基于情景的浙江省玉环县台风风暴潮模拟与潜在危险性评估

陈 洁， 宋城城，2， 李梦雅，2， 王 军，2

（1.华东师范大学地理科学学院，上海 200241；2.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241）

基于情景的浙江省玉环县台风风暴潮模拟与潜在危险性评估

陈 洁1， 宋城城1，2， 李梦雅1，2， 王 军1，2

（1.华东师范大学地理科学学院，上海 200241；2.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241）

玉环县是浙江沿海台风风暴潮灾害频发、受影响严重的区域之一.本文以1949年以来登陆浙江省气压最低的台风TC0608（桑美）路径为模板，依据玉环县海岸线特征设计了7条平移路径.在此基础上，叠加考虑了4种海平面上升情景，利用MIKE21 FM模型开展了风暴潮模拟与潜在危险性评估研究.结果表明：现状条件下玉环县台风风暴潮漫堤淹没危险性较低，但随着海平面不断上升，其潜在危险性逐渐增大，从玉环县域北侧登陆的3场台风对海平面上升的响应尤其敏感；在同一海平面上升情景下，由玉环县域南侧登陆的台风造成的漫堤淹没现象明显严重于在县域北侧登陆的台风；至2100年，台风风暴潮造成的潜在最大淹没深度为5.44 m，淹没面积达160.75 km2，占玉环县域总面积的35.93%；玉环县潜在高淹没危险区主要位于县域东南及西侧地势低平地区.研究成果可为玉环县防潮抗灾部署提供科学依据.

情景模拟；台风风暴潮；MIKE21 FM；危险性评估；玉环县

0 引 言

风暴潮是指由于剧烈的大气扰动，如强风和气压骤变导致海水异常升降的现象［1］.21世纪以来，我国沿海地区台风风暴潮灾害危险性增加明显，如TC0414（云娜）、TC0608（桑美）和TC1323（菲特）造成的最大增水分别为350 cm、401 cm和375 cm［2-4］.Emanuel等利用CMIP5气候模型在RCP8.5排放情景下降尺度模拟台风活动特征，此研究表明西北太平洋地区台风发生频率和强度将明显增加［5］.我国东部沿海地处西北太平洋风暴盆地边缘，人口、财富和资源等高度集聚，在全球气候变化和快速城市化背景下，极端台风导致的风暴潮灾害应引起高度关注.

玉环县位于浙江省东南沿海、中国黄金海岸线中段，区位优势明显，港口岸线资源丰富.在国务院批复的《浙江海洋经济发展示范区规划》［6］和国家发展和改革委员会批复的《浙江海洋经济发展试点工作方案》［7］的政策机遇下，玉环县成为浙江省首个海岛统筹发展试验区.然而，玉环县也是浙江台风灾害频发、受影响最严重的区域之一.据统计，2002年以来对玉环县造成较大影响的台风有13场，如TC0414在浙江省温岭市石塘镇登陆后横穿玉环县，登陆时中心气压950 hPa，过程最大风速58.7 m／s，海门验潮站最大增水达350 cm，超过当地警戒水位153 cm［8］.该次台风风暴潮造成玉环县人员伤亡31人，农作物受灾4 200 hm2，水产养殖损失为1 900 hm2，直接经济损失高达14.5亿元.频发的风暴潮灾害制约了该区域的社会经济发展，因此亟需开展风暴潮危险性研究.

