A1B气候情景下海平面变化对东中国海风暴潮的影响

李杰，杜凌，张守文，张秋丰，牛福新，叶风娟

（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津300457；2.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100）

A1B气候情景下海平面变化对东中国海风暴潮的影响

李杰1,2，杜凌2，张守文2，张秋丰1，牛福新1，叶风娟1

（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津300457；2.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100）

用三维水动力模型Ecomsed，在第四次IPCC评估报告SRES A1B气候情景下，分析21世纪海平面变化对东中国海风暴潮及沿岸脆弱性的影响。在A1B气候情景海平面变化影响下，对17个台风个例进行模拟。结果表明：受海平面变化影响风暴潮增减水出现大概10 cm的变化，风暴潮增水提前，风暴潮增水时段延长；台风强度越大，海平面变化对风暴潮增水强度的影响越明显。海平面变化对海岸带脆弱性具有很大影响，苏北浅滩及环渤海海岸带脆弱性将增强，校核水位在东中国海将会增大。

东中国海；海平面变化；气候情景预测；风暴潮

1 引言

随着人类活动对海洋和大气影响的迅速扩大，气候变化和海平面上升已是目前国际社会普遍关注的全球性重大问题。政府间气候变化专业委员会第四次评估报告曾预测，21世纪末全球平均海平面会上升0.18—0.59 m，全球变暖会引起海平面升高，到21世纪80年代末潮水泛滥的受害人口将有可能达数百万。海平面上升直接导致风暴潮增水的初始海面与高潮位提高，不但加剧风暴潮灾害程度，而且也可能导致灾害频率的增加，造成更大的经济损失。研究发现海平面存在多种时间尺度的变化，不仅上升趋势严重影响风暴潮，而且当风暴潮增减水叠加在海平面季节与年际变化上，会使风暴潮致灾程度加剧。研究海平面变化对风暴潮灾害的影响，及时准确预报风暴潮，对于沿海一带的防灾减灾具有十分重要的现实意义。

风暴潮是对我国沿海影响最严重的自然现象之一，东中国海风暴潮数值模拟已经十分成熟。风暴潮增水受多种因素制约，如天文潮与风暴潮的非线性作用、地形、陆地径流等。江文胜和孙文心[1]发现如果胶州湾口外局部地形变深，风暴增水会造成一定程度的增加，而且对底层风暴潮流会造成更大的影响。郭可才等[2]对9711号台风对山东半岛的影响进行初步分析，指出9711号台风对山东半岛致灾严重的主要原因是由于风海流、倾斜流效应以及风暴潮发生在天文大潮期间。

风暴潮是以海平面为基底进行传播并侵蚀或破坏海岸地带的。关于海平面变化对风暴潮和工程水位影响的研究还不多见，且大都是侧重分析海平面上升对潮波、风暴潮致灾程度等的影响。沿海地区风暴潮灾加剧，一方面是由于海平面升高，另一方面是由于海平面升高导致天文潮增大。海平面上升后，黄海沿岸潮差增大[3]；高潮位上升，强潮频率增多，高潮时间延后[4]。于宜法等[5]发现海平面上升1 m后，渤、黄、东海有些地方的天文最高潮位升高可达12—16 cm，南黄海海域M2分潮的无潮点有向东南方向偏移的趋势，受此影响，靠近无潮点的左侧及湾顶海岸变化明显，而远离无潮点的右侧及湾顶海岸则变化不大[6]。风暴潮的发生频率与强度也随着海平面的上升而改变。20世纪90年代以来我国沿海海面持续波动上升，期间我国沿海台风风暴潮发生的平均次数与前期比较虽略有减少（由年均8.0次减少为年均6.9次），但强度增大，其中47个站点观测到破历史记录的高水位[7]。刘杜鹃[8]在IPCC提供的全球海平面变化背景值之上，给出中国未来几十年相对海平面变化的预测值，指出相对海平面上升将使中国沿海风暴潮强度与频率增加。目前关于海平面变化对东中国海风暴潮影响的工作开展有待深入，尤其是气候情景下未来海平面变化对风暴潮影响的研究尚不多见。高志刚等[9]采用Ecomsed模式模拟了影响东中国海的3次台风过程，研究结果表明海平面上升对风暴潮造成的影响有限。

