城市气候适应针对性研究<br/>——以青岛市风暴潮淹没风险为例❋

城市气候适应针对性研究
——以青岛市风暴潮淹没风险为例❋

2022-06-28郑渝莹江文胜

中国海洋大学学报（自然科学版） 2022年7期

郑渝莹，于格，2❋❋，江文胜，2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266100)

适应气候变化是指通过调整自然系统和人类系统，以应对实际发生的或预估的气候变化或影响[1]。郑大玮认为，适应气候变化的本质是通过对受体系统类型的选择与内部结构、功能的调整，使之与变化了的气候环境相协调，达到既趋利又避害的效果[2]。作为一个受气候变化影响的受体系统，城市呈现出典型的人口和经济聚集度高、区域特征显著的特点。为达到适应的核心目标——趋利避害，城市适应策略承担着将国家和省级的适应策略设计细化到中观尺度，并根据城市特点制定具有针对性的适应策略的重要任务。现阶段在城市尺度上的适应策略制定多集中于政府部门制定和发布的城市适应规划或是行动方案。譬如纽约、波士顿、萨利纳斯等西方发达国家的部分城市已研究出针对城市特点的适应气候变化规划或指南[3-5]，中国在适应气候变化领域虽接触较晚，但自2013年《国家适应气候变化战略》和2016年《城市适应气候变化行动方案》提出后，城市层面的适应气候变化行动方案或规划逐渐从第一批 28个试点城市[6-8]及其他发达城市(上海[9]、重庆[10]、青岛[11]等)中推行起来。这个领域适应策略的特点在于政策性较强，涵盖社会经济领域广泛。与此同时，虽然国外某些发达城市可以达到部分定量化的程度[12-13]，由于国情、数据可获取性等方面差异，目前国内的适应策略研究仍存在较多偏向于定性描述的问题；此外，也有部分学者开展了关于城市或是区域尺度上的适应理论和方法论研究[14-17]，这将对增强适应政策制定的科学性提供较好的理论支持。

由气候变化引起的极端天气气候事件频发，这些事件是目前适应气候变化和灾害风险管理领域中的关注重点。风暴潮是影响沿海城市的一种重要海洋灾害，是指由于强烈大气扰动，如强风或气压骤变导致的海面异常升高或降低的现象[18]。气候变化背景下风暴潮发生的频率和破坏程度均有所增加，再加之海平面上升的长期影响，沿海城市发生风暴潮淹没，乃至风暴潮灾害的可能性也随之增加。对风暴潮淹没进行有效量化，评估沿海城市气候变化风险和制定具有针对性适应策略的重要内容和基础之一。目前，关于风暴潮淹没风险研究多偏向于风暴潮增水海洋过程的模拟[19-22]，和灾害损失评估[23-26]等，相比较而言，以适应策略制定为目的风暴潮研究开展的则相对较少。

青岛市位于山东半岛南部(119°30′E—121°00′E、35°35′N—37°09′N)，地处黄海之滨，海岸线漫长，是中国北方典型海岸带城市的代表之一。青岛市经常遭遇各种海洋灾害, 其中影响最为严重的当属台风和风暴潮，平均每年遭受约 1.08 个经黄海或近海北上台风的影响[27]。仅以2019年“利奇马”台风登陆青岛为例，山东省沿海地区直接经济损失 21.63 亿元，位列全国第二[28]。本文以青岛市风暴潮淹没风险为例，以针对性为重点，开展城市适应策略的制定研究：首先，基于GIS平台，将未来气候变化背景下8种台风路径影响下的风暴潮淹没情况进行科学评估和量化，提出综合性指标“沿海岸线淹没风险危险等级”，将气候变化及其不确定性影响下的沿海岸线受风暴潮淹没影响的危险程度以简单直观的形式表征出来。在此基础上，根据国内外海岸带城市在适应风暴潮淹没风险的先进经验，构建可操作性的青岛市适应建议策略集，为构建海岸带风暴潮淹没灾害风险管理和城市适应针对性研究奠定一定的基础。

1 研究方法

在城市适应策略制定过程中，需要根据区域气候变化及影响特点，并结合城市自然地理特征和社会经济发展水平，制定具有针对性的适应策略，使其政策效果既能承上启下又能因地制宜。为达到以上目的，本文将城市适应策略制定的针对性具体细化为三个方面：评估过程具备科学性、评估指标的选择具备合理性、适应政策具备可操作性。在此基础上，根据区域特点，将青岛市风暴潮淹没量化及其适应策略的制定划分为以下几个步骤：

