風暴潮、大潮對廣西潿洲島西南沙灘侵蝕的影響分析

李明杰，吳少華，劉秋興，董劍希

(1.國家海洋環境預報中心，北京 100081)

風暴潮、大潮對廣西潿洲島西南沙灘侵蝕的影響分析

李明杰1，吳少華1，劉秋興1，董劍希1

(1.國家海洋環境預報中心，北京 100081)

本文統計分析了廣西潿洲島沿海氣候、潮汐和風暴潮等歷史資料，利用耿貝爾方法推算了潿洲島多年一遇年極值高潮位，并估算了其漫灘范圍分布，指出近幾年高潮位出現的頻次和極值均越來越高是潿洲島西南部沙灘侵蝕愈加嚴重的重要原因，最后結合風暴潮-海浪耦合數值模擬了研究區域內“0312”號臺風風暴潮漫灘的情況，分析了風暴潮和大潮對潿洲島西南部沙灘侵蝕的影響，對當地岸灘修復和防護具有一定的指導意義。

風暴潮；大潮；沙灘侵蝕；耿貝爾方法；數值模擬

1 引言

潿洲島是廣西眾多島嶼中最大的海島，也是中國最大、地質年齡最年輕的火山島。該島位于北部灣中部，北臨廣西北海市，東望雷州半島，東南與斜陽島毗鄰，南與海南島隔海相望，西面面向越南，距北海市區大約36海里(見圖1)。潿洲島南北方向的長度為6.5 km，東西方向寬6 km，總面積24.74 km2，島的最高海拔79 m。潿洲島附近水深較淺，水深普遍小于10 m。在島嶼的東側及西北側分別有兩條深約30～40 m的海槽。

潿洲島及其周邊海域的旅游資源、水產資源、油汽資源等非常豐富，自然環境優越。近幾年來，潿洲島岸線整體遭受侵蝕，尤其西南部岸灘作為潿洲島重要的濱海浴場，侵蝕更為嚴重，2006-2013年間年均下蝕可達0.18 m[1]。潿洲島西南部潮間淺灘屬沙質海灘，灘面坡度為1°～6°，總長度約2.5 km，寬50～150 m。沙灘等高線大體呈南北走向，地形呈東高西低。高潮線以上為木麻黃防風林和山體，地形起伏較大。海岸侵蝕使得西南部海灘岸線后退，低灘下蝕致坡度變陡，沙灘下層礫石裸露，并在離岸區堆積成沿岸沙壩，臨海部分樹木枯死，對當地的旅游景觀造成了嚴重的影響。

沿海岸灘侵蝕的因素多種多樣[2—5]，既有自然因素如風暴潮和近岸浪[6—10]、大潮、海平面上升[11—12]、入海泥沙減少[13]等，又有人為因素如采砂挖沙、破壞海灘植被或砍伐岸灘防護林、不合理的海岸工程建設等[14]。

在諸多侵蝕因素中，風暴潮和近岸浪對岸灘地形的破壞性最為嚴重。“9216”號臺風風暴潮期間，長時間的增水和大浪的作用給山東省沿海造成了嚴重災害，沙質海岸后退3～12 m，最大達30 m，損失土地4.66 km2[6—7]。1962年7月下旬至8月中旬，長江口連續遭受兩次強臺風襲擊，某些岸段灘面平均刷低20～30 cm，岸線后退10～20 m[15]。不同于萊州灣等陸地海岸帶的侵蝕[13]，潿洲島離陸地較遠且沒有入海河流，沒有入海泥沙的影響，風暴潮、潮流和近岸浪等是造成潿洲島海岸侵蝕的主要海洋動力[1]。風暴潮過程以后，泥沙會從離岸區向岸區推移，但沙灘循環作用的不對稱性，沙灘沉積物總體會處于虧損狀態，從而導致沙灘的侵蝕后退[9，16—17]。此外，冬季大風引起的近岸浪配合天文潮大潮也會顯著改變當地岸灘的現狀。

