一種基于氣候適應(yīng)性的城市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險空間評估體系構(gòu)建研究
——以青島市為例?

王 寧, 于 格,2??, 江文勝,2, 王 尚, 耿愛玉, 林 群

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 266100; 3. 青島市發(fā)展和改革委員會, 山東 青島 266071)

適應(yīng)氣候變化是指通過調(diào)整自然系統(tǒng)和人類系統(tǒng),以應(yīng)對實際發(fā)生的或預(yù)估的氣候變化或影響[1]。可以這樣理解,適應(yīng)是一種針對氣候變化影響的調(diào)整過程,而調(diào)整的依據(jù)則是氣候風(fēng)險的影響范圍及大小。但是與常規(guī)的風(fēng)險評估[2-3]和災(zāi)害風(fēng)險評估[4-6]不同之處在于,適應(yīng)關(guān)注的時間尺度一般是中長時間尺度,在這個時間尺度中,如何對氣候風(fēng)險的重要組成部分之一——“損失”進行有效預(yù)估,是目前影響氣候適應(yīng)策略制定的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,在政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告(IPCC,Intergovernmental panel on climate change assessment report, IPCC AR5)[1]中是這樣定義風(fēng)險的:風(fēng)險是指在價值受到威脅和結(jié)果不確定的情況下可能產(chǎn)生的后果,這是對氣候風(fēng)險及損失的界定給出的一個相對寬泛的概括。作為氣候變化的重要受體之一,城市具有人口和經(jīng)濟聚集度高、發(fā)展速度快的特點,因此如何從適應(yīng)角度出發(fā),針對氣候變化本身的不確定性以及城市發(fā)展的不確定性,構(gòu)建具有針對性和可行性的城市氣候風(fēng)險評估體系,使之既滿足國家適應(yīng)政策推進需求,同時也滿足基于中長期時間尺度氣候風(fēng)險預(yù)估需求,是一個具有理論意義和現(xiàn)實需求的問題。

風(fēng)暴潮是一種重要海洋災(zāi)害,在未來氣候變化情景下,風(fēng)暴潮發(fā)生的頻率和破壞程度都將有所增加,并會對沿海城市造成更大的威脅[7-8]。青島市是中國北方典型海岸帶城市代表,常年受到風(fēng)暴潮災(zāi)害影響[9-11]。本文以青島風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險為例,以適應(yīng)策略制定為出口,構(gòu)建一種基于適應(yīng)的城市氣候風(fēng)險空間評估體系,該體系將風(fēng)暴潮淹沒從風(fēng)險辯識、風(fēng)險整合到風(fēng)險分區(qū)有機關(guān)聯(lián)到一起,有效評估基于中長期尺度的海岸帶城市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險,并為實現(xiàn)從氣候風(fēng)險評估到適應(yīng)策略制定的轉(zhuǎn)變奠定一定的基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 城市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險空間評估體系框架的構(gòu)建

根據(jù)IPCC的風(fēng)險理論,氣候風(fēng)險可以被解讀為在未來情景中,當(dāng)氣候變化在特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生并產(chǎn)生一定的影響,同時由于該區(qū)域具有對氣候變化的敏感性,進而有產(chǎn)生一定損失的可能性,那么這個特定區(qū)域便具有一定的氣候風(fēng)險。但是,當(dāng)預(yù)估的時間范圍被拉長到中長期尺度后,不僅氣候變化本身存在一定的不確定性,區(qū)域發(fā)展同時也存在一定的不確定性,所以在這個過程中,嘗試對損失進行精確化預(yù)估是有一定困難的。

適應(yīng)氣候變化就是針對未來各種氣候變化情景及其可能帶來的影響而進行的一種事先性調(diào)整,這種調(diào)整不需要像常規(guī)風(fēng)險評估一樣,對風(fēng)險經(jīng)濟損失評估有精確性的要求,而可以從可行性角度出發(fā),劃出風(fēng)險可能發(fā)生的范圍,并根據(jù)一定分類因素對氣候風(fēng)險及影響范圍進行分類和分級,以此作為制定適應(yīng)策略的基礎(chǔ)。