本文基于IPCC第四次评估报告中提出的SRES A1B气候情景，利用已有CCSM的模拟结果，对21世纪西北太平洋海平面变化进行预测分析。在A1B气候情景下，利用20年的台风信息，模拟21世纪东中国海海平面变化对风暴潮及沿岸脆弱性的影响。

表1 最大增水时段台风信息

2 数据及模式介绍

2.1 数据介绍

模式模拟中采用的风场和气压场数据是美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析风场资料和NCEP/ NCAR的气压场资料。数据为每天4个时次，研究时段是1989—2008年。

台风信息的数据来源有两种，1998—2005年期间的台风信息由国家海洋局提供，2006—2008期间的台风信息使用美国联合台风警报中心（Joint Typhoon Warning Center）整编的热带气旋资料。台风个例是根据青岛出现年极值水位时段，选取热带西太平洋海域爆发进而影响东中国海的台风，其中1995年、1998年、1999年选取时段内没有相应的台风。台风信息包括台风中心的位置、台风中心气压以及台风中心的最大风速等。

21世纪海表面高度数据来源于IPCC第四次评估报告，是基于SRES①SRES是指《IPCC排放情景特别报告》中所描述的情景，分为探索可替代发展路径的四个情景族(A1，A2，B1和B2)，涉及一系列人口、经济和技术驱动力以及由此产生的温室气体排放。A1情景假定世界经济增长非常快，全球人口数量峰值出现在本世纪中叶，新的和更高效的技术被迅速引进。A1情景分为三组，分别描述了技术变化中可供选择的方向：化石燃料密集型(A1FI)、非化石燃料能源(A1T)以及各种能源之间的平衡(A1B)（IPCC，2007）。气候情景模拟的月均海表面高度。本文采用SRES A1B情景下CCSM模式720 PPM稳定性试验的输出结果，采用2000—2099年月均海表面高度数据分析21世纪海平面的变化情况，并为海平面对风暴潮影响的模拟提供21世纪相应月份海平面变化值。

2.2 合成台风风场模型

利用台风中心的移动速度、最大风速半径等台风信息，采用改进的Jelesnianski移动台风风场模型[10]，将移动台风风场与对应时刻的NECP背景风场合成得到合成台风风场，这样的风场数据不仅刻画出台风的气旋结构，更考虑了台风移动造成的附加风场，因此更接近实际的风场分布。

图1 表1所示的影响东中国海的台风路径

式中，Vcx,Vcy是台风中心移动速度在x，y方向上的分量，Rm是最大风速半径，Vm是最大风速，φ是流入角。

相应的气压场模型如下：

式中，P0是台风中心气压，Pm是外围气压。

图2 气候情景预测未来100年西北太平洋海平面变化

图3 海平面变化的小波分析

3 21世纪海平面变化特征

IPCC第四次评估报告指出，气候变化和海平面上升使海岸带侵蚀加剧。大气温室气体浓度维持在2000年水平，估计过去的排放仍会导致一些不可避免的变暖（到本世纪末再升高约0.6℃）和强热带气旋活动的增强，使海岸带地区遭受洪水和强风的破坏[11]。在气候情景下，第四次评估报告综合了多个全球气候系统模式预测21世纪海平面变化，本文选取CCSM模式SRES A1B气候情景下模拟结果对西北太平洋海域（100°—180°E，0°—55°N）21世纪海平面变化进行分析预测。

SRES A1B气候情境下，21世纪西北太平洋海平面除具有明显的长期趋势外，还具有显著的季节、年际和年代际变化。海平面年变化范围在12 cm左右，春季海平面较低，秋季达到海平面年最大值（图2灰色区域所示）。

