A1B氣候情景下海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮的影響

李杰，杜凌，張守文，張秋豐，牛福新，葉風(fēng)娟

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津300457；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島266100）

A1B氣候情景下海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮的影響

李杰1,2，杜凌2，張守文2，張秋豐1，牛福新1，葉風(fēng)娟1

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津300457；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島266100）

用三維水動(dòng)力模型Ecomsed，在第四次IPCC評估報(bào)告SRES A1B氣候情景下，分析21世紀(jì)海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮及沿岸脆弱性的影響。在A1B氣候情景海平面變化影響下，對17個(gè)臺風(fēng)個(gè)例進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：受海平面變化影響風(fēng)暴潮增減水出現(xiàn)大概10 cm的變化，風(fēng)暴潮增水提前，風(fēng)暴潮增水時(shí)段延長；臺風(fēng)強(qiáng)度越大，海平面變化對風(fēng)暴潮增水強(qiáng)度的影響越明顯。海平面變化對海岸帶脆弱性具有很大影響，蘇北淺灘及環(huán)渤海海岸帶脆弱性將增強(qiáng)，校核水位在東中國海將會(huì)增大。

東中國海；海平面變化；氣候情景預(yù)測；風(fēng)暴潮

1 引言

隨著人類活動(dòng)對海洋和大氣影響的迅速擴(kuò)大，氣候變化和海平面上升已是目前國際社會(huì)普遍關(guān)注的全球性重大問題。政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)第四次評估報(bào)告曾預(yù)測，21世紀(jì)末全球平均海平面會(huì)上升0.18—0.59 m，全球變暖會(huì)引起海平面升高，到21世紀(jì)80年代末潮水泛濫的受害人口將有可能達(dá)數(shù)百萬。海平面上升直接導(dǎo)致風(fēng)暴潮增水的初始海面與高潮位提高，不但加劇風(fēng)暴潮災(zāi)害程度，而且也可能導(dǎo)致災(zāi)害頻率的增加，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。研究發(fā)現(xiàn)海平面存在多種時(shí)間尺度的變化，不僅上升趨勢嚴(yán)重影響風(fēng)暴潮，而且當(dāng)風(fēng)暴潮增減水疊加在海平面季節(jié)與年際變化上，會(huì)使風(fēng)暴潮致災(zāi)程度加劇。研究海平面變化對風(fēng)暴潮災(zāi)害的影響，及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)風(fēng)暴潮，對于沿海一帶的防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)暴潮是對我國沿海影響最嚴(yán)重的自然現(xiàn)象之一，東中國海風(fēng)暴潮數(shù)值模擬已經(jīng)十分成熟。風(fēng)暴潮增水受多種因素制約，如天文潮與風(fēng)暴潮的非線性作用、地形、陸地徑流等。江文勝和孫文心[1]發(fā)現(xiàn)如果膠州灣口外局部地形變深，風(fēng)暴增水會(huì)造成一定程度的增加，而且對底層風(fēng)暴潮流會(huì)造成更大的影響。郭可才等[2]對9711號臺風(fēng)對山東半島的影響進(jìn)行初步分析，指出9711號臺風(fēng)對山東半島致災(zāi)嚴(yán)重的主要原因是由于風(fēng)海流、傾斜流效應(yīng)以及風(fēng)暴潮發(fā)生在天文大潮期間。

風(fēng)暴潮是以海平面為基底進(jìn)行傳播并侵蝕或破壞海岸地帶的。關(guān)于海平面變化對風(fēng)暴潮和工程水位影響的研究還不多見，且大都是側(cè)重分析海平面上升對潮波、風(fēng)暴潮致災(zāi)程度等的影響。沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)加劇，一方面是由于海平面升高，另一方面是由于海平面升高導(dǎo)致天文潮增大。海平面上升后，黃海沿岸潮差增大[3]；高潮位上升，強(qiáng)潮頻率增多，高潮時(shí)間延后[4]。于宜法等[5]發(fā)現(xiàn)海平面上升1 m后，渤、黃、東海有些地方的天文最高潮位升高可達(dá)12—16 cm，南黃海海域M2分潮的無潮點(diǎn)有向東南方向偏移的趨勢，受此影響，靠近無潮點(diǎn)的左側(cè)及灣頂海岸變化明顯，而遠(yuǎn)離無潮點(diǎn)的右側(cè)及灣頂海岸則變化不大[6]。風(fēng)暴潮的發(fā)生頻率與強(qiáng)度也隨著海平面的上升而改變。20世紀(jì)90年代以來我國沿海海面持續(xù)波動(dòng)上升，期間我國沿海臺風(fēng)風(fēng)暴潮發(fā)生的平均次數(shù)與前期比較雖略有減少（由年均8.0次減少為年均6.9次），但強(qiáng)度增大，其中47個(gè)站點(diǎn)觀測到破歷史記錄的高水位[7]。劉杜鵑[8]在IPCC提供的全球海平面變化背景值之上，給出中國未來幾十年相對海平面變化的預(yù)測值，指出相對海平面上升將使中國沿海風(fēng)暴潮強(qiáng)度與頻率增加。目前關(guān)于海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮影響的工作開展有待深入，尤其是氣候情景下未來海平面變化對風(fēng)暴潮影響的研究尚不多見。高志剛等[9]采用Ecomsed模式模擬了影響東中國海的3次臺風(fēng)過程，研究結(jié)果表明海平面上升對風(fēng)暴潮造成的影響有限。