基于上述分析,本文首先通過篩選和關(guān)聯(lián)影響風(fēng)暴潮海上增水的各類因素,根據(jù)其動力學(xué)關(guān)系,對淹沒發(fā)生的可能性進行危險性辨識;基于空間分析方法和地理信息系統(tǒng)(GIS,Geographic information system)平臺,在不同未來情景下將風(fēng)暴潮危險性與脆弱性因素等以柵格數(shù)據(jù)的形式投影在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系;依據(jù)IPCC的風(fēng)險理論以及本文研究內(nèi)容設(shè)置綜合風(fēng)險指數(shù)R(見式(1)),并將該指數(shù)定義為各影響因素層通過地圖邏輯運算整合成無量綱的綜合值,綜合風(fēng)險指數(shù)R可以將不同情景下可能發(fā)生的淹沒范圍與可能產(chǎn)生損失的脆弱區(qū)范圍整合到一起,在此基礎(chǔ)上,設(shè)置一定的分類準(zhǔn)則,將整個研究區(qū)劃分成不同級別的“風(fēng)險域”。

R=H×V。

(1)

式中:R(Risk)為綜合風(fēng)險指數(shù);H(Hazard)為危險性指數(shù);V(Vulnerability)為脆弱性指數(shù)。

綜上所述,通過上述三個步驟,可以實現(xiàn)將具有不同屬性的各風(fēng)險因素,通過風(fēng)險辨識、風(fēng)險整合、確定綜合風(fēng)險指數(shù)和風(fēng)險分區(qū)等步驟,將定量化的風(fēng)暴潮淹沒面積轉(zhuǎn)化為半定量化的具有空間屬性的淹沒綜合風(fēng)險指數(shù)。在此基礎(chǔ)上,可以將國家和地方中長期適應(yīng)策略和風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案,以及類似區(qū)位具有海岸帶淹沒風(fēng)險的城市適應(yīng)策略等結(jié)合起來,形成基于風(fēng)暴潮淹沒的基礎(chǔ)策略集,并根據(jù)綜合風(fēng)險指數(shù)及分區(qū)結(jié)果,精準(zhǔn)選擇具有針對性的適應(yīng)策略集。

2 青島市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險

青島市地處山東半島南部,位于119°30′E—121°00′E、35°35′N—37°09′N之間,東、南瀕臨黃海,是中國北方典型的海岸帶城市之一。作為中國東部重要的港口海濱城市和中國的海洋研究中心,青島市同日本、韓國等跨海相望,空間區(qū)位非常重要。青島市地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域,由于受季風(fēng)氣候控制,青島市氣象災(zāi)害種類多,出現(xiàn)頻率高,風(fēng)暴潮是對其造成嚴重影響的主要海洋災(zāi)害之一。查閱歷史資料[12]可知,造成青島市風(fēng)暴潮增水的主要天氣過程為臺風(fēng)。在全球氣候變化背景下,臺風(fēng)的強度及發(fā)生頻率都會發(fā)生變化,會影響風(fēng)暴潮的危險性。同時氣候變化導(dǎo)致的海平面的上升也會加劇風(fēng)暴潮淹沒的風(fēng)險,對沿海地區(qū)造成威脅。

2.1 風(fēng)險辨識

本文根據(jù)對影響青島市風(fēng)暴潮海上增水過程各類因素的分析,并根據(jù)其之間的動力學(xué)關(guān)系,對淹沒發(fā)生的可能性進行危險性辨識。在該風(fēng)險鏈中,各因素的動力學(xué)關(guān)系如圖1。

圖1 基于風(fēng)險鏈的青島市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險辨識圖Fig.1 Risk identification map of storm surge inundation in Qingdao based on risk chain

2.1.1f1海平面上升 在歷史觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立隨機動態(tài)預(yù)測模型[13],主要表達式如下:

