王 凱 侯一筠,5① 馮興如 李水清 傅賜福

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 青島 266071；2.中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071；5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 青島 266237；6.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081)

福建沿海位于西北太平洋臺(tái)風(fēng)的主要移動(dòng)路徑上,臺(tái)風(fēng)及其引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害是福建沿海遭受的主要的海洋災(zāi)害之一。風(fēng)暴潮災(zāi)害是由于臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮、天文大潮和臺(tái)風(fēng)浪等共同作用引起的沿岸水位異常上升造成的。根據(jù)國(guó)家海洋局2018年統(tǒng)計(jì)公報(bào),2018年,風(fēng)暴潮災(zāi)害在各類(lèi)海洋災(zāi)害中導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重,占直接經(jīng)濟(jì)損失總額的93%；海浪災(zāi)害導(dǎo)致的死亡人數(shù)(含失蹤)最多,占總死亡人數(shù)(含失蹤)的96%。其中,風(fēng)暴潮災(zāi)害給福建造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為11.41億元,占風(fēng)暴潮災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失總額的25.6%。海浪災(zāi)害對(duì)福建造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為0.13億元,占海浪災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失總額的37.1%；并且海浪災(zāi)害導(dǎo)致福建29人死亡(含失蹤),占海浪災(zāi)害總死亡(含失蹤)人數(shù)的41.4%。

海堤是在河口和沿海地區(qū)修建的一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)?yè)跛慕ㄖ?其目的是為了防止天文大潮的高潮位和臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮以及臺(tái)風(fēng)浪的侵襲,保障沿海城市的工業(yè)設(shè)施和農(nóng)田的安全。近年來(lái),為了提高沿海城市的防洪抗災(zāi)能力,不少沿海城市都修建了不同等級(jí)的海堤。海堤在預(yù)防和減少海洋災(zāi)害方面發(fā)揮了重要的作用。但是由于海水的侵蝕,且有些海堤年久失修,當(dāng)沿海地區(qū)遭遇的天文大潮和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)極易引發(fā)漫堤甚至潰堤災(zāi)害,給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失。因此,有必要研究風(fēng)暴潮期間漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估,以分析其風(fēng)險(xiǎn)性和危害程度。及時(shí)并且準(zhǔn)確的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估會(huì)把人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失減小到最低程度。

漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估一般以堤前水位是否超過(guò)堤頂高程來(lái)判斷。20世紀(jì)50年代,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一系列越浪和波浪爬高的計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)風(fēng)暴潮漫堤開(kāi)展了大量卓有成效的工作,尹寶樹(shù)等(2006)針對(duì)黃河三角洲示范區(qū),根據(jù)越浪的程度提出了漫堤災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),并且根據(jù)其建立的浪潮耦合數(shù)值模式以及長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的結(jié)果,提出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法和步驟；傅賜福等(2014)利用ADCIRC+SWAN耦合模型構(gòu)建福建沿海精細(xì)化風(fēng)暴潮漫堤數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng),利用預(yù)報(bào)潮位與近岸海浪波高數(shù)據(jù)采用通用爬高公式計(jì)算各海堤堤前爬高與海堤高程對(duì)比,并按爬高的大小分為四個(gè)漫堤等級(jí)；張莉等(2016)基于SWAN海浪模式和MATLAB軟件,建立了福建沿海天文潮-風(fēng)暴潮-臺(tái)風(fēng)浪耦合漫堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)。

福建沿海東臨廣闊的西北太平洋,由于其特殊的地理位置,每年夏季和秋季經(jīng)常遭受到臺(tái)風(fēng)的侵襲,是我國(guó)易受海洋災(zāi)害影響的區(qū)域之一,海洋災(zāi)害形勢(shì)復(fù)雜嚴(yán)峻。近年來(lái),隨著全球變暖和海平面上升,極端氣候事件不斷增多,熱帶氣旋中產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)的比例上升,登陸或者嚴(yán)重影響福建沿海的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率不斷上升,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)甚至超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻繁襲擊福建沿海。本文擬針對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害較為嚴(yán)重的福建海域建立浪潮耦合漫堤系統(tǒng),設(shè)計(jì)四種不同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)等級(jí)對(duì)福建沿海206條海堤進(jìn)行漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估研究,對(duì)比了在不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下風(fēng)暴潮增水與波浪爬高對(duì)于漫堤風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,為我國(guó)的海洋防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 高分辨率風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的建立

