苍南县霞关渔港岸线防台等级评估

张钊，梁连松，顾冬明，傅赐福，王培涛

（1.国家海洋局温州海洋环境监测中心站，浙江温州325023; 2.国家海洋环境预报中心北京100081）

1 引言

霞关渔港位于浙江省苍南县最南端海域[1]，是浙南渔场和闽东渔场渔业生产的重要后方基地。据统计每年约有3.9个台风影响苍南，近20 a间直接在苍南及福建北部登陆的台风有19 个。苍南县是浙江省受台风风暴潮灾害影响最严重的地区之一[2]。渔港岸线作为渔港防御风暴潮漫堤的主要工程性设施，开展渔港岸线的防台等级评估，对于提高渔港防灾减灾能力和保障沿海渔民生命财产安全有着十分重要的意义。

台风引发的风暴潮和台风浪严重威胁着沿海渔港岸线设施及其他重点防台保障目标的安全。为此，很多学者开展了风暴潮和台风浪灾害性风险评估研究[3-9]。郑国诞等[3]和何佩东等[4]基于有限元海洋模式（ADvanced CIRCulation Model for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC），根据历史资料将9711 号台风“芸妮”作为最危险路径，构造不同等级台风强度案例，对风暴潮淹没危险性进行了评估。孙志林等[5]从台风强度和受灾程度等考虑，以1211号台风“海葵”为代表进行了象山港防台等级评估。这些工作在极限台风选取和模型耦合计算等方面进行了很好的探索，也为本文的研究提供了有益的参考。

霞关渔港防台等级不明，给渔港防台和抗台指挥决策带来了困难，亟需开展相关研究。防台等级评估过程中，在最不利风暴潮、海浪影响台风路径（即极限台风路径）的选取以及台风风场构造参数计算等方面，行业内还缺乏统一的标准。本文综合历史资料和数值模拟确定极限台风，计算了最大风速半径和台风移速等参数，采用耦合模型模拟了各级台风和路径组合下的风暴潮和海浪过程，重点分析了台风期间渔港的地形特征在叠加水位抬升过程中所起的作用。最终根据渔港岸线实际防护情况，对渔港岸线防台等级进行了评估。

2 模型介绍

2.1 控制方程

潮流模型在球坐标下海水运动控制方程为[10]：

式中：t为时间，λ、φ和R分别代表经度、纬度和地球半径，u、v和w分别为经向、纬向和垂向速度分量，ζ和D为自由表面高度和总水深，θ、s、ρ0和PSLP为海水位温、盐度、密度和海平面气压，f为科氏参量，g为重力加速度，ζBQ为天体平衡潮强迫，α、β为潮汐相互影响作用系数，Km为垂直涡粘系数，Fu和Fv为水平方向的动量分量小尺度物理参数。

海浪模型采用UG-SWAN 模型，基本控制方程为：

式中：波作用量N(σ,θ)，σ为相对频率，θ为波向。Cx和Cy分别为波作用量在x和y方向上的传播速度；Cσ和Cθ为波作用量在频率空间、波向空间中的传播速度。方程右边S(σ,θ)表示能量的输入和耗散。

2.2 计算区域和网格

模型计算范围是115°～138°E 和18°～32.5°N。网格的不同区域配置不同分辨率，外海网格分辨率为15～30 km，温州近海网格分辨率为1～5 km，霞关港附近网格分辨率为20～100 m，网格单元数119 157，节点数63 654。大范围地形使用地形高程数据ETOPO1 ，近海范围为海图数据，渔港港外和港内分别采用2013 和2018 年实测地形数据。网格及水深分布见图1。模型水平方向采用球坐标，垂向为Sigma 坐标。由于沿浦湾内存在滩涂区，开启了干湿计算。开边界由S2、M2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1共8个分潮产生的平衡潮驱动。台风路径信息来自温州台风网（网址：http://www.wztf121.com）。

