廈門風暴潮淹沒風險預警系統研究

袁方超 張文舟 葉雨穎 張世民

摘要：為提高廈門防御臺風風暴潮災害風險的能力，輔助政府部門開展海洋防災減災工作，文章基于風暴潮數值模型開發廈門風暴潮淹沒風險預警系統，并以1521號臺風為例模擬其淹沒風險。研究結果表明：風暴潮數值模型能較好地刻畫影響廈門的臺風風暴潮過程，滿足風暴潮淹沒風險分析需求;廈門風暴潮淹沒風險預警系統采用按警戒潮位預警和按高程預警2種方法分析風暴潮淹沒風險，可對影響程度不同的岸段采取不同的預警和防御措施;基于數值模型的風暴潮淹沒范圍與實地調查區域的淹沒范圍基本一致，可對未開展實地調查區域的淹沒范圍進行補充;今后須進一步完善廈門風暴潮淹沒風險預警系統，同時建立廈門風暴潮風險評價體系。

關鍵詞：臺風風暴潮;警戒潮位;風險預警;海洋災害;防災減災

中圖分類號： X43;P714+.2文獻標志碼： A文章編號：10059857（2022）04010205

The Storm Surge Inundation Risk Warning System for Xiamen

YUAN Fangchao' ，ZHANG Wenzhou2 ，YE Yuying' ，ZHANG Shimin'

（1.Marine Forecast Station of Xiamen，SOA，Xiamen 361008，China;

2.College of Ocean and Earth Sciences，Xiamen University，Xiamen 361102，China）

Abstract：In order to improve the capability to defend against typhoon storm surge disaster risk and assist government departments in marine disaster prevention and mitigation in Xiamen City， this paper developed a storm surge inundation risk warning system based on a numerical model of storm surge， and simulated the inundation risk during Typhoon 1521 （Dujuan） as an example. The results showed that the numerical model could well describe the process of typhoon storm surge affecting Xiamen， and meet the needs of storm surge inundation risk analysis. 2 methods were adopted to analyze the storm surge inundation risk in the warning system by warning level and sea wall elevation， which could take different early warning and defense measures for different coastal segments with different influence degrees. The submergence range of storm surge based on the numerical model was basically consistent with that of the field survey area， and the submergence range of the area without field survey could be supplemented. In the future， the storm surge inundation risk warning system in Xiamen should be further improved and a storm surge risk evaluation system should be established.

Keywords： Typhoon storm surge，Warning tidelevel，Risk warning，Marinedisaster，Disasterpre-vention and mitigation

0引言

我國是西北太平洋沿岸少數遭受風暴潮災害影響最為嚴重的國家之一，平均每年發生約9次臺風風暴潮，不僅發生次數較多，而且造成嚴重的損失[1-3]。根據《2020年中國海洋災害公報》，在全球氣候變化和海平面上升的背景下，2011—2020年我國因海洋災害造成的直接經濟損失平均值為88億元，死亡（含失蹤）人口平均值約為50人，其中2020年風暴潮災害造成的經濟損失占總直接經濟損失的比重高達97%。福建是受風暴潮災害損失較嚴重的沿海地區之一，日益嚴重的海洋災害問題引起政府和學術界的廣泛關注，尤其是政府對風暴潮等海洋災害的科學防災減災需求進一步擴大—不僅希望了解風暴潮的特征及其風險評價和區劃，為制定生產計劃、安排防災減災以及合理布局海洋產業提供決策依據[4-9];而且希望獲取精準的海洋災害預警報服務信息，科學開展海洋防災減災工作。

近年來，隨著海洋經濟的發展以及政府對海洋防災減災工作的逐步重視，國內學者開始對風暴潮災害風險評價進行研究，將經濟、社會和基礎地理數據相結合開展風暴潮災害風險評價的研究越來越多，這在國內的風暴潮研究中是嶄新的領域。風暴潮災害風險定量化評價既是風暴潮災害風險管理的理論基礎，又是風暴潮災害風險區劃和災前損失預估的理論基礎[9-13]。在風暴潮淹沒風險研究方面，國內外學者根據風暴潮淹沒情形（淹沒范圍和淹沒水深）等指標，分別從社會學、經濟學和災害學等角度建立基于不同場景的評價指標體系和風險評價模型;根據風暴潮淹沒情形和經濟損失等指標，建立不同的數學模型初步評價風暴潮災情，并將防災減災工作前置。已有研究成果為開展廈門風暴潮淹沒風險分析和災情預評價工作提供基礎和方向[14-24]，即通過建立精細化的風暴潮漫堤數值模型，開展風暴潮淹沒風險分析，結合受淹區域承災體的情況，開展廈門風暴潮災情預評價工作，從而在風暴潮災害發生前及時為政府提供精準的防災減災建議。