為了進(jìn)行臺(tái)風(fēng)過(guò)程下的漫堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,本研究首先使用ADCIRC+SWAN耦合模式針對(duì)福建沿海建立了高分辨率的天文潮-風(fēng)暴潮-臺(tái)風(fēng)浪耦合數(shù)值系統(tǒng)。

1.1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)

要模擬臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮和海浪,需要將臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)作為模式的強(qiáng)迫場(chǎng),風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)確性直接影響模式模擬的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)比較和驗(yàn)證,本研究采用了在福建沿海地區(qū)應(yīng)用效果較好的Jelesnianski臺(tái)風(fēng)模型(Jelesnianski,1965),該模型考慮了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度對(duì)于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的影響,其對(duì)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的計(jì)算公式如下：

當(dāng)0≤r≤R時(shí)

當(dāng)r＞R時(shí),

其中,Vx,Vy分別為臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)速度；(x0,y0)為臺(tái)風(fēng)中心坐標(biāo)；(x,y)為計(jì)算點(diǎn)的位置；θ為入流角,取20°；β為衰減系數(shù),取0.4；r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離；R為最大風(fēng)速半徑；(Wx,Wy)為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)速；Pa為計(jì)算點(diǎn)的氣壓；中心氣壓P0使用Atkinson等(1977)提出的經(jīng)驗(yàn)公式,如公式(3)所示,其中WR表示最大風(fēng)速,P∞表示無(wú)窮遠(yuǎn)處的大氣壓(取1013.25hPa)。

最大風(fēng)速半徑是確定臺(tái)風(fēng)影響范圍的關(guān)鍵參數(shù),本研究中最大風(fēng)速半徑R使用MEF經(jīng)驗(yàn)公式(許靈靜等,2016)：

其中,P∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處的大氣壓(取 1013.25hPa)；P0為臺(tái)風(fēng)的中心氣壓(單位hPa)；φ為臺(tái)風(fēng)中心的緯度(單位為°)；v為臺(tái)風(fēng)中心的移動(dòng)速度；M為起算半徑,取45km。臺(tái)風(fēng)的位置、中心氣壓等基本信息來(lái)自中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心最佳路徑數(shù)據(jù)集(Yinget al,2014)(http：//tcdata.typhoon.org.cn/)。

1.2 風(fēng)暴潮模式

目前,可用于風(fēng)暴潮模擬的數(shù)值模式有很多,風(fēng)暴潮模式不僅要使網(wǎng)格的計(jì)算區(qū)域足夠大,能夠描述海水的運(yùn)動(dòng),而且要考慮沿海地區(qū)復(fù)雜地形對(duì)模擬結(jié)果的影響。ADCIRC型具有計(jì)算效率高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較為廣泛。因此,本研究選取由美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)Luettich博士和美國(guó)諾特丹大學(xué)Westerink博士等人共同主持開(kāi)發(fā)的ADCIRC模式(Westerinket al,1992)。ADCIRC采用三角形網(wǎng)格可以在水深變化劇烈的區(qū)域使用更高的分辨率,能很好的擬合復(fù)雜的岸線,而在地形變化緩慢的地方采用低分辨率,既滿足了計(jì)算要求,又節(jié)省了計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間(Blainet al,1998)。

為了避免數(shù)值解法引起的錯(cuò)誤,ADCIRC求解通用波連續(xù)方程(GWCE)計(jì)算水位的變化,GWCE由連續(xù)方程帶入動(dòng)量方程得到,球坐標(biāo)系下垂向平均的二維連續(xù)方程形式如下：

其中,t代表時(shí)間；Re代表地球的半徑；λ和φ分別代表經(jīng)度和緯度；ξ代表自由海面距離大地水準(zhǔn)面的高度；H代表海面到海底的總深度；U和V分別代表經(jīng)向和緯向的垂直平均流速。

ADCIRC求解基于深度平均的動(dòng)量方程獲得流場(chǎng)數(shù)據(jù),動(dòng)量方程在球坐標(biāo)中的形式如下所示：

其中,g代表重力加速度；Ps代表海表大氣壓；Re代表地球半徑；ρ0代表海水的密度；f代表柯氏參數(shù)；λ、φ、z分別代表經(jīng)度、緯度和垂向深度；u、v、w分別代表流速的在球坐標(biāo)3個(gè)坐標(biāo)上的分量；為球坐標(biāo)下對(duì)時(shí)間t的全微分；代表垂向應(yīng)力；mλ,mφ代表徑向和緯向的水平應(yīng)力梯度；bλ,bφ代表徑向和緯向的斜壓壓強(qiáng)梯度；η代表牛頓平衡潮勢(shì)；α是常數(shù)。更多有關(guān)ADCIRC模型的詳細(xì)描述可參看其用戶手冊(cè)(http：//adcirc.org/home/documentation/users-manual-v52/)。

