張 莉，商少平,3，張峰，謝燕雙,3

（1.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005; 2.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建廈門361005；3.廈門大學(xué)海洋觀測技術(shù)研發(fā)中心，福建廈門361005）

福建沿岸天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)

張 莉1,2，商少平1,2,3，張峰1,2，謝燕雙1,2,3

（1.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門361005; 2.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，福建廈門361005；3.廈門大學(xué)海洋觀測技術(shù)研發(fā)中心，福建廈門361005）

基于SWAN模式和MATLAB GUI軟件建立了福建沿岸天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合計(jì)算模式和海堤預(yù)警顯示兩部分：天文潮-風(fēng)暴潮-海浪耦合水位計(jì)算采用自主研發(fā)的FETSWCM模式（Finite Element Tide-Storm Surge-Wave Coupled Model），臺風(fēng)浪計(jì)算采用SWAN模式（Simulation WAve Nearshore），耦合計(jì)算時(shí)FETSWCM為SWAN提供風(fēng)場、水位場及流場，SWAN為FETSWCM提供波浪輻射應(yīng)力；海堤預(yù)警顯示基于MATLAB GUI軟件交互界面，根據(jù)模式計(jì)算波浪爬高所及高程結(jié)果（天文潮-風(fēng)暴潮耦合水位與波浪爬高的和）對福建沿岸海堤進(jìn)行可視化預(yù)警報(bào)。使用該系統(tǒng)進(jìn)行兩場臺風(fēng)過程福建省沿岸的漫堤后報(bào)檢驗(yàn)，結(jié)果表明：1312號臺風(fēng)過程7條海堤及1319號臺風(fēng)過程東山縣8條海堤漫堤預(yù)警準(zhǔn)確率為87%。

福建沿岸；漫堤；臺風(fēng)浪；預(yù)警系統(tǒng)

1 引言

福建海岸位于我國東南沿海，在西北太平洋臺風(fēng)的主要移動(dòng)路徑上。福建省大陸海岸線總長3 752 km、海島海岸線總長807 km，海岸線長度居全國第二，臺風(fēng)暴潮災(zāi)害成為如此漫長海岸線上的主要災(zāi)害之一。風(fēng)暴潮災(zāi)害是由風(fēng)暴潮、天文潮和近岸海浪等結(jié)合引起的沿岸水位異常造成的災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，1990—2008年共有106次臺風(fēng)登陸或影響福建省，平均每年約為5.58個(gè)，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大危害。例如2001年“飛燕”（CHEBI）臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪，給福建沿海造成122人死亡（含失蹤），45.2億元直接經(jīng)濟(jì)損失。

我國自漢代起就開始建筑海堤，海堤是海岸防護(hù)的重要水工建筑物。海堤作為防浪、潮建筑物，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要保障意義。臺風(fēng)誘發(fā)的極端風(fēng)暴潮增水若遇上天文潮大潮，并同臺風(fēng)大浪作用，極易引發(fā)海堤漫堤。一旦漫堤，將會造成岸堤破壞，海水倒灌、內(nèi)澇等災(zāi)害。

臺風(fēng)過程海堤漫堤預(yù)警一般以堤前水位是否超過堤頂高程來判斷，也有學(xué)者通過加入越浪率對漫堤風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級[2]。波浪爬高和越浪的計(jì)算始于20世紀(jì)50年代，之后國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)提出了一系列波浪爬高和越浪量的計(jì)算公式。近年來，隨著海堤越浪數(shù)值模擬研究得到發(fā)展，可通過商業(yè)軟件FLOW-3D和FLUENT等對海堤越浪進(jìn)行計(jì)算[3-4]。

為了應(yīng)對臺風(fēng)過程造成的漫堤災(zāi)害，本文基于SWAN模式和MATLAB GUI軟件建立了福建天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)，有效提高了對福建沿岸海堤臺風(fēng)風(fēng)暴潮漫堤預(yù)警能力，并在數(shù)次臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程中得到了較好的驗(yàn)證。

2 預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

福建沿岸天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)包含天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤計(jì)算模式和預(yù)警顯示兩個(gè)部分（見圖1）：天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤計(jì)算模式（FETSWCM-SWAN）計(jì)算臺風(fēng)、潮汐和海浪聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下的堤前耦合水位及堤前有效波高；預(yù)警顯示根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果（波浪爬高所及高程）在MATLAB GUI交互顯示系統(tǒng)中對福建省海堤進(jìn)行可視化預(yù)警。

