許煒宏，蔡榕碩*

( 1. 自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

1 引言

在氣候變暖背景下，全球海平面加速上升，強(qiáng)臺(tái)（颶）風(fēng)趨于頻繁，強(qiáng)臺(tái)（颶）風(fēng)和風(fēng)暴潮導(dǎo)致低海拔（小于10 m）沿海地區(qū)的洪澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1]。這是由于海平面的持續(xù)上升，極端海面高度（極值水位）有升高的現(xiàn)象，從而引起低海拔沿海地區(qū)極易被海水淹沒或發(fā)生洪澇，而未來極值水位事件的重現(xiàn)期還有明顯縮短的趨勢(shì)[2]。極值水位主要由海平面高度、風(fēng)暴增水和潮汐等構(gòu)成，而海平面高度的小幅上升也會(huì)顯著增加沿海地區(qū)洪水災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，這是因?yàn)楹Ｆ矫娴纳仙Ц吡孙L(fēng)暴潮、潮汐和波浪的基礎(chǔ)水位，并且這種變化在陸架海區(qū)特別明顯，尤其是當(dāng)風(fēng)暴潮、波浪和天文大潮疊加到上升的海平面后產(chǎn)生的極值水位對(duì)沿海地區(qū)低洼地造成的洪澇災(zāi)害尤其嚴(yán)重[3]。

近幾十年來，臺(tái)（颶）風(fēng)和風(fēng)暴潮造成全球沿海地區(qū)的洪水災(zāi)害及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失與日俱增。1975-2016 年，全球80.2%因洪水死亡的人口位于距海岸線100 km 的地區(qū)內(nèi)[4]。其中，2005 年的“卡特尼娜”颶風(fēng)襲擊美國新奧爾良，造成新奧爾良80%地區(qū)被洪水淹沒，部分地段水深高達(dá)6 m，并導(dǎo)致約1 500 人死亡，至少1 000 億美元的經(jīng)濟(jì)損失[5]。1949-2009 年，我國沿海地區(qū)共發(fā)生了220 余次較為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害[6]?！吨袊Ｑ鬄?zāi)害公報(bào)》（1989-2018 年）顯示，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮是造成我國直接經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害[7]；并且，自2000 年以來，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的出現(xiàn)頻率較之前半個(gè)世紀(jì)有顯著的增加[8]。

基于《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》（1989-2018 年）公布的數(shù)據(jù)，本文統(tǒng)計(jì)表明，我國東南沿海地區(qū)特別是福建省和廣東省是受到臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮影響最大的地區(qū)（表1）。其中，廈門市位于福建省南部沿海，臺(tái)灣海峽西岸，由廈門島、鼓浪嶼和位于大陸沿海的同安區(qū)、翔安區(qū)、集美區(qū)和海滄區(qū)等組成，面積約為1 699 km2，有234 km的海岸線，常住人口411 萬，是我國東南沿海重要的中心城市。而廈門島南部和東南部地勢(shì)低平，呈現(xiàn)朝向東南開口的湯匙形態(tài)。歷史上5903 號(hào)、9914 號(hào)、1614號(hào)等臺(tái)風(fēng)都曾引發(fā)了廈門市尤其是廈門島低洼地較為嚴(yán)重的海岸洪水[9]。研究表明，氣候變化背景下未來東亞地區(qū)熱帶氣旋的路徑將逐漸偏北，并且達(dá)到強(qiáng)度峰值時(shí)的緯度越來越高[10]；到2050 年，廈門市將可能是全球沿海地區(qū)受到洪水影響最大的城市之一，屆時(shí)，海岸洪水每年給廈門市造成的經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)到全市GDP 的0.22%[11]。因此，氣候變化背景下海平面上升、臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮對(duì)我國東南沿海尤其是廈門地區(qū)的影響與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，以及應(yīng)對(duì)策略是值得高度重視的科學(xué)與社會(huì)問題。

表1 1989-2018 年我國沿海各省因風(fēng)暴潮造成損失情況Table 1 The losses caused by storm surges in each coastal provinces of China from 1989 to 2018

1980 年以來，我國沿海海平面呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，上升速率達(dá)到3.3 mm/a，高于同期全球平均速率[12]，并且自2012 年以來沿海海平面不斷達(dá)到新的高度。其中，1993-2017 年，沿海海平面上升速率和幅度分別為3.9 mm/a、100 mm[13]，也高于同期全球平均的3.0～3.1 mm/a、80 mm[14-15]。其中，1993-2012 年，福建和廣東沿海海平面上升速率甚至分別達(dá)到3～4 mm/a、(3.6±0.7) mm/a[16-17]。廈門地區(qū)潮位站的觀測(cè)結(jié)果顯示，1993-2012 年廈門沿海海平面以3.1 mm/a 的速度上升[16]。2001 年之后影響我國東南沿海地區(qū)的臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻率增加[18]，風(fēng)暴潮災(zāi)害的頻次和強(qiáng)度也隨之提高。由此可見，未來在海平面持續(xù)上升背景下，臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮將引起極值水位的進(jìn)一步上升，并導(dǎo)致其危險(xiǎn)性（致災(zāi)強(qiáng)度和頻率）的增加，從而對(duì)我國東南沿海地區(qū)特別是廈門市沿海地區(qū)帶來更大影響和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