本研究在已有研究的基礎上，搜集廈門潮汐、風暴潮和風暴潮災情等歷史資料[25-26]，利用精細化的水深地形和岸線高程數據，建立適用于廈門海域的高分辨率風暴潮數值模型，并基于該模型建立廈門風暴潮淹沒風險預警系統;利用該系統模擬1521號臺風“杜鵑”風暴潮的淹沒范圍，取得較好的模擬效果，系統分析結果與實際調查結果基本相符。

1風暴潮數值模型

1.1數值模型

廈門風暴潮漫堤數值模型選擇非結構網格的ADCIRC模型，該模型是基于無結構化網格的水動力學模型，利用并行技術實現模型高效計算，在復雜地形環境下的海洋水動力環境模擬方面具有很好的表現。模型計算區域設為114°E -130°E、15°N-30°N，基本覆蓋臺灣海峽及其周邊海域，重點關注區域為廈門海域。在球坐標系下建立模型，網格設置兼顧模型計算效率和計算精度，同時保證模型計算穩定。設置網格的基本原則是：水深越深的區域網格越粗，水深越淺的區域網格越細;重點關注區域的網格較細，非重點關注區域的網格較粗;岸線到模型閉邊界之間的區域分辨率均較高。在上述原則基礎上對模型網格進行優化，使模型模擬達到較好的效果[27-28]。

采用圓對稱的分析模型來描述靜止臺風風場和氣壓場，并疊加臺風移動風場，從而獲得理想情形下的臺風風場。考慮到臺灣海峽和臺灣島地形對臺風的影響，在理想情形的基礎上添加地形對臺風的影響效應，基于衛星遙感風場分析結果來確定風向和風速的修正參數，根據經驗對理想臺風風場分別修正風向和風速。其中，臺風風向修正反映“阻擋”效應和“分流”效應等地形作用對臺風風向的影響，而臺風風速修正體現中央山脈“阻擋”效應和海峽“狹管”效應等地形作用導致的風速加強現象。將修正風向和風速后的臺風風場作為臺灣海峽周邊海域附加風場，將附加風場疊加到理想臺風風場上得到最終的臺風風場[29]，作為風暴潮模型的驅動風場。

1.2數據和網格

根據現有的計算機處理能力和模型需求，融合多套水深地形數據作為模型水深地形數據。其中，模型水深數據將 ETOPO 1的-1000 m 數據（分辨率為1 m，約1.85 km）、“908專項”數據與 ETOPO 2數據相融合;廈門附近區域地形數據將 ETOPO 1的0200 m 數據和 DEM 30數據（分辨率為30 m）相融合;廈門陸地岸線和高程數據選取廈門國土管理部門提供的高程數據（分辨率為5 m）融合代替 ETOPO 2數據。

根據“遠海分辨率較粗，沿岸分辨率較細”的原則劃分模型網格，模型大區域采用高分辨率全球 GSHHS岸線數據。通過對比分析，發現廈門海域 GSHHS、“908專項”和海洋功能區劃的3套岸線數據基本吻合，但海洋功能區劃的數據更合理且分辨率更高，因此本項目在廈門海域采用海洋功能區劃數據代替 GSHHS數據。考慮漫堤淹沒過程，模型的實際閉邊界選擇在上述岸線外圍;考慮廈門海域潮差、風暴潮和海浪的影響，潮水淹沒高度基本在海平面上10 m 以內，因此以12 m 等高線設置模型閉邊界。

2風暴潮模型檢驗

利用廈門海洋站2014年8月（該月無臺風影響廈門海域）的潮位觀測數據和調和預報數據檢驗模型的潮汐模擬能力，經對比發現模型模擬結果與實際觀測結果和調和計算結果均較吻合，平均逐時絕對誤差均不超過20 cm，標準誤差為25 cm。

