張敏, 羅軍, 胡金磊, 曾學(xué)智

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雷州市沿海風(fēng)暴潮淹沒危險(xiǎn)性評(píng)估*

張敏, 羅軍, 胡金磊, 曾學(xué)智

國家海洋局南海預(yù)報(bào)中心, 廣東 廣州 510310

文章基于近岸海洋數(shù)值模式ADCIRC (a parallel advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters)和近海波浪數(shù)值模式SWAN (simulating waves nearshore), 建立雷州市高分辨率的風(fēng)暴潮-海浪耦合漫灘數(shù)值模型, 并反演了對(duì)雷州市影響較為嚴(yán)重的1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”的風(fēng)暴潮過程。經(jīng)過對(duì)比分析得出, 波浪對(duì)雷州市沿海海域的風(fēng)暴潮產(chǎn)生重要影響。然后以8007號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑為基礎(chǔ), 構(gòu)造了7個(gè)不同等級(jí)共35組臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮案例, 計(jì)算分析出不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下雷州市風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深。900hPa等級(jí)下, 雷州市淹沒面積達(dá)到463.2km2。文章還構(gòu)造了60組可能最大風(fēng)暴潮事件集, 計(jì)算得到雷州市可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深分布。在可能最大臺(tái)風(fēng)影響下, 大量海水將漫過海堤, 造成極其嚴(yán)重的淹沒災(zāi)害, 雷州市總的淹沒面積可達(dá)602.0km2, 其中465.8km2的淹沒面積達(dá)到了危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅰ 級(jí), 淹沒水深大于3m。雷州市東岸的淹沒災(zāi)害大于西岸。

風(fēng)暴潮; 耦合模型; 淹沒; 危險(xiǎn)性評(píng)估

雷州市地處雷州半島中部, 北回歸線以南, 位于東經(jīng)109°42′—110°23′, 北緯20°26′—21°11′, 東瀕南海, 西靠北部灣, 北與湛江市麻章區(qū)、遂溪縣接壤, 南與徐聞縣毗鄰。雷州市是臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)之一, 臺(tái)風(fēng)影響該地區(qū)的時(shí)間主要集中在每年的7月至10月。1950年至2016年間, 登陸湛江市而影響這一地區(qū)的臺(tái)風(fēng)共有73次, 平均每年1.09次, 其中直接登陸雷州市的臺(tái)風(fēng)有18次。雷州市由于其特殊的海岸線形態(tài)和地形, 十分有利于海水堆積, 我國歷史上有記錄的最大風(fēng)暴增水發(fā)生在雷州市南渡站——8007號(hào)臺(tái)風(fēng)帶來了590cm的風(fēng)暴增水, 該值為我國最大記錄增水值, 位居世界第三大值。2014年先后有近41年來登陸華南最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”以及臺(tái)風(fēng)“海鷗”侵襲了湛江市, 都給雷州市帶來了近年來罕見的風(fēng)暴潮災(zāi)害, 并且引發(fā)了多處海堤漫堤和沿海地區(qū)漫灘現(xiàn)象, 帶來重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)損失。

風(fēng)暴潮漫灘模式研究開始于20世紀(jì)60年代末期, 與傳統(tǒng)的固定網(wǎng)格模式相比, 這類模式允許邊界位置隨水位升降而改變。目前國內(nèi)對(duì)于風(fēng)暴潮漫灘的研究開展了大量的工作, 莎日娜等(2007)基于POM模式的改進(jìn), 采用Flather-Heaps干濕網(wǎng)格法和兩重網(wǎng)格嵌套的數(shù)值計(jì)算格式, 建立了針對(duì)天津近岸海域的三維東邊界風(fēng)暴潮漫灘模型。吳瑋等(2012)利用近岸海洋數(shù)值模式(ADCIRC)建立了溫州近岸風(fēng)暴潮漫灘模型, 評(píng)估了各臺(tái)風(fēng)路徑下漫灘淹沒對(duì)溫州的威脅。曹叢華等(2013)基于FVCOM研發(fā)了膠州灣高分辨率三維風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式。

近年來不少學(xué)者開展了風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性評(píng)估工作(何佩東等, 2015; 鄭國誕等, 2016), 但都未考慮波浪與風(fēng)暴潮的相互影響, 而不少學(xué)者的研究中均表明波浪輻射應(yīng)力對(duì)風(fēng)暴潮的大小有至關(guān)重要的作用(陳華偉等, 2010; 劉秋興等, 2011), 故本文將ADCIRC海洋數(shù)值模式與近海波浪數(shù)值模式(SWAN)第三代波浪模式進(jìn)行雙向耦合, 構(gòu)建雷州市風(fēng)暴潮-海浪耦合漫灘數(shù)值模型, 充分考慮波浪與風(fēng)暴潮的相互作用, 并進(jìn)行雷州市風(fēng)暴潮淹沒危險(xiǎn)性評(píng)估工作。