本文基于IPCC第四次評估報(bào)告中提出的SRES A1B氣候情景，利用已有CCSM的模擬結(jié)果，對21世紀(jì)西北太平洋海平面變化進(jìn)行預(yù)測分析。在A1B氣候情景下，利用20年的臺風(fēng)信息，模擬21世紀(jì)東中國海海平面變化對風(fēng)暴潮及沿岸脆弱性的影響。

表1 最大增水時(shí)段臺風(fēng)信息

2 數(shù)據(jù)及模式介紹

2.1 數(shù)據(jù)介紹

模式模擬中采用的風(fēng)場和氣壓場數(shù)據(jù)是美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析風(fēng)場資料和NCEP/ NCAR的氣壓場資料。數(shù)據(jù)為每天4個(gè)時(shí)次，研究時(shí)段是1989—2008年。

臺風(fēng)信息的數(shù)據(jù)來源有兩種，1998—2005年期間的臺風(fēng)信息由國家海洋局提供，2006—2008期間的臺風(fēng)信息使用美國聯(lián)合臺風(fēng)警報(bào)中心（Joint Typhoon Warning Center）整編的熱帶氣旋資料。臺風(fēng)個(gè)例是根據(jù)青島出現(xiàn)年極值水位時(shí)段，選取熱帶西太平洋海域爆發(fā)進(jìn)而影響東中國海的臺風(fēng)，其中1995年、1998年、1999年選取時(shí)段內(nèi)沒有相應(yīng)的臺風(fēng)。臺風(fēng)信息包括臺風(fēng)中心的位置、臺風(fēng)中心氣壓以及臺風(fēng)中心的最大風(fēng)速等。

21世紀(jì)海表面高度數(shù)據(jù)來源于IPCC第四次評估報(bào)告，是基于SRES①SRES是指《IPCC排放情景特別報(bào)告》中所描述的情景，分為探索可替代發(fā)展路徑的四個(gè)情景族(A1，A2，B1和B2)，涉及一系列人口、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)力以及由此產(chǎn)生的溫室氣體排放。A1情景假定世界經(jīng)濟(jì)增長非常快，全球人口數(shù)量峰值出現(xiàn)在本世紀(jì)中葉，新的和更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn)。A1情景分為三組，分別描述了技術(shù)變化中可供選擇的方向：化石燃料密集型(A1FI)、非化石燃料能源(A1T)以及各種能源之間的平衡(A1B)（IPCC，2007）。氣候情景模擬的月均海表面高度。本文采用SRES A1B情景下CCSM模式720 PPM穩(wěn)定性試驗(yàn)的輸出結(jié)果，采用2000—2099年月均海表面高度數(shù)據(jù)分析21世紀(jì)海平面的變化情況，并為海平面對風(fēng)暴潮影響的模擬提供21世紀(jì)相應(yīng)月份海平面變化值。

2.2 合成臺風(fēng)風(fēng)場模型

利用臺風(fēng)中心的移動(dòng)速度、最大風(fēng)速半徑等臺風(fēng)信息，采用改進(jìn)的Jelesnianski移動(dòng)臺風(fēng)風(fēng)場模型[10]，將移動(dòng)臺風(fēng)風(fēng)場與對應(yīng)時(shí)刻的NECP背景風(fēng)場合成得到合成臺風(fēng)風(fēng)場，這樣的風(fēng)場數(shù)據(jù)不僅刻畫出臺風(fēng)的氣旋結(jié)構(gòu)，更考慮了臺風(fēng)移動(dòng)造成的附加風(fēng)場，因此更接近實(shí)際的風(fēng)場分布。