3 天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合預(yù)報(bào)模式

3.1 研究區(qū)域及網(wǎng)格分布

本文以福建沿岸海堤為主要研究對象，研究區(qū)域水深分布如圖2所示。計(jì)算域采用三角網(wǎng)格進(jìn)行剖分，開邊界網(wǎng)格分辨率為30 km，福建沿岸網(wǎng)格平均分辨率為1 km，最高100 m，共有11 802個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)和20 448個(gè)三角網(wǎng)格（見圖3）。計(jì)算域水深在外海采用etop2-1min水深數(shù)據(jù)插值，福建近岸采用最高分辨率為500 m的多方式融合水深插值。

圖1 福建沿岸天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)流程圖

圖2 計(jì)算域水深（m）及驗(yàn)潮站（●）、海浪浮標(biāo)（+）、大祚海堤（Δ）位置分布

圖3 研究區(qū)域網(wǎng)格分布

3.2 天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警模式

臺風(fēng)過程中天文潮、風(fēng)暴潮和海浪三者是相互影響的[5-15]：天文潮和風(fēng)暴潮相互作用將使潮位出現(xiàn)潮時(shí)和潮位的變化[5-6]；潮流和水位對波浪的計(jì)算也將出現(xiàn)明顯影響，使得有效波高出現(xiàn)明顯潮周期振蕩[4]；海浪通過波浪輻射應(yīng)力而對水位產(chǎn)生影響[10-14]。

為此，本文建立一個(gè)天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合計(jì)算模式（FETSWCM-SWAN）。該模式是福建沿岸天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪有限元耦合水位計(jì)算模式（Finite Element Tide-Storm Surge-Wave Coupled Model,FETSWCM）與臺風(fēng)浪計(jì)算模式（Simulation WAve Nearshore，SWAN）的雙向耦合模式。計(jì)算過程中FETSWCM為SWAN波浪計(jì)算浪提供風(fēng)場、流場及水位驅(qū)動(dòng)，而SWAN為FETSWCM水位計(jì)算提供輻射應(yīng)力梯度，數(shù)據(jù)交換時(shí)間間隔為900 s，耦合計(jì)算流程見圖1。

FETSWCM模式中，控制方程采用笛卡爾坐標(biāo)系下的GWCE方程（Generalized Wave Continuity Equation）和VIMEs方程（Vertically Integrated Momentum Equations），坐標(biāo)的oxy面與靜止海面重合，x軸指向正東，y軸指向正北，z方向以向上為正，方程表達(dá)式如下：

式中：?為oxy面起算的海面上升高度，即水位（m）；t為時(shí)間（s）；τ0為數(shù)值參數(shù)，其取值可參照底摩擦系數(shù)[15]；U、V為深度平均流的x、y方向分量（m/s）；H為總水深，H=h+ζ，h為水深；f為科氏參數(shù)；g為地球重力加速度（m/s2），取值為9.8；Ps為海面氣壓；ρ0為海水密度；τsx和τsy為風(fēng)應(yīng)力的x、y方向分量；τwx和τwy為波浪輻射應(yīng)力梯度的x、y方向分量；τbx和τby為底摩擦應(yīng)力的x、y方向分量；

τsx和τsy由下式計(jì)算：

式中：ρa(bǔ)為近海面處空氣密度；W→為海面高度10 m處的風(fēng)速；Cs為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，由下式計(jì)算：

τwx和τwy由下式計(jì)算：

式中：Sxx、Sxy、Syx、Syy分別為波浪輻射應(yīng)力張量。τbx和τby由下式計(jì)算：

式中：Cd為底摩擦系數(shù)，本模型取值為1.5×10-3。

圖4 1969—2015年41場歷史臺風(fēng)路徑圖

對式（1）—（3）采用有限元法進(jìn)行離散求解；初始場水位和流速均為0；計(jì)算時(shí)間步長為300 s;開邊界潮汐驅(qū)動(dòng)取自全球潮汐模型NAO99b模型（http: //www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html）；臺風(fēng)風(fēng)場采用修正了部分區(qū)間不連續(xù)后的考慮了臺灣海峽及臺灣島地形影響的臺風(fēng)風(fēng)場模型[16]；臺風(fēng)氣壓場采用Holland氣壓模型[17]，為避免近岸低潮潮波變異，F(xiàn)ETSWCM模式計(jì)算最低水深設(shè)置為5 m。

