江苏省灌南县风暴潮灾害风险评估与区划*

潘锡山,李春辉,韩 雪,刘仕潮

(1.江苏省海涂研究中心,江苏 南京 210036; 2.南京信息工程大学 海洋科学学院,江苏 南京 210044; 3.国家海洋环境预报中心,北京 100081)

0 引言

风暴潮灾害是对我国影响较为严重的海洋灾害之一,对其进行定量化评估和防御工作亟待推进。江苏省位于黄海西侧,频繁的台风天气系统引发的海洋灾害影响较大。《中国海洋灾害公报》(1989—2020)显示,在过去30年,江苏省因海洋灾害造成的死亡人数超600人,造成的直接经济损失超过100亿元[1]。国务院、国家海洋局和江苏省各级主管部门[2-4]连续下发《江苏省“十四五”海洋经济发展规划》与《县级尺度海洋灾害风险评估与区划编制项目》等文件督促加快县级防御。但由于缺乏对各类海洋灾害发生规律和风险分布情况的全面掌握,海洋灾害一直影响着江苏省沿海地区经济社会发展的科学布局、政府防灾决策以及人民群众防灾避灾。基于此,本文研究以江苏省灌南县为例,进行县级尺度的海洋灾害风险评估研究。

有学者在县级尺度台风风暴潮脆弱性、综合性风险的定量化评估方面已经开展了一定的工作,但其效果尚未达到海洋灾害风险管理的精细化要求[5-7]。针对该问题,现有的研究多集中在评估手段上。李颖等[8]以福建省连江县216场热带气旋为例,建立了各等级可能最大热带气旋最大风速、中心气压、移动速度等参数设定及路径合成的方法。章晓洁等[9]建立了上海市沿海5区的3个区域风暴潮模型的计算和评估方法,提出潮位、增水、淹没水深、危险性、脆弱性、风险等级和风险区划等模型分类集成方法。丁玉蓉等[10]通过黄骅市台风和温带风暴潮漫滩数值模型,发现在965 hPa和955 hPa级别的台风风暴潮影响下,沿海乡镇均有不同程度受损。尹宝树等[11]通过对黄河三角洲近岸海域主要堤段进行多年一遇和典型台风过程漫堤灾害的风险评估,提出区域性的漫堤风险评估标准和评估方法。周亚飞[12]以浙江沿海为例构建了区域台风风暴潮灾害的风险评价指标体系。梁海燕等[13]建立了适用于海口湾沿岸风暴潮风险区的损失评估模型,分析了海口湾沿岸风暴潮的风险区域。牟林等[14]公开了一种基于ArcGIS平台的台风风暴潮风险评估方法及系统,对每个区域的最终风险值因素进行了定量化计算。林泽辉[15]把气象模式WRF输出结果作为边界条件,分析了台风过境期间珠江口范围内可能影响深圳市堤防安全的最大风暴潮过程。同时,从政策上,张乐晨等[16]指出必须对台风风暴潮灾害的风险进行综合评价并进行等级区划,以确定风险较高的地区,为决策部门的资源配置、防灾减灾规划提供参考和依据。王国栋等[17]指出海堤最大承载能力和外力组合胁迫下的响应等过程具有复杂性,需要考虑沿海地形在快速开发过程中的变化,合理模拟并反映出漫滩过程尚有许多要解决的理论和实际问题。

针对海洋灾害风险管理精细化程度不高的问题,本文以江苏省灌南县为例,首先,通过系统梳理和调查县级历史灾情,构建高分辨率非结构三角形网格风暴潮灾害风险评估模型。其次,基于构建的精细化模型,对各等级强度的台风引起的风暴潮进行模拟,即可获取不同条件下不同等级强度台风风暴潮造成的淹没范围和风险评估结果。最后,结合灌南县县级承灾体脆弱性,开展不同等级风暴潮的危险性分析,进行不同强度风暴潮灾害风险评估与区划。本文提出的关于风暴潮灾害风险评估与区划的评价方法、评价过程及评价指标可为江苏省或全国其他沿海县市提供借鉴。