近幾年來，風暴潮致海岸侵蝕的報道及其侵蝕過程的研究工作較多[8，10，16—19]，利用詳實的歷史資料結合數值模式來分析風暴潮和大潮的影響強度以及時空變化的研究尚不多。本文從風暴潮和大潮的角度去探討其對潿洲島西南部岸灘侵蝕的影響。

本文搜集了潿洲島氣候、潮汐和風暴潮等歷史資料以及潿洲島附近精細化的水深地形和陸地高程數據，并進行了統計與計算分析，最后利用風暴潮-海浪耦合模式模擬了潿洲島西南部沙灘風暴潮漫灘的過程。

圖1 模式模擬區域地形及區域內典型潮位站分布Fig.1 Bathymetry of our model domain and the distribution of typical tidal stations therein

2 廣西潿洲島氣候以及潮汐特征分析

2.1 廣西沿海氣候特征及相關分析

廣西海岸帶地處低緯度，屬我國南亞熱帶季風型海洋性氣候。海岸帶風向具有明顯的季節性變化。每年9、10月至翌年3、4月受北方大陸干冷氣團的控制，盛行偏北氣流，廣西各地影響的風向均是北-東北風；從4、5月至8、9月，在海洋暖溫氣團的主宰下，盛行偏南氣流，多吹西南-東東南風[20]。

夏秋兩季每年平均受2～4次臺風影響。臺風由南海進入北部灣時，因受海南島和雷州半島的阻擋，一般只有6～10級，風速大于8級的大風平均每年出現11.1 d。近幾年進入北部灣的臺風強度普遍偏強，“1223”強臺風“山神”、“1330”超強臺風“海燕”和“1415”臺風“海鷗”進入北部灣風速均達到了13級，“1409”超強臺風“威馬遜”進入北部灣更是達到16級風速。

王慧和隋偉輝[21]分析了北部灣多年平均大風(6級以上)天數的季節性變化，結果顯示12月份為全年中大風天數最多的月份，月均大風天數大于6天的月份主要集中在10月份至翌年的1月，夏秋兩季(5-9月)雖然受臺風的影響，最大風速為全年中最大，但大風天數卻為全年中最少。從這個角度來說，夏秋季臺風影響期間，因風速較大，可能會對研究區域產生突變式的影響；10月至翌年1月雖然很少受到臺風影響，但因大風天數較多，其影響也不容忽視，可能會對研究區域產生持續性的影響。

從物質輸運的角度分析，10月至翌年1月主要盛行偏北風，此時淺海的風海流體積輸運為偏西南方向，即研究區域的物質輸運的趨勢是離岸、向南；5-9月若無臺風影響，因盛行偏南風，此時淺海的風海流體積輸運為偏東北方向，即研究區域的物質輸運的趨勢是向岸、向北。這個結論恰好解釋了潿洲島西南部形成沙壩以后泥沙存在季節性南北方向搬運的現象。

2.2 廣西潿洲島潮汐特征及相關分析

潿洲站基本分潮振幅由潮汐調和分析得出：HM2太陰半日分潮振幅為36.73 cm，HK1太陰太陽合成日分潮振幅84.78 cm，HO1太陰日分潮振幅92.71 cm。根據GB/T 17839-1999《警戒潮位核定方法》的潮汐類型判別標準，潿洲站A=(HK1+HO1)/HM2值為4.83，A>4.0，因此潿洲站潮汐性質是正規全日潮性質。

圖3 潿洲站1973-2014年高潮位年極值序列Fig.3 Annual extreme high tide of Weizhou Island during 1973 to 2014

圖2給出了2012年潿洲島天文潮的情況。從圖中可以看出，不同于我國北方沿海夏季潮位高，冬季潮位低的情況，潿洲站5-7月以及10-12月為全年中的大潮期。這兩個時間段恰好分別是臺風影響時段和大風天數最多時段，因此高潮位配合大風天氣引起的風暴增水和大浪過程使得這兩段時間成為全年中沙灘侵蝕的高危時段。