為檢驗模型的風暴潮模擬能力，收集1975—2015年對廈門影響較嚴重的30次臺風的歷史資料以及廈門海洋站的風暴潮觀測資料，基本涵蓋影響廈門的各類臺風（表1）。

從臺風路徑看，影響廈門最多的臺風是穿臺灣島型臺風，其次是從臺灣島南部經過的臺風，而從臺灣島北部經過的臺風和轉向型臺風對廈門影響較少。

與廈門海洋站實際觀測結果對比，風暴潮模擬結果的平均絕對誤差僅為18.1 cm，平均誤差僅為0.6 cm，標準誤差和均方根誤差均為23.2 cm，總體模擬效果較理想。

綜上所述，風暴潮數值模型能很好地刻畫影響廈門的臺風風暴潮特征，完全能滿足風暴潮漫堤風險分析的實際業務工作需求。

3系統功能

基于廈門海域風暴潮數值模型開發廈門風暴潮淹沒風險預警系統，在臺風影響期間利用該系統預判廈門可能出現的超過藍色警戒潮位的高潮位，可盡早開展風暴潮淹沒風險分析，并及時向政府提供精準的風暴潮防災減災輔助決策產品。

該系統實現的主要功能包括：①根據預先設置的參數，自動調用風暴潮數值模型進行風暴潮模擬計算，并在計算過程中實時顯示工作進度;②自動提取模擬計算結果并轉換成潮位和風暴潮等預報信息，根據需求在選定區域快速繪制潮位和增水分布圖;③在模型計算的基礎上參考經驗預報成果，通過整體修正或個別修正的方式對風暴潮預報結果進行人工修正和審核（含批量修正）;④以當前最新臺風位置為起點，以中央氣象臺24h預報臺風位置（標準預報路徑）為中心，采用標準預報路徑以及在標準預報路徑基礎上偏左、偏右、偏快和偏慢5條臺風預報路徑用于風暴潮集合數值預報，并輸出5條路徑下的風暴潮預報信息;⑤選擇按高程預警和按警戒潮位預警2種方法分析風暴潮淹沒風險;⑥根據預先選定的分析方法快速計算并繪制各岸段的漫堤風險分布圖，并在高潮位超過一定潮位后加密顯示，目前暫設置為超過廈門藍色警戒潮位后每5 min計算并繪制1次;⑦展示風暴潮淹沒區域，并制作相應的預警產品;⑧根據預先設置的模板填入相應的分析內容并自動生成預警報單，快速提供精準的防災減災決策服務;⑨可選擇冷啟動和熱啟動2種方式計算潮位，建議在首次計算時選擇冷啟動方式，而后選擇熱啟動方式，以節省計算時間。

其中，按警戒潮位預警的方法是指對比分析預報結果中的最高潮位與廈門四色警戒潮位（如預報高潮位達到廈門藍色警戒潮位，則岸段預警顏色也為藍色），此種方法將岸段漫堤風險與現行的四色警戒潮位預警方法相對應。按高程預警的方法則先根據沿海區域高程和海岸線走向等特征將岸線劃分為不同的岸段，然后對比堤防代表點高程與岸段附近模型網格輸出點潮位。高程預警影響程度的分級標準為：預測高潮位超過堤防代表點高程的最大高度大于120 cm（含）時，等級為漫堤風險高，預警顏色為紅色;預測高潮位超過堤防代表點高程的最大高度在50cm（含）至120 cm（不含）之間時，等級為漫堤風險較高，預警顏色為橙色;預測高潮位超過堤防代表點高程的最大高度小于50cm（不含）時，等級為漫堤風險較低，預警顏色為黃色;預測高潮位低于堤防代表點高程的最大高度小于50cm（含）時，等級為漫堤風險低，預警顏色為藍色。

在臺風影響期間，預報員可利用廈門風暴潮淹沒風險預警系統顯示的沿岸漫堤風險分布圖，結合歷史風暴潮災害的實地調查成果和基礎地理信息，制作風暴潮淹沒風險預警圖，按照不同的岸段采取不同的預警和防御措施，提供精細化的風暴潮預警服務，為政府部門指導和開展有針對性的風暴潮防災減災工作提供技術支撐。