然而，目前關(guān)于臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮對(duì)沿海城市洪水災(zāi)害的影響研究主要側(cè)重于單個(gè)致災(zāi)因子如風(fēng)暴潮[19]、海平面上升[20]對(duì)海岸洪水產(chǎn)生的影響，而對(duì)于臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、天文潮、潮流和極端降水等多致災(zāi)因子對(duì)沿海地區(qū)極值水位的疊加影響研究還相對(duì)較少。其中有關(guān)多致災(zāi)因子對(duì)我國東南沿海的廈門等地區(qū)的綜合影響研究尚未見專門報(bào)道，而這對(duì)于沿海地區(qū)低洼地的防災(zāi)減災(zāi)有重要的意義和迫切性。為此，本文選擇了歷史上對(duì)廈門沿海地區(qū)造成嚴(yán)重影響的9914 號(hào)“丹恩”和1614 號(hào)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)事件，分析了這兩次臺(tái)風(fēng)影響期間的風(fēng)暴增水、天文潮位、潮流場(chǎng)和降水過程，以及大氣環(huán)流形勢(shì)的變化，評(píng)估了海平面上升、風(fēng)暴潮增水、天文潮和降水等多致災(zāi)因子對(duì)廈門沿海地區(qū)極值水位的疊加影響，預(yù)估了不同氣候情景下未來海平面的變化和臺(tái)風(fēng)等極端事件對(duì)廈門沿海地區(qū)極值水位危險(xiǎn)性的影響，以期為我國東南沿海地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候和減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 資料

2.1.1 大氣數(shù)據(jù)

本文選用了9914 號(hào)“丹恩”和1614 號(hào)“莫蘭蒂”兩個(gè)臺(tái)風(fēng)案例，其中，臺(tái)風(fēng)過程的最大風(fēng)速、逐時(shí)降水站點(diǎn)數(shù)據(jù)源用中國氣象局（CMA）廈門基本站（24.48°N，118.07°E）數(shù)據(jù)資料（http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/A.0012.0001.html），時(shí)間覆蓋范圍為1951 年1 月至2016 年12 月。臺(tái)風(fēng)路徑資料源用中國氣象局的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集（CMA-BST）（http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_zlhq.html），時(shí)間覆蓋范圍為1949-2018 年。臺(tái)風(fēng)的大氣環(huán)境背景場(chǎng)數(shù)據(jù)源用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心ERA-5 全球逐小時(shí)再分析格點(diǎn)資料，地面10 m 風(fēng)場(chǎng)以及海平面氣壓場(chǎng)（https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/）的空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間覆蓋范圍為1979 年1 月至2016 年12 月。

2.1.2 海洋數(shù)據(jù)

本文以廈門海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站(24.44°N，118.08°E，簡稱廈門驗(yàn)潮站)潮位數(shù)據(jù)代表廈門沿海的潮位特征。潮位資料來自廈門海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站的逐時(shí)觀測(cè)資料，以及夏威夷大學(xué)海平面中心（UHSLC）的廈門驗(yàn)潮站逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)資料，時(shí)間覆蓋范圍為1954-1999 年（http://uhslc.soest.hawaii.edu/）。海洋環(huán)境背景場(chǎng)數(shù)據(jù)選用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心的ERA-5 全球逐小時(shí)再分析格點(diǎn)資料（分辨率為0.5°×0.5°）中的波浪方向及有效波高數(shù)據(jù)。未來海平面高度數(shù)據(jù)選取國際耦合模式比較計(jì)劃第五階段（CMIP5）的模式結(jié)果，主要為CMCC-CM、CNRM-CM5、MIROC-ESM 等29個(gè)模式中2030-2100 年的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，并采用多年加權(quán)平均獲得未來海平面上升預(yù)估值（可能變化范圍）[21]。

2.2 方法

本文應(yīng)用了數(shù)值模擬方法、水文概率統(tǒng)計(jì)模型和Kendall 相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)方法等。具體細(xì)節(jié)如下。

2.2.1 潮流場(chǎng)模擬

平面二維潮流基本方程組包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程如下：

式中，h表示水位；H表示水深；u、v分別表示x、y方向的流速分量；f為科氏力系數(shù)；C表示謝才系數(shù)；t表示時(shí)間；g為重力加速度。

初始條件為

具體的計(jì)算參數(shù)和條件如下所述：

（1）邊界條件：岸邊界法向量取0，水邊界取自于全球近海潮波模型TPOX 7.2。

（2）計(jì)算區(qū)域：24.35°～24.68°N，117.96°～118.47°E范圍的海域。

（3）岸線數(shù)據(jù)：采用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的全球自洽分層高分辨率地理數(shù)據(jù)庫(GSHHG v2.3.7)。