1 模型介紹

1.1 臺(tái)風(fēng)模型

本文使用的臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)采用高橋公式(Takahashi , 1939)和藤田公式(Fujita, 1952), 在2倍最大風(fēng)速半徑(, 單位: m)范圍以外, 前者更具有代表性, 臺(tái)風(fēng)中心至2范圍內(nèi), 后者能更好地反應(yīng)臺(tái)風(fēng)的氣壓變化(王喜年等, 1991), 故將兩個(gè)公式嵌套來計(jì)算同一臺(tái)風(fēng)的氣壓場(chǎng)分布:

本文的風(fēng)場(chǎng)采用改進(jìn)的Jelesnians公式(周水華等, 2010), 修正公式如下:

<≤10(4)

1.2 SWAN波浪模型

SWAN模型適用于海岸、湖泊、河口水域風(fēng)浪、涌浪和混合浪的預(yù)報(bào), 可模擬水底地形和流場(chǎng)的變化引起的波浪折射、淺水變形, 逆流時(shí)波浪的反射和破碎, 波浪遇到障礙物的透射及阻礙, 波浪輻射應(yīng)力變化導(dǎo)致的增減水, 能反應(yīng)非線性波之間的相互作用, 包括3組分波與4組分波相互作用。

在存在水流的情況下, 波譜的作用量守恒而能量密度不守恒。因此, SWAN模型采用兩維波作用密度譜平衡方程作為控制方程(Ris et al, 1999), 笛卡爾坐標(biāo)系下, 表達(dá)式為:

源項(xiàng)可表示為:

1.3 風(fēng)暴潮模型

ADCIRC模式是由北卡羅來納大學(xué)的Luettich博士和圣母大學(xué)的Westerink博士聯(lián)合研發(fā)的水動(dòng)力數(shù)值模式, 可對(duì)二維和三維的自由海表面流動(dòng)和物質(zhì)輸運(yùn)問題進(jìn)行求解, 模擬海洋、近岸與河口的水位、流場(chǎng)等, 并可計(jì)算一維障礙物溢流。它基于有限元方法, 采用可局部加密的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

1.3.1 控制方程

為了避免或者是減小Galerkin有限元離散出現(xiàn)的振蕩、不守恒性等數(shù)值問題, ADCIRC模型將對(duì)短波有阻尼作用的通用波動(dòng)連續(xù)性方程GWCE (generalized wave continuity equation)代替原有的連續(xù)性方程(Blain et al, 2004)。采用通用波動(dòng)連續(xù)性方程來求解水位。GWCE通用波動(dòng)連續(xù)性方程如下:

其中:

采用以下動(dòng)量方程求解潮流:

1.3.2 漫堤溢流計(jì)算

在風(fēng)暴潮發(fā)生過程中, 若不考慮海浪影響, 在潮位低于海堤頂高時(shí), 海堤能起到保護(hù)內(nèi)陸的作用。但是如果潮位高于海堤, 海水將漫過堤頂進(jìn)入內(nèi)陸, 并向低洼地區(qū)堆積。

ADCIRC模式的一大特點(diǎn)就是允許將一維障礙物(海堤)作為一種內(nèi)勢(shì)壘邊界添加到模式的網(wǎng)格, 并參與模式的計(jì)算。

當(dāng)海水的潮位在某一時(shí)刻高于當(dāng)?shù)氐暮５虝r(shí), 漫過的海水單位長(zhǎng)度溢流量的計(jì)算, 采用Henderson (1996)經(jīng)典水力學(xué)公式:

式中:為海水溢流量(單位: m2×s-1);1為海水漫過海堤的高度(單位: m);C為流量系數(shù), 表達(dá)式為:

式中:1為海水漫過海堤高度(1)部分的海水流速(單位: m×s-1)。

1.3.3 模型網(wǎng)格及設(shè)置

模型的計(jì)算范圍包括南海北部及西北太平洋部分海域(圖1), 具體經(jīng)緯度范圍為105°37′48″E— 126°55′48″E, 14°39′N—27°12′36″N; 陸地范圍包含了雷州市10m等高線以下的區(qū)域。雷州市沿海的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理, 網(wǎng)格分辨率達(dá)到了30~50m, 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為1094799個(gè), 節(jié)點(diǎn)數(shù)為561370個(gè)。海上地形使用海圖水深和ETOPO1數(shù)據(jù), 陸地高程采用國土資源部提供的2014年修訂的5m分辨率實(shí)測(cè)地形。海堤采用廣東省水利廳提供的海堤信息, 并在模型的計(jì)算網(wǎng)格中予以了精確刻畫。模型的地形高程數(shù)據(jù)均統(tǒng)一至平均海平面。模式陸地范圍的底摩擦系數(shù)參考全球30m地表覆蓋數(shù)據(jù)(GlobeLand30)設(shè)置, 陸地上底摩擦系數(shù)的范圍取在0.012~0.049之間, 海洋中底摩擦系數(shù)取值范圍在0.0025~0.005之間。

