风暴潮、大潮对广西涠洲岛西南沙滩侵蚀的影响分析

李明杰，吴少华，刘秋兴，董剑希

(1.国家海洋环境预报中心，北京 100081)

风暴潮、大潮对广西涠洲岛西南沙滩侵蚀的影响分析

李明杰1，吴少华1，刘秋兴1，董剑希1

(1.国家海洋环境预报中心，北京 100081)

本文统计分析了广西涠洲岛沿海气候、潮汐和风暴潮等历史资料，利用耿贝尔方法推算了涠洲岛多年一遇年极值高潮位，并估算了其漫滩范围分布，指出近几年高潮位出现的频次和极值均越来越高是涠洲岛西南部沙滩侵蚀愈加严重的重要原因，最后结合风暴潮-海浪耦合数值模拟了研究区域内“0312”号台风风暴潮漫滩的情况，分析了风暴潮和大潮对涠洲岛西南部沙滩侵蚀的影响，对当地岸滩修复和防护具有一定的指导意义。

风暴潮；大潮；沙滩侵蚀；耿贝尔方法；数值模拟

1 引言

涠洲岛是广西众多岛屿中最大的海岛，也是中国最大、地质年龄最年轻的火山岛。该岛位于北部湾中部，北临广西北海市，东望雷州半岛，东南与斜阳岛毗邻，南与海南岛隔海相望，西面面向越南，距北海市区大约36海里(见图1)。涠洲岛南北方向的长度为6.5 km，东西方向宽6 km，总面积24.74 km2，岛的最高海拔79 m。涠洲岛附近水深较浅，水深普遍小于10 m。在岛屿的东侧及西北侧分别有两条深约30～40 m的海槽。

涠洲岛及其周边海域的旅游资源、水产资源、油汽资源等非常丰富，自然环境优越。近几年来，涠洲岛岸线整体遭受侵蚀，尤其西南部岸滩作为涠洲岛重要的滨海浴场，侵蚀更为严重，2006-2013年间年均下蚀可达0.18 m[1]。涠洲岛西南部潮间浅滩属沙质海滩，滩面坡度为1°～6°，总长度约2.5 km，宽50～150 m。沙滩等高线大体呈南北走向，地形呈东高西低。高潮线以上为木麻黄防风林和山体，地形起伏较大。海岸侵蚀使得西南部海滩岸线后退，低滩下蚀致坡度变陡，沙滩下层砾石裸露，并在离岸区堆积成沿岸沙坝，临海部分树木枯死，对当地的旅游景观造成了严重的影响。

沿海岸滩侵蚀的因素多种多样[2—5]，既有自然因素如风暴潮和近岸浪[6—10]、大潮、海平面上升[11—12]、入海泥沙减少[13]等，又有人为因素如采砂挖沙、破坏海滩植被或砍伐岸滩防护林、不合理的海岸工程建设等[14]。

在诸多侵蚀因素中，风暴潮和近岸浪对岸滩地形的破坏性最为严重。“9216”号台风风暴潮期间，长时间的增水和大浪的作用给山东省沿海造成了严重灾害，沙质海岸后退3～12 m，最大达30 m，损失土地4.66 km2[6—7]。1962年7月下旬至8月中旬，长江口连续遭受两次强台风袭击，某些岸段滩面平均刷低20～30 cm，岸线后退10～20 m[15]。不同于莱州湾等陆地海岸带的侵蚀[13]，涠洲岛离陆地较远且没有入海河流，没有入海泥沙的影响，风暴潮、潮流和近岸浪等是造成涠洲岛海岸侵蚀的主要海洋动力[1]。风暴潮过程以后，泥沙会从离岸区向岸区推移，但沙滩循环作用的不对称性，沙滩沉积物总体会处于亏损状态，从而导致沙滩的侵蚀后退[9，16—17]。此外，冬季大风引起的近岸浪配合天文潮大潮也会显著改变当地岸滩的现状。

近几年来，风暴潮致海岸侵蚀的报道及其侵蚀过程的研究工作较多[8，10，16—19]，利用详实的历史资料结合数值模式来分析风暴潮和大潮的影响强度以及时空变化的研究尚不多。本文从风暴潮和大潮的角度去探讨其对涠洲岛西南部岸滩侵蚀的影响。

本文搜集了涠洲岛气候、潮汐和风暴潮等历史资料以及涠洲岛附近精细化的水深地形和陆地高程数据，并进行了统计与计算分析，最后利用风暴潮-海浪耦合模式模拟了涠洲岛西南部沙滩风暴潮漫滩的过程。

