张 莉，商少平,3，张峰，谢燕双,3

（1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门361005; 2.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门361005；3.厦门大学海洋观测技术研发中心，福建厦门361005）

福建沿岸天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统

张 莉1,2，商少平1,2,3，张峰1,2，谢燕双1,2,3

（1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门361005; 2.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门361005；3.厦门大学海洋观测技术研发中心，福建厦门361005）

基于SWAN模式和MATLAB GUI软件建立了福建沿岸天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统。该系统包含天文潮-风暴潮-台风浪耦合计算模式和海堤预警显示两部分：天文潮-风暴潮-海浪耦合水位计算采用自主研发的FETSWCM模式（Finite Element Tide-Storm Surge-Wave Coupled Model），台风浪计算采用SWAN模式（Simulation WAve Nearshore），耦合计算时FETSWCM为SWAN提供风场、水位场及流场，SWAN为FETSWCM提供波浪辐射应力；海堤预警显示基于MATLAB GUI软件交互界面，根据模式计算波浪爬高所及高程结果（天文潮-风暴潮耦合水位与波浪爬高的和）对福建沿岸海堤进行可视化预警报。使用该系统进行两场台风过程福建省沿岸的漫堤后报检验，结果表明：1312号台风过程7条海堤及1319号台风过程东山县8条海堤漫堤预警准确率为87%。

福建沿岸；漫堤；台风浪；预警系统

1 引言

福建海岸位于我国东南沿海，在西北太平洋台风的主要移动路径上。福建省大陆海岸线总长3 752 km、海岛海岸线总长807 km，海岸线长度居全国第二，台风暴潮灾害成为如此漫长海岸线上的主要灾害之一。风暴潮灾害是由风暴潮、天文潮和近岸海浪等结合引起的沿岸水位异常造成的灾害。据统计[1]，1990—2008年共有106次台风登陆或影响福建省，平均每年约为5.58个，给人民生命财产带来了巨大危害。例如2001年“飞燕”（CHEBI）台风引起的风暴潮和台风浪，给福建沿海造成122人死亡（含失踪），45.2亿元直接经济损失。

我国自汉代起就开始建筑海堤，海堤是海岸防护的重要水工建筑物。海堤作为防浪、潮建筑物，对社会经济发展、人民生命财产安全有着重要保障意义。台风诱发的极端风暴潮增水若遇上天文潮大潮，并同台风大浪作用，极易引发海堤漫堤。一旦漫堤，将会造成岸堤破坏，海水倒灌、内涝等灾害。

台风过程海堤漫堤预警一般以堤前水位是否超过堤顶高程来判断，也有学者通过加入越浪率对漫堤风险进行分级[2]。波浪爬高和越浪的计算始于20世纪50年代，之后国内外学者根据物理模型试验和现场试验提出了一系列波浪爬高和越浪量的计算公式。近年来，随着海堤越浪数值模拟研究得到发展，可通过商业软件FLOW-3D和FLUENT等对海堤越浪进行计算[3-4]。

为了应对台风过程造成的漫堤灾害，本文基于SWAN模式和MATLAB GUI软件建立了福建天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统，有效提高了对福建沿岸海堤台风风暴潮漫堤预警能力，并在数次台风风暴潮过程中得到了较好的验证。

2 预报系统设计

福建沿岸天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统包含天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤计算模式和预警显示两个部分（见图1）：天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤计算模式（FETSWCM-SWAN）计算台风、潮汐和海浪联合驱动下的堤前耦合水位及堤前有效波高；预警显示根据模型计算结果（波浪爬高所及高程）在MATLAB GUI交互显示系统中对福建省海堤进行可视化预警。

3 天文潮-风暴潮-台风浪耦合预报模式

3.1 研究区域及网格分布

本文以福建沿岸海堤为主要研究对象，研究区域水深分布如图2所示。计算域采用三角网格进行剖分，开边界网格分辨率为30 km，福建沿岸网格平均分辨率为1 km，最高100 m，共有11 802个网格结点和20 448个三角网格（见图3）。计算域水深在外海采用etop2-1min水深数据插值，福建近岸采用最高分辨率为500 m的多方式融合水深插值。