2.3 廣西潿洲島年極值高潮位推算分析

本文統計了潿洲站1973-2014年共42年潮位年極值，其中有18年超過當地警戒潮位，12年超過當地理論大潮線(見圖3)。超過當地理論大潮線，即意味著潮水漫過潮間帶，此時極易打破沙灘泥沙的動態平衡。從圖3可以看出，2000年以前水位年極值超過當地大潮線僅3年，近十幾年竟出現了9次。結合藍色趨勢線可看出近幾年來高潮位出現的頻次和極值均越來越高。在相同的波浪參數下，水層的厚度與海底摩擦消能成反比。高潮位使得近海區水層增厚，向岸傳遞波浪的能量就更多。這應該是造成近幾年研究區域沙灘侵蝕愈加嚴重的重要原因之一。

圖4展示了1973-2014年中，高潮位年極值出現的月份分布。從圖中可看出，年極值高潮位主要集中出現在11月、12月、1月和7月，占全年的80.0%，其中12月份為全年中最易出現年極值高潮位的月份(占26.7%)。從某種意義來說，雖然冬季大風造成的風暴增水和波浪遠不如臺風引起的劇烈，但是其對研究區域內沙灘的侵蝕影響跟臺風相比有過之而無不及。

圖4 潿洲站1973-2014年高潮位年極值出現的月份分布Fig.4 Monthly probability of occurrence of the annual extreme high tide of Weizhou Island during 1973 to 2014

3 廣西潿洲島多年一遇潮位及相應淹沒范圍推算

本文采用耿貝爾(Gumbel)曲線法[22—23]推算了潿洲站多年一遇最高潮位。Gumbe1分布曲線是以極值分布理論為基礎，針對極值統計需要而提出的。對水文氣象要素多年一遇的極值推算有較大適用性，只要隨機變量的原始分布屬于正態分布或部分分布等指數分布族，其極值分布就漸近于Gumbel曲線。

將潿洲站年最高潮位的經驗頻率點繪到圖上與理論曲線進行對照，經驗頻率與理論曲線擬合較好(圖5)。

圖5 潿洲站耿貝爾曲線與實測年極值經驗頻率分布Fig.5 Gumbel curve and empirical frequency in Weizhou tidal station

表1給出了用耿貝爾方法計算所得潿洲站多年一遇高潮位。潿洲站建站至今最高潮位為517 cm，從表2中可知該高潮位為30年一遇的標準。50年一遇的高潮位為524.2 cm，100年一遇的高潮位為534.4 cm。需要說明的是，一定重現期(如50年)所對應的高潮位(524.2 cm)并非是指今后這段時間(50年)一定會出現，當然也可能近幾年就會出現。從海洋防災減災的方面考慮，海洋工程可以依據推算結果做相應重現期的防護。

表1 潿洲站不同重現期年最高潮位Tab.1 Annual highest tidal level of Weizhou tidal station at different return periods

圖6展示了50年和100年一遇高潮位在研究區域內漫灘的情況。考慮到潿洲島西南部研究區域縱深較小，基本在50～150 m之間，潿洲島西南部漫灘范圍可以由所推算的高潮位與測點高程對比得出(測點最高分辨率達到0.5 m)。從圖中可看出，50年(100年)一遇高潮位在北部越過大潮線50～60(100) m，中部越過大潮線20～50(30～50) m，南部越過大潮線50～60(60～70) m。圖中標注了歷史臺風最大淹沒范圍以供參照。需要說明的是，歷史淹沒點為近期通過走訪當地居民和查看遺留痕跡等方式獲取的數據，并非某一次過程的淹沒范圍。另外，歷史淹沒點是高潮位和大浪聯合作用的結果，即如果多年一遇高潮疊加大浪，淹沒范圍肯定會比圖6所給范圍更加大。

圖6 潿洲島西南部50年(a)和100年(b)一遇高潮位淹沒范圍示意圖Fig.6 Submerged areas of the southwestern Weizhou Island at 50-year (a) and 100-year (b) frequency tidal levels