1 数据方法

1.1 研究区概况

灌南县隶属于江苏省连云港市,地处北纬 33°59′至34°27′、东经119°07′至119°48′之间,东部濒临黄海。东面和东南面与盐城市响水县交界,南面与淮安市涟水县接壤,西面与宿迁市沭阳县毗邻,北枕新沂河与灌云县相依,为连云港市南大门。县域东西最长直线距离71 km,南北最宽30 km,水域面积222.7 km2;海岸线长1.95 km,海域面积1.32 km2。特征潮位以河口区的燕尾港水文站为代表,据1930—1937年及1961—1981年资料统计:年内各月潮位变化受上游泄洪影响,汛期平均潮位较枯水期高出0.30 m左右,逐月潮差变化不大,夏半年与冬半年潮差变幅仅0.1 m左右。

1.2 使用数据

本文使用的研究区内的数据包含1∶10 000的数字线划图等高程数据;直接或间接遭受灾害损失的重要公共设施、学校、商场等承灾体专题类数据;天文潮及风暴潮增水等风暴潮数据;台风数据采用中国科学院海洋研究所海洋大数据中心(http://msdc.qdio.ac.cn) 发布的中国近海台风路径集合数据集,时间范围为1949—2020年。该数据集提供了每6 h,3 h和1 h这3个等级的位置和强度,如经纬度、中心气压、最大风速半径等特征信息。热带气旋强度越强,间隔时间越短。

1.3 模型搭建

研究采用美国北卡罗来纳大学和美国圣母大学于1992年研制的ADCIRC 55.01和SWAN耦合的模型模式。该模式被美国国家海洋和大气管理局(NOAA)应用于美国东海岸的风暴潮预报及路易斯安那州的风暴潮风险评估系统中,也已在我国河北、浙江、福建和江苏等省风暴潮预警预报、风险评估系统中采用。ADCIRC模型是新一代海洋水动力计算模型,采用非结构三角形网格,可灵活调整网格分辨率以刻画复杂的近岸河口地形。采用干湿法处理动边界,可用于计算一维障碍物的溢流,河堤、海堤的漫堤计算,还能将海堤作为边界添加到模式的网格中。

研究区域的经纬度范围为117.55°E～128.64°E和25.75°N～40.91°N,模型网格共775 858个三角形单元,393 174个节点。采用海图、实测近岸地形和分辨率50 m的陆地高程数据插值得到各个网格点的水深地形(见图1)。SWAN和ADCIRC共用同一套非结构网格和信息传递结构,采用METIS分解法拆分网格,合理模拟波浪和海流以及它们从深水到复杂的近岸区域的传播。利用ADCIRC模式进行台风风暴潮数值模拟时,采用冷启动、球坐标系、二维模式类型,底摩擦应用曼宁系数形式,考虑有限振幅项并采用干湿法,科氏参数基于β平面近似,考虑潮汐作用,台风风场采用NWS=305,TAU0=-3(时间和空间均可变,当H>10时,TAU0=0.005,当H<10时,TAU0=0.02,并且随时间而变,TAU0=0.03+1.5×Tk,Tk为时间参数),时间步长DT=0.5 s,时间权重参数为0.35,0.30,0.35,干湿标志参数H0=0.05 m。初始海洋静止,只考虑正压情况,不考虑温度、盐度随时间和空间的变化情况。在边界条件部分,海表面边界采用中国科学院提供的台风年鉴,包括台风路径、强度等台风信息,作为台风风暴潮检验和台风风暴潮漫堤漫滩风险评估的海表面气象强迫场。部分温带风暴潮过程采用再分析风场作为模拟评估使用的海表面气象强迫场。对于陆地、岛屿等陆边界,在边界上满足不可入射条件,即取法向流速为零;在外海的开边界上,指定水位边界条件为开边界控制量。

a 水深地形

2 风暴潮过程模拟及验证

利用建立的模型模拟2020年8月份一整月的天文潮过程,并与同时段的潮汐表潮位过程进行对比验证。由表1中结果可以发现,10个站点(分布在江苏省沿海的海岸线上,站名分别为滨海、大丰港、火星沙、连兴港、连云港、吕四、射阳河口、外磕脚、洋口港和燕尾港)模拟天文潮的逐时平均绝对误差为6～17 cm,平均值为11 cm;各站点逐时平均绝对误差与模拟期间最大潮差的比值范围为1.55%～4.15%,平均值为2.24%。可以看出模拟的天文潮与潮汐表的结果相位重叠好,模拟潮位的误差较小,可满足风险评估的要求。