圖1 模型范圍內(nèi)網(wǎng)格及水深分布圖

SWAN波浪模式的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為20min, 方向步長(zhǎng)為15°, 頻率范圍為0.042~0.411Hz, 頻段數(shù)取25, 白帽浪的計(jì)算采用KOMEN公式, 其他參數(shù)采用默認(rèn)值。

ADCIRC模式的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1s, 初始場(chǎng)均設(shè)為0, 與SWAN模式數(shù)據(jù)交換時(shí)間間隔設(shè)置為1200s。外海開邊界潮位采用俄勒岡州立大學(xué)的潮汐反演軟件OTIS獲得。OTIS數(shù)據(jù)是由多個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及驗(yàn)潮站觀測(cè)數(shù)據(jù)、船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)同化而來。使用OTIS的中國海海區(qū)天文潮模型結(jié)果, 該數(shù)據(jù)分辨率為1/30°×1/30°, 共有901×1201個(gè)網(wǎng)格。模型通過外海邊界加入M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1八個(gè)主要的全日及半日分潮引入天文潮的影響。

1.4 典型風(fēng)暴潮過程模擬分析

本文模擬后報(bào)了多場(chǎng)影響雷州市較嚴(yán)重的典型臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過程, 篇幅所限, 僅給出對(duì)1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”風(fēng)暴潮模擬的分析結(jié)果, 分析了波浪對(duì)雷州市海域風(fēng)暴潮的影響。

1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”于2014年9月12日14時(shí)在西北太平洋洋面上生成, 于13日17時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別, 生成后向西北偏西方向移動(dòng), 于15日02時(shí)經(jīng)菲律賓進(jìn)入南海海面, 中心最大風(fēng)速35m×s-1, 后繼續(xù)向西北偏西方向移動(dòng), 強(qiáng)度加強(qiáng), 于16日09時(shí)40分前后以臺(tái)風(fēng)級(jí)別(40m×s-1)在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸, 登陸后繼續(xù)向西北方向移動(dòng), 于16日12時(shí)45分在廣東省湛江市徐聞縣南部沿海再次登陸, 登陸時(shí)仍然為臺(tái)風(fēng)級(jí)別(40m×s-1), 登陸湛江后強(qiáng)度減弱, 進(jìn)入北部灣海域, 并于16日23時(shí)前后在越南登陸, 并遠(yuǎn)離華南沿海(圖2)。

圖2 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”路徑圖

受1415號(hào)臺(tái)風(fēng)過程影響, 南渡站于2014年9月16日12時(shí)出現(xiàn)了5.11m的風(fēng)暴增水, 最高潮位5.49m (85高程, 下同); 湛江站于16日12時(shí)出現(xiàn)4.35m的最大風(fēng)暴增水, 最高潮位為4.89m; 硇洲站于16日13時(shí)出現(xiàn)3.88m的最大風(fēng)暴增水, 最高潮位為3.74m。圖3和圖4分別為在考慮波浪作用和不考慮波浪作用下的湛江站和硇州站風(fēng)暴增水和總潮位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比。不加波浪時(shí), 湛江站最大增水和最高潮位與實(shí)測(cè)相比誤差分別為0.26m和0.33m, 硇洲站最大增水和最高潮位的誤差分別為0.29m和0.11m; 加波浪作用后, 湛江站最大增水和最高潮位的誤差分別為0.12m和0.19m, 硇洲站最大增水和最高潮位的誤差分別為0.07m和0.07m。從模式模擬的結(jié)果來看, 考慮波浪作用下的模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。圖5和圖6分別為不考慮波浪作用和考慮波浪作用的最大增水和最高潮位分布圖, 考慮波浪作用后, 雷州半島東岸的增水和總潮位明顯變大, 總潮位增加幅度可達(dá)0.26m, 西岸也有較小幅度的增加。由分析可知, 考慮波浪作用下, 沿?？偝蔽惠^不考慮波浪作用時(shí)將有所增大, 漫灘范圍和淹沒水深也將增大, 不同臺(tái)風(fēng)路徑下, 波浪的影響也會(huì)有所差異, 考慮波浪作用對(duì)風(fēng)暴潮淹沒危險(xiǎn)性評(píng)估的結(jié)果將產(chǎn)生重要影響。

圖3 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”湛江站增水過程(a)及潮位過程(b)對(duì)比曲線

圖4 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)“海鷗”硇州站增水過程(a)及潮位過程(b)對(duì)比曲線