图1 模式模拟区域地形及区域内典型潮位站分布Fig.1 Bathymetry of our model domain and the distribution of typical tidal stations therein

2 广西涠洲岛气候以及潮汐特征分析

2.1 广西沿海气候特征及相关分析

广西海岸带地处低纬度，属我国南亚热带季风型海洋性气候。海岸带风向具有明显的季节性变化。每年9、10月至翌年3、4月受北方大陆干冷气团的控制，盛行偏北气流，广西各地影响的风向均是北-东北风；从4、5月至8、9月，在海洋暖温气团的主宰下，盛行偏南气流，多吹西南-东东南风[20]。

夏秋两季每年平均受2～4次台风影响。台风由南海进入北部湾时，因受海南岛和雷州半岛的阻挡，一般只有6～10级，风速大于8级的大风平均每年出现11.1 d。近几年进入北部湾的台风强度普遍偏强，“1223”强台风“山神”、“1330”超强台风“海燕”和“1415”台风“海鸥”进入北部湾风速均达到了13级，“1409”超强台风“威马逊”进入北部湾更是达到16级风速。

王慧和隋伟辉[21]分析了北部湾多年平均大风(6级以上)天数的季节性变化，结果显示12月份为全年中大风天数最多的月份，月均大风天数大于6天的月份主要集中在10月份至翌年的1月，夏秋两季(5-9月)虽然受台风的影响，最大风速为全年中最大，但大风天数却为全年中最少。从这个角度来说，夏秋季台风影响期间，因风速较大，可能会对研究区域产生突变式的影响；10月至翌年1月虽然很少受到台风影响，但因大风天数较多，其影响也不容忽视，可能会对研究区域产生持续性的影响。

从物质输运的角度分析，10月至翌年1月主要盛行偏北风，此时浅海的风海流体积输运为偏西南方向，即研究区域的物质输运的趋势是离岸、向南；5-9月若无台风影响，因盛行偏南风，此时浅海的风海流体积输运为偏东北方向，即研究区域的物质输运的趋势是向岸、向北。这个结论恰好解释了涠洲岛西南部形成沙坝以后泥沙存在季节性南北方向搬运的现象。

2.2 广西涠洲岛潮汐特征及相关分析

涠洲站基本分潮振幅由潮汐调和分析得出：HM2太阴半日分潮振幅为36.73 cm，HK1太阴太阳合成日分潮振幅84.78 cm，HO1太阴日分潮振幅92.71 cm。根据GB/T 17839-1999《警戒潮位核定方法》的潮汐类型判别标准，涠洲站A=(HK1+HO1)/HM2值为4.83，A>4.0，因此涠洲站潮汐性质是正规全日潮性质。

图3 涠洲站1973-2014年高潮位年极值序列Fig.3 Annual extreme high tide of Weizhou Island during 1973 to 2014

图2给出了2012年涠洲岛天文潮的情况。从图中可以看出，不同于我国北方沿海夏季潮位高，冬季潮位低的情况，涠洲站5-7月以及10-12月为全年中的大潮期。这两个时间段恰好分别是台风影响时段和大风天数最多时段，因此高潮位配合大风天气引起的风暴增水和大浪过程使得这两段时间成为全年中沙滩侵蚀的高危时段。

2.3 广西涠洲岛年极值高潮位推算分析

本文统计了涠洲站1973-2014年共42年潮位年极值，其中有18年超过当地警戒潮位，12年超过当地理论大潮线(见图3)。超过当地理论大潮线，即意味着潮水漫过潮间带，此时极易打破沙滩泥沙的动态平衡。从图3可以看出，2000年以前水位年极值超过当地大潮线仅3年，近十几年竟出现了9次。结合蓝色趋势线可看出近几年来高潮位出现的频次和极值均越来越高。在相同的波浪参数下，水层的厚度与海底摩擦消能成反比。高潮位使得近海区水层增厚，向岸传递波浪的能量就更多。这应该是造成近几年研究区域沙滩侵蚀愈加严重的重要原因之一。

图4展示了1973-2014年中，高潮位年极值出现的月份分布。从图中可看出，年极值高潮位主要集中出现在11月、12月、1月和7月，占全年的80.0%，其中12月份为全年中最易出现年极值高潮位的月份(占26.7%)。从某种意义来说，虽然冬季大风造成的风暴增水和波浪远不如台风引起的剧烈，但是其对研究区域内沙滩的侵蚀影响跟台风相比有过之而无不及。