在全球变化背景下，强台风与极端海平面上升的叠加是造成沿海地区风暴潮灾害风险居高的重要因素.为此，部分学者对气候变化情景下的台风风暴潮开展了情景模拟和风险评估研究.如Shepard等在海平面上升情景下开展了美国纽约长岛风暴潮灾害风险评估，结果显示海平面上升将使受灾人口和财产损失分别增加47%和73%［9］；殷杰等结合最大天文潮位与海平面上升预测值研究黄浦江区域极端风暴洪水位，得到2030年与2050年极端风暴洪水位将分别达到7.17 m和7.39 m［10］.近年来，我们已初步建立基于情景的台风风暴潮灾害风险研究方法［11-14］，这套方法可获得较高精度的研究结果，可为风暴潮风险管理提供依据.2012年“玉环县海洋灾害风险评估与区划”被列入《浙江省海洋灾害防御“十二五”规划》［15］，玉环县成为海洋灾害风险评估与区划的试点之一.本研究选择该区域，以1949年以来登陆浙江省气压最低的TC0608路径为模板，依据玉环县海岸线特征设计了7条平移路径，构建了4种不同海平面上升背景下的台风风暴潮情景，并利用MIKE21 FM模型开展了漫堤淹没模拟和潜在危险性评估，为玉环县防潮抗灾部署提供科学依据.

1 研究区概况

玉环县位于浙江省东南沿海黄金海岸线中段，东濒东海，西嵌乐清湾，北接温岭市，南临洞头洋，与温州市洞头县隔海相望，地理坐标在28°01′32″-28°19′24″N，121°05′38″-121° 32′29″E之间（见图1）.玉环县陆域面积为360.56 km2，全境由玉环，鸡山、披山和大鹿等55个岛屿和楚门半岛组成，玉环岛为主岛.地形以低山丘陵为主（约占47%），山间小盆地和沿海小平原约占45%，其余为水域.玉环县海涂面积112.85 km2，岸线曲折，港湾众多，主要有乐清湾、坎门湾和漩门湾；附近海域为半日周期潮流，以往复流为主，涨落潮流方向受海岛制约，基本与岸线平行.至2013年末，玉环县设有3街道6镇2乡，全县总人口42.81万人［16］.

图1 玉环县地理位置Fig.1 Geographical location of Yuhuan County

目前，玉环县一线海塘37条，二线海塘6条，在建4条，多为土石混合堤，总长66.12 km，平均高程6.16 m.已建成的一线、二线海塘的设计标准除玉环电厂围堤200年一遇外其余均为10～50年一遇.此外，玉环县域内以河道作为唯一排涝通道，排涝能力很难满足极端风暴洪水泄洪需要［17］.

2 数据来源与研究方法

MIKE 21 FM（Flow model）采用垂向平均二维浅水方程，以ADI法（Alternating Direction Implicit）对控制方程进行时间上的积分，并运用DS追赶法（Double Sweep）对矩阵方程进行求解［18］.本研究的模型计算范围为27.8-28.4°N，120.8-121.8°E，模型区域内的海域地形数据来自海洋科学数据共享中心（http：／／mds.coi.gov.cn／）.玉环县陆域地形数据和沿海海塘高程数据由浙江省专业测绘部门提供.数据统一为WGS84坐标系和北京1954坐标系，以1985国家高程基准为基准面.台风相关参数来自于中国台风网CMA-STI西北太平洋热带气旋最佳路径数据集［19］.模型采用Mesh Generator生成非结构化三角网格，并对海堤及附近区域进行加密处理，整个研究区域共由23 962个节点组成，地形测点数为171 841个.

模型外海开边界上潮位的时间序列值通过全球潮汐预测模型DTU 10求得［20］，分辨率为0.25°×0.25°.初始边界上各点潮位流速u0＝0，v0＝0.模型统一采用格林尼治时间.研究中采用历史上影响浙江省最严重、风暴增水最显著的TC0608风暴潮过程对模型精度进行验证，基于实测资料将验证时间定为2006年8月8日10时至11日5时，验潮站选取位于玉环县近岸海域的坎门站和龙湾站（见图1）.将推算求得的天文潮与对应时刻的增水计算值进行叠加，对比模拟计算值与实测潮位值可以看出，最高潮位、最低潮位与实测潮位基本一致，模拟结果十分良好（见图2），这表明该数值模型满足台风风暴潮情景模拟与潜在危险性评估研究的需要.