1.3 海浪模式

本研究采用的目前國(guó)際上通用的第三代海浪模式SWAN(Booijet al,1999),SWAN模式是由荷蘭Delft科技大學(xué)在WAM模式基礎(chǔ)上研發(fā)的第三代淺水海浪模式,經(jīng)過(guò)多年不斷的改進(jìn),已經(jīng)趨于成熟。SWAN支持三角形網(wǎng)格,避免了精細(xì)模擬時(shí)的嵌套計(jì)算,可以高效地對(duì)包含遠(yuǎn)海和近岸整個(gè)區(qū)域的海浪進(jìn)行模擬。

當(dāng)波浪在背景流場(chǎng)中傳播時(shí),波浪的動(dòng)譜能量密度守恒,但是能量密度不守恒。因此,在SWAN模型中,用二維動(dòng)譜能量密度N(σ,θ)來(lái)描述隨機(jī)海浪場(chǎng)E(σ,θ),兩者之間的關(guān)系有：

其中,σ為相對(duì)頻率,θ為波向。

SWAN海浪模式使用波作用平衡方程,笛卡爾坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系都可以使用,笛卡爾坐標(biāo)系下的方程形式：

其中,x,y為地理坐標(biāo)；t為時(shí)間；θ為傳播方向；σ為相對(duì)頻率；左邊第一項(xiàng)代表動(dòng)譜能量密度N隨著時(shí)間的變化,第二項(xiàng)和第三項(xiàng)代表動(dòng)譜能量密度N在幾何空間的傳播(變化率為Cx和Cy),第四項(xiàng)和第五項(xiàng)代表地形和流場(chǎng)導(dǎo)致的頻移和折射對(duì)動(dòng)譜能量密度N的作用。Stot是波能源函數(shù)項(xiàng),代表系統(tǒng)中能量的輸入和輸出,包括風(fēng)浪的生成、發(fā)展,底面摩擦、白浪、波浪破碎導(dǎo)致的能量損失和波-波相互作用。

SWAN中的源項(xiàng)由如下6個(gè)過(guò)程組成：

其中Sin代表風(fēng)能輸入項(xiàng),Snl3代表三波非線性相互作用,Snl4代表四波非線性相互作用引起的能量傳遞項(xiàng),Sds,w代表波陡過(guò)高引起的白帽耗散,Sds,b代表底摩擦引起的能量耗散,Sds,br代表水深變淺導(dǎo)致海浪破碎造成的能量耗散。

1.4 耦合模式

海洋中的波動(dòng)和流動(dòng)現(xiàn)象是相互影響的,水位和流場(chǎng)會(huì)影響波浪的傳播以及破碎位置；波浪傳播所產(chǎn)生的輻射應(yīng)力會(huì)影響水位和流場(chǎng)。因此,波流過(guò)程的耦合十分必要。本研究使用美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)(North Carolina State University)的Dietrich博士開(kāi)發(fā)的ADCIRC和SWAN的耦合方法(Dietrichet al,2011)。

ADCIRC和SWAN是由同一個(gè)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的。由于ADCIRC的數(shù)值格式是發(fā)散的,所以根據(jù)Courant條件,其運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)為2s；但是SWAN采取全隱式絕對(duì)穩(wěn)定的差分格式是無(wú)條件收斂的,所以其計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1800s,本耦合模式數(shù)據(jù)交換的時(shí)間間隔SWAN計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)相同。

漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)根據(jù)耦合模式計(jì)算結(jié)果(總水位、波浪爬高)對(duì)福建海域206條海堤進(jìn)行可視化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估,海堤數(shù)據(jù)來(lái)源于海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(2009513)。Feng等(2016)對(duì)這個(gè)耦合模式進(jìn)行了詳細(xì)的檢驗(yàn),與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合的很好,為可靠的漫堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估打下了良好的基礎(chǔ)

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)方案

本研究使用的計(jì)算網(wǎng)格引用自(Fenget al,2016),該網(wǎng)格從遠(yuǎn)海到近岸逐漸加密,沿岸網(wǎng)格分辨率最高達(dá)50m,對(duì)福建沿海復(fù)雜地形和海堤信息實(shí)現(xiàn)了高精度的刻畫(huà),同時(shí)又大大提高了計(jì)算效率。模式在開(kāi)邊界處加入了8個(gè)主要天文分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1)的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),調(diào)和常數(shù)來(lái)自于NAO99潮汐模型(Matsumotoet al,2000).