（4）水深地形數(shù)據(jù)：取自NOAA 的ETOPO1（1-Minute Gridded Global Relief Data Collection）全球地形起伏模型，空間分辨率為1′，選取范圍為24.3°～24.7°N，117.8°～118.5°E。

（5）風(fēng)力強(qiáng)迫項(xiàng)數(shù)值：取自歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心ERA-5 全球逐小時(shí)再分析格點(diǎn)資料（分辨率為0.25°×0.25°）中的地面10 m 風(fēng)場(chǎng)。

2.2.2 水文概率統(tǒng)計(jì)模型

2.2.3 肯德爾（Kendall）相關(guān)系數(shù)

肯德爾相關(guān)系數(shù)是一個(gè)用來測(cè)量兩個(gè)隨機(jī)變量相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)值。假設(shè)兩個(gè)隨機(jī)變量分別為X、Y（也可以看做兩個(gè)集合），它們的元素個(gè)數(shù)均為N，X與Y中的對(duì)應(yīng)元素組成一個(gè)元素對(duì)集合XY?？系聽栂嚓P(guān)系數(shù)τ的取值范圍在-1 到1 之間，當(dāng)τ為1 時(shí)，表示兩個(gè)隨機(jī)變量擁有一致的等級(jí)相關(guān)性；當(dāng) τ為-1 時(shí)，表示兩個(gè)隨機(jī)變量擁有完全相反的等級(jí)相關(guān)性；當(dāng) τ為0 時(shí)，表示兩個(gè)隨機(jī)變量是相互獨(dú)立的。肯德爾相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為

本文中，X為極值水位高度，Y為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的降水量，C表示集合XY中擁有一致性的元素對(duì)數(shù)（兩個(gè)元素為一對(duì)）；D表示集合XY中擁有不一致性的元素對(duì)數(shù)[24]。

2.2.4 未來極值水位計(jì)算方法

未來極值水位高度（ESL）主要通過海平面上升（SLR）的情況和未來風(fēng)暴潮事件的水位（ ST）疊加估算而得[25]

3 結(jié)果與分析

3.1 9914 號(hào)“丹恩”和1614 號(hào)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)概況

1999 年10 月2 日，9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”在菲律賓以東洋面生成，經(jīng)菲律賓進(jìn)入南海后，突然北折，正面襲擊我國閩南地區(qū)，并于北京時(shí)間1999 年10 月9 日上午10 時(shí)許，在漳州鎮(zhèn)海角附近登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力35 m/s，中心最低氣壓970 hPa（圖1）。10 月9 日中午12 時(shí)，臺(tái)風(fēng)再次登陸廈門市海滄區(qū)。期間，恰逢農(nóng)歷九月初一的天文大潮，臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴增水疊加天文大潮，引起潮位異常增高。與此同時(shí)，臺(tái)風(fēng)帶來的短時(shí)強(qiáng)降水，造成廈門沿海地區(qū)嚴(yán)重洪水和內(nèi)澇。此次臺(tái)風(fēng)造成廈門地區(qū)多處堤防損毀、12 人死亡、4 人失蹤、727 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約18.6 億元。

2016 年9 月10 日14 時(shí)1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在菲律賓以東洋面生成后，向西北方向行進(jìn)，穿過巴士海峽后，直接撲向廈門，成為自“5903”號(hào)臺(tái)風(fēng)后，登陸閩南的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（圖1）。2016 年9 月15 日凌晨3 時(shí)許在廈門市翔安區(qū)登陸，登陸時(shí)中心最大風(fēng)力52 m/s，中心最低氣壓935 hPa。此次臺(tái)風(fēng)造成廈門地區(qū)因?yàn)?zāi)死亡1 人、重傷2 人，直接經(jīng)濟(jì)損失約102億元[26]。

3.2 9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間海洋和大氣過程對(duì)極值水位的影響

3.2.1 9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間天文潮位、風(fēng)暴增水和降水過程對(duì)極值水位的影響