SWAN模型計(jì)算時(shí)間步長為900 s，譜分布于360°，方向步長為3°，離散頻率為0.125 Hz，選用的物理過程有波浪淺化、折射、底摩擦、破碎和三相波非線性效應(yīng)，計(jì)算最低水深設(shè)置為0.5 m，使用風(fēng)場、水位和流場聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。

計(jì)算一場歷時(shí)3 d的臺風(fēng)過程，F(xiàn)ETSWCMSWAN模式在PC服務(wù)器Linux系統(tǒng)下進(jìn)行8核并行計(jì)算需耗時(shí)30 min，基本達(dá)到預(yù)報(bào)需求。

使用FETSWCM-SWAN模式對福建省三沙、平潭、崇武、廈門和東山5個(gè)驗(yàn)潮站（見圖2）的天文潮和風(fēng)暴潮過程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證：

（1）模擬了2009年5月1日—6月29日的天文潮，并與驗(yàn)潮站逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均絕對誤差統(tǒng)計(jì)。平均絕對誤差計(jì)算MAE公式為：

式中：ζi為模擬值，為實(shí)測值，M為參加統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量。

（2）模擬后報(bào)了1969—2015年間41場（見圖4）對福建影響較大臺風(fēng)的風(fēng)暴潮，并與實(shí)測風(fēng)暴潮數(shù)據(jù)進(jìn)行平均絕對誤差統(tǒng)計(jì)。實(shí)測風(fēng)暴潮為驗(yàn)潮站逐時(shí)潮位數(shù)據(jù)與調(diào)和分析天文潮的差值，模擬風(fēng)暴潮為FETSWCM耦合潮位與天文潮模擬的差值。

表1 FETSWCM模式天文潮、風(fēng)暴潮模擬誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 FETSWCM-SWAN模式有效波高模擬誤差統(tǒng)計(jì)表

FETSCM模式對天文潮和風(fēng)暴潮模擬誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，其中天文潮平均絕對誤差為23 cm，風(fēng)暴潮后報(bào)平均絕對誤差為20 cm，表明該模式可以用于福建沿岸天文潮和風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)。

使用FETSWCM-SWAN模式對2013—2015年間5場對正面登陸或影響福建省的臺風(fēng)在臺灣海峽10個(gè)浮標(biāo)站位（見圖2）的有效波高進(jìn)行模擬驗(yàn)證。實(shí)測數(shù)據(jù)源于福建省海洋預(yù)報(bào)臺每隔10—60 min發(fā)布的臺灣海峽浮標(biāo)實(shí)測浪高。FETSCM模式對有效波高模擬的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，有效波高模擬平均絕對誤差為0.70 m。

4 天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)

漫堤災(zāi)害發(fā)生于堤前水位高程超過海堤高程或者波浪沿海堤坡面上上爬高程超過海堤高程時(shí)。為了應(yīng)對臺風(fēng)過程造成的漫堤災(zāi)害，本文建立了福建天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合預(yù)報(bào)模式的水位和波高計(jì)算結(jié)果對福建省海堤進(jìn)行漫堤預(yù)警判斷，并最終形成預(yù)警結(jié)果。

4.1 漫堤預(yù)警方案

波浪爬高是波浪傳播到海堤時(shí)，水體在海堤坡面上上爬高程與靜水高程的差。波浪爬高計(jì)算在漫堤災(zāi)害預(yù)報(bào)中占有重要地位。當(dāng)災(zāi)害性波浪爬高疊加在高潮位上時(shí)，將可能發(fā)生漫堤災(zāi)害。由于不同海堤的結(jié)構(gòu)形式、波浪狀態(tài)和海堤周圍海洋環(huán)境的不同，海堤的波浪爬高計(jì)算往往是復(fù)雜且各異。使用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中推薦的波浪爬高和越浪估算方法，需要對海堤的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、海堤周圍海洋環(huán)境和波浪狀態(tài)進(jìn)行深入調(diào)查。短期內(nèi)，使用這種方法并不能實(shí)現(xiàn)對福建沿岸眾多海堤的漫堤預(yù)警，因此本文提出使用與波高對應(yīng)的波浪爬高計(jì)算方法，并根據(jù)包含波浪爬高的堤前總水位與海堤高程進(jìn)行比較的方式來對海堤進(jìn)行漫堤預(yù)警。