21世纪海平面年际变化较显著，小波分析结果显示，3—5年的变化周期在21世纪初和世纪末较为显著，4—8年的年际变化在21世纪中期最为显著（见图3），该时段的年际变化可能与厄尔尼诺/拉尼娜现象有关。另外，海平面还存在年代际振荡，2060年之前，海平面持续上升，上升速率为2.7 mm/y；2060年附近海平面达到最大值，平均海面约为48 cm最高值可达51 cm；此后，海平面以4.8 mm/y的速率显著降低；90年代以后海平面再次上升。60年代之前的海平面上升有可能是工业革命以来人类对气候变化影响累积的结果，而之后的海平面降低可能是归因于A1B气候情境的假定——假定经济增长非常快，全球人口数量峰值出现在本世纪中叶，新的和更高效的技术被迅速引进，各种能源之间的平衡。这种相对理想的假定渐渐削弱人类生活对海平面的影响，可见人类活动对全球气候的影响是非常重大的[12]。

海平面变化在气候变化中起到非常重要的作用，海平面上升将会导致潮波系统改变[5-13]，海平面的长期累积效应必将加剧风暴潮等海洋灾害的致灾程度，因此本文将分析SRES A1B气候情境下海平面变化对东中国海风暴潮的影响。

表2 半日分潮和全日分潮的模拟结果与实测的差异

4 海平面变化对风暴潮的影响

4.1 数值模拟设置及验证

采用Ecomsed进行模拟，模拟海域覆盖东中国海（24°—41°N，117°—131°E），空间分辨率是5′×5′，模式采用正压模型，垂向分为10层。在不同区域内采用不同的底摩擦系数，黄海和东海摩擦系数为0.0025，渤海为0.0016[14]。开边界选取在台湾海峡、对马海峡和琉球群岛链处，利用附近的测站资料和已有调和常数结果给出水位开边界。模式的初始条件为ς=u=v=0，模式的内模态时间步长是30 s，外模态时间步长是6 s。从静止状态开始积分，模式稳定后输出30 d的水位结果，计算其调和常数，进而进行分析验证。

将模拟结果进行调和分析，得到的潮汐调和常数与沿岸验潮站的实测资料进行对比，结果见表2。潮波系统的特征模拟基本上反映了东中国海的潮波特征，为进一步模拟提供了良好的基础。在福建沿海及朝鲜半岛沿岸模拟结果存在一定偏差，这可能与该海域水深数据不精确以及该模型在浅海地区的参数化精度有关。总体来看，该区域主要分潮的振幅和迟角与实测资料相差不大，总体吻合较好，反映了该海域的潮汐特征，模式可以用于进一步的模拟研究。

以2008年第7号台风“海鸥”为例进行分析。模拟时段为2008年7月18—22日，模拟0807号台风期间青岛站在风暴潮影响下水位的变化与验潮站观测记录的比较（见图4），发现模拟结果与实测资料水位的变化趋势基本相符，再现了水位的变化过程。7月20日凌晨台风从江苏以东进入黄海南部海面，影响山东半岛南部海域，青岛站水位开始升高，并达到水位最大值，之后水位降低。模拟值与实测值存在一定的差异，这主要是由于该测站距离台风有一定距离，实测水位受台风过程影响所限，另外也可能是未考虑海平面季节变化所致。总体来说，模式对0807号台风的模拟是成功的。

基于以上验证，本文模拟以下实验：首先是在平均海面情况下，对1989—2008年出现极值水位的17个台风个例进行风暴潮模拟；其次为考虑21世纪海平面变化的气候情景下风暴潮模拟。通过两种实验来分析21世纪海平面变化对风暴潮的影响。