圖2 為1999 年10 月9 日01 時(shí)至20 時(shí)，9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的降水、風(fēng)暴增水和廈門驗(yàn)潮站潮位的變化。由圖2 可見，在9 日（農(nóng)歷九月初一）9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸前（03 時(shí)至12 時(shí)），廈門驗(yàn)潮站的潮位逐步升高，到12 時(shí)達(dá)到天文大潮最高潮位585 cm，并出現(xiàn)了實(shí)測(cè)潮位為732 cm 的極值水位（廈門驗(yàn)潮站警戒水位700 cm）；期間，風(fēng)暴增水基本保持著1.2 m 以上的增水幅度，最大增水達(dá)1.71 m，尤其是從08 時(shí)至11 時(shí)，風(fēng)暴增水基本處于最高值。臺(tái)風(fēng)過程累計(jì)降水量達(dá)208 mm，每小時(shí)降水量逐漸增大，至12 時(shí)達(dá)到過程降水量的峰值（29 mm/h），即每小時(shí)最大降水量。與此同時(shí)，廈門驗(yàn)潮站水位達(dá)到峰值，即出現(xiàn)732 cm 的極值水位。即天文大潮位、風(fēng)暴增水和降水量最大同時(shí)出現(xiàn)（所謂“三碰頭”），三者的共同作用造成了異常偏高的超警戒極值水位的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致廈門島沿岸低洼地發(fā)生嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。有研究表明，當(dāng)強(qiáng)風(fēng)暴潮與強(qiáng)降水相遇時(shí)，出現(xiàn)洪水的概率比二者單獨(dú)出現(xiàn)要高得多[27-28]。

圖2 9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”期間廈門海域的天文潮位、風(fēng)暴增水和降水過程Fig. 2 The astronomical tide, storm surge and precipitation in coastal waters of Xiamen during the period of No.9914 Typhoon Dan

3.2.2 9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間大氣環(huán)流對(duì)極值水位的影響

圖3 為9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”登陸前后的大氣背景場(chǎng)變化。該圖是采用經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正的ERA-5 逐時(shí)海平面風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)再分析資料，以及CMA 臺(tái)風(fēng)最佳路徑集資料繪制的。研究表明，風(fēng)力和強(qiáng)降水均是風(fēng)暴潮增水的重要因素。隨著臺(tái)風(fēng)向岸抵近，大量海水涌入廈門海域的同時(shí)，由于風(fēng)場(chǎng)和低氣壓的作用，并且到臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)（12 時(shí)），降水量達(dá)到最大，為29 mm/h，廈門海域內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)且較強(qiáng)的風(fēng)暴增水。由圖3 可見，本次臺(tái)風(fēng)在登陸前后的移動(dòng)速度偏慢。觀測(cè)資料顯示，廈門氣象基本站在9 日07 時(shí)至當(dāng)天15 時(shí)出現(xiàn)持續(xù)的12 級(jí)（32.7 m/s）大風(fēng)。臺(tái)風(fēng)登陸前的持續(xù)大風(fēng)時(shí)間基本與廈門驗(yàn)潮站的大幅度增水時(shí)間重疊。例如，在臺(tái)風(fēng)登陸前的一段時(shí)間（9 日06 時(shí)前）（圖3a，圖3b），福建沿海以偏北大風(fēng)為主。在臺(tái)風(fēng)即將登陸前的時(shí)段內(nèi)（9 日10-12 時(shí)），廈門海域的風(fēng)向逐步轉(zhuǎn)為東南風(fēng)、南風(fēng)和西南風(fēng)向，大氣的低層風(fēng)場(chǎng)有利于驅(qū)動(dòng)外海的海水向廈門海域方向輸運(yùn)堆積；同時(shí),該海域處于臺(tái)風(fēng)低壓區(qū)，這又有利于臺(tái)風(fēng)對(duì)海水的抽吸作用。值得注意的是，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在臨近登陸前還出現(xiàn)了一次增強(qiáng)，最大風(fēng)速達(dá)到40 m/s，中心最低氣壓為965 hPa。簡言之，臺(tái)風(fēng)登陸前（12 時(shí)之前），在持續(xù)向岸強(qiáng)風(fēng)的驅(qū)動(dòng)和臺(tái)風(fēng)中心低壓的抽吸作用下，外海海水不斷向廈門海域內(nèi)堆積，造成廈門驗(yàn)潮站從9 日凌晨至中午觀測(cè)到較長時(shí)間的顯著增水現(xiàn)象。而臺(tái)風(fēng)登陸后（12 時(shí)之后），隨著臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和位置的變化，臺(tái)風(fēng)不斷北移、風(fēng)力減弱以及風(fēng)向轉(zhuǎn)變，并且低壓中心的氣壓逐步升高，因此，有利于風(fēng)暴增水的條件隨之消失。

圖3 1999 年10 月9 日9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”登陸前后廈門海域海平面氣壓和地面10 m 風(fēng)場(chǎng)的變化（資料源自ERA-5）Fig. 3 The change of sea level pressure and the 10 m wind field in coastal waters of Xiamen during the landing time of No.9914 Typhoon Dan on October 9, 1999 (data from ERA-5)

3.2.3 9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間潮流和波浪對(duì)極值水位的影響

圖4 為模擬的9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程中廈門島周邊海域（簡稱廈門海域）4 個(gè)典型時(shí)刻的表層潮流場(chǎng)變化。本文關(guān)于廈門海域潮流場(chǎng)的潮位和潮流模擬驗(yàn)證與文獻(xiàn)[29]驗(yàn)證材料與方法一致，故省略。由圖可見，在漲潮階段，潮波由開邊界傳入，被金門島阻斷分為南北兩支。北支經(jīng)廈門島北部進(jìn)入同安灣海域。南支達(dá)到廈門島南部海域時(shí)，又被分為兩支，一支沿岸線北上，而另一支則進(jìn)入九龍江河口區(qū)。