模拟1985—2018年间影响灌南县沿海的16个典型热带气旋风暴潮增水过程,模拟与实测对比情况如表2所示。37个站次风暴增水极值的绝对误差在2～23 cm之间,平均绝对误差为7.30 cm,相对误差为8.81%,表明风暴潮过程模拟较好地重现了历次风暴潮的发生过程,相对误差和绝对误差符合要求,达标率超过80%,可用于构造台风风暴潮的计算。

3 风暴潮灾害风险评估

首先明确灌南县沿海天文潮的特征潮位,然后通过统计影响该县的热带气旋等,构造可能最大台风风暴潮路径,最后计算该县不同等级风暴潮淹没范围及水深。

3.1 沿海天文潮特征潮位

在风暴潮灾害风险评估中选取该地区代表性潮位站连续21年的月最大天文潮10%超越概率高潮位作为天文潮位,用以叠加台风风暴潮情况。灌南县沿海的天文潮属于规则半日潮,潮汐具有18.61年的周期,以燕尾港站2020—2040年共21年6—10月各月最高潮位统计,可得21年台风季天文高潮位的平均值为253 cm(85高程);最高天文潮位为279 cm(85高程);21年间各月最高潮位10%超越概率的高潮位为273 cm(85高程)。在后续模拟时,通过对天文潮模块的调试,使台风过程正处于天文大潮期,台风登陆时段产生的最大增水时段恰好叠加在模拟的天文高潮上,且天文高潮值与上述10%超越概率的高潮位一致,以模拟台风风暴潮最严重的结果。

3.2 台风路径

进一步对影响该县的热带气旋进行统计。1949—2020年间,影响灌南县的台风,多数强度较弱。影响灌南县的所有热带低压及以上强度的台风数量为86个,平均每年影响数量为1.2个;热带风暴及以上强度的台风数量为51个,平均每年影响数量为0.7个。其中,在影响区域内强度不足热带风暴的有35次(占比40.7%),热带风暴的有29次(占比33.7%);强度为强热带风暴的有16次(占比18.6%);强度为台风的有6次(占比7.0%);强度为强台风或以上的为0次。主要为登陆北上型,共62个,占70.8%,热带气旋在沪、浙、闽一带登陆,而后在北上或东北转向过程中经过连云港市海域,带来风暴潮和灾害性海浪影响;其次为登陆型台风,共有13个热带气旋在距离灌南县400 km范围内登陆,占比15.1%,1210号台风“达维”是该种类型的代表,该种类型往往带来风、雨、潮、浪等灾害综合影响;近海转向型共9个,占10.5%;异常路径共2个,占比2.3%。

基于已有统计,采用两种方法评估选取最大和不同强度台风路径。在最大台风风暴潮路径上,利用Holland模型风场,选取沿海特征站点输出风暴潮计算值,构造相应走向的台风路径,并将其每次平移10 km,再对11条平行路径分别计算台风风暴潮,比较最大增水值的量值,选定可能最大台风风暴潮的台风路径。参照《风暴潮灾害风险评估区划技术规范》要求,影响灌南县的台风最低气压典型值选定为936 hPa(1 000年一遇)和950 hPa(200年一遇),并以950 hPa为基准向下评估5级台风中心气压强度,计算相应风暴潮。从图2计算结果可知,灌南县区域中选定NW,WNW和W为可能最大台风的移向方案。以1 000年一遇的台风中心气压强度936 hPa,分别在3个方向各构造了11条路径,各路径间隔为10 km,中间路径穿过燕尾港,从而得出了可能最大台风移向为W移向,且路径通过燕尾港[119.783°E,34.38°N]时增水最大,为391 cm。

a NW方向

b WNW方向

c W方向路径示意(星标为燕尾港)

d NW方向特征站位最大增水变化关系

e WNW方向特征站位最大增水变化关系

f W方向特征站位最大增水变化关系图2 风暴潮计算结果Fig.2 Storm surge calculation results

在不同强度台风路径上,从历史台风中选择容易导致最大台风风暴潮的台风路径,并以此为基础进行平移,选定最危险的路径。在区域中,以近21年增水最大、损失最严重的台风“达维”(1210号)为基础,沿着南北方向进行平移,每隔10 km生成一条台风路径,从而构造影响该县的可能最危险台风路径。以达维原始中心气压变化构造台风风场,提取沿海5个特征站位,评估各路径增水变化,选定1210号台风原始路径向南平移30 km作为不同等级台风构造时的路径。