1.1 风暴潮增水过程描述

从影响风暴潮淹没风险内在因素角度来看，可将其划分为两个过程：风暴潮的增水过程(海洋过程)和风暴潮的淹没过程(陆地过程)。风暴潮的增水过程主要是描述从风暴潮起源的大气对海洋的强迫作用，到风暴潮在海上的成长和发展过程，针对青岛市而言，风暴潮的增水过程主要影响因素为台风和海平面上升。

本文利用的主要源数据涉及台风、海平面上升、海浪和风暴潮增水过程产生的综合水位等，以上数据均来源于中瑞合作项目“中国适应气候变化项目二期(ACCCⅡ)”青岛案例中的部分数据结果。

(1) 台风路径数据结果：根据对影响青岛市台风类型的观测资料进行综合分析，筛出影响青岛及近海的8种台风路径，分别为：登陆转向型(0515)(A)、登陆北上型(0509)(B)、高纬西进型(1210)(C)、黄海西折型(1105)(D)、近海转向型(8114)(E)、近海北上型(1109)(F)、登陆填塞型(7708)(G)、远海影响型(7308)(H)，示意图见图1(a)。

((a)为青岛近海8种常见台风路径；(b)为青岛市风暴潮模拟模型格网图。(a)Eight common typhoon paths in Qingdao coastal waters；(b)The grid diagram of Qingdao storm surge simulation model.)

(2) 海平面上升数据结果：参考政府间气候变化专门委员会(IPCC)AR4报告中利用CMIP3模拟出的不同情景，以A1B情景下CO2浓度和排放强度为基础，建立随机动态预测模型，再结合青岛沿海海平面历史趋势和周期性变化，对青岛沿海海平面上升率预测如下：在全球变暖2 ℃情景下，青岛沿海海平面上升率为3.0 mm/a，在4 ℃全球变暖情景下，青岛沿海海平面上升速率为6.5 mm/a。

(3) 风暴潮增水数据结果：采用变分辨率的非结构化三角形网格，利用Adcirc模型(模型示意图见1(b))，以影响青岛及近海的8场典型台风为动力，考虑不同温度变化以及海平面上升影响，对风暴潮增水过程进行模拟，并获得不同强度和不同路径的台风造成的风暴潮增水水位情况。

1.2 风暴潮的淹没过程描述及其影响因素确定

从适应方法学角度上来看，由于气候变化本身的复杂性和预测方法的局限性，如何将淹没风险的针对性及精确化预估与科学的不确定性分析结合，以使其成为真正指导制定具有针对性的适应策略的科学工具，也是本文期望解决的问题之一。

本文所指的风暴潮淹没过程主要是描述以风暴潮增水为主要来源的洪水淹没陆地的过程。一般来说，陆地高程是决定淹没的首要因素，即：地势低的地方淹没面积大，但同时，对于青岛市而言，存在海岸线漫长且有多条独立入海河流的特点，风暴潮发生时常伴有暴雨等极端天气事件发生，因此河流的入海口及感潮段经常会发生河流溢流现象，这样由风暴潮增水及暴雨共同产生的洪水随着河道流向陆域腹地。因此从地形、地势和河流水系条件来看，青岛沿海地区易发生淹没的区域一般可以分为两类：沿海岸线地势低洼类和河口区地势低洼类。

因此，从针对性角度来探讨青岛市风暴潮的淹没过程，有以下两个因素对评估风暴潮淹没风险而言具有重要意义，分别是：陆地淹没水深和海水淹没陆地的纵深距离。其中，陆地淹没水深是指风暴潮经过海上增水过程后涌上陆地，在一定陆地高程基础上体现出来的实际淹没水深，也就是风暴潮增水过程生成的综合水位与陆地淹没区的高程之差，该因素可以体现陆地高程对风暴潮淹没的影响；海水淹没陆地的纵深距离，是指风暴潮淹没在陆地上能达到的最远距离，即：与淹没岸线垂直的最远淹没距离，该因素可以体现风暴潮增水是否由海岸线沿河流水系流向陆域腹地。

1.3 沿海岸线淹没风险危险等级的提出

1.3.1 沿海岸线淹没风险危险等级计算流程针对风暴潮淹没的陆地过程，本文提出一个综合性指标“沿海岸线淹没风险危险等级”，该综合性指标主要包含陆地淹没水深和海水淹没陆地的纵深距离两个指标，借助于地理信息系统(GIS)平台的缓冲区空间分析法，将陆地淹没水深与海水淹没陆地的纵深距离投影到对应的沿海岸线(这里的岸线是指青岛市陆地边界岸线，忽略了周围岛屿)；在经过标准化处理后，形成无量纲的综合性指标“沿海岸线淹没风险危险等级”，并以该指标表征气候变化及其不确定性影响下的沿海岸线受风暴潮淹没风险影响的危险程度。计算的主要流程图见图2。