图4 涠洲站1973-2014年高潮位年极值出现的月份分布Fig.4 Monthly probability of occurrence of the annual extreme high tide of Weizhou Island during 1973 to 2014

3 广西涠洲岛多年一遇潮位及相应淹没范围推算

本文采用耿贝尔(Gumbel)曲线法[22—23]推算了涠洲站多年一遇最高潮位。Gumbe1分布曲线是以极值分布理论为基础，针对极值统计需要而提出的。对水文气象要素多年一遇的极值推算有较大适用性，只要随机变量的原始分布属于正态分布或部分分布等指数分布族，其极值分布就渐近于Gumbel曲线。

将涠洲站年最高潮位的经验频率点绘到图上与理论曲线进行对照，经验频率与理论曲线拟合较好(图5)。

图5 涠洲站耿贝尔曲线与实测年极值经验频率分布Fig.5 Gumbel curve and empirical frequency in Weizhou tidal station

表1给出了用耿贝尔方法计算所得涠洲站多年一遇高潮位。涠洲站建站至今最高潮位为517 cm，从表2中可知该高潮位为30年一遇的标准。50年一遇的高潮位为524.2 cm，100年一遇的高潮位为534.4 cm。需要说明的是，一定重现期(如50年)所对应的高潮位(524.2 cm)并非是指今后这段时间(50年)一定会出现，当然也可能近几年就会出现。从海洋防灾减灾的方面考虑，海洋工程可以依据推算结果做相应重现期的防护。

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

图6展示了50年和100年一遇高潮位在研究区域内漫滩的情况。考虑到涠洲岛西南部研究区域纵深较小，基本在50～150 m之间，涠洲岛西南部漫滩范围可以由所推算的高潮位与测点高程对比得出(测点最高分辨率达到0.5 m)。从图中可看出，50年(100年)一遇高潮位在北部越过大潮线50～60(100) m，中部越过大潮线20～50(30～50) m，南部越过大潮线50～60(60～70) m。图中标注了历史台风最大淹没范围以供参照。需要说明的是，历史淹没点为近期通过走访当地居民和查看遗留痕迹等方式获取的数据，并非某一次过程的淹没范围。另外，历史淹没点是高潮位和大浪联合作用的结果，即如果多年一遇高潮叠加大浪，淹没范围肯定会比图6所给范围更加大。

图6 涠洲岛西南部50年(a)和100年(b)一遇高潮位淹没范围示意图Fig.6 Submerged areas of the southwestern Weizhou Island at 50-year (a) and 100-year (b) frequency tidal levels

4 广西涠洲岛历史风暴潮的统计分析

据统计，1956-2014年中，广西涠洲岛沿海大于50 cm的台风风暴潮过程共发生83次，其中4次超过当地警戒潮位(480 cm)，分别是“8609”、“9204”、“0312”和“0814”号台风所引起。从图7中可以看出，涠洲岛的风暴潮主要发生在7月份(占32.9%)，其次是8月份(占27.6%)，然后分别是10月(17.1%)和9月(15.8%)。

图7 1956-2014年涠洲岛风暴潮季节分布Fig.7 Seasonal distributions of the storm surge of Weizhou Island during 1956 to 2014

台风风暴潮过程中，增水大于80 cm，且最高潮位大于455 cm的典型风暴潮过程共6次(表2)。从表2中也可以看出，影响涠洲岛较强的台风风暴潮过程主要集中在近20年内。

2003年第12号台风“科罗旺”(Krovanh)8月25日(农历七月廿八)4时前后登陆海南省文昌县，登陆时台风最大风速35 m/s，近中心最低气压970 hPa。受其影响广东、广西、海南沿海有12个站的最大增水超过1.0 m，有9个站的最高潮位超过当地警戒潮位。广东省南渡站增水最大，达3.59 m，广西涠洲站最大增水达1.78 m。

“科罗旺”影响期间，广西沿海天文潮并不特别高，距离当地警戒潮位80 cm左右。由于台风路径和强度均特别有利，涠洲站于8月26日0时出现了达178 cm的最大风暴增水，为该站自建站以来历史上最大风暴增水。同时，大于1 m以上的风暴增水持续21 h左右，叠加到高潮位上，最高潮位为517 cm，超过当地警戒潮位37 cm，达到了橙色预警级别。该高潮位亦为历史上最高潮位，经过计算该高潮位达到了30年一遇的标准。