圖5 考慮波浪(a)和不考慮波浪(b)作用下“海鷗”過程最大增水分布圖

圖6 考慮波浪(a)和不考慮波浪(b)作用下“海鷗”過程最高潮位分布圖

2 不同等級(jí)風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性分析

2.1 最不利路徑選取

根據(jù)風(fēng)暴潮歷史統(tǒng)計(jì)資料, 雷州市沿海在8007號(hào)臺(tái)風(fēng)過程中出現(xiàn)歷史最大風(fēng)暴潮, 故選取8007號(hào)臺(tái)風(fēng)過程作為不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的基礎(chǔ)熱帶氣旋, 通過將8007號(hào)臺(tái)風(fēng)的原始臺(tái)風(fēng)路徑以0.25倍max(登陸前最大風(fēng)速半徑)距離為基礎(chǔ), 向南北(東西)移動(dòng)生成36條臺(tái)風(fēng)路徑, 完全覆蓋雷州市岸段, 路徑的分布詳見圖7, 8007號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑集合按照由南至北分別標(biāo)為路徑t0 ~ t35。在雷州市沿岸均勻選取9個(gè)點(diǎn)的增水結(jié)果作為判斷最不利路徑的依據(jù)(具體分布見圖8), 各點(diǎn)在8007號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑集合中的增水詳見表1, 從表中挑選各點(diǎn)增水最大所對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)路徑, 得到雷州市岸段出現(xiàn)增水最不利的前5條路徑由南至北分別是t14、t15、t25、t29及t32 (圖9)。

其中, 雷州市東岸段的最大風(fēng)暴增水主要由t14和t15引起; 雷州市西岸段的風(fēng)暴增水主要由t25、t29和t32引起, 因?yàn)樵谄系呐_(tái)風(fēng)路徑下, 雷州市東岸沿海受臺(tái)風(fēng)右半圓向岸風(fēng)影響時(shí)間較長(zhǎng), 風(fēng)暴增水較大, 而西岸則主要受離岸風(fēng)作用; 在偏北的臺(tái)風(fēng)路徑下, 西岸將較長(zhǎng)時(shí)間受臺(tái)風(fēng)左半圓向岸風(fēng)影響, 因此, 西岸的較大增水主要發(fā)生在偏北的臺(tái)風(fēng)路徑下。

表1 8007臺(tái)風(fēng)事件集下各代表點(diǎn)最大風(fēng)暴增水(單位: m)

注: 加粗?jǐn)?shù)字表示各代表點(diǎn)在某路徑下增水最大

圖7 8007號(hào)臺(tái)風(fēng)平移后路徑集

圖8 代表點(diǎn)位置分布

圓圈表示代表點(diǎn)位置, 數(shù)字表示代表點(diǎn)編號(hào)

Fig. 8 Location distribution of representative points. Circle represents location and number denotes identifier

圖9 最不利路徑中的前5條8007號(hào)臺(tái)風(fēng)平移后路徑

2.2 不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度構(gòu)造

不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度劃分是采用評(píng)估區(qū)域300~400km范圍內(nèi)歷年路經(jīng)本海區(qū)的臺(tái)風(fēng)最小氣壓值為樣本, 采用極值Ⅰ 型計(jì)算200a一遇的臺(tái)風(fēng)中心氣壓作為最低中心氣壓, 然后每隔10hPa來構(gòu)造不同等級(jí), 直到影響區(qū)域未出現(xiàn)明顯淹沒為最低等級(jí)。統(tǒng)計(jì)1949年至2015年(共67a)影響雷州區(qū)域的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度, 利用極值I 型計(jì)算所得雷州市200a一遇的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓為900hPa, 最低等級(jí)氣壓根據(jù)模式淹沒結(jié)果確定為960hPa, 因此構(gòu)造的臺(tái)風(fēng)不同等級(jí)如表2。

表2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)劃分表

本文以t14、t15、t25、t29及t32這5條最不利路徑為基礎(chǔ), 分別進(jìn)行7組不同強(qiáng)度等級(jí)的構(gòu)造, 共35個(gè)構(gòu)造熱帶氣旋進(jìn)行風(fēng)暴潮淹沒計(jì)算。

2.3 天文潮位的選取

建立不同等級(jí)和可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮事件集天文潮背景, 以疊加增水過程, 產(chǎn)生極端的風(fēng)暴潮高潮位。本文選取湛江站為雷州岸段的代表站點(diǎn), 通過潮汐預(yù)報(bào)等方式得到連續(xù)19a天文潮位數(shù)據(jù), 選取最大天文潮10%超越高潮位作為天文潮背景。計(jì)算結(jié)果顯示, 湛江站最大天文潮10%超越高潮位出現(xiàn)在2011年10月29日0:00, 潮位為328cm (基面為85高程, 如圖10所示)。