Y(t)=T(t)+P(t)+X(t)+α(t)。

(2)

式中:Y(t)為月海平面值;T(t)為確定性趨勢項;P(t)為確定性的周期項;X(t)為一剩余隨機序列;α(t)為白噪聲序列。

結(jié)合溫室氣體排放濃度情景和青島沿海海平面的歷史變化趨勢和周期變化,預(yù)測青島市沿海海平面的上升速率如下:在2 ℃全球變暖情景下,青島沿海海平面上升速率為每年3.0 mm,在4 ℃全球變暖情景下,青島沿海海平面上升速率為每年6.5 mm。

2.1.2f2臺風(fēng)路徑 基于青島市關(guān)于熱帶氣旋年鑒和當(dāng)?shù)氐孛嬗^測的歷史資料,根據(jù)路徑的不同將影響青島市的臺風(fēng)分為8種類型[14],每種類型選取最具代表性的一場臺風(fēng):A類登陸北上型(0509)、B類登陸轉(zhuǎn)向型(0515)、C類黃海西折型(1105)、D類近海北上型(1109)、E類高緯西進型(1210)、F類遠海影響型(7308)、G類登陸填塞型(7708)、H類近海轉(zhuǎn)向型(8114)。圖2為這8種類型臺風(fēng)路徑模擬圖,表1為這8種類型臺風(fēng)發(fā)生的概率。

表1 影響青島的不同類型臺風(fēng)的發(fā)生概率[14]Table 1 Probability of occurrence of different types of typhoons affecting Qingdao %

圖2 影響青島市的8種典型臺風(fēng)路徑模擬圖[14]Fig.2 Simulation diagram of eight typical typhoon paths affecting Qingdao[14]

2.1.3f3波浪 本文引用的數(shù)據(jù)源對波浪采用的模型是SWAN(Simulating waves nearshore model)譜波模型[15]。模擬波浪條件的計算區(qū)域為整個渤海、黃海和東海(見圖3),在青島及周邊地區(qū)網(wǎng)格細化到分辨率為900 m,河漫灘分辨率為300 m。

圖3 波浪模擬區(qū)域圖[14]Fig.3 Wave simulation area map[14]

SWAN模型中用作用密度N(σ,θ)描述波浪場,即N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ。其中:θ是波向;σ是相對頻率。笛卡爾坐標(biāo)系下的波譜作用平衡方程為:

(3)

式中:左邊方程第一項表示時間作用密度的局部變化率;第二、三項分別表示運動沿x、y方向的傳播速度cx、cy;第四項是水流和水深變化引起的相對頻率隨傳播速度cσ的變化;最后一項是指傳播速度為cθ的水流和水深折射;右邊S是源項,代表耗散、風(fēng)力生成和非線性波浪相互作用的影響。

2.1.4f4風(fēng)暴潮增水水位 本文引用的數(shù)據(jù)源對風(fēng)暴潮計算采用的模型是ADCIRC(Advanced circulation model)模型。ADCIRC模型是美國北卡羅來納大學(xué)開發(fā)的一種有限元海洋模型,模型與非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格相結(jié)合,可以很好地模擬復(fù)雜的海岸線[16]。模型模擬區(qū)域與波浪一樣覆蓋整個渤海、黃海和東海,在青島及周邊地區(qū)網(wǎng)格細化到分辨率為900 m,河漫灘分辨率為300 m。

底部采用非線性混合底摩擦公式:

(4)

對于底部摩擦系數(shù):

(5)

式中:Hbreak是臨界深度;θ決定混合底摩擦關(guān)系接近的速度;λ決定底摩擦從深水到淺水的增長速度。

笛卡爾坐標(biāo)系中的ADCIRC基本方程為:

(6)

(7)

(8)

