廣東省徐聞沿海風暴潮數值模擬與淹沒危險性分析

黃寶霞，胡金磊，鄭淑賢，羅軍

（1.國家海洋局南海預報中心，廣東廣州510310；2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室，廣東廣州510310）

1 引言

廣東省徐聞位于中國大陸最南端，廣東省西南部，雷州半島南端，隸屬于廣東省湛江市。徐聞三面環海，東臨南海，西瀕北部灣，南隔瓊州海峽與海南省相望，北接雷州市。徐聞沿岸常年遭受臺風的襲擊，根據黃錦覺[1]的統計，無論是正面襲擊（雷州、徐聞和文昌登陸）徐聞，還是瓊海以南登陸甚至是湛江以北登陸的臺風，均能對徐聞造成不同程度的影響。1960—2019 年間，影響徐聞海域的熱帶氣旋（強度達到熱帶風暴級別，下同）達到176個，影響時間主要為7—9月，其中直接登陸徐聞的熱帶氣旋為24 個。直接登陸徐聞強度最強的臺風是1409 號臺風“威馬遜”，近中心風速達到17級以上（72 m/s），但造成風暴潮災害最嚴重的是8007 號臺風“喬伊”和1415 號臺風“海鷗”。兩者路徑相似，強度相似，導致徐聞發生了嚴重的風暴潮災害，大量海堤被沖垮，沿海地區發生海水倒灌和嚴重的風暴潮漫灘現象，嚴重威脅當地人民生活并造成嚴重的經濟損失。

目前，國內外風暴潮數值模擬研究發展較快，如SLOSH（Sea，Lake，and Overland Surges from Hurricanes model）模式經過演變和升級后，不僅在美國得到廣泛應用，還受到世界其他地區的青睞；英國的海模式（Sea Model）、荷蘭的DELFT3D 模型和丹麥的MIKE12模型等也被國內外學者應用于風暴潮數值模擬研究中[2-5]?？萍及l展日新月異，國內學者將風暴潮數值模擬應用于風暴潮漫灘模式并大力推廣到風暴潮淹沒危險性研究層面上。何佩東 等[6]采 用ADCIRC（The ADvanced CIRCulation model）模式模擬并分析了不同等級臺風對舟山市普陀區風暴潮淹沒風險。鄭國誕等[7]建立了臺州溫嶺市風暴潮模型和臺風浪計算模型，利用越浪量進行海堤潰堤判斷，并開展了不同等級臺風影響下的風暴潮潰堤淹沒情況計算。石先武等[8]對上海金山區進行不同等級臺風風暴潮漫灘淹沒計算并對其做了風暴潮災害風險評估研究。張敏等[9]基于ADCIRC+SWAN（Simulating WAves Nearshore）耦合模式對雷州市沿海開展了風暴潮淹沒危險性研究工作，結果顯示雷州市東岸的淹沒災害大于西岸。

國內外學者尚未系統性地針對徐聞沿海風暴潮特征展開研究，他們更多地是研究雷州半島東側海域或者瓊州海峽東部海域在不同臺風路徑下的風暴潮特征[10-12]，僅僅略微涉及徐聞東部沿海的風暴潮特征，對徐聞西部或者南部沿海的研究較少。本文基于風暴潮漫灘模式對徐聞沿海風暴潮特征進行詳細分析，在此基礎上考慮天文潮和海浪的相互作用，開展徐聞風暴潮淹沒危險性分析研究工作。本研究將為徐聞當地政府部門的海洋防災減災決策服務提供一定的參考，希望能夠對徐聞未來的城市規劃和建設發展產生重要意義。

2 風暴潮漫灘模型簡介和驗證

2.1 臺風模型

風暴潮的數值模擬精度受臺風氣壓場和風場精度的影響，選擇合適的臺風氣壓場和風場有助于風暴潮模型的計算精度。

本文選擇藤田-高橋公式組合模型[13-14]作為臺風氣壓場，藤田模型能更好地刻畫2 倍的最大風速半徑R（單位：m）范圍外的氣壓場，而高橋模型則能較準確地模擬臺風中心～2R范圍內的氣壓變化。