图2 沿海岸线淹没风险危险等级计算流程图

1.3.2 陆地淹没水深计算流程如1.2部分所示，陆地淹没水深是本文提出的一个代表实际淹没水深的一个指标，这是表征风暴潮淹没风险危险性的一个重要指标。针对城市而言，在计算过程中需要注意两点：一是如何在一定地理空间范围内将隶属于不同数据类型的风暴潮增水综合水位与陆地高程一一对应，计算获得相应点位的差值，也就是陆地淹没水深值；二是如何将陆地淹没水深值与城市实际情况相对应，以获取对水深危险等级的分类。因此，本文设计的计算原理和流程如图3所示。

图3 淹没水深计算原理示意图

在ArcGIS平台上，首先将DEM图像和水位点矢量数据图像的经纬度和坐标系进行统一(本文统一成WGS 1984坐标系)，以保证栅格数据和点矢量数据在空间位置上的统一；其次，为解决不同类型数据间不能进行直接计算的问题，基于栅格数据任意一个栅格内具有唯一数据值的原理，本文利用水位点矢量数据识别其对应的栅格空间位置，将该栅格内所有的点进行重采样并赋予该栅格唯一所属DEM值，并与水位点矢量一一对应，由此完成利用水位点矢量数据提取该点所在DEM栅格数据值的操作步骤；第三步，将重采样后的各水位点的矢量数据与DEM值相减获得到陆地淹没水深值；最后，参考国家《风暴潮灾害风险评估和区划技术导则》，并根据青岛市实际情况，将陆地淹没水深危险程度分为：无淹没、轻度淹没、中度淹没、重度淹没以及致命淹没5级，当水深值大于1.2 m(大约成年人胸部位置)即视为重度淹没，可能会对人民生命财产安全造成巨大威胁。

1.3.3 海水淹没陆地的纵深距离计算流程海水淹没陆地的纵深距离是指风暴潮淹没在陆地上能达到的最远距离，该指标可以较好的区分出风暴潮增水是只停留在海岸线附近还是由海岸线沿河流水系流向陆域腹地的不同情况，尤其是当洪水流向陆域腹地后，会产生河流溢流型淹没，甚至成为二次潜在淹没区，这将对离海岸线较远但是处于这种二次潜在淹没区中的建筑物和人群产生深刻的影响。

为了准确反映河流溢流型淹没的影响，本文在计算海水淹没陆地的纵深距离时，考虑到部分岸段对应海水淹没的纵深距离远大于单位岸段长度(本文根据青岛市特点，选取的单位岸段长度1 km)，而此时进行空间影响分析时所常用的圆形缓冲区不能较好的体现该特征，因此本文参考微积分理论，并基于陆地淹没分析中经典方法——种子蔓延算法的基本原理，以淹没岸线为地理实体，自动建立具有一定宽度的矩形缓冲区，数学表达式为：

Bi=(x:xi∈(a,b),d(xi,Oii)<=L)。

式中：Bi代表的是最终所求得的缓冲区范围；xi是研究区范围内的任意一点；(a,b)是研究区总的范围；d(xi,Oii)是研究区内任意点xi与所求数据点Oii之间的距离；L是自行设置的缓冲区范围参数)的临近度影响范围，将陆地淹没水深与海水淹没陆地的纵深距离投影到对应的沿海岸线上。

具体步骤如下：①根据城市具体情况，按照所需精度将岸线划分为单位长度的近似直线岸段(如上所述，本文所取单位长度为1 km)；②判断岸线左右两侧的海陆相对位置关系，并对各直线岸段沿向陆方向构建矩形缓冲区；③将各矩形缓冲区与淹没面积相交取得缓冲区内对应的淹没面积；④计算各缓冲区淹没面积与缓冲区对应岸段长度之比，将其视作海水淹没陆地的纵深距离。

1.3.4 沿海岸线淹没风险危险等级的聚类根据计算获得的沿海岸线淹没风险危险等级的空间数据，计算获取青岛市沿海岸线淹没风险危险等级的平均值；根据优先适应原则，筛选沿海岸线淹没风险危险等级大于0.5的岸线，根据其所处地理位置，将相对集中在一起的沿海岸线淹没风险危险等级为中等以上的岸线集合起来，确定高风险岸段；在此基础上，按照其所在的主要地理位置对该高风险岸段进行命名。