表2 历史上涠洲岛显著台风风暴潮典型个例统计Tab.2 Statistics of the typical storm surge of Weizhou Island

5 广西涠洲岛风暴潮漫滩数值模拟

针对于广西沿海复杂的水深地形现状，本文采用了目前被国际上广泛接受的水动力模型——ADCIRC模式并耦合海浪模式(SWAN)对“0312”台风风暴潮过程进行模拟。ADCIRC模型是可以应用于海洋、海岸、河口区域的多尺度水动力计算模型。模型基于非结构网格，在空间上采用有限元方法离散，时间上采用有限差分法。该模型被美国工程兵部队(ACE)和美国海军研究实验室(NRL)广泛应用于各个军港的潮汐、海流和风暴潮预报中[24]。

5.1 模式设置及数据来源

模型的水深数据采用国家海洋环境预报中心业务化运行的分辨率为2′×2′的南海水深数据插值得到。广西沿海及其附近海域，尤其涠洲岛沿海的水深数据采用最新加密测量的水深地形资料插值得到。

为了减少或避免计算区域开边界对模拟结果的影响，更好地模拟风暴潮在北部湾海域的传播过程，本文中所做网格的计算区域选在涵盖了南海大部分范围，只采用一条开边界。边界上添加NAO.99 8个主要分潮(M2，S2，K2，N2，K1，O1，P1，Q1)作为潮驱动。模式时间步长为10 s，模拟时段设置为5 d，涵盖整个风暴潮过程。模式进行数值模拟时，采用球坐标、二维模式类型、混合底摩擦形式等，风场驱动采用Holland风场。

SWAN模型中，采用二维动谱能密度表示随机波浪场。模型考虑了风能输入，波浪的折射和反射，波浪破碎以及波-波相互作用等。海浪模式为风暴潮模式提供辐射应力，并作为外力驱动加入到风应力中，波长和周期信息也将用来参与风暴潮模式的风应力计算。波浪谱方向的分辨率为10°，模式时间步长为1 200 s，每隔1 h与风暴潮模式交换一次数据。

图8和图9分别展示了涠洲岛附近以及其西南岸滩的高分辨率非结构网格分布情况。整个计算区域包括了949 728个三角形单元，共计483 043个节点。对广西沿海区域，尤其是涠洲岛海域进行了重点加密，广西沿海分辨率达到200 m左右，涠洲岛域附近海域分辨率达到100 m左右，能够较好地刻画重点地物。

图8 涠洲岛附近精细化网格剖分(自北向南分别是涠洲岛和斜阳岛)Fig.8 Fine-resolution model gird around Weizhou Island (from north to south: Weizhou Island and Xieyang Island)

图9 涠洲岛西南部沙滩位置及网格剖分(方框内为西南部沙滩)Fig.9 The location of the beach in the southwestern Weizhou Island (the domain in the rectangular box) and the surrounding model gird

图10 模式模拟天文潮与调和分析天文潮对比图Fig.10 Comparison of astronomical tides from the model result and harmonic analysis

5.2 模式验证

图10为2003年第12号台风“科罗旺”影响期间，风暴潮-海浪耦合模式中广东、广西和海南各代表潮位站天文潮模拟结果与调和分析结果比较验证图。从图中可看出，各潮位站天文潮的振幅和迟角与调和分析结果符合较好。北部湾沿海因为潮汐特性比较复杂，天文潮模拟效果较广东、海南沿海稍差一些，但主要的潮汐特征也较好地模拟出来。

图11 模式模拟风暴增水与实况增水对比图Fig.11 Comparison of storm surge from the model result and the measured data

图11为“科罗旺”影响期间，广西和海南各代表潮位站模拟增水与实况增水比较验证图。从图中可看出，各站的增水值和最大增水相位与实况符合较好。需要说明的是，模式模拟的风暴增水由耦合模式加风场驱动的结果减去不加风场(即天文潮)结果所得。

5.3 风暴潮漫滩结果

风暴潮漫滩结果同样是通过密集的陆地高程测点(最小间距0.5 m)是否淹没来展示的。测点是否被淹没则依据调和分析天文潮叠加模拟所得风暴增水与陆地测点高程对比所得。研究区域内沙滩纵深较小(50～150 m之间)，在动态网格较难刻画的情况下，这种判别方法是比较经济且合理可信的。