藤田公式和高橋公式的氣壓場分布見式（1）和式（2）：

式中，P0表示臺風中心氣壓；P∞表示臺風外圍氣壓；r為目標點到臺風中心的距離；R為最大風速半徑。

臺風風場計算通常分為兩個步驟：首先選用氣壓場模式計算出氣壓梯度，再根據臺風梯度平衡方程計算臺風中心的梯度風場，繼而疊加臺風中心的移動風場，從而推算出臺風的實際風場。本文中，臺風風場采用改進的Jelesnianski 公式[15]，修正公式如下：

2.2 風暴潮漫灘模型

ADCIRC 模式是由北卡羅來納大學的Luettich博士和圣母大學的Westerink 博士聯合研發的水動力數值模式，可對二維和三維的自由海表面流動和物質輸運問題進行求解，廣泛應用于海洋、近岸與河口的水位和流場等模擬，較適合于計算風暴潮、潮汐和風生環流等情形。該模型采用無結構網格，易于擬合復雜岸線和島嶼的邊界，并可局部加密，適用于近岸高分辨率的數值模擬。

ADCIRC模型控制方程由連續性方程和動量方程組成，求解方式是在空間和時間上采用有限單元法和有限差分法相結合進行求解。在求解過程中，為避免或者消除數值問題導致的振蕩和不守恒等問題，ADCIRC 模型將用對短波有阻尼作用的通用波動連續性方程（Generalized Wave Continuity Equation，GWCE）代替原有的連續方程[16]，從而較準確地求解有限元差分下的水位和流速。

2.3 SWAN模型

本文在計算風暴潮漫灘淹沒時，基于ADCIRC+SWAN 耦合模式并疊加了天文潮的作用。SWAN 波浪模型是第三代海浪模式[17]，由荷蘭Delft大學開發，采用引入源項的動譜平衡建立控制方程來模擬風浪生成及在近岸的傳播過程，適用于海岸、河口及湖泊的風浪、涌浪以及混合浪的數值模擬。經過不斷的改進和發展，目前SWAN 模式可以模擬水底地形和流場變化引起的波浪折射和淺水變形、逆流時波浪反射和破碎、波浪遇到障礙物的透射和阻礙以及波浪輻射應力變化導致的增減水等物理現象。

SWAN 模型采用全隱式有限差分格式求解，無條件穩定，這為下文計算風暴潮漫灘淹沒提供了穩定條件。

2.4 模型網格和設置

本文采用非結構化三角形網格，計算范圍涵蓋西北太平洋部分海域、南海中部和北部、北部灣和瓊州海峽等海區。在徐聞近海海域和10 m等高線以下的區域進行了加密，分辨率達到30～50 m。模式的海洋地形資料來源于EPOTOP 數據和海軍航海保證部的海圖數據，陸地高程采用原國土資源部提供的2014 年修訂的5 m 分辨率實測地形插值得到，并且在模型中精確刻畫了海堤高程信息。模式中陸地范圍的底摩擦系數參考全球30 m 地表覆蓋數據（GlobeLand30）設置，取值在0.012～0.049 之間，海洋中底摩擦系數取值范圍在0.002 5～0.005 之間。外海開邊界的調和常數采用OTIS 數據的中國海海區天文潮模型結果，該數據由多個衛星數據及驗潮站觀測數據和船載聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）觀測數據等數據同化而來。模式通過外海開邊界加入M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1 和Q1 8 個主要的全日及半日分潮，作為風暴潮淹沒計算的天文潮背景。

2.5 典型臺風風暴潮模擬驗證和分析

本文選取了歷史上影響徐聞海域的多場典型臺風風暴潮過程進行模擬，篇幅所限，本文僅對1415 號強臺風“海鷗”風暴潮過程進行驗證，分析徐聞海域附近站點包括海安站、?？谡?、湛江站和硇洲站的增水和潮位誤差。

1415 號臺風“海鷗”在西北太平洋洋面上生成，強度持續加強，主要以西北偏西方向移動，并于2014年9月15日02時（北京時，下同）經菲律賓進入南海海面，一路奔向華南沿岸，強度緩慢加強。臺風“海鷗”于16日09時40分在海南省文昌市翁田鎮沿海登陸，12時45分在廣東省湛江市徐聞南部沿海再次登陸，兩次登陸時均為臺風級別（40 m/s），登陸湛江后強度減弱，進入北部灣海域，并于23 時前后在越南登陸，并遠離華南沿海（見圖1）。