4案例應用

2015年第21號臺風“杜鵑”影響廈門期間，恰逢農歷八月十五天文大潮期，廈門海洋站出現1949年以來排名第二位的極值高潮位。在此次臺風風暴潮過程中，廈門沿岸低洼地帶出現海水漫堤和海水倒灌等現象。廈門海洋預報臺及早發布精細化的風暴潮預警報告和有針對性的防御措施，為政府部門開展海洋防災減災工作提供決策支撐服務，大大減少極值高潮位造成的海洋災害損失[30]。

在此次風暴潮預警期間，廈門風暴潮淹沒風險預警系統調用風暴潮數值模型進行計算并分析預報結果，采用按警戒潮位預警（統一以廈門海洋站潮位值為標準）和按高程預警2種方法分析風暴潮漫堤風險。根據按警戒潮位預警方法的模擬結果，由于廈門海洋站的潮位預報值超過紅色警戒潮位，廈門所有岸段的預警級別應全部為紅色;但根據本次風暴潮災害的實際調查結果，由于岸段高程較高，廈門島東部和島外大部分區域并沒有出現海水漫堤等淹沒現象，由此可見按警戒潮位預警方法仍存在一定的局限性，不能很好地體現不同區域的淹沒情形。因此，根據沿海區域高程和海岸線走向等特征將廈門岸線劃分為不同的岸段，按高程預警方法展示風暴潮淹沒風險情況。根據模擬結果，廈門低洼地帶的漫堤風險等級較高（紅色和橙色），而高程較高地帶的漫堤風險等級較低（黃色和藍色），可采取分段預警和防御措施，從而提供精準的風暴潮防災減災決策服務。

本次臺風風暴潮過程的最高潮位為1949年以來廈門排名第二位的高潮位，超過廈門紅色警戒潮位，并在風暴潮嚴重影響的廈門島西南部出現不同程度的海水淹沒災情。將實地調查分析得到的淹沒范圍與數值模擬得到的淹沒范圍在地圖上疊加后進行對比驗證，發現在9月29日凌晨潮位達到最高值前后，第一碼頭、中山路、沙坡尾、廈門大學醫院路口和鼓浪嶼鋼琴碼頭區域均出現淹沒情形，采用2種方法模擬的淹沒范圍大體一致，數值模擬的淹沒范圍較大且基本涵蓋實地調查分析得到的淹沒范圍。根據對比分析結果，本系統對于廈門風暴潮淹沒范圍的模擬具有較高的準確度，基于數值模擬計算的淹沒范圍經人工修正后能制作出精細化的風暴潮淹沒風險預警產品，可及時為相關政府部門提供決策服務。

值得說明的是，本系統采用堤防代表點高程代表整個岸段的高程，而該代表點是否能真正代表整個岸段還有待進一步確認，同時還須根據后續的實際情況修正預警標準，以便更好地開展精細化預警工作。在今后的工作中須進一步開展岸線調查以獲取更加精確的岸線數據，改進系統模型和模擬方法，同時完善風暴潮風險評價體系。

5結語

本研究利用廈門潮位和風暴潮資料，結合高精度的地形數據，開發高分辨率的風暴潮數值模型以模擬廈門風暴潮漫堤淹沒情形，并在此基礎上建立廈門風暴潮淹沒風險預警系統，主要得到4點結論。①風暴潮數值模型能較好地刻畫影響廈門的臺風風暴潮過程，在風暴潮增水和總潮位方面的模擬效果較好，能滿足廈門風暴潮淹沒風險分析需求;②基于數值模型的風暴潮淹沒范圍與實地調查區域的淹沒范圍基本一致，可對未開展實地調查區域的淹沒范圍進行補充，從而較為全面地了解廈門風暴潮淹沒信息;③基于數值模型建立的廈門風暴潮淹沒風險預警系統可快速調用數值模型進行計算，并采用按警戒潮位預警和按高程預警2種方法分析風暴潮淹沒風險，對影響程度不同的岸段采取不同的預警和防御措施，向政府部門提供精細化的風暴潮預警服務，為政府部門指導和開展有針對性的風暴潮防災減災工作提供決策參考;④今后須進一步完善廈門風暴潮淹沒風險預警系統，同時建立廈門風暴潮風險評價體系。

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