4 廣西潿洲島歷史風暴潮的統計分析

據統計，1956-2014年中，廣西潿洲島沿海大于50 cm的臺風風暴潮過程共發生83次，其中4次超過當地警戒潮位(480 cm)，分別是“8609”、“9204”、“0312”和“0814”號臺風所引起。從圖7中可以看出，潿洲島的風暴潮主要發生在7月份(占32.9%)，其次是8月份(占27.6%)，然后分別是10月(17.1%)和9月(15.8%)。

圖7 1956-2014年潿洲島風暴潮季節分布Fig.7 Seasonal distributions of the storm surge of Weizhou Island during 1956 to 2014

臺風風暴潮過程中，增水大于80 cm，且最高潮位大于455 cm的典型風暴潮過程共6次(表2)。從表2中也可以看出，影響潿洲島較強的臺風風暴潮過程主要集中在近20年內。

2003年第12號臺風“科羅旺”(Krovanh)8月25日(農歷七月廿八)4時前后登陸海南省文昌縣，登陸時臺風最大風速35 m/s，近中心最低氣壓970 hPa。受其影響廣東、廣西、海南沿海有12個站的最大增水超過1.0 m，有9個站的最高潮位超過當地警戒潮位。廣東省南渡站增水最大，達3.59 m，廣西潿洲站最大增水達1.78 m。

“科羅旺”影響期間，廣西沿海天文潮并不特別高，距離當地警戒潮位80 cm左右。由于臺風路徑和強度均特別有利，潿洲站于8月26日0時出現了達178 cm的最大風暴增水，為該站自建站以來歷史上最大風暴增水。同時，大于1 m以上的風暴增水持續21 h左右，疊加到高潮位上，最高潮位為517 cm，超過當地警戒潮位37 cm，達到了橙色預警級別。該高潮位亦為歷史上最高潮位，經過計算該高潮位達到了30年一遇的標準。

表2 歷史上潿洲島顯著臺風風暴潮典型個例統計Tab.2 Statistics of the typical storm surge of Weizhou Island

5 廣西潿洲島風暴潮漫灘數值模擬

針對于廣西沿海復雜的水深地形現狀，本文采用了目前被國際上廣泛接受的水動力模型——ADCIRC模式并耦合海浪模式(SWAN)對“0312”臺風風暴潮過程進行模擬。ADCIRC模型是可以應用于海洋、海岸、河口區域的多尺度水動力計算模型。模型基于非結構網格，在空間上采用有限元方法離散，時間上采用有限差分法。該模型被美國工程兵部隊(ACE)和美國海軍研究實驗室(NRL)廣泛應用于各個軍港的潮汐、海流和風暴潮預報中[24]。

5.1 模式設置及數據來源

模型的水深數據采用國家海洋環境預報中心業務化運行的分辨率為2′×2′的南海水深數據插值得到。廣西沿海及其附近海域，尤其潿洲島沿海的水深數據采用最新加密測量的水深地形資料插值得到。

為了減少或避免計算區域開邊界對模擬結果的影響，更好地模擬風暴潮在北部灣海域的傳播過程，本文中所做網格的計算區域選在涵蓋了南海大部分范圍，只采用一條開邊界。邊界上添加NAO.99 8個主要分潮(M2，S2，K2，N2，K1，O1，P1，Q1)作為潮驅動。模式時間步長為10 s，模擬時段設置為5 d，涵蓋整個風暴潮過程。模式進行數值模擬時，采用球坐標、二維模式類型、混合底摩擦形式等，風場驅動采用Holland風場。

SWAN模型中，采用二維動譜能密度表示隨機波浪場。模型考慮了風能輸入，波浪的折射和反射，波浪破碎以及波-波相互作用等。海浪模式為風暴潮模式提供輻射應力，并作為外力驅動加入到風應力中，波長和周期信息也將用來參與風暴潮模式的風應力計算。波浪譜方向的分辨率為10°，模式時間步長為1 200 s，每隔1 h與風暴潮模式交換一次數據。

圖8和圖9分別展示了潿洲島附近以及其西南岸灘的高分辨率非結構網格分布情況。整個計算區域包括了949 728個三角形單元，共計483 043個節點。對廣西沿海區域，尤其是潿洲島海域進行了重點加密，廣西沿海分辨率達到200 m左右，潿洲島域附近海域分辨率達到100 m左右，能夠較好地刻畫重點地物。