圖1 計(jì)算區(qū)域水深(a)和模式計(jì)算網(wǎng)格(b)Fig.1 Water depth of computational domain(a)and computational grid of the model(b)

2.1 漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方案

海堤的漫堤和越浪程度主要受到海堤的高度、水位和波高的控制,在不同的水位和波浪條件下,同一海堤形成越浪和漫堤的可能性差別很大。因此,海堤的越浪漫堤風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的評(píng)估。本文采用尹寶樹(shù)等(2006)提出的漫堤越浪風(fēng)險(xiǎn)程度標(biāo)準(zhǔn),將海堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)根據(jù)堤前水位與波浪爬高之和與海堤高程的對(duì)比分成五個(gè)等級(jí)：

一級(jí)：最大波浪爬高遠(yuǎn)未達(dá)到堤頂(距離堤頂大于0.5m)；

二級(jí)：最大波浪爬高接近堤頂(距離堤頂小于0.5m)；

三級(jí)：部分海浪越過(guò)堤頂,越浪率小于或等于13%；

四級(jí)：越浪率大于13%,至總水位與堤頂齊高；

五級(jí)：總水位高于堤頂高度。

總水位為風(fēng)暴潮與天文潮的耦合水位。

2.2 波浪爬高計(jì)算

波浪爬高是波浪向岸傳播遇到海堤時(shí),海堤坡面上的水體的爬高程與靜水高程之差。波浪爬高的準(zhǔn)確計(jì)算在漫堤災(zāi)害預(yù)報(bào)中起著重要的作用。《海港水文規(guī)范》推薦的直立堤波浪在爬高公式為Hc/d=B(HW/d)A,其中Hc為爬高,d為堤前水深,HW為入射波高,A、B為系數(shù),分別為：

式中,Ts為有效波周期；為平均波周期；T*為無(wú)因次波周期。

3 臺(tái)風(fēng)天兔漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估

北京時(shí)間2013年9月17日02時(shí),臺(tái)風(fēng)天兔(1319)在菲律賓以東的西北太平洋上形成,最大風(fēng)速18m/s(8級(jí)),臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓1000hPa；天兔緩慢向西移動(dòng)并且逐漸增強(qiáng),18日20時(shí)增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng),19日11時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),9月19日17時(shí)增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)并且維持了30h,期間最大風(fēng)速為52m/s(16級(jí)),中心最低氣壓為930hPa；之后臺(tái)風(fēng)繼續(xù)往西北方向移動(dòng),于21日20時(shí)減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),9月22日19時(shí)40分左右在廣東省汕尾市南部沿海地區(qū)登陸,登陸時(shí)最大風(fēng)速為45m/s(14級(jí)),中心最低氣壓為940hPa。臺(tái)風(fēng)天兔期間受風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪的共同影響,福建省受災(zāi)人口9.29萬(wàn)人,緊急轉(zhuǎn)移安置14.46萬(wàn)人,水產(chǎn)養(yǎng)殖受災(zāi)面積達(dá)3.03千公頃,40艘漁船遭受毀壞,264艘漁船損壞,碼頭損毀1.26km,防波堤損毀7.36km,海堤和護(hù)岸損毀4.86km,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6.36億元。天兔在登陸時(shí)恰逢天文大潮,風(fēng)暴潮增水與天文大潮疊加,加重了災(zāi)情。本文對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天兔期間,福建沿海的風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天兔為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)四種不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度,研究不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下福建沿岸海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖2 臺(tái)風(fēng)天兔路徑Fig.2 Trajectory of the typhoon Usagi

將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估結(jié)果與本次臺(tái)風(fēng)期間福建沿海有實(shí)況調(diào)查的兩條海堤的漫堤情況進(jìn)行比較驗(yàn)證,實(shí)況調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)自(張莉等,2016)。系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果顯示,東山縣沃角海堤和東山縣康美海堤漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為五級(jí),即總水位高于堤頂高度,說(shuō)明這兩處海堤會(huì)發(fā)生漫堤、漫灘甚至潰堤災(zāi)害,在災(zāi)后調(diào)查中發(fā)現(xiàn),這兩處海堤被不同程度的毀壞,說(shuō)明本系統(tǒng)模擬得到的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估基本準(zhǔn)確。