图2 0608台风期间潮位验证图Fig.2 Comparison of level between measured and simulated during TC0608

3 情景要素分析与情景构建

3.1 海平面上升

IPCC第五次评估报告（AR5）指出，1901-2010年期间全球平均海平面上升0.19 m，且上升速度不断加快［21］.中国海平面对全球气候变化的响应尤其敏感，《2014年中国海平面公报》显示［22］：1980-2014年期间中国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势，平均上升速率为3.0 mm／a，高于全球同期平均水平.海平面上升最高月份基本对应于台风高发月份，因此海平面上升将引起风暴潮水位抬升，加剧地区的台风风暴潮灾害.IPCC AR5预估了温室气体不同排放情景下未来海平面上升的可能变化，其中在RCP 8.5情景下，相对于1986-2005年，至2100年全球平均海平面上升最大值将达0.97 m［21］.本文基于该预估结果计算海平面年平均上升率，可得2030年与2050年全球平均海平面上升值分别为0.22 m和0.43 m.

3.2 台风路径与参数设定

对于玉环县可能最强台风的参数设置，采用TC0608路径为模板进行平移得到台风空间参数即台风路径［23］，台风时间参数和强度参数均采用TC0608的原始数据.该台风是1949年以来登陆浙江气压最低的台风，其过程最低气压915 hPa，登陆时气压为920 hPa，中心附近最大风力60 m／s，达超强台风级别.登陆前移动路径大致为垂直于岸线的直线行进方向，且登陆时恰逢天文大潮，风暴潮增水十分明显，共造成沿海6个验潮站增水超过100 cm，其中最大增水发生在浙江鳌江站，达401 cm［3］.但由于台风登陆点位于玉环县以南，距离较远，对玉环造成的影响较小，因此本研究将台风路径的登陆参考点平移至对玉环可能造成影响较大的区域.由于玉环县海岸线曲折漫长，港湾众多，且多为半封闭状态，深入陆域，风暴增水受港湾地形效应影响较为明显.依据该海岸线特征，以登陆点为基准将台风路径北抬平移至玉环县中间位置（漩门三期围堤中点处），以8 km为距，分别向南北两侧平移，构建出7条假想最优路径（见图3），其中路径2、路径3和路径5分别经过坎门湾、漩门湾与吊船湾（见图3b）.此外，本文模型中使用的最大风速半径参数可通过经验公式计算求得，该经验公式由浙江水利河口研究院依据15年间28-31°N范围内西北太平洋上的台风中心气压最低时的最大风速半径和台风中心移速所构造［24］：

其中，P0为台风中心气压（hPa），Rk为经验常数，推荐值为40.

图3 TC0608原始路径及7条平移设计路径Fig.3 The original path and seven translational designed paths of TC0608

3.3 情景构建

在设计7条平移路径的基础上，以2010年为基准年，2030年（近期）、2050年（中长期）、2100年（长期）为未来目标年份，叠加海平面上升值，经组合后生成28组情景.利用MIKE 21二维水动力模型对每组灾害情景进行模拟，得到各情景下的台风风暴潮增水和陆域地区淹没情况，进而开展潜在危险性评估.依据《风暴潮灾害风险评估和区划技术导则》①风暴潮灾害风险评估与区划技术导则（试行）.国家海洋局，2012.将模拟结果的漫堤淹没深度划分为5个等级：0 m、0～0.5 m、0.5～1.2 m、1.2～3 m、＞3 m.

4 结果分析

4.1 初始情景分析

在初始时间情景下，玉环县发生以TC0608路径为模板进行平移、登陆时中心气压达920 h Pa的7场台风时，仅大麦屿街道玉环电厂、沙门镇西南角、海山乡和漩门湾海涂附近出现小范围的漫堤淹没现象，其余区域基本不受影响（图略）.统计该情景下各路径漫堤淹没面积可知（见表1），由县域南侧登陆的3场台风以及从县域中间登陆的路径4台风造成的淹没面积较大，分别为34.20、36.71、33.24和34.24 km2，由县域北部登陆3场台风造成的淹没面积均小于30 km2，这表明从南侧登陆的台风造成的淹没结果严重于北侧登陆的台风.对比各淹没深度所占面积可得，初始情景下台风风暴潮漫堤淹没深度以0～0.5 m为主（见图4a），仅大麦屿街道长山咀村淹没深度达到1.2 m，这主要是由于该村外围的草皮塘堤防级别过低，堤顶高程为5.32 m，防潮标准仅为20年一遇，无法抵御台风风暴潮正面袭击带来的风暴增水.总体而言，现状条件下玉环县台风风暴潮危险性较低.