圖4 1999 年10 月9 日9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”期間廈門島周邊海域的表層潮流場(chǎng)Fig. 4 Surface flow field in coastal waters of Xiamen during the period of No.9914 Typhoon Dan on October 9, 1999

9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸前（06-10 時(shí)），廈門海域正處于從低平潮向高平潮過渡、落潮流向漲潮流轉(zhuǎn)變過程中。至10 時(shí)，由外海向廈門海域的漲潮流達(dá)到漲急階段，外海的海水大量涌入廈門海域內(nèi)；至12 時(shí)，漲潮流流速趨于最小，潮位轉(zhuǎn)為高平潮，來自外海的海水在廈門海域內(nèi)堆積，使得潮位達(dá)到最高位。臺(tái)風(fēng)期間，向岸的持續(xù)風(fēng)場(chǎng)有利于外海表層水向廈門海域輸送，增強(qiáng)了漲潮流對(duì)廈門島東南部沿岸形成超警戒極值水位的作用。在12 時(shí)的高平潮之后，潮流場(chǎng)逐步轉(zhuǎn)為落潮流，至15 時(shí)，潮流達(dá)到落急階段；隨后，臺(tái)風(fēng)北移、風(fēng)向改變，氣壓場(chǎng)削弱，潮位迅速回落。

圖5 為9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間廈門附近海域的平均波浪方向和有效波高的分布。廈門海域的波浪方向與地面風(fēng)向出現(xiàn)了同步的變化。臺(tái)風(fēng)登陸前（06-11 時(shí)），在向岸大風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，廈門海域掀起了巨浪，06 時(shí)波浪由外海向廈門海域傳播（圖5b），至12 時(shí)臺(tái)風(fēng)中心附近海域的有效波高達(dá)到了4 m 以上（圖5c）。

圖5 1999 年10 月9 日9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”期間廈門附近海域平均波浪方向和有效波高（資料源自ERA-5）Fig. 5 Wave direction and significant wave height in coastal waters of Xiamen during the period of No.9914 Typhoon Dan on October 10,1999 (data from ERA-5)

臺(tái)風(fēng)大風(fēng)、暴雨峰值與天文高潮相遇，廈門驗(yàn)潮站增水的幅度處于高位，出現(xiàn)風(fēng)（風(fēng)暴增水）、雨（暴雨）和潮（天文高潮）最大“三碰頭”的情景。在三者疊加的作用下，廈門驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)潮位達(dá)到過程峰值，廈門沿海出現(xiàn)了40 年一遇的超警戒極值水位。13 時(shí)后，臺(tái)風(fēng)登陸后減弱并北上，海水和潮波逐漸轉(zhuǎn)為沿岸線方向傳播，降水強(qiáng)度驟減，潮水退去，水位回落。

臺(tái)風(fēng)期間，1999 年10 月9 日11-12 時(shí)，除了上述“三碰頭”的重要影響之外，向岸的強(qiáng)風(fēng)、急流和波浪也同時(shí)發(fā)揮了顯著的作用。調(diào)查表明，1999 年10 月9 日，在臺(tái)風(fēng)正面的襲擊下，恰遇天文大潮，伴隨狂風(fēng)和暴雨，風(fēng)暴潮挾卷著大量海水，巨浪沖擊廈門南部尤其是東南部海岸并越過堤岸，造成了長達(dá)1 160 m護(hù)岸的損毀和沿岸街道的淹沒，沙灘沖刷劇烈，岸線明顯后退，防護(hù)林木折毀嚴(yán)重[30]。

綜上所述，9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間，廈門沿海地區(qū)發(fā)生的洪澇災(zāi)害，是海平面上升背景下風(fēng)（向岸強(qiáng)風(fēng)）、雨（強(qiáng)降水）、浪（巨浪）、潮（高潮位）、流（急流）等多致災(zāi)因子共同作用的結(jié)果。

3.3 1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間海洋和大氣過程對(duì)極值水位的影響

圖6 為2016 年9 月14 日18 時(shí)至9 月15 日13 時(shí)，1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的降水、風(fēng)暴增水和廈門驗(yàn)潮站潮位的變化。在1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸前（14 日18—23 時(shí)），廈門驗(yàn)潮站潮位不斷升高，至23 時(shí)達(dá)到最高潮位，但期間的增水基本相同；15 日02 時(shí)風(fēng)暴增水開始加強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)于03 時(shí)登陸，風(fēng)暴增水在05 時(shí)達(dá)到最大值。1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的明顯降水始于14 日22 時(shí)，并逐步增大，臺(tái)風(fēng)登陸后3 h（03-05 時(shí)）的每小時(shí)降水量達(dá)到最強(qiáng)階段，在04 時(shí)達(dá)到每小時(shí)最大降水量（58.9 mm）。

