臺風(分別是1905號 “丹娜絲”、1909號“利奇馬”、1911號“白鹿”及1917號“塔巴”)進行模式計算，用嵊泗嵊山站的實測有效波高數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果如圖3所示。圖3a是1905號“丹娜絲”臺風過程的驗證，模擬的最大有效波高峰值出現(xiàn)較實測提前了2 h，且最大值小于實際觀測最大值。圖3b是1909號“利奇馬”臺風過程的驗證，模擬的峰值出現(xiàn)時間及變化與實測較吻合，但模擬峰值大于實測值。圖3c是1911號“白鹿”臺風過程的驗證，模擬的峰值出現(xiàn)時間與實測較吻合，但模擬峰值大于實測值，臺風登陸消亡期間受其他天氣系統(tǒng)影響，有效波高的模擬值偏小。圖3d是1917號“塔巴”臺風過程的驗證，模擬的峰值與實測較吻合，但有效波高減小的速率較實測值快。

臺風過程中，模擬的嵊泗嵊山站最大有效波高的平均絕對誤差為0.35 m，平均相對誤差為7.6%，近海海浪大于2 m的平均預報相對誤差小于30%。本文所選的模型及網(wǎng)格可用于計算有效波高。

(a)1905號“丹娜絲”臺風過程驗證

(b)1909號“利奇馬”臺風過程驗證

(c)1911號“白鹿”臺風過程驗證

(d)1917號“塔巴”臺風過程驗證

3 結(jié)果

3.1 嵊泗海域有效波高重現(xiàn)期分析

基于1990—2019年數(shù)據(jù)，每年選擇2次登陸浙江省或?qū)φ憬Ｓ袊乐赜绊懙呐_風用于有效波高重現(xiàn)期計算，共60次，以P-Ⅲ曲線進行擬合，得到嵊泗海域多年一遇的有效波高(圖4)。圖4a是2年一遇的有效波高分布圖，在枸杞島西北面海域，有效波高為2.5～4.0 m，在枸杞島南面為3.0～4.5 m，在嵊山島南面為3.0～4.5 m。圖4b是5年一遇的有效波高分布圖，在枸杞島西北面為4.5～5.5 m，在枸杞島南面為5.5～6.5 m，在嵊山島南面為5.0～6.5 m。圖4c是10年一遇的有效波高分布圖，在枸杞島西北面為5.0～6.5 m，在枸杞島南面為6.0～7.5 m，在嵊山島南面為5.5～7.5 m。圖4d 是20年一遇的有效波高分布圖，在枸杞島西北面為5.0～6.5 m，在枸杞島南面為7.0～8.5 m，在嵊山島南面為6.5～8.5 m。

(a)2年一遇

(b)5年一遇

(c)10年一遇

1990—2019年臺風期間嵊泗海域有效波高的數(shù)值模擬表明：枸杞島東南面受臺風浪影響最大，枸杞島西北面受臺風浪影響相對較小;嵊山島南面的貽貝養(yǎng)殖區(qū)，離島近的海域受風浪影響相對較小，但離島較遠的海域受臺風浪影響較大，與枸杞島南面相當。

3.2 貽貝脫落率與有效波高的關系

將2015—2018年11次臺風過程中嵊泗貽貝養(yǎng)殖受災點的貽貝脫落率及對應的有效波高作統(tǒng)計分析。有效波高大于3 m時，貽貝脫落的概率達 97.8%，貽貝開始出現(xiàn)脫落的可能性較大。2007 年世界銀行建議，可依據(jù)農(nóng)業(yè)自然災害風險發(fā)生的經(jīng)驗概率將風險劃分四個管理層次：1～7 a發(fā)生一次、7～15 a發(fā)生一次、15～25 a發(fā)生一次以及25 a以上發(fā)生一次，各層次適宜的風險分散機制依次為風險自留、農(nóng)業(yè)保險、再保險(以及大災保險基金等)和政府統(tǒng)籌[8]。也即作為風險自留的保險閾值要選擇2年一遇或5年一遇有效波高。5年一遇有效波高的賠付率太低，會出現(xiàn)無人參保的現(xiàn)象，因此選擇2年一遇有效波高作為賠付閾值。但根據(jù)2年一遇有效波高最小值枸杞島西北面的2.5 m，賠付率是100%，不符合保險賠付設定，因此選擇枸杞島南面和嵊山島南面2年一遇的有效波高最小值3 m作為賠付閾值。

當有效波高為3～5 m時，貽貝脫落率達30%的樣本占11.70%，脫落率達40%的樣本占 18.71%，脫落率達50%的樣本占20.47%，脫落率達60%的樣本占34.50%，即85.38%的樣本脫落率均在30%到60%之間，脫落率達70%～90%的樣本數(shù)都為零，僅幾個樣本損失100%，可能是受其他因素的影響(圖5a)。當有效波高為5～6 m時，僅6個樣本，貽貝脫落率達50%的樣本占83.33%(圖5b)，暫由線性插值得出結(jié)論，需要后期更多樣本的補充來修正。當有效波高為6～9 m時，貽貝脫落率達100%的占 39.47%，脫落率達80%的占5.26%，脫落率達70%的占7.89%，脫落率達60%的占5.26%，脫落率達50%的占18.42%，即脫落率達50%以上的占76.3%(圖5c)。有效波高達9 m以上樣本中脫落率達100%的占 65.2%，脫落率達80%的占2.17%，脫落率達70%的占19.57%，即脫落率達70%以上的占 86.96%(圖5d)。通過上述分析，得到有效波高與貽貝脫落率的關系如表1所示。

表1 貽貝脫落率與有效波高間的關系Tab.1 Relationship between mussel loss rateand significant wave height

(a)有效波高3～5 m

(b)有效波高5～6 m

(c)有效波高6～9 m

(d)有效波高大于9 m

4 小結(jié)

本文根據(jù)舟山嵊泗海域的特點，選用SWAN海浪模式，計算得到嵊泗貽貝養(yǎng)殖海域臺風期間的有效波高。用2019年嵊泗嵊山浮標的觀測數(shù)據(jù)進行模型驗證，模型達到較高精度。利用模式計算對1990—2019年影響浙江的60次臺風進行重現(xiàn)期分析，得出枸杞島西北面受臺風浪影響相對較小，東南面受臺風影響最大。

利用2015—2018年11次臺風期間嵊泗海域的有效波高，分析有效波高和貽貝脫落率之間的關系可知：有效波高和脫落率有明顯的相關性，當有效波高達3 m時，貽貝開始脫落；有效波高為3～5 m時，貽貝脫落率為30%～60%；當有效波高為5～6 m時，貽貝脫落率為40%～90%；當有效波高為6～9 m時，貽貝脫落率為50%～100%；有效波高超過9 m時，貽貝脫落率為70%～100%，出現(xiàn)100%脫落的可能性較高。

對臺風期間貽貝脫落率與有效波高關系的研究，可為浙江省漁業(yè)互保協(xié)會的保險理賠提供參考，使之不受時效性限制，減輕理賠工作量。但本文僅考慮了有效波高對貽貝脫落率的影響，對風力、潮流、養(yǎng)殖環(huán)境等因素的影響[9]還有待更深入的研究，使研究結(jié)果可信度更高，更具實際意義。