圖10 1997—2015年湛江站月最大天文潮位頻率曲線圖

2.4 不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)的淹沒范圍及水深

基于上述35個(gè)構(gòu)造熱帶氣旋案例, 模擬計(jì)算了不同等級(jí)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒情況(圖11), 熱帶氣旋等級(jí)越高, 同一條路徑事件的淹沒范圍和淹沒水深越大。900hpa、910hpa和920hpa等級(jí)下, 南渡河沿岸由于出現(xiàn)了較高的潮位, 在波浪共同的作用下, 海水將越過南渡河大堤, 在南渡河沿岸造成大面積的淹沒范圍, 900hpa等級(jí)下淹沒水深大約在2~4m之間, 910hpa等級(jí)下淹沒水深大約在1~3m之間, 920hpa等級(jí)下淹沒水深大約在0~2m之間。930hpa和940hpa等級(jí)下, 海水通過南渡河以及南渡河大堤與邁豪海堤之間的缺口處倒灌, 造成南渡河沿岸一定面積的淹沒, 淹沒水深在1m以下。950hPa等級(jí)下南渡河岸段淹沒范圍明顯減小, 只在南渡河大堤前的岸灘上有部分淹沒。950hPa等級(jí)以上情景, 南渡河大堤前岸灘上仍有部分淹沒, 但淹沒范圍及水深隨等級(jí)升高而逐漸減小。雷州市西岸段總體淹沒情況較東岸段輕, 只在部分地勢(shì)較低區(qū)域出現(xiàn)淹沒, 無大面積淹沒情況, 大部分淹沒水深在1.5m以下。960hPa等級(jí)情景下, 淹沒范圍明顯減小。表3為各臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)下湛江站、硇洲站、南渡站最大增水和最高潮位。

圖11 各臺(tái)風(fēng)等級(jí)下雷州市淹沒范圍及淹沒水深

a. 900hPa; b. 910hPa; c. 920hPa; d. 930hPa; e. 940hPa; f. 950hPa; g. 960hPa

Fig. 11 The inundated range and depth (units: m) in Leizhou during the typoon of each strength grade. (a) 900hPa; (b) 910hPa; (c) 920hPa; (d) 930hPa; (e) 940hPa; (f) 950hPa; (g) 960hPa

表3 各臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)下湛江站、硇洲站、南渡站最大增水和最高潮位(基面: 85高程)

表4為各臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)下雷州市東岸和西岸各危險(xiǎn)性等級(jí)對(duì)應(yīng)淹沒水深下的面積統(tǒng)計(jì)。900hPa等級(jí)下, 雷州東岸的淹沒面積達(dá)到367.8km2, 其中大部分淹沒水深都在1.2m以上, 危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅰ 級(jí)的面積為176.5km2, 危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅱ 級(jí)的面積為162.4km2。臺(tái)風(fēng)等級(jí)越小, 淹沒面積越小。當(dāng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)為930hPa時(shí), 東岸的淹沒面積降到132.1km2, 當(dāng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)為950hPa時(shí), 東岸的淹沒面積降到55.9km2。在900hPa強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)下時(shí), 雷州西岸淹沒面積為95.4km2, 僅有0.3km2的淹沒面積達(dá)到危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅰ, 各臺(tái)風(fēng)等級(jí)下, 西岸的淹沒面積均大大小于東岸。

3 可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮危險(xiǎn)性分析

3.1 可能最大臺(tái)風(fēng)事件集構(gòu)造

本文中有關(guān)可能最大熱帶氣旋參數(shù)的確定主要參照《核電廠工程水文技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 2012)、《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(國家能源局, 2011)、《核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋》(國家核安全局政策法規(guī)處, 1991)提供的方法, 以及國內(nèi)外學(xué)者以往開展的可能最大熱帶氣旋的研究方法進(jìn)行。

表4 不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)下雷州市東西兩岸淹沒水深面積統(tǒng)計(jì)

3.1.1 臺(tái)風(fēng)中心氣壓

熱帶氣旋中心氣壓0取千年一遇的中心氣壓, 以雷州市為中心、方圓400km范圍作為雷州市評(píng)估區(qū)域, 以1949—2015年中國氣象局最佳臺(tái)風(fēng)路徑集作為原始數(shù)據(jù), 統(tǒng)計(jì)出歷年經(jīng)過評(píng)估區(qū)域的臺(tái)風(fēng)最小氣壓0值, 然后利用極值I 型計(jì)算出不同重現(xiàn)期下氣壓和中心最低氣壓。根據(jù)計(jì)算, 影響雷州的可能最大臺(tái)風(fēng)(千年一遇)中心氣壓為875hPa。

3.1.2 近中心最大風(fēng)速

收集歷史上影響雷州區(qū)域的臺(tái)風(fēng)中心氣壓與最大風(fēng)速數(shù)據(jù), 并結(jié)合Atkinson等(1977)風(fēng)-壓經(jīng)驗(yàn)公式, 修訂其關(guān)系式得到影響雷州的地區(qū)的風(fēng)壓關(guān)系式:

結(jié)合上文計(jì)算得到的最大可能臺(tái)風(fēng)中心氣壓值875hPa, 計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)近中心最大風(fēng)速(max)為78m×s-1。

3.1.3 臺(tái)風(fēng)移速和移向

根據(jù)李穎等(2014)的研究, 臺(tái)風(fēng)在低緯度地區(qū)平均移動(dòng)速度為20km×h-1左右, 雷州半島處于低緯度地區(qū), 本文所構(gòu)造的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度定為20km×h-1。