圖6 1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”影響期間廈門海域天文潮位、風(fēng)暴增水和降水過程Fig. 6 The astronomical tide, storm surge and precipitation in coastal waters of Xiamen during the period of No.1614 Typhoon Meranti

對(duì)比1614 號(hào)和9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間的潮位、風(fēng)暴增水和降水過程，可以發(fā)現(xiàn)有以下較明顯的差異。一是1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的強(qiáng)降水時(shí)間短，降水強(qiáng)度大。1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)的降水主要集中在臺(tái)風(fēng)登陸后的03-05 時(shí)，該時(shí)段廈門地區(qū)降水量激增，累計(jì)降水量將近120 mm。二是此次臺(tái)風(fēng)過程雖然也出現(xiàn)了明顯的增水，但風(fēng)暴增水的強(qiáng)度相對(duì)較小，且由于此次臺(tái)風(fēng)過程不處于天文大潮期，因此臺(tái)風(fēng)期間廈門驗(yàn)潮站并未出現(xiàn)超警戒的極值水位。值得注意的是，在臺(tái)風(fēng)登陸后2 h，廈門海域處于天文低潮期。前人的研究認(rèn)為在落潮時(shí)段，天文-風(fēng)暴潮耦合非線性項(xiàng)產(chǎn)生的是負(fù)增水效果[31]。但是，此時(shí)卻有相反的現(xiàn)象，臺(tái)風(fēng)登陸后1 h（04 時(shí)）出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過程的最大增水值，1 h 后（05 時(shí)）風(fēng)暴增水峰值出現(xiàn)。由此看來，強(qiáng)降水也是本次臺(tái)風(fēng)期間出現(xiàn)風(fēng)暴最大增水的重要因素之一。

本文進(jìn)一步計(jì)算分析了近20 年來影響廈門的風(fēng)暴潮增水事件以及對(duì)應(yīng)的降水?dāng)?shù)據(jù)的Kendall 相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，Kendall 系數(shù)τ值為0.15。這表明，在廈門海域的風(fēng)暴潮增水事件中，降水與風(fēng)暴潮增水存在一定程度的正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合本文分析的兩個(gè)臺(tái)風(fēng)事件的具體降水、增水過程以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以推測(cè)強(qiáng)降水和風(fēng)暴潮的疊加也是造成增水量突然增加的重要因素。

圖7 為1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸前后廈門附近海域海平面氣壓和風(fēng)場(chǎng)的變化。相對(duì)于9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”而言，1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”有著更大的影響范圍、更大的強(qiáng)度，對(duì)海水水體有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力和抽吸作用。在14 日20 時(shí)，廈門海域進(jìn)入了臺(tái)風(fēng)的10 級(jí)風(fēng)圈，海平面氣壓低于950 hPa，臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)力超過了50 m/s。在臺(tái)風(fēng)登陸的前兩小時(shí)，相關(guān)海域風(fēng)場(chǎng)情況與9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)的情況幾乎一致。廈門附近海域由原先偏北大風(fēng)為主，逐漸向東南風(fēng)向轉(zhuǎn)變。在向岸強(qiáng)風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)抽吸作用下，驗(yàn)潮站已有50 cm 以上幅度的增水。而在風(fēng)暴增水達(dá)到峰值的05 時(shí)前后，風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的配置并未出現(xiàn)明顯變化。09 時(shí)過后，臺(tái)風(fēng)北移深入內(nèi)陸，臺(tái)風(fēng)的風(fēng)力明顯減弱，低壓中心填塞。

圖7 2016 年9 月14-15 日1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸前后廈門附近海域海平面氣壓和10 m 風(fēng)場(chǎng)的變化（資料源自ERA-5）Fig. 7 The change of sea level pressure and the 10 m wind field in coastal waters of Xiamen during the landing time of No.1614 Typhoon Meranti from September 14, 2016 to September 15, 2016 (data from ERA-5)

另外，值得注意的是，1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸前后雖未引起廈門沿海出現(xiàn)超警戒極值水位，但卻造成廈門地區(qū)空前的森林和城市行道樹的大量損毀[32-33]。

圖8 為1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)期間廈門附近海域的平均波浪方向和有效波高的分布。在1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)的影響下，廈門附近海域的海洋環(huán)境場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)也有著較為一致的變化關(guān)系。1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的潮流場(chǎng)與9914號(hào)臺(tái)風(fēng)過程的情況基本一致，但是在此次過程的臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)刻，廈門海域的天文潮過程處于落潮階段，因此，并未出現(xiàn)超高潮位的情況。由于此次臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度空前，近岸出現(xiàn)了較強(qiáng)的增水，廈門驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)的最大風(fēng)暴增水幅度達(dá)到1 m。15 日03 時(shí)臺(tái)風(fēng)登陸前后，在大風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下，巨浪襲擊岸線，廈門附近海域有效波高都在3 m 左右。在出現(xiàn)波浪越堤效應(yīng)的同時(shí)，疊加有超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)帶來的短時(shí)強(qiáng)降水，這是造成此處沿岸低洼地淹沒的主要原因。