式中:(x,y)是笛卡爾坐標(biāo);ζ是水面高度;U和V分別是x和y方向上的水深平均速度;H=h+ζ代表總水深;h是相對于基準(zhǔn)面的水深;f是科氏力參數(shù);Ps是海面壓力;ρ0是海水密度;g是重力加速度;Mx和My分別是x和y方向上的水平動量擴散;τsx和τsy是海面風(fēng)應(yīng)力;τbx和τby是底部應(yīng)力。

2.1.5f5波浪越頂 通過中國設(shè)計規(guī)范《港口與航道水文規(guī)范》[17]中的經(jīng)驗預(yù)測公式計算波浪越頂情況,波浪越浪量的計算公式如下:

(9)

式中:Q是波流量;Tp為峰值波周期;Hs為有效波高;Hc為靜止水位以上的高度;m是斜坡坡度;d為水深;g為地球重力加速度;A和KA是護岸保護結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的經(jīng)驗系數(shù)。

2.2 風(fēng)險整合

在氣候變化的影響下,青島市風(fēng)暴潮的主要影響因素有臺風(fēng)、氣溫和海平面上升等。依據(jù)IPCC AR4中CMIP3模擬的CO2不同排放強度情景,同時考慮未來預(yù)估的不確定性,選擇2和4 ℃全球變暖以及2025、2035和2055年三個中長期時間進行情景研究。

依據(jù)課題組項目中青島案例的部分數(shù)據(jù)結(jié)果,將辨識出的各影響因素進行整合,對8種典型臺風(fēng)在2和4 ℃全球變暖以及2025、2035和2055年共6種溫度年份情景對青島市沿海風(fēng)暴潮可能淹沒的范圍進行預(yù)估,并且對青島市現(xiàn)狀土地利用數(shù)據(jù)(來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品[18])、重要建筑物以及青島市相關(guān)規(guī)劃[19-20]等脆弱性因素進行分析,因篇幅問題本文僅展示淹沒風(fēng)險最大的在4 ℃全球變暖2055年情景下的8種臺風(fēng)的淹沒范圍,各類型臺風(fēng)的淹沒范圍如圖4所示。

圖4 4 ℃升溫情景下2055年青島市風(fēng)暴潮淹沒模擬空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of simulated storm surge inundation in Qingdao in 2055 under 4 ℃ temperature rise scenario

就淹沒范圍而言,在4 ℃升溫,2055年情景下,8種類型臺風(fēng)中的0509型臺風(fēng)的淹沒范圍最大,面積約240 km2,比其在最小溫度年份情景(2 ℃升溫,2025年情景)下的淹沒面積增加近50%,1105型臺風(fēng)的淹沒范圍最小,約98 km2。城陽區(qū)、膠州市和黃島區(qū)3個區(qū)市是主要淹沒分布區(qū)域,此外即墨區(qū)的鰲山灣北部也會有少量淹沒區(qū)域。8種類型臺風(fēng)在黃島區(qū)和即墨區(qū)的淹沒范圍和分布大致相同,在膠州市和城陽區(qū)的淹沒范圍分布差別較大。通過觀察淹沒范圍較大的幾類臺風(fēng)可看出,城陽區(qū)墨水河入?？诩捌溲匕兜貐^(qū)的淹沒區(qū)域與膠州市大沽河口及其沿岸地區(qū)的部分淹沒區(qū)域連通。

就脆弱性而言,結(jié)合淹沒分布圖以及脆弱性因素分布圖可以看出(見圖5),淹沒地區(qū)的建設(shè)用地、耕地以及水域土地類型分布較多,其他兩類分布較少。同時通過上圖可以觀察到,淹沒范圍內(nèi)的重要建筑物等承災(zāi)體分布較為密集,包括學(xué)校、醫(yī)院以及住宅區(qū)等重要基礎(chǔ)設(shè)施,脆弱性較大。除此之外,結(jié)合青島市相關(guān)的規(guī)劃可以看出,在淹沒范圍內(nèi)未來還規(guī)劃有國際貿(mào)易交易中心等商業(yè)點,這將增大風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險的脆弱性。