1.4 适应策略的逐级定性化

为了使适应策略的提出具有针对性，符合城市的自然地理和社会经济发展特点，从适应方法学的角度来看，应将风险评估得到的定量化结果，逐级定性化，并转成具有可操作性的适应策略及措施。

为了达到上述目的，本文根据沿海岸线淹没风险危险等级的空间分布特点，并依据陆地淹没水深与海水淹没陆地的纵深距离进行淹没归因分类和科学分区，并根据淹没区的不同特点和需求，合理制定具有针对性的适应策略及措施。具体步骤如下：

(1) 淹没归因分类：根据沿海岸线淹没风险危险等级的空间数据，并结合陆地淹没水深和海水淹没陆地的纵深距离两个指标对该值的贡献率，分析导致该岸线淹没的主要原因；在此基础上，细化并归纳导致高风险岸段淹没的主要原因。

(2) 科学分区：根据以上步骤确定的高风险岸段并获得的淹没归因，对青岛市沿海岸线淹没风险危险等级，进行科学分区。

(3) 适应策略及措施的提出：根据国内海岸带城市在适应风暴潮淹没风险的先进经验，在此基础上，根据步骤(2)科学分区中得到的基于不同淹没原因的高风险岸段，构建可操作性的青岛市适应建议策略集。

2 青岛市风暴潮淹没风险等级的预估

为了研究青岛市沿海风暴潮淹没风险大小，本文利用沿海岸线淹没风险危险等级，对8种台风在2025、2035和2055年3个时间段以及2和4 ℃增温情景下可能对青岛沿海风暴潮淹没风险的影响范围及岸线进行预估，共得到48副沿海岸线淹没危险等级分布图(见图4)。但考虑到篇幅问题，这里仅以淹没风险最大的登陆北上型(0509)2055年4 ℃增温情景为例进行展示(见图5)。

(图中所示较高风险岸段即为淹没危险风险等级大于0.5的岸段。Moderate high risk is shown in theFigure that the coastal flood risk level is greater than 0.5.)

图5 青岛市岸线淹没危险风险等级分布图(4 ℃增温、2055年)

通过图4和5可以看出：

(1) 针对8种台风类型：通过对比相同情景下8种台风对青岛市沿海岸线淹没风险危险等级的影响可知，登录北上型(0509)和高纬西进型(1210)台风对沿海岸线淹没风险危险等级的影响更为强烈；黄海西折型(1105)的影响相对最小，但在胶州湾沿岸也存在风险值大于0.8的岸段；与此同时，各种台风类型影响下的沿海岸线淹没风险危险等级的空间分布规律具有高度一致性。

(2) 针对2和4 ℃增温情景：除近海北上型(1109)台风外，随着温度的增加，各种台风造成的沿海岸线淹没风险危险程度在等级上和范围上均有较大程度的增加，而近海北上型(1109)台风变化不明显甚至略有下降。

(3) 针对不同时间尺度：随着时间尺度的加大，各种类型台风的沿海岸线淹没风险危险程度在等级和范围上均有一定的增加。其中，淹没风险增加的岸线主要涉及：黄家塘湾岸段东侧岸线、鳌山湾、国际博览中心附近岸线、大沽河与墨水河入海口之间部分岸线等。0509号台风造成风险受时间尺度变化影响的增幅最大，中高风险岸段数目增幅近50%。

(4) 针对高风险岸段：对于所有情景而言，大沽河口及其附近岸线是青岛市淹没风险危险等级最高的岸线，大部分岸线都处于较高风险或高风险等级，风险值最高可达0.98；此外，对于除黄海西折型(1105)以外的大部分台风类型而言，在黄岛东北端辛安南河入海口和小叉湾一带、城阳墨水河入海口处也存在沿海岸线淹没风险危险等级相对较高的岸段，风险值在0.6～0.9左右徘徊。

3 基于风暴潮淹没风险的青岛市适应策略建议

3.1 淹没归因分类及科学分区

为提高适应策略的针对性和高效性，根据优先适应原则，依据青岛市沿海岸线淹没风险危险等级的预估结果，本文重点关注在未来气候变化情境下青岛市具有潜在高风险的岸段。具体岸段如下：选择淹没风险最大的时段情景(即：2055年4 ℃增温情景)下，8种台风类型淹没岸线淹没风险等级大于0.5的所有岸段；根据陆地淹没水深和海水淹没陆地的纵深距离两个指标对淹没风险等级的贡献率，进行淹没原因归因。当陆地淹没水深指标贡献率大于海水淹没陆地的纵深距离指标时，视作地势低洼型淹没岸段，陆地淹没水深指标贡献率小于海水淹没陆地的纵深距离指标时，则视为河流入海口溢流型淹没岸段(见图6)。