圖8 潿洲島附近精細化網格剖分(自北向南分別是潿洲島和斜陽島)Fig.8 Fine-resolution model gird around Weizhou Island (from north to south: Weizhou Island and Xieyang Island)

圖9 潿洲島西南部沙灘位置及網格剖分(方框內為西南部沙灘)Fig.9 The location of the beach in the southwestern Weizhou Island (the domain in the rectangular box) and the surrounding model gird

圖10 模式模擬天文潮與調和分析天文潮對比圖Fig.10 Comparison of astronomical tides from the model result and harmonic analysis

5.2 模式驗證

圖10為2003年第12號臺風“科羅旺”影響期間，風暴潮-海浪耦合模式中廣東、廣西和海南各代表潮位站天文潮模擬結果與調和分析結果比較驗證圖。從圖中可看出，各潮位站天文潮的振幅和遲角與調和分析結果符合較好。北部灣沿海因為潮汐特性比較復雜，天文潮模擬效果較廣東、海南沿海稍差一些，但主要的潮汐特征也較好地模擬出來。

圖11 模式模擬風暴增水與實況增水對比圖Fig.11 Comparison of storm surge from the model result and the measured data

圖11為“科羅旺”影響期間，廣西和海南各代表潮位站模擬增水與實況增水比較驗證圖。從圖中可看出，各站的增水值和最大增水相位與實況符合較好。需要說明的是，模式模擬的風暴增水由耦合模式加風場驅動的結果減去不加風場(即天文潮)結果所得。

5.3 風暴潮漫灘結果

風暴潮漫灘結果同樣是通過密集的陸地高程測點(最小間距0.5 m)是否淹沒來展示的。測點是否被淹沒則依據調和分析天文潮疊加模擬所得風暴增水與陸地測點高程對比所得。研究區域內沙灘縱深較小(50～150 m之間)，在動態網格較難刻畫的情況下，這種判別方法是比較經濟且合理可信的。

從前人的研究可以看出，較嚴重的岸灘侵蝕事件均由高潮位配合大浪造成。因為風暴增水或天文大潮引起的高潮位，使得近海區水層增厚，波浪能增加，同時海底摩擦消能作用也相應減小，“浪借潮勢”，海浪向岸傳遞的能量就更多，對海岸侵蝕作用也會越嚴重。除了水層增厚帶來的影響，高潮位持續時間長短也決定著侵蝕的嚴重程度[10]。蔡鋒等[9]分析比較了臺風“艾利”對福建沿海9個岸灘剖面的侵蝕作用，指出沙灘侵蝕區域基本上與大波高所處位置一致，而大波高位置與岸灘坡度和高潮位置緊密相關。根據測量計算，潿洲島西南部沙灘灘面坡度約為1∶30，與崇武青山剖面比較類似，大波高作用的位置也是灘面沙體主要損失位置應在高潮帶。

從圖12中看出，2003年第12號臺風“科羅旺”影響期間，長時間的風暴增水疊加到高潮上，使得潮水的大范圍地突破潮間帶，最遠漫過大潮線近100 m；沙灘北部、中部及南部均有出現漫過大潮線甚至漫過海邊小路的情況。這次風暴潮過程淹沒范圍和歷史淹沒點大致相近，中南部沙灘甚至超過歷史淹沒點。考慮海浪和風暴潮或大潮的聯合作用，此時勢必打破沿海沙灘泥沙的動態平衡，造成沙灘北部、中部及南部漫灘地區泥沙損失，進而形成對海岸的侵蝕。

參照圖6和圖12中潮位漫灘的位置與范圍，可以有針對性地栽種防風林樹種和固沙植被，并適當采取防護性工程建設，如人工補沙、修建岸邊道路護堤等，以阻止沙灘繼續后退。

圖12 0312號臺風影響期間最大淹沒區域分布Fig.12 Maximum submerged area during the process of the 0312 typhoon