((a)青島市土地利用分布圖;(b)青島市重要建筑物分布圖;(c)青島市相關(guān)規(guī)劃[19-20]。(a)Land use map of Qingdao;(b)Distribution map of important buildings in Qingdao;(c)Qingdao related planning[19-20].)圖5 青島市風(fēng)暴潮淹沒脆弱性因素分布圖Fig.5 Distribution map of vulnerability factors of storm surge inundation in Qingdao

2.3 風(fēng)險分區(qū)

2.3.1 風(fēng)暴潮淹沒危險性分析 根據(jù)運籌學(xué)中的“可行域”分區(qū)原則[21-22],對風(fēng)暴潮淹沒的危險性進行分區(qū)。本文根據(jù)對青島市風(fēng)暴潮影響較大的臺風(fēng)類型及其在未來各種情景下所造成淹沒范圍的差異,對淹沒危險性劃分等級(見表2)。若對8種臺風(fēng)逐一進行組合計算則組合情況過多,為簡化計算流程同時又減少淹沒范圍及分級的誤差,本文根據(jù)8種臺風(fēng)的淹沒面積大小,除選擇淹沒面積最大和最小的2種臺風(fēng)外,在剩余6種臺風(fēng)中通過對比淹沒范圍和面積再選擇2種最具代表性的臺風(fēng)進行淹沒危險性的分級計算。

表2 危險性等級劃分說明表Table 2 Description table of hazard classification

通過圖6可知,淹沒高危險性區(qū)域分布比較零散,大沽河口及附近沿岸地區(qū)是面積較大的一處重點淹沒區(qū),黃島東部和南部以及即墨的鰲山灣也有幾處高危險性區(qū)。較高危險性等級的區(qū)域主要分布在城陽區(qū)祥茂河入?？诟浇?面積較少。較低危險性等級的區(qū)域主要分布在城陽區(qū)墨水河入?？诩案浇貐^(qū),大沽河口附近也有少數(shù)區(qū)域危險性較低,低危險性等級的區(qū)域主要分布在大沽河以及墨水河往內(nèi)陸的延伸方向。

圖6 青島市風(fēng)暴潮淹沒危險性等級分布圖Fig.6 Distribution map of storm surge inundation risk level in Qingdao

2.3.2 風(fēng)暴潮淹沒脆弱性分析 本文參考《海洋災(zāi)害風(fēng)險評估區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則》[23]中風(fēng)暴潮部分關(guān)于土地利用類型與脆弱性等級范圍之間的關(guān)系并結(jié)合青島市土地利用數(shù)據(jù)對風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險的脆弱性進行評估。同時根據(jù)淹沒范圍內(nèi)的重要建筑物等承災(zāi)體分布情況對脆弱性等級范圍進行調(diào)整,同樣設(shè)置無量綱的脆弱性指數(shù),脆弱性等級范圍劃分情況如表3所示。

表3 脆弱性等級劃分說明表Table 3 Description table of vulnerability classification

調(diào)整后的淹沒區(qū)脆弱性等級如圖7所示。

圖7 青島市風(fēng)暴潮淹沒范圍內(nèi)脆弱性等級分布圖Fig.7 Distribution map of vulnerability level within the scope of storm surge inundation in Qingdao

通過圖7可以看出,在淹沒范圍內(nèi),城陽區(qū)墨水河以及黃島區(qū)辛安后河入?？诟浇貐^(qū)脆弱性等級較高,原因是兩處區(qū)域建設(shè)用地占比較大。大沽河口及其他零散分布的淹沒區(qū)為低脆弱性區(qū)域,在淹沒區(qū)內(nèi)沒有較低脆弱性區(qū)域,這與土地利用分類及建筑物分布有關(guān)。