表1 各情景下淹没面积结果表Tab.1 Inundated areas of each scenario km2

图4 海平面上升情景下各路径淹没面积图Fig.4 Inundated areas at each route under SLR scenarios

4.2 潜在危险性分析

在2030年时间情景下，玉环县域西部海山乡与芦浦镇交界处开始出现较大面积漫堤淹没现象，漩门湾海涂的淹没面积有所扩大（见图5）.此时7场台风造成的淹没面积分别为57.89、61.30、61.91、58.07、52.96、51.12和47.59 km2，较初始情景平均增加了84.94%，这表明7场台风对海平面上升这一情景要素响应都很明显.淹没深度方面，面积增长主要集中在0～1.2 m范围内，其中路径2台风在0.5～1.2 m范围内的面积增长最为明显，达到2.61 km2（见图4b），此时沙门镇步门坝与大麦屿街道玉环电厂附近也开始出现淹没深度大于0.5 m的漫堤淹没现象.步门坝坝顶高程6.6 m，挡浪墙高程7.9 m，防潮标准为50年一遇，由于堤防等级较低，在海平面上升情景下堤防能力明显不足，因此附近区域出现较严重的漫堤淹没现象；而玉环电厂则由于地处县域南部沿海地区，与路径2台风登陆点距离十分接近，因此受台风影响较大.

图5 2030年海平面上升情景下风暴潮漫堤淹没区域分布图Fig.5 The regional distribution map of inundated areas under simulation of SLR scenario in 2030

图6 2050年海平面上升情景下风暴潮漫堤淹没区域分布图Fig.6 The regional distribution map of inundated areas under simulation of SLR scenario in 2050

至2050年，海平面上升可达0.43 m，7场台风所造成的漫滩现象进一步加重，大麦屿街道、玉城街道、海山乡、鸡山乡、干江镇和芦浦镇开始出现不同程度的漫滩淹没现象（见图6）.其中，从坎门湾登陆路径2台风和从漩门湾登陆的路径3台风造成的漫堤淹没现象最为严重（见图4c），淹没面积分别为93.71 km2与93.35 km2，其余5场台风的淹没面积为88.04、87.64、78.14、74.98和72.01 km2.在此时间情景下，路径6台风与路径7台风漫堤淹没现象的增加效应最明显，较初始情景分别增加189.39%和226.58%.此时，各淹没深度所占的面积有不同程度地增多，在0.5～1.2 m淹没范围内增加效应明显高于2030年时间情景，路径2台风和路径3台风造成的淹没面积分别从2030年的5.24 km2和5.83 km2增加到10.22 km2和10.94 km2，海山乡南滩村、沙门镇灵门村和安人村、以及大麦屿街道铁龙头村淹没深度均达到这一范围.大麦屿街道的长山咀村与玉环电厂成为潜在高淹没危险区域，漫滩淹没深度超过1.2 m.