3.3 台风风暴潮淹没范围及水深

基于以上不同等级的台风强度、可能最大台风风暴潮路径和最危险台风路径、台风移速以及天文高潮等统计,同时考虑波浪爬高和相应条件下的溃堤情况,进行风暴潮数值模拟计算,得到该县沿海各段海堤的潮位、浪高及波浪爬高、海堤损毁条件,评估各情形下海堤的损毁情况。其中风暴潮漫堤等级划分依据行业标准《风暴潮漫堤预报技术指南》(HY/T 195—2015)进行。

针对最有利增水路径和台风气压等级,分别构造最大可能台风(PMSS,possible maximum storm surge)和5个不同等级的台风,采用验证后的模型进行风暴潮淹没模拟,且尽可能使风暴增水极值叠加在天文高潮位上。首先,以灌南县为例,该天文高潮位值取燕尾港连续21年月最大天文潮10%超越高潮位数273 cm,最终形成6个等级台风风暴潮淹没模拟结果(见图3)。结果显示,990,980和970 hPa等级的台风对灌南县影响甚微,仅海堤附近出现淹没危险区,面积很小。堆沟港镇靠近海堤区域,在Ⅲ级(970 hPa)强度台风的影响下即能发生淹没。随着台风等级的提高,淹没范围扩大,淹没水深加深,受灾程度进一步增大。到950 hPa台风影响时,堆沟港镇大面积处于危险区,危险等级以Ⅱ级为主。灌南县堆沟港东北角和黄姚村部分区域为受灾相对严重的区域,在960 hPa时已出现Ⅱ级淹没危险,其次为董沟村、桥东庄等。

a PMSS 936 hPa情景

b 950 hPa情景

c 960 hPa情景

d 970 hPa情景

e 980 hPa情景

f 990 hPa情景图3 灌南县海域台风风暴潮淹没范围及水深分布图Fig.3 Typhoon storm surge inundation range and water depth distribution in the sea area of Guannan County

此外,在模拟中发现温带风暴潮对灌南县的影响相对台风风暴潮较小。以灌南县为例3种情景均未产生大范围的淹没,危险性达到Ⅰ级的面积基本一致,大部分为堤外区域;淹没危险性达到Ⅱ级的面积在0.13～0.48 km2之间;淹没危险性达到Ⅲ级的面积在0.4～3.55 km2之间;淹没危险性达到Ⅳ级的面积在0.25～4.23 km2之间。温带风暴潮PMSS情景最危险,与台风风暴潮相比相当于970 hPa强度的风暴潮产生的影响。

4 风暴潮灾害风险区划

4.1 风暴潮灾害危险性区划

基于可能最大淹没范围及水深分布,进行可能最大台风风暴潮灾害的危险评价计算,并以该基本单元内出现危险等级最高的等级作为基本单元的危险区划等级。灌南县域内Ⅰ级区域主要分布于灌南县主城区和各乡镇的镇区内的部分区域;Ⅱ级区域主要分布于各镇区的小部分区域;Ⅲ级区域主要分布于各镇的郊区大部分区域;Ⅳ级区域主要分布于城郊结合部区域。

4.2 承灾体脆弱性评估

根据《风暴潮灾害风险评估和区划技术规范》采用一套基于土地利用类型二级分类的风暴潮、海啸灾害脆弱性评估方法,以土地利用类型与脆弱性等级的对应关系,为承灾体进行脆弱性评估。其中,土地利用类型采用国标GB/T 221010—2007《土地利用现状分类》。脆弱性等级分为四级,四级为最低。以灌南县为例,基于土地利用类型现状数据,参考风暴潮、海啸灾害主要承灾体脆弱性,划分土地利用脆弱性级别,依靠GIS数据管理和可视化功能,使用分级色彩表示各土地利用类型的脆弱性等级,得到灌南县土地利用脆弱性区划。承灾体脆弱性分析按照土地利用现状二级类进行划区和定级。