圖1 表1所示的影響東中國海的臺風(fēng)路徑

式中，Vcx,Vcy是臺風(fēng)中心移動(dòng)速度在x，y方向上的分量，Rm是最大風(fēng)速半徑，Vm是最大風(fēng)速，φ是流入角。

相應(yīng)的氣壓場模型如下：

式中，P0是臺風(fēng)中心氣壓，Pm是外圍氣壓。

圖2 氣候情景預(yù)測未來100年西北太平洋海平面變化

圖3 海平面變化的小波分析

3 21世紀(jì)海平面變化特征

IPCC第四次評估報(bào)告指出，氣候變化和海平面上升使海岸帶侵蝕加劇。大氣溫室氣體濃度維持在2000年水平，估計(jì)過去的排放仍會(huì)導(dǎo)致一些不可避免的變暖（到本世紀(jì)末再升高約0.6℃）和強(qiáng)熱帶氣旋活動(dòng)的增強(qiáng)，使海岸帶地區(qū)遭受洪水和強(qiáng)風(fēng)的破壞[11]。在氣候情景下，第四次評估報(bào)告綜合了多個(gè)全球氣候系統(tǒng)模式預(yù)測21世紀(jì)海平面變化，本文選取CCSM模式SRES A1B氣候情景下模擬結(jié)果對西北太平洋海域（100°—180°E，0°—55°N）21世紀(jì)海平面變化進(jìn)行分析預(yù)測。

SRES A1B氣候情境下，21世紀(jì)西北太平洋海平面除具有明顯的長期趨勢外，還具有顯著的季節(jié)、年際和年代際變化。海平面年變化范圍在12 cm左右，春季海平面較低，秋季達(dá)到海平面年最大值（圖2灰色區(qū)域所示）。

21世紀(jì)海平面年際變化較顯著，小波分析結(jié)果顯示，3—5年的變化周期在21世紀(jì)初和世紀(jì)末較為顯著，4—8年的年際變化在21世紀(jì)中期最為顯著（見圖3），該時(shí)段的年際變化可能與厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象有關(guān)。另外，海平面還存在年代際振蕩，2060年之前，海平面持續(xù)上升，上升速率為2.7 mm/y；2060年附近海平面達(dá)到最大值，平均海面約為48 cm最高值可達(dá)51 cm；此后，海平面以4.8 mm/y的速率顯著降低；90年代以后海平面再次上升。60年代之前的海平面上升有可能是工業(yè)革命以來人類對氣候變化影響累積的結(jié)果，而之后的海平面降低可能是歸因于A1B氣候情境的假定——假定經(jīng)濟(jì)增長非常快，全球人口數(shù)量峰值出現(xiàn)在本世紀(jì)中葉，新的和更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn)，各種能源之間的平衡。這種相對理想的假定漸漸削弱人類生活對海平面的影響，可見人類活動(dòng)對全球氣候的影響是非常重大的[12]。

海平面變化在氣候變化中起到非常重要的作用，海平面上升將會(huì)導(dǎo)致潮波系統(tǒng)改變[5-13]，海平面的長期累積效應(yīng)必將加劇風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的致災(zāi)程度，因此本文將分析SRES A1B氣候情境下海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮的影響。

表2 半日分潮和全日分潮的模擬結(jié)果與實(shí)測的差異

4 海平面變化對風(fēng)暴潮的影響

4.1 數(shù)值模擬設(shè)置及驗(yàn)證

采用Ecomsed進(jìn)行模擬，模擬海域覆蓋東中國海（24°—41°N，117°—131°E），空間分辨率是5′×5′，模式采用正壓模型，垂向分為10層。在不同區(qū)域內(nèi)采用不同的底摩擦系數(shù)，黃海和東海摩擦系數(shù)為0.0025，渤海為0.0016[14]。開邊界選取在臺灣海峽、對馬海峽和琉球群島鏈處，利用附近的測站資料和已有調(diào)和常數(shù)結(jié)果給出水位開邊界。模式的初始條件為?=u=v=0，模式的內(nèi)模態(tài)時(shí)間步長是30 s，外模態(tài)時(shí)間步長是6 s。從靜止?fàn)顟B(tài)開始積分，模式穩(wěn)定后輸出30 d的水位結(jié)果，計(jì)算其調(diào)和常數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行分析驗(yàn)證。

將模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析，得到的潮汐調(diào)和常數(shù)與沿岸驗(yàn)潮站的實(shí)測資料進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。潮波系統(tǒng)的特征模擬基本上反映了東中國海的潮波特征，為進(jìn)一步模擬提供了良好的基礎(chǔ)。在福建沿海及朝鮮半島沿岸模擬結(jié)果存在一定偏差，這可能與該海域水深數(shù)據(jù)不精確以及該模型在淺海地區(qū)的參數(shù)化精度有關(guān)。總體來看，該區(qū)域主要分潮的振幅和遲角與實(shí)測資料相差不大，總體吻合較好，反映了該海域的潮汐特征，模式可以用于進(jìn)一步的模擬研究。