在2100年极端海平面上升情景下，7场台风造成的漫堤现象明显加重，漩门湾海涂完全被淹没，在2050年时间情景的淹没范围基础上，清港镇、楚门镇与龙溪镇也开始出现漫滩淹没现象（见图7）.此时，7场台风造成的淹没面积分别为147.72、155.16、151.98、149.25、147.46、139.54和106.80 km2，其中从坎门湾登陆的路径2台风造成的漫堤淹没面积最大（见图4d），达到玉环县域总面积的34.67%，最大淹没深度为5.44 m.在此情景下，台风风暴潮造成的高淹没危险区急剧增加，分别达到9.33、9.79、9.60、8.92、6.96、6.82和3.92 km2，其中从县域南侧登陆的3场台风的面积增长较显著，均达到初始情景的9倍以上.在总淹没面积增加方面，从县域北侧登陆的路径5台风和路径6台风仍高于从县域南侧登陆的3场台风，分别从2050年的78.14 km2和74.98 km2上升至147.46 km2和139.54 km2，增加幅度分别为88.72%和86.10%.此时，县域内多个地区风暴增水超过1.2 m，除大麦屿街道易淹没区外，沙门镇灵门村与安人村、漩门二期堵坝南侧、芦浦镇漩门村、海山乡南滩村以及干江镇下礁门村都成为潜在高淹没危险区.

图7 2100年海平面上升情景下风暴潮漫堤淹没区域分布图Fig.7 The regional distribution map of inundated areas under simulation of SLR scenario in 2100

5 最大潜在危险性评估

为了解玉环县台风风暴潮可能最大潜在危险性，利用ArcGIS空间分析模块中Cell Statistics工具，分别将4种时间情景下7场台风造成的淹没深度与淹没范围进行综合，得到各个时间情景下的最大淹没范围.利用《风暴潮灾害风险评估技术导则》①的区划方法，根据危险性等级与淹没水深关系（见表2），确定淹没区域的危险性等级.运用空间分析功能模块中Reclassify工具，对淹没深度进行重分类，划分台风风暴潮危险性等级，得到不同时间情景下玉环县台风风暴潮漫堤淹没最大潜在危险性区划（见图8）.

表2 台风风暴潮危险性分级表Tab.2 Classification of typhoon storm surge hazard

图8 不同海平面上升情景下台风风暴潮最大潜在危险性区划Fig.8 Potential risk zonation of typhoon storm surge disaster in different SLR scenarios

由图8可知，7场台风综合所造成的漫堤淹没面积对海平面上升的响应较为明显.在初始情景下，仅漩门湾、大麦屿街道与沙门镇部分区域发生漫堤淹没现象.但随着时间的推移，海平面不断上升，台风风暴潮造成的漫滩现象持续加重，至2100年，漩门湾海涂完全被淹没，最大淹没面积达到160.75 km2，占玉环县域总面积的35.93%，漫堤淹没现象十分严重.对比不同时间情景下各淹没深度所占面积可知（见图9），随着海平面上升，各淹没深度所占面积都有不同程度地增加.在2030与2050年时间情景下，由于海平面上升值较小，淹没水深在0～0.5 m范围内增加效应最明显；之后随着海平面进一步上升，高淹没深度所占的面积不断增加，至2100年底，淹没深度在0.5～3.0 m范围内的淹没面积达到淹没总面积的29.33%.此时，玉环县内大麦屿街道西、北部沿海地区，沙门镇中北部，海山乡与芦浦镇交界地区成为潜在高淹没危险区.

图9 不同情景下各淹没深度所占面积对比Fig.9 Comparision of inundated areas at each depths level under different scenarios

基于以上最大潜在危险性评估可知，海平面上升是影响玉环县未来台风风暴潮潜在危险性的重要因素，因此，玉环县在防范风暴潮灾害时应从提高海塘防御能力和加强城市排涝系统建设两方面开展工作.首先，现状条件下玉环县各海塘防御能力普遍偏低，防御标准有待提高.如大麦屿街道草皮塘坝顶高程仅5.32 m，干江镇长堤坝顶高程5.5～6.3 m，步门坝坝顶高程6.6 m，防潮标准均在50年一遇以下，无法满足海平面上升背景下极端风暴增水的防御.其次，玉环县内缺乏完善的排涝系统，目前仅利用天然河道作为行洪排涝的唯一通道，当风暴增水超过沿岸海堤防御标准的极端高潮位时，现有通道的排涝能力远低于标准，将严重制约洪水的宣泄.因此，要及时完善城市排涝系统，如通过河道拓宽、新建阻水桥涵、闸坝等建筑物以及堤防整治等措施，提高防洪排涝能力［17］.