2.3 模型验证

针对12 场影响苍南海域较为明显的台风过程进行对比验证，验证站次达31 个。限于本文篇幅，仅给出1323 号台风“菲特”期间鳌江站和南麂站验证过程线。经统计（见图2），12 场台风过程中南麂站波高验证的绝对误差为0.9～1.4 m，相对误差为6.0%～9.8%；鳌江站风暴增水绝对误差为8.9～26.7 cm，相对误差为6.1%～14.5%。可见建立的台风风暴潮、台风浪数值模型与实测资料较为一致，可用于后续极限台风构造计算。

图1 模型网格及水深分布

图2 1323号台风“菲特”期间不同站点结果验证

3 极限台风构造

3.1 台风路径比选

（1）历史资料分析

在台风风险评估中，台风路径的选取至关重要。影响苍南县的台风可分为登陆型和海上转向型，其中海上转向型约占30%，苍南位于路径左侧，风暴增水的影响不如登陆型明显。登陆型台风中，尤以浙南闽北登陆的西北行台风对霞关渔港影响最大。根据鳌江站的增水值，从登陆型中筛选出对霞关影响最显著的6 个台风：分别为9417 号台风“弗雷德”、9711 号台风“芸妮”、0216 号台风“森拉克”、0608号台风“桑美”、1323号台风“菲特”和1808号台风“玛莉亚”（见图3）。这6 个台风在鳌江站引起的过程增水基本高于200 cm，其中0608 号台风“桑美”过程增水最高，为403 cm，高潮位则以1 323号台风“菲特”最大，达522 cm。

（2）数模比选分析

为选取对霞关渔港影响最大的极限台风，我们将以上6个典型台风的路径平移至霞关渔港以南约35 km处登陆（与1323号台风“菲特”相同的登陆点）（见图4）。对各台风平移后的路径，配合典型台风与1323号台风“菲特”相同的台风参数，即中心气压965 hPa、台风移速22 km/h、最大风速半径35 km，采用藤田台风风场模型构造各路径下的台风风场，驱动海洋模型，获取各个台风在新路径条件下的港内风暴增水和有效波高情况。

从霞关渔港内选取6 个水位对比点和12 个波高对比点。经统计分析（图略），1323 号台风“菲特” 路径下模拟得到的潮位最高，达4.46～4.51 m；1808号台风“玛莉亚”次之，为4.14～4.22 m；0216号台风“森拉克”路径下潮位最小。波浪方面，1808 号台风“玛莉亚”路径引起的波高为各路径下最大，处于1.12～1.42 m 之间。1323 号台风“菲特”在港内有25.0%的点波高值为各路径下最大，58.3%的点波高值位于第二。综合最高潮位和有效波高的对比结果，选用1323号台风“菲特”作为本次渔港防台等级评估的极限台风。

3.2 台风路径构造

将1323 号台风“菲特”路径平移到霞关渔港中心位置，并以22.5 km 为间距分别向南北方向平移，平移路径分布如图5所示。在原路径基础上派生成18 条相互平行的台风路径，生成的路径要覆盖整个研究区域并使得区域的每个点都能受到这种类型路径下最不利路径的影响。

3.3 最大风速半径

以霞关渔港为中心、登陆点位于100 km 半径范围内，2004 年后影响苍南较显著的12 场台风的7 级风圈半径为基础，将7 级风圈半径的1/10 作为最大风速半径来作统计。12场台风的7级风圈平均值为356 km，据此选择最大风速半径为35 km。这与1323号台风“菲特”的相关参数特征相接近。

3.4 台风强度及移速

为了评估相同台风强度影响下霞关渔港岸线防台等级，以极限台风路径距渔港最近点强度（965 hPa）为原始强度，按照10 个等级改变台风强度，应用于数值模拟计算，以获得各级下的最大增水分布与海浪分布。文中统一以近中心最大风速等级（见表1中的风级）代表台风等级。台风移动速度也是影响近海风暴潮和海浪的重要因素，一般在10～40 km/h，选取1959 年来对霞关影响较大的22场台风的移速，取其平均值，为22 km/h。