圖8 2016 年9 月14-15 日1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”期間廈門島周邊海域平均波浪方向和有效波高（資料源自ERA-5）Fig. 8 Wave direction and significant wave height in coastal waters of Xiamen during the period of No.1614 Typhoon Meranti from September 14, 2016 to September 15, 2016 (data from ERA-5)

3.4 RCP4.5、RCP8.5 情景下廈門驗(yàn)潮站極值水位和重現(xiàn)期預(yù)估

圖9 為在溫室氣體中等和高排放（RCP4.5、RCP8.5）情景下廈門驗(yàn)潮站極值水位和重現(xiàn)期（相對(duì)于1954-1999 年）的變化。未來隨著氣候的持續(xù)變暖，全球海平面將進(jìn)一步上升，許多地區(qū)沿海地區(qū)極值水位危險(xiǎn)性將明顯的增加[2-3]。為了預(yù)估未來廈門沿海地區(qū)極值水位危險(xiǎn)性的變化，本文應(yīng)用了1954-1997 年間廈門歷史驗(yàn)潮站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及RCP4.5 和RCP8.5 情景下廈門海域海平面變化的預(yù)估值[21]，通過水文概率模型P-Ⅲ型線進(jìn)行適線分析，獲得了年極值水位的頻率曲線（圖9）。其中，極值水位的高度與其重現(xiàn)期呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系。

圖9 在RCP4.5(a)和RCP8.5(b)情景下未來廈門驗(yàn)潮站的極值水位事件和重現(xiàn)期（相對(duì)于1954-1999 年平均海平面）的變化Fig. 9 The relation between expected extreme sea level events and return period at Xiamen tidal gauge station, references to 1954-1999 mean sea level and future conditions for RCP 4.5 (a) and RCP 8.5 (b) scenarios

基于歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的概率曲線分析表明，在疊加不同情景下未來廈門沿海海平面變化的預(yù)估值（取中值）后，由圖9（不同顏色實(shí)線）可以看出，在RCP4.5情景下，9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮引起廈門沿海地區(qū)發(fā)生40 年一遇的極值水位（732 cm）事件，到2030 年，732 cm水位的出現(xiàn)頻率將提高到18 年一遇，在2050 年達(dá)6 年一遇，而到2100 年，將成為低于1 年一遇的事件。而在RCP8.5 的情景下，同期的頻率比RCP4.5 情景更高，但差距不是很大。

表2 和表3 為不同氣候（RCP4.5、RCP8.5）情景下當(dāng)前廈門驗(yàn)潮站50 年一遇和100 年一遇的極值水位和重現(xiàn)期（相對(duì)于1954-1999 年）的變化。由表2可見，當(dāng)前50 年一遇的極值水位為737 cm，在RCP4.5情景下，到2030 年，50 年一遇的極值水位將變?yōu)?50 cm；到2050 年將變?yōu)?62 cm；到2100 年將變?yōu)?98 cm（取海平面變化預(yù)估值的中值）。在RCP8.5 情景下，到2030 年，當(dāng)前50 年一遇的極值水位高度將變?yōu)?51 cm；到2050 年將變?yōu)?65 cm；到2100 年將變?yōu)?22 cm。

表2 不同氣候（RCP4.5、RCP8.5）情景下廈門驗(yàn)潮站50 年一遇和100 年一遇的極值水位的變化（相對(duì)于1954-1999 年）Table 2 1-in-50-year and 1-in-100-year extreme sea level events at Xiamen tidal gauge station, referenced to 1954-1999 for RCP(4.5, 8.5) scenarios

表3 不同氣候（RCP4.5、RCP8.5）情景下廈門驗(yàn)潮站當(dāng)前50 年一遇和100 年一遇極值水位的重現(xiàn)期的變化（相對(duì)于1954-1999 年）Table 3 The return period of recent 1-in- 50-year and 1-in-100-year extreme sea level events at Xiamen tidal gauge station, referenced to 1954-1999 for RCP (4.5,8.5) scenarios