图1 福建沿岸天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统流程图

图2 计算域水深（m）及验潮站（●）、海浪浮标（+）、大祚海堤（Δ）位置分布

图3 研究区域网格分布

3.2 天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警模式

台风过程中天文潮、风暴潮和海浪三者是相互影响的[5-15]：天文潮和风暴潮相互作用将使潮位出现潮时和潮位的变化[5-6]；潮流和水位对波浪的计算也将出现明显影响，使得有效波高出现明显潮周期振荡[4]；海浪通过波浪辐射应力而对水位产生影响[10-14]。

为此，本文建立一个天文潮-风暴潮-台风浪耦合计算模式（FETSWCM-SWAN）。该模式是福建沿岸天文潮-风暴潮-台风浪有限元耦合水位计算模式（Finite Element Tide-Storm Surge-Wave Coupled Model,FETSWCM）与台风浪计算模式（Simulation WAve Nearshore，SWAN）的双向耦合模式。计算过程中FETSWCM为SWAN波浪计算浪提供风场、流场及水位驱动，而SWAN为FETSWCM水位计算提供辐射应力梯度，数据交换时间间隔为900 s，耦合计算流程见图1。

FETSWCM模式中，控制方程采用笛卡尔坐标系下的GWCE方程（Generalized Wave Continuity Equation）和VIMEs方程（Vertically Integrated Momentum Equations），坐标的oxy面与静止海面重合，x轴指向正东，y轴指向正北，z方向以向上为正，方程表达式如下：

式中：ς为oxy面起算的海面上升高度，即水位（m）；t为时间（s）；τ0为数值参数，其取值可参照底摩擦系数[15]；U、V为深度平均流的x、y方向分量（m/s）；H为总水深，H=h+ζ，h为水深；f为科氏参数；g为地球重力加速度（m/s2），取值为9.8；Ps为海面气压；ρ0为海水密度；τsx和τsy为风应力的x、y方向分量；τwx和τwy为波浪辐射应力梯度的x、y方向分量；τbx和τby为底摩擦应力的x、y方向分量；

τsx和τsy由下式计算：

式中：ρa为近海面处空气密度；W→为海面高度10 m处的风速；Cs为风应力系数，由下式计算：

τwx和τwy由下式计算：

式中：Sxx、Sxy、Syx、Syy分别为波浪辐射应力张量。τbx和τby由下式计算：

式中：Cd为底摩擦系数，本模型取值为1.5×10-3。

图4 1969—2015年41场历史台风路径图

对式（1）—（3）采用有限元法进行离散求解；初始场水位和流速均为0；计算时间步长为300 s;开边界潮汐驱动取自全球潮汐模型NAO99b模型（http: //www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html）；台风风场采用修正了部分区间不连续后的考虑了台湾海峡及台湾岛地形影响的台风风场模型[16]；台风气压场采用Holland气压模型[17]，为避免近岸低潮潮波变异，FETSWCM模式计算最低水深设置为5 m。

SWAN模型计算时间步长为900 s，谱分布于360°，方向步长为3°，离散频率为0.125 Hz，选用的物理过程有波浪浅化、折射、底摩擦、破碎和三相波非线性效应，计算最低水深设置为0.5 m，使用风场、水位和流场联合驱动。

计算一场历时3 d的台风过程，FETSWCMSWAN模式在PC服务器Linux系统下进行8核并行计算需耗时30 min，基本达到预报需求。

使用FETSWCM-SWAN模式对福建省三沙、平潭、崇武、厦门和东山5个验潮站（见图2）的天文潮和风暴潮过程进行了模拟验证：

（1）模拟了2009年5月1日—6月29日的天文潮，并与验潮站逐时潮位数据进行平均绝对误差统计。平均绝对误差计算MAE公式为：

式中：ζi为模拟值，为实测值，M为参加统计的数据量。

（2）模拟后报了1969—2015年间41场（见图4）对福建影响较大台风的风暴潮，并与实测风暴潮数据进行平均绝对误差统计。实测风暴潮为验潮站逐时潮位数据与调和分析天文潮的差值，模拟风暴潮为FETSWCM耦合潮位与天文潮模拟的差值。

表1 FETSWCM模式天文潮、风暴潮模拟误差统计表

表2 FETSWCM-SWAN模式有效波高模拟误差统计表

FETSCM模式对天文潮和风暴潮模拟误差统计结果见表1，其中天文潮平均绝对误差为23 cm，风暴潮后报平均绝对误差为20 cm，表明该模式可以用于福建沿岸天文潮和风暴潮预报。