存在句按照語義層面來進(jìn)行分類，基本上可以劃分為時(shí)間類、空間類和時(shí)空混合類；再出現(xiàn)頻率上來看，空間類存現(xiàn)句出現(xiàn)的次數(shù)最多，而時(shí)間類或時(shí)空混合類存現(xiàn)句出現(xiàn)的頻率相對較低。

海堤高程設(shè)計(jì)中，對不允許越浪的堤防，波浪爬高累計(jì)頻率取2%；對允許越浪的堤防，爬高累計(jì)頻率取13%[18]。當(dāng)累計(jì)頻率為13%的爬高超過海堤高程時(shí)，代表該海堤可能會有越浪；當(dāng)累計(jì)頻率為2%的爬高超過海堤高程時(shí)，代表該海堤很可能發(fā)生整片爬升水流越堤。本文提出使用累計(jì)頻率為13%的波浪爬高進(jìn)行漫堤預(yù)警，當(dāng)此爬高值超過海堤高程，代表該海堤會發(fā)生較大越浪、甚至發(fā)生大片水流漫堤，漫堤風(fēng)險(xiǎn)高。

Yoo等[19]在韓國Jumunjin港口進(jìn)行波浪爬高觀測并統(tǒng)計(jì)了累計(jì)頻率2%波浪爬高與堤前有效波高的對應(yīng)關(guān)系；Hofland等[20]通過水槽實(shí)驗(yàn)獲得有效波高為0.58—0.95 m條件下累計(jì)頻率2%波浪爬高值。本文根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中爬高累計(jì)頻率換算系數(shù)KF，將Yoo等和Hofland等的波浪爬高觀測結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到累計(jì)頻率為13%的波浪爬高，并將其與堤前有效波高進(jìn)行了擬合（見圖5），兩者的擬合關(guān)系如式（12），相關(guān)性可達(dá)0.94。

本文將臺風(fēng)過程中可能會造成漫堤的這一波浪沿海堤坡面上上爬高程稱作波浪爬高所及高程，它是天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合水位與臺風(fēng)浪累計(jì)頻率為13%的波浪爬高之和，表達(dá)式如下：

式中：ζTSW-runup為天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合過程波浪爬高所及高程；ζTSW為天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合水位，由FETSWCM模式計(jì)算得到；Ru13%為累計(jì)頻率為13%的波浪爬高，可由SWAN模式計(jì)算的有效波高根據(jù)公式（12）換算得到。

海堤預(yù)警根據(jù)堤前波浪爬高所及高程與海堤高程的比較進(jìn)行如下分級：

（1）紅色預(yù)警，波浪爬高所及高程≥海堤高程，意味著該海堤會出現(xiàn)較大面積海水漫堤；

圖5 有效波高與累計(jì)頻率為13%的波浪爬高擬合

圖6 1319號臺風(fēng)期間福建省海堤漫堤預(yù)警圖

圖7 1319號臺風(fēng)期間漫堤預(yù)警匯總表（部分）

圖8 1319號臺風(fēng)期間“東山縣前港海堤”水位過程曲線顯示

（2）黃色預(yù)警，海堤高程＞波浪爬高所及高程≥海堤高程-50 cm，意味著該海堤可能會有較大越浪；

（3）藍(lán)色預(yù)警，海堤高程-50 cm＞波浪爬高所及高程≥海堤高程-100 cm，意味著該海堤可能會出現(xiàn)少量越浪；

（4）無預(yù)警，海堤高程-100 cm＞波浪爬高所及高程，意味著該海堤基本不會出現(xiàn)越浪。

4.2 漫堤預(yù)警顯示系統(tǒng)

預(yù)警系統(tǒng)通過MATLAB GUI交互式界面調(diào)用天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合模式計(jì)算結(jié)果對福建省海堤的臺風(fēng)過程漫堤情況進(jìn)行預(yù)警顯示。海堤預(yù)警顯示包含漫堤預(yù)警圖顯示、漫堤預(yù)警匯總表顯示和堤前水位過程曲線顯示3個(gè)部分。