圖1 1415號臺風“海鷗”路徑圖Fig.1 The track of typhoon"Kalmaegi"(1415)

圖2 是1415 號臺風“海鷗”海安站、海口站、硇洲站和湛江站的增水和潮位的驗證對比曲線圖。通過計算，徐聞海域附近站點的增水平均絕對誤差除了硇洲站為30.7 cm，其他站均在30 cm 以下；所有站點的最大增水相對誤差均在20%以下，最大為海安站19.6%，其余各站均小于8%；最高潮位相對誤差均小于5%（見表1）。這說明誤差在合理范圍內，本文建立的模型適用于徐聞海域的風暴潮模擬。

表1 徐聞沿海附近驗潮站增水和潮位誤差統計表Tab.1 Error statistics of storm surge and tide level of tide gauge stations along the coast of Xuwen

圖2 1415號臺風徐聞沿海附近驗潮站增水和潮位驗證圖Fig.2 Comparisons of simulated and observerd storm surge and tide level correlation curves of tide gauge stations along the coast of Xuwen during typhoon"Kalmaegi"(No.1415)

3 徐聞沿海風暴潮數值模擬分析

3.1 臺風路徑構造

根據風暴潮歷史統計資料，徐聞沿海在1415號臺風過程中出現歷史最大風暴潮過程，海安站出現了170 cm 的風暴增水，最高潮位為474 cm（當地）。本文以1415號臺風過程為基礎，按0.25倍Rmax（1415號臺風登陸前最大風速半徑）的增幅將臺風進行南北（東西）平移，使其覆蓋整個徐聞岸段，共獲得36條路徑（見圖3），分別編號t0—t35。

圖3 1415號臺風平移后路徑集（紅色線表示最不利路徑）Fig.3 The tracks of typhoon"Kalmaegi"(1415)after translation(The red lines indicate the most serious tracks)

3.2 風暴潮數值模擬分析

基于上述構造的36條路徑，模擬計算了徐聞沿海風暴增水，并在徐聞沿岸均勻選取14 個代表點（見圖4）分析徐聞沿海風暴增水變化特征。

圖4 代表點位置分布Fig.4 Location distribution of representative points

圖5 是徐聞沿岸14 個代表點不同路徑下的最大增水曲線圖。圖中1—5 號點代表徐聞西部沿岸，6—9號點代表徐聞南部沿岸，10—14號點代表徐聞東部沿岸。總體來說，徐聞西部沿岸最大增水值最小，東部沿岸最大，主要原因是徐聞西部沿岸面向北部灣，以離岸風為主，不利于海水堆積，產生風暴增水僅為174 cm，而東部沿岸位于雷州半島東岸，其岸線形狀有利于增水，當雷州半島東岸位于向岸風區時，東部沿岸出現大面積顯著增水。

流沙灣位于徐聞西部和雷州市西南部交界處海域，此點作為徐聞西部沿岸的1 號代表點。流沙灣是一個口小腹大呈葫蘆形的半封閉海灣，因其地理位置和地形特殊，海水堆積有限，產生的最大增水為174 cm，最大增水路徑為t28（見圖5a）。臺風路徑t28 大致穿過雷州灣，隨后在雷州市附城鎮沿海登陸。徐聞西部沿岸的其余4 個代表點，產生最大增水的路徑為t22 和t23，最大增水為130～201 cm。t22和t23約以90°于徐聞前山鎮沿岸登陸?？偟膩碚f，以西北行為主的臺風，從徐聞前山鎮沿岸至雷州市附城鎮沿岸登陸，最利于徐聞西部沿岸海水堆積，產生一般強度的風暴潮過程。

徐聞南部沿岸緊挨著瓊州海峽，其產生最大增水的路徑為t12 和t13（見圖5b）。徐聞南部沿岸均位于臺風路徑t12 和t13 的右半圓，在持續的向岸風作用下，產生最大風暴增水365 cm。此類型臺風以西北行為主，從海南文昌市沿岸登陸，穿過海南島并進入北部灣，有利于海水大量堆積于徐聞南部沿岸，產生較強的風暴潮過程。