图4 风暴潮模拟水位变化与青岛站实测资料的对比

4.2 海平面变化对风暴潮的影响

21世纪海平面呈现复杂的变化特征，其中季节、年际变化特征显著，年变幅在10 cm左右，4—8年的年际变化明显，21世纪60年代之前海平面呈上升趋势，21世纪60年代附近海平面达到最高，大概为50 cm以上，之后的30年间海平面将稍有下降。海平面变化的长期累积效应将加剧风暴潮、海岸侵蚀、海水入侵、土壤盐渍化和咸潮等海洋灾害的致灾程度，21世纪海平面变化对风暴潮的影响不可忽视。

风暴潮增水是风暴潮和天文潮非线性作用的结果，天文潮潮位是模拟水位曲线的主要成份，因此，将模拟水位曲线中减去潮汐曲线即得到风暴潮曲线，即风暴潮增减水。

本文选择海平面达到21世纪最高的2060年海平面变化值作为参考，分析海平面变化对风暴潮增减水过程的影响。模式中采用风暴潮个例发生时对应月份的海平面值，为方便记，称这种风暴潮个例模拟为“气候情景下风暴潮个例”。以0807号台风为例，0807号台风发生在2008年8月份，利用0807号台风信息合成的台风风场和气压场进行驱动，气候情景下0807号风暴潮模拟中考虑2060年8月份的海平面变化。模拟结果与原始台风个例的模拟结果进行对比，用以分析气候情景下海平面变化对风暴潮增减水过程和脆弱性的影响。

下面以0807号台风为例分析由海平面变化导致的风暴潮增减水差异。由图5可见，考虑海平面变化影响下，0807号台风来临之前，风暴潮增水（虚线）发生在落潮期间；台风到达验潮站所在海域时，风暴潮增水发生在高潮时刻，两者的相互作用使得台风影响期间瞬时水位升高显著；台风过境之后风暴潮减水发生在退潮期间，将加剧风暴潮减水期间的水位降低。海平面的变化显著影响风暴潮增减水的过程，风暴增水提前并将延长风暴潮的增水时段。

从两种风暴潮个例的增减水差异来看，海平面变化可以引起10 cm的增减水差异（阴影部分）。3个观测站（连云港站（34°45ˊN，119°25ˊE）；日照站（35°23′N，119°32′E）；丹东站（124°24ˊE，40°07′N））的风暴潮增减水明显增大，即增水值变大，约为5—7 cm，减水也增加5—7 cm。海平面变化所引起的增减水差异显示出一定的周期性变化，这可能与半日潮流的转向有关。

海平面变化在不同的海区对风暴潮变化的影响也不同。图6所示为丹东、日照、连云港3个测站的17个气候情景下风暴潮个例期间的水位变差（风暴潮期间的最大水位与最小水位之差）。由海平面变化导致的水位变差均出现增大现象。在同一台风影响下，位于山东半岛南部的日照站和苏北沿岸的连云港站因地理位置较近，所以受海平面变化的影响相似，两站点的水位变差均受海平面变化影响而增加。例如，在日照站，气候情境下的9216号风暴潮水位变差较原始9216号风暴潮增加20 cm左右。位于辽东半岛东南沿岸的丹东站则与日照站、连云港站存在较大差异，因受台风影响范围所致，海平面变化对其影响不如南部两测站明显，水位变差增加10 cm左右。

图5 3个站点在情景下0807号台风风暴潮增减水的差异（阴影部气候分），增减水变化（虚线）和潮位变化（黑实线），紫点所示为台风影响时刻

图6 海平面变化前后水位变差变化

台风个例的移动路径、台风强度不同，从而影响不同的海区，即使在同一站点，不同的台风个例的增减水过程也存在差异。例如，9216号、9711号以及0713号台风影响范围广，强度大，它们的模拟时段内3个站的水位变差增加均比其他年份显著，日照和连云港站水位变差增加超过20 cm，丹东站水位变差增加分别达12 cm和14 cm，0713号台风使得丹东站水位变差增加超过15 cm。8921号和0421号台风主要影响东中国海南部海域，并迅速减弱为低气压，对东中国海的影响强度较弱，在8921号和0421号模拟时段内，水位变差虽增加但不十分显著。