使用FETSWCM-SWAN模式对2013—2015年间5场对正面登陆或影响福建省的台风在台湾海峡10个浮标站位（见图2）的有效波高进行模拟验证。实测数据源于福建省海洋预报台每隔10—60 min发布的台湾海峡浮标实测浪高。FETSCM模式对有效波高模拟的误差统计结果见表1，有效波高模拟平均绝对误差为0.70 m。

4 天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统

漫堤灾害发生于堤前水位高程超过海堤高程或者波浪沿海堤坡面上上爬高程超过海堤高程时。为了应对台风过程造成的漫堤灾害，本文建立了福建天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统，该系统基于天文潮-风暴潮-台风浪耦合预报模式的水位和波高计算结果对福建省海堤进行漫堤预警判断，并最终形成预警结果。

4.1 漫堤预警方案

波浪爬高是波浪传播到海堤时，水体在海堤坡面上上爬高程与静水高程的差。波浪爬高计算在漫堤灾害预报中占有重要地位。当灾害性波浪爬高叠加在高潮位上时，将可能发生漫堤灾害。由于不同海堤的结构形式、波浪状态和海堤周围海洋环境的不同，海堤的波浪爬高计算往往是复杂且各异。使用《堤防工程设计规范》[18]中推荐的波浪爬高和越浪估算方法，需要对海堤的结构、材质、海堤周围海洋环境和波浪状态进行深入调查。短期内，使用这种方法并不能实现对福建沿岸众多海堤的漫堤预警，因此本文提出使用与波高对应的波浪爬高计算方法，并根据包含波浪爬高的堤前总水位与海堤高程进行比较的方式来对海堤进行漫堤预警。

存在句按照语义层面来进行分类，基本上可以划分为时间类、空间类和时空混合类；再出现频率上来看，空间类存现句出现的次数最多，而时间类或时空混合类存现句出现的频率相对较低。

海堤高程设计中，对不允许越浪的堤防，波浪爬高累计频率取2%；对允许越浪的堤防，爬高累计频率取13%[18]。当累计频率为13%的爬高超过海堤高程时，代表该海堤可能会有越浪；当累计频率为2%的爬高超过海堤高程时，代表该海堤很可能发生整片爬升水流越堤。本文提出使用累计频率为13%的波浪爬高进行漫堤预警，当此爬高值超过海堤高程，代表该海堤会发生较大越浪、甚至发生大片水流漫堤，漫堤风险高。

Yoo等[19]在韩国Jumunjin港口进行波浪爬高观测并统计了累计频率2%波浪爬高与堤前有效波高的对应关系；Hofland等[20]通过水槽实验获得有效波高为0.58—0.95 m条件下累计频率2%波浪爬高值。本文根据《堤防工程设计规范》[18]中爬高累计频率换算系数KF，将Yoo等和Hofland等的波浪爬高观测结果进行转换得到累计频率为13%的波浪爬高，并将其与堤前有效波高进行了拟合（见图5），两者的拟合关系如式（12），相关性可达0.94。

本文将台风过程中可能会造成漫堤的这一波浪沿海堤坡面上上爬高程称作波浪爬高所及高程，它是天文潮-风暴潮-台风浪耦合水位与台风浪累计频率为13%的波浪爬高之和，表达式如下：

式中：ζTSW-runup为天文潮-风暴潮-台风浪耦合过程波浪爬高所及高程；ζTSW为天文潮-风暴潮-台风浪耦合水位，由FETSWCM模式计算得到；Ru13%为累计频率为13%的波浪爬高，可由SWAN模式计算的有效波高根据公式（12）换算得到。