熱帶氣旋在登陸雷州岸段時(shí)與海岸的交角設(shè)為, 根據(jù)王喜年(1989)通過數(shù)值計(jì)算對(duì)開闊海風(fēng)暴潮的研究結(jié)果表明, 當(dāng)熱帶氣旋其他參數(shù)不變,角在75°到90°之間時(shí), 最大增水達(dá)到最大?？紤]到雷州半島東岸岸線比較曲折, 較小的路徑角度變化就能引起增水的變化, 因此本文以90°00′、82°30′、75°00′和67°30′作為對(duì)雷州威脅最大的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向。

3.1.4 可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮事件確定

根據(jù)以上選取的參數(shù), 分別計(jì)算67°30′、75°00′、82°30′和90°00′登陸角度的風(fēng)暴潮過程, 提取雷州沿岸9個(gè)代表點(diǎn)的最大增水值(表5), 根據(jù)代表點(diǎn)最大增水值的情況, 最終選取67°30′和90°00′這兩類臺(tái)風(fēng)路徑作為可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮事件的移動(dòng)路徑。

本文選擇67°30′和90°00′這兩類路徑, 分別以0.25倍的最大風(fēng)速半徑為間隔構(gòu)造了30條共60組可能最大熱帶氣旋路徑, 見圖12。路徑按照從南到北的順序, 分別予以編號(hào)1~30, 在此基礎(chǔ)上確定了60組可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮事件, 可能最大熱帶氣旋的其他參數(shù)按上文確定為: 中心氣壓875hpa, 中心最大風(fēng)速78m×s-1, 移動(dòng)速度為20km×h-1。

表5 四個(gè)方向臺(tái)風(fēng)路徑下代表點(diǎn)最大風(fēng)暴增水(單位: m)

注: 加粗?jǐn)?shù)字表示各代表點(diǎn)在某角度路徑下增水最大

圖12 構(gòu)造的可能最大熱帶氣旋路徑

a.67°30′角度登陸的臺(tái)風(fēng)路徑集; b. 90°角度登陸的臺(tái)風(fēng)路徑集

Fig. 12 The constructed paths of possibly maximum tropical cyclone. (a) land at an angle of 67°30′; (b) land at an angle of 90°

3.2 可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深

通過模型計(jì)算和統(tǒng)計(jì), 得到各情景下雷州市淹沒范圍和水深分布?？梢园l(fā)現(xiàn), 當(dāng)臺(tái)風(fēng)以870hPa的強(qiáng)度在雷州市及其南邊登陸時(shí), 將造成雷州市東岸段出現(xiàn)較大的風(fēng)暴增水, 大量海水將漫過南渡河大堤及調(diào)南海堤, 給雷州市東邊的南渡河岸段及東里鎮(zhèn)岸段帶來極其嚴(yán)重的淹沒。而西岸段地勢(shì)較高, 低洼區(qū)域面積較小, 且臺(tái)風(fēng)經(jīng)過雷州市后有所減弱, 總體的淹沒情況較東岸段明顯較輕。臺(tái)風(fēng)路徑及登陸點(diǎn)偏北時(shí)則容易造成西岸段企水鎮(zhèn)出現(xiàn)較大范圍的淹沒, 但淹沒水深較小(小于2m)。

對(duì)上述60個(gè)案例的淹沒范圍及水深統(tǒng)計(jì)最大值, 得到最大可能臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的淹沒范圍及水深包絡(luò)圖(圖13)。由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度非常強(qiáng), 風(fēng)暴增水非常大, 總水位將高于堤頂。最大可能臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮作用下, 雷州市東岸段及西岸段各處均出現(xiàn)不同程度的淹沒情況, 其中以南渡河岸段及東里鎮(zhèn)岸段最為明顯。南渡河岸段地勢(shì)平緩, 海水一旦漫過南渡河大堤, 將造成大面積的淹沒。而東里鎮(zhèn)岸段則是因?yàn)檎{(diào)南海堤的堤頂高程較低, 比較容易出現(xiàn)漫堤情況。南渡河岸段大部分區(qū)域的淹沒水深可以達(dá)到7~8m, 東里鎮(zhèn)北邊及東邊岸段近海地勢(shì)較低區(qū)域淹沒水深也可達(dá)到8m, 其他地方淹沒水深為2~6m。雷州西岸的淹沒水深相對(duì)較小, 在5m以下。表6為可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮下湛江站、硇洲站、南渡站最大增水和最高潮位。

圖13 雷州市可能最大事件淹沒范圍及水深包絡(luò)圖

表6 可能最大情景下湛江站、硇洲站、南渡站最大增水和最高潮位(基面為85高程)

表7為可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮情景下雷州市東岸和西岸各等級(jí)淹沒水深下的面積統(tǒng)計(jì), 雷州東岸淹沒面積達(dá)到457.0km2, 其中408.9km2的面積達(dá)到了危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅰ 級(jí); 雷州西岸總淹沒面積為145km2。

4 小結(jié)