中国沿岸华北平原、苏北平原和长江三角洲地区是典型脆弱区[15]。气候情景下风暴潮将使脆弱区风暴潮增水增加（见图7），其中华北平原风暴潮增水增加最显著，可达15 cm左右；苏北平原次之，一般风暴潮增水将增加约10 cm；长江三角洲地区的风暴潮增水有5 cm左右的增加。因此，气候情景下海平面变化对风暴潮增水的影响具有区域性特征。

总体来说，海平面变化会影响不同海区的风暴潮增减水强度，距离气旋中心越近，海平面影响越显著；台风强度越大，海平面对风暴潮的影响越明显。

图7 海平面变化作用下典型脆弱区的增水差异

图8 中国沿海主要脆弱区示意图

4.3 海平面变化对沿海脆弱性的影响

脆弱性是指某个系统易受到气候变化的不利影响，包括气候变率和极端气候事件，但却无能力应对不利影响的程度。脆弱性随一个系统面临的气候变化和变异的特征、幅度和速率、敏感性及其适应能力而变化[11]。就中国沿海而言，气候变化引起的海平面变化导致风暴潮灾害加剧，海岸带更易受到风暴潮强增水过程的危害，造成大片区域被淹没，加重海岸侵蚀等灾害。中国国家气候变化评估报告[15]中指出，风暴潮是中国沿海致灾的主要原因，根据风暴潮最大增水以及沿海陆地高程基准、海岸防护等级等诸多因素综合评估，将沿海地区分为8个脆弱区，其中华北平原、苏北平原、长江和珠江三角洲地区是中国沿海最重要脆弱区（见图8）。本文所指的海岸带脆弱区是指容易受风暴潮增水影响，受灾加重的海域。

由17个台风个例模拟的平均最大增水值（见图9）发现，闽浙沿岸风暴潮引起的增水最大，大部分台风在该海域登陆，此时台风风速大、中心气压低，引起较大的风暴潮增水。沿海岸线向北，风暴潮增水逐渐减小。但是由于地形的作用，杭州湾增水较大。辽东半岛东南沿岸，风暴潮增水较高。由北到南，风暴潮最大增水集中的地段主要是辽东湾、莱州湾、江苏小洋河口至浙江北部的海门、温州、台州、沙埕及福建的闽江口、广东汕头至珠江口沿岸。

气候情景下的海平面影响前后风暴潮最大增水的差异如图10所示，苏北浅滩、环渤海沿岸、辽东半岛东南沿岸风暴潮增水将增加。其中，苏北沿岸风暴潮最大增水将增大8 cm，辽东半岛沿岸次之，增大可达5 cm，环渤海沿岸最大增水也将稍有增大。但是，局部沿岸地区风暴增水将减小。华北平原、苏北平原已是目前中国沿海最重要脆弱区，21世纪气候情景海平面影响下风暴潮增水将进一步增大，海平面变化影响下，苏北浅滩及环渤海海岸带脆弱性将增强，华北平原、苏北平原将变为更脆弱的区域。

图9 气候情景下风暴潮最大增水分布（单位：cm）

图10 气候情景下海平面变化对风暴潮增水的影响（单位：cm）

图11 100年一遇工程水位分布（单位：m）

从东中国海海平面变化脆弱区的分布来看，在沿海重点经济区和海平面上升脆弱区，应开展海平面变化监测及脆弱区划工作，并将监测和评价结果，作为沿海重点经济区规划的重要指标，及时修订堤防设施标准。在重要经济产业带如天津滨海新区、长三角地区和珠江三角洲等受咸潮入侵严重区域，应合理调配全流域的水资源，保障风暴期间高海平面安全。