6 結論

本文通過對廣西潿洲島氣候、潮汐和風暴潮等歷史資料統計分析并結合風暴潮漫灘數值模擬來分析風暴潮和大潮對潿洲島西南部沙灘侵蝕的影響，得出如下結論：

(1)根據風暴潮歷史資料統計，廣西潿洲島的臺風風暴潮主要發生在7-8月(占60.5%)，其中7月份發生頻次最多(占32.9%)。同時，每年5-7月和10-12月為潿洲島的天文大潮期，這兩個時間段恰好分別是臺風影響時段和大風天數最多時段，因此大風天氣引起的風暴增水和大浪配合天文高潮位使得這兩段時間成為全年中沙灘侵蝕的高危時段。

(2)近幾年來高潮位出現的頻次和極值均越來越高。年極值高潮位主要集中出現在11月、12月、1月和7月，其中12月份為全年中最易出現年極值高潮位的月份。從某種意義來說，雖然冬季大風造成的風暴增水和波浪遠不如臺風引起的劇烈，但是其對潿洲島西南部沙灘的侵蝕影響跟臺風相比有過之而無不及。

(3)經耿貝爾方法推算，廣西潿洲島50(100)年一遇的水位為524.2(534.4) cm。50年(100年)一遇高水位在研究區域北部越過大潮線50～60(100) m，中部越過大潮線20～50(30～50) m，南部越過大潮線50～60(60～70) m。海洋工程可以依據推算結果做相應重現期的防護。

(4)風暴潮和大潮對沙質海岸侵蝕的影響不容忽視。通過歷史資料統計以及風暴潮-海浪耦合模式結果的對比發現，較強的風暴潮過程疊加在天文潮高潮以后，潮水就會漫過潿洲島西南部大潮線，在大浪的配合作用下加劇對海灘的侵蝕作用。可以在易侵蝕區域有針對性地栽種防風林樹種和固沙植被，并適當采取防護性工程建設以阻止沙灘繼續后退。

致謝：本文中使用的廣西潿洲島附近水深地形數據、陸地高程數據以及部分潮位資料由國家海洋局北海海洋環境監測中心站測量并提供，在此表示感謝!

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Impacts of storm surge and spring tide on the beach erosion ofthe southwestern Weizhou Island，Guangxi Province

Li Mingjie1，Wu Shaohua1，Liu Qiuxing1，Dong Jianxi1

(1.NationalMarineEnvironmentalForecastingCenter，Beijing100081，China)

In this paper，various history datum，such as meteorological data，tidal data，and storm surge data,etc，are collected and analyzed. Highest tidal levels of multiyear return periods are calculated using the Gumbel curve method，and the related inundation areas are also showed. It is revealed that the worsening beach erosion of the southwestern Weizhou Island is mainly due to the frequently occurrence of the extreme high tide in recent years. In addition，a coupled storm surge-wave numerical model is used to present the inundation process by storm surge during the 0312 typhoon. Impacts of storm surge and spring tide on the beach erosion is analyzed and elaborated，which is of certain directive significance to the local beach restoration and protection．

storm surge; spring tide; beach erosion; Gumbel curve method; numerical simulation

2014-10-17；

2015-01-20。

海洋公益性行業科研專項經費項目——沿海重點保障區域精細化綜合預報系統研制與應用(201305031)；廣西北海潿洲島整治修復項目——北海市潿洲島西南海域岸灘侵蝕研究。

李明杰(1984—)，男，江蘇省泰興市人，博士，助理研究員，主要從事風暴潮預報及相關研究。E-mail:limj@nmefc.gov.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.013

P731.23

A

0253-4193(2015)09-0126-12

李明杰，吳少華，劉秋興，等. 風暴潮、大潮對廣西潿洲島西南沙灘侵蝕的影響分析[J]. 海洋學報，2015，37(9):126-137，

Li Mingjie，Wu Shaohua，Liu Qiuxing，et al. Impacts of storm surge and spring tide on the beach erosion of the southwestern Weizhou Island，Guangxi Province[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(9):126-137，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.013