從圖5c 來看，徐聞東部沿岸模擬的最大增水為606 cm，越靠近雷州市沿岸增水越大。徐聞東部沿岸產生最大增水的路徑為t14、t16 和t17。這3 條路徑從海南文昌市東部沿海登陸，穿過海南島東北部并經瓊州海峽西邊進入北部灣，使徐聞東部沿岸產生極大風暴增水，主要原因有兩點：一是徐聞東部沿岸為向內凹陷地形，水深較淺并且水深變化平緩，海水雍積堆高影響顯著；二是徐聞東部沿岸位于向岸風區，且在12 級風圈半徑內，風力強勁且持續時間長，增水效果顯著，因此造成東部沿岸出現超強風暴潮過程，不可避免地遭受重大風暴潮災害。

圖5 代表點在不同路徑下的最大增水曲線圖Fig.5 Curves of maximum storm surges of representative points by constructing typhoons

4 不同等級臺風風暴潮危險性分析

4.1 最不利路徑

根據圖5，徐聞沿岸各代表點的最大增水路徑由北至南分別是t12、t13、t14、t16、t17、t22、t23 和t28，即圖3 紅色線表示的臺風路徑，作為計算風暴潮漫灘淹沒的最不利路徑基礎。

4.2 天文潮位的選取

建立不同等級臺風風暴潮事件集，需考慮以較極端的天文潮高潮位為背景，疊加增水過程，確定極端的風暴潮高潮位。按照《風暴潮災害風險評估和區劃技術導則》的要求，選取海安站為徐聞沿岸的代表站點，通過潮汐預報等方式得到19 a 連續月最高天文潮位數據，選取最大天文潮10%超越高潮位作為天文潮背景。計算結果顯示海安站最大天文潮10%超越高潮位出現在2005 年9 月14 日12時，潮位為333 cm（基面為當地水尺，見圖6），該時刻徐聞岸段附近的天文潮高潮位處于歷史較高水平。

圖6 海安站月最高潮位（基面：當地水尺）頻率曲線圖Fig.6 The frequency curve of monthly highest tidal level of Haian station(under local elevation datum)

4.3 熱帶氣旋等級選取

根據《風暴潮災害風險評估和區劃技術導則》，不同等級臺風強度劃分采用影響評估區域的兩百年一遇的臺風中心氣壓作為最低中心氣壓，每隔10 hPa來構造不同等級。統計影響徐聞區域的67 a的臺風強度，利用極值I 型計算得到徐聞兩百年一遇的臺風中心最低氣壓為895 hPa，根據技術導則?。?95 hPa 的整數900 hPa 作為最強I 級臺風的中心氣壓，因此構造的臺風不同等級如表2。

表2 不同等級臺風中心最低氣壓Tab.2 The lowest air pressure at the center of typhoon with different level of intensity

本文以t12、t13、t14、t16、t17、t22、t23 和t28 這8條最不利路徑為基礎，分別進行10組不同強度等級的構造，共構造80 個熱帶氣旋進行風暴潮淹沒計算。

4.4 不同等級臺風風暴潮淹沒范圍及水深分析

基于上述80個熱帶氣旋案例，模擬計算了不同等級的臺風風暴潮淹沒情況（見圖7）。臺風等級越高，徐聞的風暴潮淹沒范圍越廣，淹沒水深也越大。根據現有的資料統計，海安站和?？谡練v史上最高潮位分別為483 cm和487 cm（分鐘級數據），950 hPa等級下海安站和?？谡揪呀洺搅藲v史最高潮位（見表3）。

表3 徐聞沿海各代表站在各級臺風下的最大增水和最高潮位（基面：當地水尺）Tab.3 The maximum storm surge and tide level at each typical tide gauge stations along the coast of Xuwen under each grade(under local elevation datum)