表1 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí)Tab.1 Typhoon intensity scale

表2 臺(tái)風(fēng)天兔過(guò)程漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)及實(shí)況對(duì)比Tab.2 Comparison in risk level of overtopping seawall between the hindcast and the actual situation during Typhoon Usagi

在不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的情況下,對(duì)海堤逐條進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分,并在此基礎(chǔ)上做了統(tǒng)計(jì)分析,并將結(jié)果展示在(圖3)中。得出在強(qiáng)度一的情況下,有35處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了四級(jí),10處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了五級(jí)；在強(qiáng)度二的情況下,有35處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了四級(jí),7處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了五級(jí)；在強(qiáng)度三的情況下,有48處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了四級(jí),10處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了五級(jí)；在強(qiáng)度四的情況下,有55處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了四級(jí),10處海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到了五級(jí)。

以下是在4種強(qiáng)度下漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均達(dá)到了五級(jí)的7處海堤,有必要做好防范措施。

選取了其中四條典型的海堤做出堤前風(fēng)暴潮增水和波浪爬高過(guò)程曲線。

由圖4可知,在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度為最低級(jí)別時(shí),四條海堤的風(fēng)暴潮增水普遍低于1m。隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng),風(fēng)暴潮增水也在逐漸增加,當(dāng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí),風(fēng)暴潮增水最大可達(dá)1.3m。但是風(fēng)暴潮增水的值相對(duì)于福建沿岸海堤的高度較小,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)導(dǎo)致的風(fēng)暴潮水位的增長(zhǎng)對(duì)海漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)影響程度很小。在福建省現(xiàn)有的海堤條件下,漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到五級(jí)的海堤一般都是高度較低的海堤,除了強(qiáng)度二由于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較低,只有7條海堤漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到五級(jí)以外(圖3),其余臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度條件下,都是漳浦縣杜潯海堤等10條海堤的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到五級(jí)(圖3),風(fēng)暴潮水位的升高沒(méi)有使更多的海堤的堤前水位超過(guò)海堤高度。

表3 海堤信息Tab.3 Seawall information

圖3 不同臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度下的漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Fig.3 Risk level of overtopping seawall under different typhoon intensities

圖4 四種不同強(qiáng)度情況下風(fēng)暴潮增水時(shí)間序列Fig.4 Time series of storm surge under four typhoon intensity scales

由圖5可知,即使在最低臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度情況下,波浪爬高普遍都超過(guò)了2m,在強(qiáng)度四的情況下波浪爬高最大可達(dá)4.7m,波浪爬高的值比風(fēng)暴潮增水的值大很多,考慮波浪爬高后,海堤由于越浪導(dǎo)致的漫堤風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加,從強(qiáng)度二到強(qiáng)度四,漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)的海堤從35條迅速上升到55條(圖3)。臺(tái)風(fēng)浪引起的4m高的越浪對(duì)海堤的沖擊力會(huì)很大,會(huì)導(dǎo)致海堤有潰堤甚至毀堤的風(fēng)險(xiǎn),需要增強(qiáng)沿岸海堤對(duì)于臺(tái)風(fēng)浪的防范措施。

圖5 四種不同強(qiáng)度情況波浪爬高時(shí)間序列Fig.5 Time series of wave run-up under four typhoon intensity scales

4 結(jié)論

本文建立了福建沿海地區(qū)天文潮-風(fēng)暴潮-臺(tái)風(fēng)浪耦合漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)。通過(guò)波浪爬高所及高程與海堤高程進(jìn)行比較的方式來(lái)判斷漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；選取2013年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天兔,并且制定了4種不同的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度等級(jí),通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)福建沿海206條海堤進(jìn)行了漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估,并給出了漫堤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖。結(jié)果表明：波浪爬高對(duì)漫堤風(fēng)險(xiǎn)的影響高于單純的風(fēng)暴潮增水；風(fēng)暴潮增水隨臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)增量較小,對(duì)于漫堤的風(fēng)險(xiǎn)影響較?。桓＝ㄑ睾２ɡ伺栏咂毡檩^高,隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng),波浪爬高會(huì)顯著增加漫堤的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),并且應(yīng)該重視臺(tái)風(fēng)浪對(duì)海堤造成的沖擊所導(dǎo)致的潰堤甚至毀堤災(zāi)害,本研究可為沿海防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

致謝本文的數(shù)值模擬是在中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的高性能計(jì)算平臺(tái)上完成的,特此致謝。