非正常天气条件下，为保证沿海工程（如港口）在这种极端高潮位时码头不被淹没，同时码头各部分及地基仍能够保持必要的较高安全度。在沿海工程设计中，校核水位一般采用重现期为五十年一遇的高（低）潮位。校核水位一般对连续20年以上的实测年最高水位资料进行分析计算得到。本文利用21世纪海平面影响下20个风暴潮模拟的潮位，得到21世纪的100年一遇的校核水位分布（见图11）。闽浙沿岸是校核水位最大的海域，100年一遇校核水位可达5 m以上，50年一遇可达4.5 m以上。其次是辽东半岛东南沿岸，100年一遇校核水位可达5 m，50年一遇4 m。环渤海湾北部100年一遇校核水位相对较低，大概在3 m左右。山东半岛南部沿岸校核水位大概在3 m左右。苏北浅滩位于M2无潮点附近，因此校核水位相对较低。

5 结论

本文用三维水动力模型Ecomsed，在第四次IPCC评估报告SRES A1B气候情景下，分析21世纪海平面变化对东中国海风暴潮及沿岸脆弱性的影响。

在A1B气候情景下，对21世纪西北太平洋海平面变化进行分析。21世纪海平面变化具有显著的季节、年际及年代际变化。2060年之前，海平面上升，上升速率为2.7 mm/y；2060年之后，海平面以速率4.8 mm/y显著降低；2060年海平面达到21世纪最大值。4—8年的年际变化在21世纪中期较为显著。

气候情景下21世纪海平面变化对风暴潮增水过程有显著影响。海平面变化引起10 cm的增减水差异，海平面变化将延长风暴潮增水时段，海平面变化所引起的增减水差异的周期性变化可能与半日潮流的转向有关。另外，台风强度越大，海平面对风暴潮增水过程影响越明显。

海平面变化影响下，风暴潮增减水的变化具有显著的空间分布特征。苏北浅滩、环渤海沿岸、辽东半岛东南沿岸风暴潮增减水将增加。海岸带主要脆弱区在海平面变化影响下，苏北浅滩及环渤海海岸带脆弱性将增强，华北平原、苏北平原将变为更脆弱的区域。

21世纪的校核水位在东中国海将会增大。校核水位在闽浙沿岸可达5 m左右，其次是辽东半岛东南沿岸。环渤海湾北部校核水位相对较低，大概在3 m左右。在一般情况下，湾顶校核水位较大，尤其杭州湾可达5 m。校核水位的增加，意味着沿岸工程将面临严峻的考验。

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Impact of sea level variations on storm surge under SRES A1B scenario in the East China Sea

LI Jie1,2，DU Ling2，ZHANG Shou-wen2，ZHANG Qiu-feng1，NIU Fu-xin1，YE Feng-juan1
（1.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station,Tianjin 300457 China；2.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China,Qingdao 266100 China)

Based on the IPCC AR4 A1B scenario,the sea level variations in 21st century and the impact of sea level variations on storm surge along the coast of the East China Sea are analyzed using a three-dimensional high-resolution hydrodynamic model(Ecomsed).The“SRES A1B scenario storm surge”combined with the relevant monthly sea level in the 2060 year was simulated through 17 typhoon cases from 1989 to 2008.Residual elevation difference performed 10 cm in the three tide gauges.The influence of sea level variation on the maximal residual elevation and check water levels mapped the geographical variability.The maximal residual elevation would increased along the northern coastline of the Jiangsu province,and areas surrounding Bohai Sea, where would be the more vulnerable area.The check water in the 21st century would become higher as sea level varying.

East China Sea；sea level variation；climate scenario；storm surge

P731.23

：A

：1003-0239（2014）05-0020-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.004

2014-03-24

国家自然科学基金（41376008,41176009）;“973”课题（2012CB417401）;全球变化与海气相互作用专项(GASI-03-01-01-09)；北海分局海洋科技项目（2014B06）

李杰（1985-），女，助理工程师，主要从事潮汐海平面研究和海洋预报工作。E-mail：jieliouc@126.com