本文以8007號(hào)臺(tái)風(fēng)路徑為基礎(chǔ), 通過路徑平移構(gòu)造了7個(gè)不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)共35個(gè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮案例, 利用風(fēng)暴潮-海浪耦合漫灘模型計(jì)算出不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下雷州市風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深分布。900hPa等級(jí)下, 雷州市淹沒范圍可達(dá)463.2km2。本文還構(gòu)造了60組可能最大風(fēng)暴潮事件集, 得到雷州市可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深分布, 在可能最大臺(tái)風(fēng)影響下, 大量海水將漫過南渡河大堤及調(diào)南海堤, 給雷州市東邊的南渡河岸段及東里鎮(zhèn)岸段帶來極其嚴(yán)重的淹沒, 雷州市總的淹沒面積達(dá)到602.0km2, 其中465.8km2的面積達(dá)到了危險(xiǎn)性等級(jí)Ⅰ 級(jí)。從淹沒分布來看, 雷州市東岸的風(fēng)暴潮淹沒災(zāi)害均大于西岸, 雷州市東岸面朝開闊的南海海域, 熱帶氣旋有較好的發(fā)展條件, 歷史上常有較強(qiáng)的熱帶氣旋正面襲擊雷州市東岸, 再加上其獨(dú)特的岸線地形, 常常會(huì)造成較大的風(fēng)暴潮災(zāi)害, 而雷州市西岸面朝北部灣海域, 其風(fēng)暴潮災(zāi)害主要由登陸雷州半島東岸熱帶氣旋的左半圓氣象場(chǎng)造成, 故風(fēng)暴潮災(zāi)害相對(duì)東岸來說較小。上述淹沒范圍的結(jié)果均是將最大臺(tái)風(fēng)增水疊加到天文高潮位上得來, 實(shí)際情況相同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)暴潮災(zāi)害會(huì)較小一些。

表7 可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮情景下雷州市東西兩岸各等級(jí)淹沒水深面積統(tǒng)計(jì)

曹叢華, 白濤, 高松, 等, 2013. 膠州灣高分辨率三維風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模擬[J]. 海洋科學(xué), 37(2): 118–125. CAO CONGHUA, BAI TAO, GAO SONG, et al, 2013. High resolution 3D storm surge and inundation numerical model used in the Jiaozhou Bay[J]. Marine Sciences, 37(2): 118–125 (in Chinese with English abstract).

陳華偉, 葛建忠, 丁平興, 2010. 波浪對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮過程的影響分析[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), (4): 16–25. CHEN HUAWEI, GE JIANZHONG, DING PINGXING, 2010. Analysis of storm surge’s process under the influence of waves[J]. Journal of East China Normal University (Natural Science), (4): 16–25 (in Chinese with English abstract).

國家能源局, 2011. NB/T25002-2011 核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國電力出版社: 1–197 (in Chinese).

國家核安全局政策法規(guī)處, 1991. HAF0113 核電廠安全導(dǎo)則匯編—核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋[G]. 北京: 中國法制出版社: 277–295 (in Chinese).

何佩東, 左軍成, 顧云碧, 等, 2015. 普陀沿海風(fēng)暴潮淹沒危險(xiǎn)性評(píng)估[J]. 海洋湖沼通報(bào), (1): 1–8. HE PEIDONG, ZUO JUNCHENG, GU YUNBI, et al, 2015. Inundation risk assessment of storm surge along Putuo coastal areas[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, (1): 1–8 (in Chinese with English abstract).

李穎, 方偉華, 林偉, 等, 2014. 可能最大風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各等級(jí)熱帶氣旋設(shè)定方法[J]. 海洋科學(xué), 38(4): 71–80. LI YING, FANG WEIHUA, LIN WEI, et al, 2014. Parameterization of synthetic tropical cyclones at various scales for probable maximum storm surge risk modeling[J]. Marine Sciences, 38(4): 71–80 (in Chinese with English abstract).

劉秋興, 于福江, 王培濤, 等, 2011. 輻射應(yīng)力對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的影響和數(shù)值研究[J]. 海洋學(xué)報(bào), 33(5): 47–53. LIU QIUXING, YU FUJIANG, WANG PEITAO, et al, 2011. Numerical study on storm surge forecasting considering wave-induced radiation stress[J]. Acta Oceanologica Sinica, 33(5): 47–53 (in Chinese with English abstract).

莎日娜, 尹寶樹, 楊德周, 等, 2007. 天津近岸臺(tái)風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式研究[J]. 海洋科學(xué), 31(7): 63–67. SHA RINA, YIN BAOSHU, YANG DEZHOU, et al, 2007. A numerical study on storm surge and inundation induced by hurricanes in the nearshore of Tianjin[J]. Marine Sciences, 31(7): 63–67 (in Chinese with English abstract).

王喜年, 1989. 開闊海風(fēng)暴潮的數(shù)值計(jì)算[J]. 海洋通報(bào), 8(3): 11–20 (in Chinese).