6 结果与讨论

本文基于IPCC AR5在RCP 8.5情景下对海平面上升的预估值，选用TC0608的路径构建出7组假想最优台风路径，应用MIKE21 FM模型对台风风暴潮漫堤淹没进行模拟与评估，得到以下主要结论.

（1）现状条件下，基于现有的海塘防护标准，玉环县发生台风风暴潮漫堤淹没现象的概率极低；然而随着全球海平面的持续上升，漫堤淹没面积和最大淹没水深不断增加，其潜在危险性呈不断加剧态势，从玉环县域北侧登陆的3场台风对海平面上升的响应尤其敏感.

（2）在相同海平面上升情景下，不同台风路径引起的风暴潮漫堤现象存在差异性.由玉环县域南侧登陆的台风造成的淹没面积明显高于北侧登陆的台风.其中，造成漫堤现象最严重的是从坎门湾登陆的路径2台风，而影响最小的是从县域北端登陆的路径7台风.

（3）各时间情景下台风风暴潮造成的潜在最大淹没深度为5.44 m，淹没面积达160.75 km2，占玉环县域总面积的35.93%；玉环县潜在高淹没危险区主要位于县域东南及西侧地势低平地区.上述区域应重视海塘防御标准的提高和城市排涝系统的建设.

需要指出的是，可能最大台风风暴潮漫堤淹没现象的产生不仅受台风路径与海平面上升的影响，在全球气候变化背景下，台风呈现出强度不断增加、路径不断极移的趋势［25］，此外，本研究尚未考虑在极端条件下溃堤对淹没结果产生的影响，因此，需要在后续研究中进行完善和深化.

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(责任编辑：李万会)

Potential hazard assessment of typhoon storm surge based on scenario simulation methodology in Yuhuan County，Zhejiang Province

CHEN Jie1， SONG Cheng-cheng1，2， LI Meng-ya1，2， WANG Jun1，2
（1.School of Geographic Sciences，East China Normal University，Shanghai 200241，China；2.Key Laboratory of Geographic Information Science，Ministry of Education，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Typhoon storm surges are responsible for most of the damage caused by oceanic disasters in Yuhuan，Zhejiang Province.Considering the coastline features of Yuhuan County，7 translation paths were designed based on the path of TC0608（Saomai），which formed the lowest central pressure at the moment of landfall in Zhejiang since 1949.In consideration of the 7 translation typhoon paths and sea level rise，storm surges in 28 compound scenarios were simulated byusing MIKE21 FM for potential impacts analysis.The results showed that the possibility of overtopping inundation due to typhoon storm surges was quite low under the present condition.However，the impacts obviously became more serious as sea level rising，and the three typhoons landing in the north of Yuhuan were especially sensitive in terms of responding to the sea level rose.In scenarios with the same sea level rise value，typhoons landing in the south of Yuhuan caused more serious inundation than those landing in the north part.In 2100，the largest water depth would reach 5.44 m and the inundation area would be 160.75 km2，accounting for about 35.93%of the total area of Yuhuan.The potential high-risk inundation areas are mainly distributed in the southeastern and western part of Yuhuan，with a relatively low elevation.The results could offer reference for making adaptation strategies and engineering countermeasures for future extreme storm surges disasters in Yuhuan County.

scenario simulation；typhoon storm surge；MIKE21 FM；hazard assessment；Yuhuan County

X43

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2016.03.014

1000-5641（2016）03-0125-11

2015-03

国家自然科学基金（71373084，J1310028）；上海市教育委员会科研创新重点项目（13ZZ035）

陈 洁，女，本科生.E-mail：18018564008@163.com.

王 军，男，教授，博士生导师，主要从事城市自然地理和沿海灾害风险研究.E-mail：jwang@geo.ecnu.edu.cn.