图4为灌南县土地利用现状分布及土地利用现状脆弱性区划。灌南县的沿海区域,地势低平,人口和社会经济要素稀疏,为低脆弱性聚集区域;中西部区域人口和产业要素密集,是高脆弱性等级分布的集中区域。

a 灌南县土地利用现状分布

b 土地利用现状脆弱性区划图4 灌南县土地利用现状分布及脆弱性区划Fig.4 Distribution of land use status and vulnerability zoning in Guannan County

4.3 风暴潮灾害风险评估

基于评估区域内风暴潮的危险性和脆弱性分析结果,进行风暴潮灾害风险性评价,风暴潮风险评估采用的公式为R=H×V。其中,R(risk)代表灾害风险,H(hazard)代表危险性,V(vulnerability)代表脆弱性。危险性H依据所选择的典型天气系统下计算得到的风暴潮危险性值,取4级。脆弱性V是由承灾体脆弱性决定的,取4级,在第4节中已经给出了灌南县土地利用现状脆弱性等级的区划,结合导则风暴潮灾害风险等级及脆弱性等级关系表(见表3),将各评估单元的风暴潮灾害风险由高到低划分为高风险(Ⅰ级)、中高风险(Ⅱ级)、中风险(Ⅲ级)、中低风险(Ⅳ级)、低风险(Ⅴ级)。R值越小则风险越大,反之,R值越大则风险越小。

表3 风暴潮灾害风险等级评估表Table 3 Risk level of assessment for storm surge disaster

同时,危险性评价结果基于可能最大淹没范围及水深分布,风险评价采用危险性评价结果与脆弱性分析结果,进行风暴潮灾害的风险评价计算,评价结果见图5和表4。

a 风暴潮风险评价结果

b 风险区划图5 灌南县风暴潮风险评价结果及风险区划Fig.5 Risk assessment results and risk zoning of storm surge in Guannan County

表4 风险评价结果与区域Table 4 Risk evaluation results and regions

在灌南县区域中,危险性等级划分结果显示,990,980和970 hPa等级的台风影响甚微,960 hPa 台风影响下出现了较大范围的淹没,随着台风强度加大,危险范围进一步扩大,危险等级进一步增加,到950 hPa台风影响时,危险等级以Ⅱ级为主。从受灾区域的分布情况看, 受灾相对严重的区域为堆沟港东北角和黄姚村部分区域,960 hPa时已出现Ⅱ级淹没危险,台风强度越大,危险等级越高。承灾体脆弱性分析按照灌南县土地利用现状二级类进行划区和定级。灌南县域内Ⅰ级区域主要分布于灌南县主城区和各乡镇镇区内的部分区域;Ⅱ级区域主要分布于各镇区的小部分区域;Ⅲ级区域主要分布于各镇郊区大部分区域;Ⅳ级区域主要分布于城郊结合部区域。从风险评价结果来看(图5和表4),该县高风险区集中在堆沟港镇东部区域。

5 结论

本文基于海图、灌南县近海实测的水下地形数据和高精度的灌南县陆地高程数据构建了高分辨率的台风风暴潮数值模拟系统,对挑选出的对该海域有较大影响的16个台风风暴潮过程进行案例反演,结合实测风暴潮增水数据进行案例模拟精度校验。结果表明,各案例模拟精度普遍达到要求,达标率超过80%,可用于构造台风风暴潮的计算。借助GIS平台分析风暴潮淹没范围、承灾体脆弱性等,依此进行风暴潮风险评估,结果显示:

(1) 堆沟港镇靠近海堤区域,在Ⅲ级(970 hPa)强度台风影响下即能发生淹没。随着台风等级的提高,淹没范围扩大,淹没水深加深,受灾程度进一步加大。

(2) 在可能最大台风(936 hPa)和Ⅰ级强度(950 hPa)台风影响下,淹没范围较大,堆沟港镇大部分区域被淹没,在减灾防灾时值得引起重视,为政府、相关单位和居民提供科学参考。例如在Ⅰ级强度台风风暴潮影响下(影响灌南县强度为950 hPa,强台风级,最大风速48 m/s,15级,叠加天文大潮),漫堤的海水进入陆地,产生较大范围的淹没。堆沟港镇规模较大的学校(灌南县五队中学等)均位于淹没区内。因此,在未来工作中,还需理顺风暴潮预警信息沟通渠道与响应机制,定时针对风暴潮灾害开展应对演习,及时关注次生灾害的影响,开展多灾种联合风险评估等工作。