漫堤預(yù)警圖（見圖6）是在包含海堤地理位置的圖上通過不同顏色的海堤標(biāo)記而直觀顯示海堤的漫堤情況，可直觀判斷關(guān)注海堤的漫堤與否。漫堤預(yù)警匯總表（見圖7）將具有漫堤危險(xiǎn)的海堤及漫堤出現(xiàn)時(shí)間，漫堤水位高度都一一列出，方便進(jìn)行預(yù)警和統(tǒng)計(jì)；堤前水位過程曲線（見圖8）顯示包含波浪爬高所及高程曲線、波浪爬高曲線和海堤高程線，這些水位過程曲線顯示可作為實(shí)際漫堤預(yù)警的參考。

5 預(yù)報(bào)系統(tǒng)檢驗(yàn)

本文對“1312”號（TRAMI）臺風(fēng)和“1319”號（USAGI）臺風(fēng)過程在福建沿岸海堤的漫堤災(zāi)害進(jìn)行了后報(bào)檢驗(yàn)。“1312”號臺風(fēng)漫堤調(diào)查實(shí)況是由國家海洋局海洋減災(zāi)中心、福建省海洋與漁業(yè)廳防災(zāi)減災(zāi)處和福建省海洋預(yù)報(bào)臺3個(gè)單位針對福清市、長樂市和連江縣開展風(fēng)暴潮、海浪災(zāi)情調(diào)研獲得；“1319”號臺風(fēng)漫堤調(diào)查實(shí)況是由國家海洋海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、福建省海洋預(yù)報(bào)臺、東山海洋環(huán)境監(jiān)測站組成災(zāi)情調(diào)查統(tǒng)計(jì)調(diào)研組，針對東山縣開展風(fēng)暴潮、海浪災(zāi)情調(diào)研獲得。

2013年第12號臺風(fēng)“潭美”（TRAMI）于8月18日在臺灣島東南方海面上生成，近中心最大風(fēng)速為18 m/s（8級），中心最低氣壓為995 hPa，隨后“潭美”臺風(fēng)中心向南緩慢移動(dòng)，8月19日08時(shí)（北京時(shí)，下同）又轉(zhuǎn)而向北移動(dòng)，8月20日08時(shí)開始向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，于8月22日上午2時(shí)40分，在中國福建省福州市福清市城頭鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)近中心最大風(fēng)速35 m/s（12級），中心最低氣壓為957 hPa。

使用本文建立的漫堤預(yù)警系統(tǒng)對本次臺風(fēng)過程福建沿岸有實(shí)況調(diào)查的7條海堤進(jìn)行預(yù)警。定安海堤和百勝半埕海堤預(yù)報(bào)預(yù)警等級為黃色，即海堤預(yù)報(bào)波浪爬高所及高程并不超過海堤高程，但距離海堤高程低于0.5 m，表明該兩處海堤雖然不會發(fā)生漫堤災(zāi)害，但有較大可能發(fā)生越浪。在災(zāi)后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該兩處海堤有海水沖刷痕跡和水草雜物遺留，并無堤壩損壞，說明該兩處海堤確有越浪，但不致漫堤災(zāi)害，判定預(yù)警準(zhǔn)確。其他5條海堤預(yù)警等級為紅色，表明海堤預(yù)報(bào)波浪爬高所及高程已超過海堤高程，極大可能發(fā)生漫堤災(zāi)害，實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)除長沙海堤與沙塘海堤外，其他海堤均發(fā)生了海水倒灌和海浪漫堤災(zāi)害。因此認(rèn)為“1312”號臺風(fēng)漫堤災(zāi)害預(yù)警中，除長沙海堤與沙塘海堤發(fā)生錯(cuò)報(bào)之外，其余海堤均為準(zhǔn)確預(yù)警。預(yù)警與調(diào)查結(jié)果詳細(xì)對比見表2。

2013年第13號臺風(fēng)“天兔”（USAGI）于2013年9月17日02時(shí)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，近中心最大風(fēng)速為18 m/s（8級），中心最低氣壓為1 000 hPa；“天兔”臺風(fēng)緩慢向西移動(dòng)，于9月19日17時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，近中心最大風(fēng)速為52 m/s（16級），中心最低氣壓為930 hPa；臺風(fēng)繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，于9月22日上午20時(shí)在中國廣東省汕尾市南部沿海登陸，登陸時(shí)近中心最大風(fēng)速45 m/s（14級），中心最低氣壓為940 hPa。