4 渔港岸线设施评估

利用以上信息构造极限台风风场，驱动耦合模型，将风暴潮最大增水叠加到近3 a 6—9 月期间的平均高潮位上，获得不同等级下的风暴潮和台风浪模拟结果。霞关渔港岸线可分为人工岸线和自然岸线（见图6）。人工岸线以瑶洞村-大蕉坑段最长，墙身采用浆砌块石结构，基础为低桩承台，长约1.8 km，实测堤顶高程4.0～4.6 m，挡浪墙高程5.1～5.6 m；其余人工岸线较短，结构为直立式护岸，墙身采用块石结构，堤长约0.55 km，堤顶高程分别为5.6～7.0m。自然岸线后方无人工建筑，且地势较陡，故不对其进行评价。沿渔港护岸设置S1—S6共计6个评估点，提取风暴潮潮位和有效波高，结合护岸和设施高程数据，评估越浪和漫堤的可能。

图3 平移前台风路径

图4 平移后各台风路径

图5 1323号台风“菲特” 平移路径及派生路径

表1 不同等级台风构造信息表

判断岸线是否漫堤或者越浪的标准为[11]：

图6 渔港岸线高程及评估点分布

式中：Hwl为叠加水位，即最高潮位和0.5 倍有效波高之和。Ht为天文潮、风暴潮和台风浪作用下的最高潮位，H挡浪墙为渔港岸线的堤防或挡浪墙顶高程，H波为有效波高。逐级施加台风作用，计算得出各评估点的Hwl并与岸线高程进行比较。当Hwl高于岸线高程时，即认为渔港岸线防台能力丧失，从而确定渔港岸线的防台等级。

4.1 模型结果分析

霞关渔港位于沿浦湾，港外修建有老鼠尾防波堤和门仔屿防波堤，水下地形整体由南向北逐渐变浅（见图1c）。受防波堤掩护及水下地形影响，从模拟结果来看，最大有效波高呈现霞关港外向港内、沿浦湾外向湾内双递减的趋势。最高潮位变化同样受到沿浦湾地形的影响，越接近湾顶，随着水深变浅，最高潮位呈现增大的趋势。临近台风登陆时，海流分别从东口门（即门仔屿-南关岛口门以及门仔屿-霞关口门）、沿浦湾湾口分两路向湾内涌入，尤其是东口门处较不施加风强迫时海流显著增强，有利于海水在港内堆积。随着台风强度的增大，海流向岸越强，最高潮位与台风强度显著正相关。具体分析如下:

图7 各级台风下霞关渔港海域最大有效波高分布

通过比较各平移路径下潮位和有效波高计算结果，确定霞关以南22.5 km 的平移路径为极限台风路径。该路径下11、12 和13 级台风对应的最大有效波高和最高潮位结果如图7所示。11级台风影响下，波高1 m 等值线大致位于南关岛-瑶洞村和三星澳-老鼠尾防波堤堤头，港内有效波高基本处于1 m以下，防波堤外有效波高约为1.25～1.75 m。12级台风影响下，渔港附近海域1 m 等值线中三星澳-老鼠尾防波堤堤头部分向东延伸了300 m，瑶洞村-南关岛1 m 线则无明显移动，评估点有效波高增大了0.10～0.30 m。13 级台风影响下，渔港附近海域1 m 等值线中三星澳-老鼠尾防波堤堤头一线较12级向东延伸了500 m，瑶洞村-南关岛1 m 线无明显移动，S1—S6 有效波高增大约0.10 m，达0.90～1.15 m，防波堤外有效波高约为1.25～2.00 m。