海堤预警根据堤前波浪爬高所及高程与海堤高程的比较进行如下分级：

（1）红色预警，波浪爬高所及高程≥海堤高程，意味着该海堤会出现较大面积海水漫堤；

图5 有效波高与累计频率为13%的波浪爬高拟合

图6 1319号台风期间福建省海堤漫堤预警图

图7 1319号台风期间漫堤预警汇总表（部分）

图8 1319号台风期间“东山县前港海堤”水位过程曲线显示

（2）黄色预警，海堤高程＞波浪爬高所及高程≥海堤高程-50 cm，意味着该海堤可能会有较大越浪；

（3）蓝色预警，海堤高程-50 cm＞波浪爬高所及高程≥海堤高程-100 cm，意味着该海堤可能会出现少量越浪；

（4）无预警，海堤高程-100 cm＞波浪爬高所及高程，意味着该海堤基本不会出现越浪。

4.2 漫堤预警显示系统

预警系统通过MATLAB GUI交互式界面调用天文潮-风暴潮-台风浪耦合模式计算结果对福建省海堤的台风过程漫堤情况进行预警显示。海堤预警显示包含漫堤预警图显示、漫堤预警汇总表显示和堤前水位过程曲线显示3个部分。

漫堤预警图（见图6）是在包含海堤地理位置的图上通过不同颜色的海堤标记而直观显示海堤的漫堤情况，可直观判断关注海堤的漫堤与否。漫堤预警汇总表（见图7）将具有漫堤危险的海堤及漫堤出现时间，漫堤水位高度都一一列出，方便进行预警和统计；堤前水位过程曲线（见图8）显示包含波浪爬高所及高程曲线、波浪爬高曲线和海堤高程线，这些水位过程曲线显示可作为实际漫堤预警的参考。

5 预报系统检验

本文对“1312”号（TRAMI）台风和“1319”号（USAGI）台风过程在福建沿岸海堤的漫堤灾害进行了后报检验。“1312”号台风漫堤调查实况是由国家海洋局海洋减灾中心、福建省海洋与渔业厅防灾减灾处和福建省海洋预报台3个单位针对福清市、长乐市和连江县开展风暴潮、海浪灾情调研获得；“1319”号台风漫堤调查实况是由国家海洋海洋环境预报中心、福建省海洋预报台、东山海洋环境监测站组成灾情调查统计调研组，针对东山县开展风暴潮、海浪灾情调研获得。

2013年第12号台风“潭美”（TRAMI）于8月18日在台湾岛东南方海面上生成，近中心最大风速为18 m/s（8级），中心最低气压为995 hPa，随后“潭美”台风中心向南缓慢移动，8月19日08时（北京时，下同）又转而向北移动，8月20日08时开始向西北方向移动，强度逐渐加强，于8月22日上午2时40分，在中国福建省福州市福清市城头镇沿海登陆，登陆时近中心最大风速35 m/s（12级），中心最低气压为957 hPa。

使用本文建立的漫堤预警系统对本次台风过程福建沿岸有实况调查的7条海堤进行预警。定安海堤和百胜半埕海堤预报预警等级为黄色，即海堤预报波浪爬高所及高程并不超过海堤高程，但距离海堤高程低于0.5 m，表明该两处海堤虽然不会发生漫堤灾害，但有较大可能发生越浪。在灾后调查中发现该两处海堤有海水冲刷痕迹和水草杂物遗留，并无堤坝损坏，说明该两处海堤确有越浪，但不致漫堤灾害，判定预警准确。其他5条海堤预警等级为红色，表明海堤预报波浪爬高所及高程已超过海堤高程，极大可能发生漫堤灾害，实际调查发现除长沙海堤与沙塘海堤外，其他海堤均发生了海水倒灌和海浪漫堤灾害。因此认为“1312”号台风漫堤灾害预警中，除长沙海堤与沙塘海堤发生错报之外，其余海堤均为准确预警。预警与调查结果详细对比见表2。

2013年第13号台风“天兔”（USAGI）于2013年9月17日02时在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，近中心最大风速为18 m/s（8级），中心最低气压为1 000 hPa；“天兔”台风缓慢向西移动，于9月19日17时加强为超强台风，近中心最大风速为52 m/s（16级），中心最低气压为930 hPa；台风继续向西北方向移动，于9月22日上午20时在中国广东省汕尾市南部沿海登陆，登陆时近中心最大风速45 m/s（14级），中心最低气压为940 hPa。

表2 “1312”号台风过程海堤预警及实况对比

表3 “1319”号台风过程海堤预警及实况对比

使用本文建立的漫堤预警系统对本次台风过程福建省东山县有实况调查的8条海堤进行漫堤预警检验，预警等级均为红色，实际调查均发现漫堤，并且岸堤损毁严重，漫堤预警准确。预警与调查结果详细对比见表3。