表2 “1312”號臺風(fēng)過程海堤預(yù)警及實(shí)況對比

表3 “1319”號臺風(fēng)過程海堤預(yù)警及實(shí)況對比

使用本文建立的漫堤預(yù)警系統(tǒng)對本次臺風(fēng)過程福建省東山縣有實(shí)況調(diào)查的8條海堤進(jìn)行漫堤預(yù)警檢驗(yàn)，預(yù)警等級均為紅色，實(shí)際調(diào)查均發(fā)現(xiàn)漫堤，并且岸堤損毀嚴(yán)重，漫堤預(yù)警準(zhǔn)確。預(yù)警與調(diào)查結(jié)果詳細(xì)對比見表3。

6 總結(jié)與討論

本文為福建沿岸海堤建立了天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合計(jì)算模式（FETSWCM-SWAN）和海堤預(yù)警顯示兩部分。主要研究成果如下：

（1）建立天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合計(jì)算模式，并對福建沿岸及臺灣海峽的天文潮、風(fēng)暴潮和海浪的模擬進(jìn)行了后報(bào)檢驗(yàn)，天文潮平均絕對誤差為23 cm，臺風(fēng)風(fēng)暴潮平均絕對誤差20 cm；有效波高平均絕對誤差為0.70 m；

（2）通過對Yoo和Hofland等人波浪爬高觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，統(tǒng)計(jì)出合理的累計(jì)頻率為13%波浪爬高計(jì)算公式，并依此建立了漫堤預(yù)警方案；

（3）通過MATLAB GUI交互式界面調(diào)用天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合模式計(jì)算結(jié)果，建立福建省海堤的預(yù)警顯示。通過波浪爬高所及高程與海堤高程進(jìn)行比較的方式來判斷海堤是否漫堤；

（4）使用該系統(tǒng)進(jìn)行兩場臺風(fēng)過程預(yù)警，結(jié)果表明：“1312”號臺風(fēng)過程7條海堤中5條海堤準(zhǔn)確預(yù)警；“1319”號臺風(fēng)過程東山縣8條海堤均為準(zhǔn)確預(yù)警，漫堤預(yù)警準(zhǔn)確率為87%。

本文建立的天文潮-風(fēng)暴潮-臺風(fēng)浪耦合漫堤預(yù)警系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)下Fortran及Matlab軟件，不需要昂貴的計(jì)算集群支持，操作簡單、使用門檻低且可移植性強(qiáng)，對福建省沿岸漫堤災(zāi)害預(yù)警有重要意義，其預(yù)報(bào)可視化功能可以更好服務(wù)于人民群眾。本文使用的波浪爬高觀測數(shù)據(jù)是二次統(tǒng)計(jì)獲得，并且不是臺風(fēng)期間的堤前實(shí)測數(shù)據(jù)，具有一定局限性。但兩場臺風(fēng)過程的準(zhǔn)確漫堤后報(bào)表明此公式在一定程度上用于福建省海堤的波浪爬高計(jì)算是可行的。后期若有更多海堤波浪爬高觀測數(shù)據(jù)，將對波浪爬高計(jì)算公式展開更深入的研究。海堤的越浪部分對漫堤風(fēng)險(xiǎn)的評估有著重要意義，接下來的工作中將嘗試加入海堤越浪計(jì)算模塊，進(jìn)一步完善本漫堤預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

致謝：本文研究中使用海堤災(zāi)害調(diào)查結(jié)果源于國家海洋局海洋減災(zāi)中心、福建省海洋與漁業(yè)廳防災(zāi)減災(zāi)處、福建省海洋預(yù)報(bào)臺和東山海洋環(huán)境監(jiān)測站，在此對獲取這些資料的觀測人員和工作人員表示感謝。

[1]夏麗花,鄔惠明,劉銘,等.熱帶氣旋影響福建沿海風(fēng)暴潮特征分析[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2014,33(3):40-45.

[2]尹寶樹,徐艷青,任魯川,等.黃河三角洲沿岸海浪風(fēng)暴潮耦合作用漫堤風(fēng)險(xiǎn)評估研究[J].海洋與湖沼,2006,37(5):457-463.