图8 各级台风登陆前1 h霞关渔港海域流场分布

台风登陆前，强劲的东北风会驱动海水形成风暴潮流涌向岸边，导致港池内海水堆积，潮位增大。这在台风登陆前1 h 的流场分布对比中体现最为明显（见图8）。由于接近涨憩，未施加风场强迫时港内及东口门处流速普遍偏小，介于10～25 cm/s，湾口处流速约15 cm/s。当施加了11 级台风风场强迫后，东北风驱使海水自南关岛东北海域向西南流动，在南关岛北侧附近海流分为西北、东南两支，其中西北支海流由东口门涌入港内。渔港海域流速普遍增大，港内流速约为20～40 cm/s；东口门流速显著增强，达到45 cm/s，流向西北；湾口流速增幅较小，流速约为25 cm/s，流向为北。台风登陆前东口门及湾口流向均指向湾顶及港内，极大地抬升了港内潮位，港内最大潮位达到4.45～4.57 m，湾顶潮位为4.57～4.60 m（见图9）。12 和13 级台风作用下渔港海域流速进一步增大，13 级台风时东口门达到了80 cm/s，港内流速约30～80 cm/s，港内和湾顶潮位较11级分别增大约0.45 m和1.10 m。

4.2 等级评估

11级台风影响下，港内评估点S1—S6的有效波高为0.70～0.80 m，评估点最高潮位为4.47～4.51 m。 综合最高潮位和有效波高，S1—S6 的叠加水位在4.85～4.89 m 之间，均低于图6 相应岸线高程值，尚未发生漫堤。

12 级台风影响下，S1—S6 的有效波高比11 级台风增大了0.10～0.30 m，最高潮位较11 级升幅约为0.24 m，达4.73～4.75 m。综合最高潮位和有效波高，各评估点的叠加水位为5.14～5.26 m，其中S4已经高于其高程，该岸段会发生漫堤。

13 级台风影响下，渔港内有效波高总体趋势增大，有效波高较12级增大约0.10 m，达0.90～1.15 m，最高潮位升幅0.20～0.25 m，达4.93～4.96 m。综合最高潮位和有效波高，各评估点叠加水位为5.41～5.54 m，除S3 点外，叠加水位均超过其余点高程，霞关港内大部分岸段会漫堤。

综合各级极限台风下各评估点的可能漫滩情 况，对岸线防台等级进行评估，其中S5 处防台等级稍低为11 级，S3 处防台等级最高为13 级，其余点的防台等级均为12 级（见图10）。综合各评估点防台等级，按照就低不就高的原则[7]，评估霞关渔港岸线设施的防台等级为11级。

图9 各级台风下霞关渔港海域最高潮位分布

图10 评估点岸线防台等级

5 结论

为评估浙江省霞关渔港岸线防台等级，本文构建了适用于该海域的浪-流-潮耦合模型，并进行风暴潮案例的验证，以保证模型精度。选取了历史上对霞关渔港影响较为严重的6 个台风，通过路径平移，并设定一致参数的方式构建台风风场驱动数值模型，比较了各路径模拟的潮位和波高后，确定1323 台风“菲特”路径为极限台风。以极限台风为基础，平移形成18 条派生路径，并对应10 个台风等级，形成不同路径和强度的台风风场，模拟了霞关渔港内的风暴潮和台风浪过程，获取最大可能影响结果。

霞关渔港受沿浦湾地形影响，越靠近湾顶，最高潮位越大，同时湾内具有良好的遮蔽性，湾口防波堤增强了港内避浪效果，港内的波高显著小于防波堤外波高。台风影响时，强劲的东北风极大地增强了自东口门输运入港内的水量，导致海水不断堆积，抬升了港内及湾顶的潮位。在11 级台风影响下，港内叠加水位在4.85～4.89 m 之间，均低于相应岸线高程；12 级台风影响下港内叠加水位为5.14～5.26 m，中部部分岸段会发生漫堤；在13 级台风影响下大部分岸段会漫堤；按照渔港防台导则，结合渔港实际防台情况，以就低不就高的原则，将霞关渔港岸线防台等级确定为11级。

本文研究重点是评估霞关渔港岸线设施，研究方法对于沿海渔港岸线设施及其他重点防台保障目标的风险评估也有重要的可借鉴意义。