另外，值得注意的是，當(dāng)前廈門驗(yàn)潮站100 年一遇極值水位在RCP4.5 情景下，相對(duì)于1954-1999 年平均海平面，到2030 年將變?yōu)?5 年一遇；至2050 年，將變?yōu)?0 年一遇；到2100 年，將成為2 年一遇。而在RCP8.5 情景下，到2030 年，將變?yōu)?3 年一遇；至2050 年，將變?yōu)?5 年一遇；至2100 年，將低于1 年一遇。由此可見，未來廈門地區(qū)極值水位的危險(xiǎn)性將大幅上升。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于歷史上9914 號(hào)、1614 號(hào)兩次臺(tái)風(fēng)過程的觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)，本文分析了臺(tái)風(fēng)登陸廈門地區(qū)前后，廈門海域的海洋和大氣環(huán)境的變化，包括天文潮位、風(fēng)暴增水和降水、海平面氣壓和風(fēng)場(chǎng)等變化，影響廈門海域極值水位的各種因素和過程，以及不同氣候情景下未來廈門海域極值水位和重現(xiàn)期的變化，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在1999 年10 月9 日9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹恩”登陸前的數(shù)小時(shí)內(nèi)，廈門附近海域持續(xù)有向岸12 級(jí)大風(fēng)（32.7 m/s），最大風(fēng)速達(dá)到40 m/s，中心最低氣壓為965 hPa，廈門驗(yàn)潮站持續(xù)出現(xiàn)1.2 m 的風(fēng)暴增水；至臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)（12 時(shí)），每小時(shí)降水量達(dá)到最大值（29 mm），天文大潮達(dá)到最高潮位585 cm，廈門驗(yàn)潮站出現(xiàn)732 cm的極值水位，超過了700 cm 的警戒水位。

（2）9914 號(hào)臺(tái)風(fēng)影響期間，在持續(xù)向岸強(qiáng)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)中心低壓的驅(qū)動(dòng)、抽吸以及漲潮流的作用下，廈門附近外海海域的海水不斷向廈門海域內(nèi)輸運(yùn)堆積，強(qiáng)風(fēng)、低壓和漲潮流對(duì)風(fēng)暴增水起到了正面的驅(qū)動(dòng)作用。天文大潮最高潮位、風(fēng)暴最大增水和最大降水量三者的同時(shí)出現(xiàn)與共同作用造成了異常偏高極值水位（732 cm）的出現(xiàn)。臺(tái)風(fēng)正面襲擊廈門地區(qū)時(shí)，恰遇天文大潮，風(fēng)（向岸強(qiáng)風(fēng)）、雨（暴雨）、浪（巨浪）、潮（高潮位）、流（急流）造成的風(fēng)暴潮是廈門沿海地區(qū)發(fā)生人員傷亡、護(hù)岸損毀、街道淹沒，以及大量經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重災(zāi)情的重要原因。

（3）在不同氣候（RCP4.5、RCP8.5）情景下，到21 世紀(jì)中葉和末期，當(dāng)前廈門驗(yàn)潮站50 年和100年一遇極值水位將變得很頻繁，其危險(xiǎn)性將顯著上升。例如，在RCP4.5 情景下，到2050 年和2100 年，當(dāng)前百年一遇的極值水位將變?yōu)?0 年一遇和2 年一遇；在RCP8.5 情景下，到2050 年和2100 年，當(dāng)前百年一遇的極值水位將變?yōu)?5 年一遇和低于1 年一遇。

（4）在不同氣候（RCP4.5、RCP8.5）情景下，未來全球和我國沿海海平面將持續(xù)上升，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)將趨多，這將抬高極值水位的基礎(chǔ)水位[3]，因此，我國沿海極值水位將有顯著增高的趨勢(shì)，極值水位的重現(xiàn)期將縮短，但具體的變化將有待我們進(jìn)一步深入預(yù)估?？梢灶A(yù)計(jì)的是，我國東南沿海包括廈門地區(qū)如果僅維持現(xiàn)有的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)設(shè)施，海岸洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)將極可能顯著增加。因此，為降低未來的沿海地區(qū)洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)研究并采取充分的適應(yīng)氣候變化措施。

4.2 討論

Emanuel[34]模擬研究表明，到21 世紀(jì)末，在登陸前迅速增強(qiáng)的熱帶氣旋可能將會(huì)大幅增加。Kossin[35]的研究發(fā)現(xiàn)，在全球平均溫度上升0.5℃, 全球熱帶氣旋的移動(dòng)速度減緩約10%，尤其是在西北太平洋地區(qū)，減幅達(dá)到了21%。這表明未來熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）登陸期間的風(fēng)暴增水和降水可能比現(xiàn)在的預(yù)估更高。本文利用了驗(yàn)潮站的歷史觀測(cè)資料和未來極值水位重現(xiàn)期的計(jì)算方法，分析的未來海平面變化情景下極值水位和重現(xiàn)期的變化，在一定程度上反映了不同氣候情景下未來極值水位事件危險(xiǎn)性（強(qiáng)度和重現(xiàn)期）的變化，但尚未更充分考慮未來強(qiáng)熱帶氣旋（強(qiáng)臺(tái)風(fēng)）變化情況，因此，還有待將此情況一并納入預(yù)估分析。

致謝：衷心感謝王慧研究員和王彥明博士對(duì)本文工作的大力支持和幫助。