[3]盧美.浙江海岸臺風(fēng)風(fēng)暴潮漫堤風(fēng)險(xiǎn)評估研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[4]王鵬,孫大鵬.基于FLUENT的海堤越浪數(shù)值模擬[J].中國水運(yùn), 2011,11(7):73-75.

[5]高煥臣.風(fēng)暴潮與天文潮非線性相互作用結(jié)果及有關(guān)問題的分析[J].海洋通報(bào),1994,13(2):19-23.

[6]趙永良,張延廷,陳則實(shí).黃海風(fēng)暴潮和天文潮非線性耦合作用的數(shù)值研究[J].海洋學(xué)報(bào),1992,14(3):37-46.

[7]魏艷,商少平,謝燕雙,等.臺灣海峽潮流對海浪影響的數(shù)值實(shí)驗(yàn)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,51(1):97-100.

[8]Mastenbroek C,Burgers G,Janssen P A E M.The dynamical coupling of a wave model and a storm surge model through the atmospheric boundary layer[J].Journal of Physical Oceanography, 1993,23(8):1856-1866.

[9]ZhangMY,LiYS.Thesynchronouscouplingofa third-generation wave model and a two-dimensional storm surge model[J].Ocean Engineering,1996,23(6):533-543.

[10]林祥,尹寶樹,侯一筠,等.輻射應(yīng)力在黃河三角洲近岸波浪和潮汐風(fēng)暴潮相互作用中的影響[J].海洋與湖沼,2002,33(6): 615-621.

[11]李大鳴,徐亞男,宋雙霞,等.波浪輻射應(yīng)力在渤海灣海域?qū)︼L(fēng)暴潮影響的研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2010,25(3):374-382.

[12]鄭立松,余錫平.波浪輻射應(yīng)力對風(fēng)暴增水的影響研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2010,8(4):74-78.

[13]Pleskachevsky A,Eppel D P,Kapitza H.Interaction of waves, currents and tides,and wave-energy impact on the beach area of Sylt Island[J].Ocean Dynamics,2009,59(3):451-461.

[14]Xie L,Liu H Q,Peng M H.The effect of wave-current interactions on the storm surge and inundation in Charleston Harbor during Hurricane Hugo 1989[J].Ocean Modelling,2008, 20(3):252-269.

[15]Westerink J J,Luettich R A,Feyen J C,et al.A basin-to channel-scale unstructured grid hurricane storm surge model applied to southern Louisiana[J].Monthly Weather Review,2008, 136(3):833-864.

[16]陳德文.臺灣島周邊海域臺風(fēng)海面風(fēng)場及其模型化研究[D].廈門:廈門大學(xué),2006.

[17]Holland G J.An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes[J].Monthly Weather Review,1980,108(8):1212-1218.

[18]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.GB 50286-2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2013:53.

[19]Yoo J,Choi J Y,Yoon J J,et al.Remote sensing of wave runup over breakwater slope in field using optical imagery[J].Journal of Coastal Research,2013,2(S65):1451-1455.

[20]Hofland B,Diamantidou E,van Steeg P,et al.Wave runup and wave overtopping measurements using a laser scanner[J].Coastal Engineering,2015,106:20-29.

A tide-storm surge-wave coupled inundation warning system for Fujian coast

ZHANG Li1,2，SHANG Shao-ping1,2,3，ZHANG Feng1,2，XIE Yan-shuang1,2,3
（1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Xiamen University,Ministry of Education,Xiamen 361005 China;2.College of Ocean&Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361005 China;3.Center for Ocean observation Technologies, Xiamen University,Xiamen 361005 China）

A visualized inundation warning system which coupled tide,storm surge and wave was established for the Fujian coast based on FORTRAN and MATLAB GUI.The water raise height coupled tide,storm surge and wave was simulated by FETSWCM,and the wave height was simulated by SWAN.In each step,FETSWCM and SWAN shared wind,water level,current and radiation stress gradient.The warning height is based on the above simulations.The warning of the seawalls along Fujian Coast can display by MATLAB GUI.The warning of typhoon TRAMI and USAGI for 15 seawalls along Fujian Coast were successful with the accuracy of 87%.

Fujian coast;over-seawall;wave;warning system

P731.22

A

1003-0239（2016）05-0061-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.007

2016-01-07

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAB04B01）

張莉（1988-），女，博士在讀，從事河口近岸物理海洋學(xué)研究。E-mail:zhangnier99@sina.com