6 总结与讨论

本文为福建沿岸海堤建立了天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统，该系统包含天文潮-风暴潮-台风浪耦合计算模式（FETSWCM-SWAN）和海堤预警显示两部分。主要研究成果如下：

（1）建立天文潮-风暴潮-台风浪耦合计算模式，并对福建沿岸及台湾海峡的天文潮、风暴潮和海浪的模拟进行了后报检验，天文潮平均绝对误差为23 cm，台风风暴潮平均绝对误差20 cm；有效波高平均绝对误差为0.70 m；

（2）通过对Yoo和Hofland等人波浪爬高观测数据进行换算，统计出合理的累计频率为13%波浪爬高计算公式，并依此建立了漫堤预警方案；

（3）通过MATLAB GUI交互式界面调用天文潮-风暴潮-台风浪耦合模式计算结果，建立福建省海堤的预警显示。通过波浪爬高所及高程与海堤高程进行比较的方式来判断海堤是否漫堤；

（4）使用该系统进行两场台风过程预警，结果表明：“1312”号台风过程7条海堤中5条海堤准确预警；“1319”号台风过程东山县8条海堤均为准确预警，漫堤预警准确率为87%。

本文建立的天文潮-风暴潮-台风浪耦合漫堤预警系统基于Windows系统下Fortran及Matlab软件，不需要昂贵的计算集群支持，操作简单、使用门槛低且可移植性强，对福建省沿岸漫堤灾害预警有重要意义，其预报可视化功能可以更好服务于人民群众。本文使用的波浪爬高观测数据是二次统计获得，并且不是台风期间的堤前实测数据，具有一定局限性。但两场台风过程的准确漫堤后报表明此公式在一定程度上用于福建省海堤的波浪爬高计算是可行的。后期若有更多海堤波浪爬高观测数据，将对波浪爬高计算公式展开更深入的研究。海堤的越浪部分对漫堤风险的评估有着重要意义，接下来的工作中将尝试加入海堤越浪计算模块，进一步完善本漫堤预报系统。

致谢：本文研究中使用海堤灾害调查结果源于国家海洋局海洋减灾中心、福建省海洋与渔业厅防灾减灾处、福建省海洋预报台和东山海洋环境监测站，在此对获取这些资料的观测人员和工作人员表示感谢。

[1]夏丽花,邬惠明,刘铭,等.热带气旋影响福建沿海风暴潮特征分析[J].热带海洋学报,2014,33(3):40-45.

[2]尹宝树,徐艳青,任鲁川,等.黄河三角洲沿岸海浪风暴潮耦合作用漫堤风险评估研究[J].海洋与湖沼,2006,37(5):457-463.

[3]卢美.浙江海岸台风风暴潮漫堤风险评估研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[4]王鹏,孙大鹏.基于FLUENT的海堤越浪数值模拟[J].中国水运, 2011,11(7):73-75.

[5]高焕臣.风暴潮与天文潮非线性相互作用结果及有关问题的分析[J].海洋通报,1994,13(2):19-23.

[6]赵永良,张延廷,陈则实.黄海风暴潮和天文潮非线性耦合作用的数值研究[J].海洋学报,1992,14(3):37-46.

[7]魏艳,商少平,谢燕双,等.台湾海峡潮流对海浪影响的数值实验[J].厦门大学学报(自然科学版),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,尹宝树,侯一筠,等.辐射应力在黄河三角洲近岸波浪和潮汐风暴潮相互作用中的影响[J].海洋与湖沼,2002,33(6): 615-621.

[11]李大鸣,徐亚男,宋双霞,等.波浪辐射应力在渤海湾海域对风暴潮影响的研究[J].水动力学研究与进展,2010,25(3):374-382.

[12]郑立松,余锡平.波浪辐射应力对风暴增水的影响研究[J].南水北调与水利科技,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]陈德文.台湾岛周边海域台风海面风场及其模型化研究[D].厦门:厦门大学,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]水利部水利水电规划设计总院.GB 50286-2013堤防工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,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

国家科技支撑计划资助项目（2013BAB04B01）

张莉（1988-），女，博士在读，从事河口近岸物理海洋学研究。E-mail:zhangnier99@sina.com