從圖7 來看，徐聞東部和西部的部分村莊因為有大量的田地和灘涂，風暴潮淹沒計算時大片的灘涂水深取值接近于0，在990 hPa等級下，出現了0～1 m 的淹沒水深；位于東部的新寮鎮處于雷州半島東海岸，更易遭受臺風的襲擊，出現了2～3 m 的淹沒水深。隨著臺風等級的提高，徐聞東部和西部的淹沒范圍越來越廣，淹沒水深不斷增加，越來越多的海水越過海堤，海堤的防護作用越來越弱，最后海水直接沖毀海堤，大片村莊發生了風暴潮漫灘淹沒現象；在900 hPa 等級時，極端風暴增水疊加天文潮高潮位產生極端風暴潮高潮位，徐聞東部的最大淹沒水深達到8 m 以上，西部的最大淹沒水深達到4～5 m。徐聞東部沿岸的下洋鎮，在900 hPa 等級下，淹沒情況比較輕，淹沒水深在3 m 以下，主要是因為下洋鎮沿岸沒有海灣和河道，加上地勢較高，海水一直往北堆積，而在較低地勢地區有下港海堤、姑村海堤和新車港海堤保護村莊。前文提到，徐聞西部沿岸最大增水遠小于東部沿岸，西部沿岸涌入村莊的海水規模有限，因此在同個臺風等級下，西部的淹沒范圍和最大淹沒水深小于東部。徐聞南部沿岸緊挨著瓊州海峽，水深變化劇烈，潮差相對較小，因此990～900 hPa 等級，淹沒范圍都比較小，淹沒水深最大在3 m左右。

圖7 各臺風等級下徐聞風暴潮淹沒范圍及淹沒水深Fig.7 The storm surge inundation area and depth under each typhoon grade in Xuwen

5 分析與討論

（1）本文以1415號臺風“海鷗”路徑為基礎構造一系列臺風路徑，采用ADCIRC 模式進行風暴潮數值模擬計算，結果顯示徐聞東部沿岸產生最強的風暴潮過程，其次是南部沿岸，最弱的是西部沿岸。臺風從徐聞前山鎮沿岸至雷州市附城鎮沿岸登陸，最利于徐聞西部沿岸海水堆積，產生一般強度的風暴潮過程；臺風從海南文昌市沿岸登陸，穿過海南島并進入北部灣，有利于海水大量堆積于徐聞南部沿岸，產生較強風暴潮過程；臺風從海南文昌市東部沿海登陸，穿過海南島東北部并經瓊州海峽西邊進入北部灣，徐聞東部沿岸海水雍積堆高影響顯著，產生超強的風暴潮過程。

（2）根據最不利路徑采用ADCIRC+SWAN 耦合模式進行了風暴潮漫灘淹沒計算，研究表明，徐聞東部沿岸的風暴潮淹沒災害大于南部和西部沿岸，主要是因為東部沿岸面朝開闊海域，熱帶氣旋有良好的發展條件，較強的熱帶氣旋一旦正面襲擊徐聞，加上獨特的岸線地形，東部沿岸不可避免遭受嚴重的風暴潮災害；而西部沿岸面向北部灣，產生的最大增水不超過200 cm，地形又不利于海水堆積，因此風暴潮災害相對東岸較小。另外，南部沿岸有其地形和潮汐特性，風暴潮災害也小于東岸。

（3）華南沿岸風暴潮災害有日益增強的趨勢，特別是較嚴重風暴潮過程趨于頻發。粵西作為風暴潮最頻發的岸段，是風暴潮重災區，特別是海岸地形呈特殊口袋狀的雷州半島東岸[18]，面對直接登陸湛江市的臺風，徐聞東部沿岸時常遭受較嚴重的風暴潮災害。因此，從海洋災害角度看，本項研究成果不僅為徐聞當地政府部門的海洋防災減災決策服務提供了一定的參考，更有助于提升風暴潮預警報能力，著重考慮徐聞東部沿岸的風暴潮災害情況；從經濟建設方面看，本項研究成果可為徐聞的涉海規劃建設提供方向，譬如，防潮工程合理規劃和建設，包括在東部沿岸對年代已久的海堤進行維護并適當增加海堤，在東部沿岸合理規劃高位養殖池并建設高潮位堤壩，在沿海主干道增加用于防御海洋災害的防護林等工程。