王喜年, 尹慶江, 張保明, 1991. 中國海臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模式的研究與應(yīng)用[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2(1): 1–10. WANG XINIAN, YIN QINGJIANG, ZHANG BAOMING, 1991. Research and applications of a forecasting model of typhoon surges in china seas[J]. Advances in Water Science, 2(1): 1–10 (in Chinese with English abstract).

吳瑋, 傅賜福, 于福江, 等, 2012. 溫州近岸圍堤對(duì)風(fēng)暴潮漫灘影響的數(shù)值研究[J]. 海洋學(xué)研究, 20(2): 36–42. WU WEI, FU CIFU, YU FUJIANG, et al, 2012. Numerical simulation of the influence of Wenzhou coastal dike on storm surge inundation[J]. Journal of Marine Sciences, 20(2): 36–42 (in Chinese with English abstract).

鄭國誕, 謝亞力, 胡金春, 等, 2016. 臺(tái)州溫嶺市風(fēng)暴潮淹沒危險(xiǎn)性分析[J]. 海洋預(yù)報(bào), 33(6): 40–50. ZHENG GUODAN, XIE YALI, HU JINCHUN, et al, 2016. Inundation risk assessment of typhoon storm surge along Taizhou Wenling city[J]. Marine forecasts, 33(6): 40–50 (in Chinese with English abstract).

周水華, 李遠(yuǎn)芳, 馮偉忠, 等, 2010. “0601”號(hào)臺(tái)風(fēng)控制下的廣東近岸浪特征[J]. 海洋通報(bào), 29(2): 130–134. ZHOU SHUIHUA, LI YUANFANG, FENG WEIZHONG, et al, 2010. Wave characteristics dominated by typhoon named ‘Pearl’[J]. Marine Science Bulletin, 29(2): 130–134 (in Chinese with English abstract).

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 2012. GB/T50663-2011 核電廠工程水文技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社: 1–116 (in Chinese).

ATKINSON G D, HOLLIDAY C R, 1977. Tropical cyclone minimum sea level pressure/maximum sustained wind relationship for the Western North Pacific[J]. Monthly Weather Review, 105(4): 421–427.

BLAIN C A, MASSEY T, 2004. Application of a coupled discontinuous-continuous galerkin finite element shallow water model to coastal ocean dynamics[J]. Ocean Modelling, 10(3–4): 283–315.

FUJITA T, 1952. Pressure distribution in typhoon[J]. Geophysical Magazine, 23: 437–452.

HENDERSON F M, 1966. Open channel flow[M]. New York: Macmillan.

RIS R C, HOLTHUIJSEN L H, BOOIJ N, 1999. A third-generation wave model for coastal regions 2. Verification[J]. Journal of Geophysical Research, 104(C4): 7667–7681.

TAKAHASHI K, 1939. Distribution of pressure and wind in a typhoon[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan, 17(2): 417–421.

Inundation risk assessment of storm surge along Lei Zhou coastal areas*

ZHANG Min, LUO Jun, HU Jinlei, ZENG Xuezhi

South China Sea Prediction Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510310, China

A storm surge and wave coupled inundation simulation model for Lei Zhou coastal areas at high resolution has been established based on ADCIRC (a parallel advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters) and SWAN(simulating waves nearshore) ocean numerical models. A total of 1415 typhoon cases that seriously impacted Lei Zhou were simulated. The result of contrastive analysis shows that wave has a significant impact on storm surge in Lei Zhou coastal areas. We designed 35 typhoon cases based on 8007 typhoons, and reserve flooded area and submerged depth for seven different grades. The inundated area of Lei Zhou can reach 463.2 km2under 900 hPa grade. We developed 60 cases of possible maximum storm surge and calculated the biggest inundated extent and depth. Under the impact of maximum typhoon, the sea water will spill over seawalls and cause serious flooding disaster. The total submerged area is 602.0 km2in Lei Zhou. The area whose dangerousness is first grade with flooding depth bigger than 3 m is 465.8 km2.The eastern coastal areas of Lei Zhou will face larger storm surge disaster risk than the western coastal areas. The results of the study have important implications for guiding prevention and mitigation work of storm surge disaster in Lei Zhou.

storm surge; coupled model; inundation; risk assessment

2018-06-25;

2018-10-30. Editor: YIN Bo

National Key Research and Development Program of China (2016YFC1401503); Water Resource Science and Technology Innovation Program of Guangdong Province (2016-02)

P732.25; P731.23

A

1009-5470(2019)02-0001-12

10.11978/2018067

2018-06-25;

2018-10-30。殷波編輯

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC1401503); 廣東水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2016-02)

張敏(1989—), 女, 江西省九江市人, 碩士, 工程師, 從事海洋環(huán)境動(dòng)力研究。E-mail: 444942197@qq.com

*感謝所有對(duì)本文付出努力的人, 感謝各位審稿專家對(duì)本文提出的寶貴建議。

ZHANG Min. E-mail: 444942197@qq.com