2.3.3 風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險分析 風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險是結(jié)合了危險性和脆弱性后的綜合結(jié)果,依據(jù)綜合風(fēng)險值以及表4中的風(fēng)險等級與危險性等級及脆弱性范圍對應(yīng)關(guān)系,確定青島市的風(fēng)暴潮淹沒區(qū)域的風(fēng)險等級,將淹沒風(fēng)險分為四級:高風(fēng)險(Ⅰ級)、較高風(fēng)險(Ⅱ級)、較低風(fēng)險(Ⅲ級)、低風(fēng)險(Ⅳ級),結(jié)果如圖8所示。

表4 風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險等級與危險性等級及脆弱性范圍對應(yīng)關(guān)系表Table 4 Corresponding relationship between disaster storm surge risk level, risk level and vulnerability range

圖8 青島市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險性等級分布圖Fig.8 Risk level distribution map of storm surge inundation in Qingdao

通過圖8可以看出,在4 ℃全球變暖2055年情景下風(fēng)暴潮最大可能淹沒風(fēng)險區(qū)域較大,淹沒面積約249 km2,與同溫度年份情景下0509型臺風(fēng)的淹沒面積相近。在不同風(fēng)險等級區(qū)中,高和較高等級區(qū)約占總淹沒面積的30%,低和較低等級區(qū)面積占比較大,其中較低風(fēng)險等級區(qū)面積最大,可達103 km2。膠州市和城陽區(qū)是主要淹沒分布區(qū)。高風(fēng)險區(qū)主要分布在大沽河、洋河以及黃島區(qū)辛安后河入?？诟浇?黃島南端也有零星高風(fēng)險區(qū)域分布。較高風(fēng)險等級區(qū)域主要分布在城陽高新區(qū)附近,此處工業(yè)廠區(qū)多,脆弱性較高,淹沒風(fēng)險也較高。較低風(fēng)險區(qū)域主要分布在大沽河沿海附近,大沽河往內(nèi)陸的延伸方向和墨水河入海口為主要低風(fēng)險區(qū)域。

3 結(jié)語

本文以青島市風(fēng)暴潮淹沒風(fēng)險為例,以城市適應(yīng)策略制定為出口,構(gòu)建了一種基于適應(yīng)的氣候風(fēng)險空間評估體系。運用該體系計算了2和4 ℃在2025、2035和2055年3種不同時間共6種情景的風(fēng)暴潮淹沒的綜合風(fēng)險指數(shù)。通過計算可以發(fā)現(xiàn),在各種情景下,淹沒風(fēng)險較高的區(qū)域分別為黃島辛安后河及其沿岸(綜合風(fēng)險等級為Ⅰ級)、洋河及其沿岸(綜合風(fēng)險等級為Ⅰ級、Ⅲ級)等地區(qū),而這些淹沒風(fēng)險區(qū)體類似的特點是大多位于青島市主要入海河流河口區(qū)和沿海地勢較低的地區(qū),但與此同時,由于青島市快速發(fā)展的需要,上述主要淹沒區(qū)又將部分承載未來青島市的增長點,所以上述區(qū)域在未來中長期時間尺度內(nèi)既要考慮發(fā)展,同時也要關(guān)注未來氣候變化背景下風(fēng)暴潮淹沒帶來的風(fēng)險。

基于此,本文參考國家、地方中長期適應(yīng)規(guī)劃,目前針對風(fēng)暴潮的應(yīng)急預(yù)警預(yù)案[24-25],以及具有同樣區(qū)位的海岸帶城市的適應(yīng)策略等,制定了具有針對性的青島市風(fēng)暴潮淹沒防范適應(yīng)策略,譬如傳統(tǒng)工程類的加固堤壩,加強排水管網(wǎng)改造與河道整治;基于自然的綠色工程類的完善沿海防護林體系,推進海岸生態(tài)保護與整治修復(fù)工作;非工程管理類的完善災(zāi)害預(yù)警、監(jiān)測和應(yīng)急體系,開展災(zāi)害應(yīng)急防護技能培訓(xùn)以提高個人防護能力,加強適應(yīng)體制機制建設(shè)及風(fēng)暴潮災(zāi)害研究的資金投入等。