从前人的研究可以看出，较严重的岸滩侵蚀事件均由高潮位配合大浪造成。因为风暴增水或天文大潮引起的高潮位，使得近海区水层增厚，波浪能增加，同时海底摩擦消能作用也相应减小，“浪借潮势”，海浪向岸传递的能量就更多，对海岸侵蚀作用也会越严重。除了水层增厚带来的影响，高潮位持续时间长短也决定着侵蚀的严重程度[10]。蔡锋等[9]分析比较了台风“艾利”对福建沿海9个岸滩剖面的侵蚀作用，指出沙滩侵蚀区域基本上与大波高所处位置一致，而大波高位置与岸滩坡度和高潮位置紧密相关。根据测量计算，涠洲岛西南部沙滩滩面坡度约为1∶30，与崇武青山剖面比较类似，大波高作用的位置也是滩面沙体主要损失位置应在高潮带。

从图12中看出，2003年第12号台风“科罗旺”影响期间，长时间的风暴增水叠加到高潮上，使得潮水的大范围地突破潮间带，最远漫过大潮线近100 m；沙滩北部、中部及南部均有出现漫过大潮线甚至漫过海边小路的情况。这次风暴潮过程淹没范围和历史淹没点大致相近，中南部沙滩甚至超过历史淹没点。考虑海浪和风暴潮或大潮的联合作用，此时势必打破沿海沙滩泥沙的动态平衡，造成沙滩北部、中部及南部漫滩地区泥沙损失，进而形成对海岸的侵蚀。

参照图6和图12中潮位漫滩的位置与范围，可以有针对性地栽种防风林树种和固沙植被，并适当采取防护性工程建设，如人工补沙、修建岸边道路护堤等，以阻止沙滩继续后退。

图12 0312号台风影响期间最大淹没区域分布Fig.12 Maximum submerged area during the process of the 0312 typhoon

6 结论

本文通过对广西涠洲岛气候、潮汐和风暴潮等历史资料统计分析并结合风暴潮漫滩数值模拟来分析风暴潮和大潮对涠洲岛西南部沙滩侵蚀的影响，得出如下结论：

(1)根据风暴潮历史资料统计，广西涠洲岛的台风风暴潮主要发生在7-8月(占60.5%)，其中7月份发生频次最多(占32.9%)。同时，每年5-7月和10-12月为涠洲岛的天文大潮期，这两个时间段恰好分别是台风影响时段和大风天数最多时段，因此大风天气引起的风暴增水和大浪配合天文高潮位使得这两段时间成为全年中沙滩侵蚀的高危时段。

(2)近几年来高潮位出现的频次和极值均越来越高。年极值高潮位主要集中出现在11月、12月、1月和7月，其中12月份为全年中最易出现年极值高潮位的月份。从某种意义来说，虽然冬季大风造成的风暴增水和波浪远不如台风引起的剧烈，但是其对涠洲岛西南部沙滩的侵蚀影响跟台风相比有过之而无不及。

(3)经耿贝尔方法推算，广西涠洲岛50(100)年一遇的水位为524.2(534.4) cm。50年(100年)一遇高水位在研究区域北部越过大潮线50～60(100) m，中部越过大潮线20～50(30～50) m，南部越过大潮线50～60(60～70) m。海洋工程可以依据推算结果做相应重现期的防护。

(4)风暴潮和大潮对沙质海岸侵蚀的影响不容忽视。通过历史资料统计以及风暴潮-海浪耦合模式结果的对比发现，较强的风暴潮过程叠加在天文潮高潮以后，潮水就会漫过涠洲岛西南部大潮线，在大浪的配合作用下加剧对海滩的侵蚀作用。可以在易侵蚀区域有针对性地栽种防风林树种和固沙植被，并适当采取防护性工程建设以阻止沙滩继续后退。

致谢：本文中使用的广西涠洲岛附近水深地形数据、陆地高程数据以及部分潮位资料由国家海洋局北海海洋环境监测中心站测量并提供，在此表示感谢!

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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。

海洋公益性行业科研专项经费项目——沿海重点保障区域精细化综合预报系统研制与应用(201305031)；广西北海涠洲岛整治修复项目——北海市涠洲岛西南海域岸滩侵蚀研究。

李明杰(1984—)，男，江苏省泰兴市人，博士，助理研究员，主要从事风暴潮预报及相关研究。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，吴少华，刘秋兴，等. 风暴潮、大潮对广西涠洲岛西南沙滩侵蚀的影响分析[J]. 海洋学报，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