以2008年第7號臺風(fēng)“海鷗”為例進(jìn)行分析。模擬時(shí)段為2008年7月18—22日，模擬0807號臺風(fēng)期間青島站在風(fēng)暴潮影響下水位的變化與驗(yàn)潮站觀測記錄的比較（見圖4），發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)測資料水位的變化趨勢基本相符，再現(xiàn)了水位的變化過程。7月20日凌晨臺風(fēng)從江蘇以東進(jìn)入黃海南部海面，影響山東半島南部海域，青島站水位開始升高，并達(dá)到水位最大值，之后水位降低。模擬值與實(shí)測值存在一定的差異，這主要是由于該測站距離臺風(fēng)有一定距離，實(shí)測水位受臺風(fēng)過程影響所限，另外也可能是未考慮海平面季節(jié)變化所致。總體來說，模式對0807號臺風(fēng)的模擬是成功的。

基于以上驗(yàn)證，本文模擬以下實(shí)驗(yàn)：首先是在平均海面情況下，對1989—2008年出現(xiàn)極值水位的17個(gè)臺風(fēng)個(gè)例進(jìn)行風(fēng)暴潮模擬；其次為考慮21世紀(jì)海平面變化的氣候情景下風(fēng)暴潮模擬。通過兩種實(shí)驗(yàn)來分析21世紀(jì)海平面變化對風(fēng)暴潮的影響。

圖4 風(fēng)暴潮模擬水位變化與青島站實(shí)測資料的對比

4.2 海平面變化對風(fēng)暴潮的影響

21世紀(jì)海平面呈現(xiàn)復(fù)雜的變化特征，其中季節(jié)、年際變化特征顯著，年變幅在10 cm左右，4—8年的年際變化明顯，21世紀(jì)60年代之前海平面呈上升趨勢，21世紀(jì)60年代附近海平面達(dá)到最高，大概為50 cm以上，之后的30年間海平面將稍有下降。海平面變化的長期累積效應(yīng)將加劇風(fēng)暴潮、海岸侵蝕、海水入侵、土壤鹽漬化和咸潮等海洋災(zāi)害的致災(zāi)程度，21世紀(jì)海平面變化對風(fēng)暴潮的影響不可忽視。

風(fēng)暴潮增水是風(fēng)暴潮和天文潮非線性作用的結(jié)果，天文潮潮位是模擬水位曲線的主要成份，因此，將模擬水位曲線中減去潮汐曲線即得到風(fēng)暴潮曲線，即風(fēng)暴潮增減水。

本文選擇海平面達(dá)到21世紀(jì)最高的2060年海平面變化值作為參考，分析海平面變化對風(fēng)暴潮增減水過程的影響。模式中采用風(fēng)暴潮個(gè)例發(fā)生時(shí)對應(yīng)月份的海平面值，為方便記，稱這種風(fēng)暴潮個(gè)例模擬為“氣候情景下風(fēng)暴潮個(gè)例”。以0807號臺風(fēng)為例，0807號臺風(fēng)發(fā)生在2008年8月份，利用0807號臺風(fēng)信息合成的臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，氣候情景下0807號風(fēng)暴潮模擬中考慮2060年8月份的海平面變化。模擬結(jié)果與原始臺風(fēng)個(gè)例的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，用以分析氣候情景下海平面變化對風(fēng)暴潮增減水過程和脆弱性的影響。

下面以0807號臺風(fēng)為例分析由海平面變化導(dǎo)致的風(fēng)暴潮增減水差異。由圖5可見，考慮海平面變化影響下，0807號臺風(fēng)來臨之前，風(fēng)暴潮增水（虛線）發(fā)生在落潮期間；臺風(fēng)到達(dá)驗(yàn)潮站所在海域時(shí)，風(fēng)暴潮增水發(fā)生在高潮時(shí)刻，兩者的相互作用使得臺風(fēng)影響期間瞬時(shí)水位升高顯著；臺風(fēng)過境之后風(fēng)暴潮減水發(fā)生在退潮期間，將加劇風(fēng)暴潮減水期間的水位降低。海平面的變化顯著影響風(fēng)暴潮增減水的過程，風(fēng)暴增水提前并將延長風(fēng)暴潮的增水時(shí)段。

從兩種風(fēng)暴潮個(gè)例的增減水差異來看，海平面變化可以引起10 cm的增減水差異（陰影部分）。3個(gè)觀測站（連云港站（34°45ˊN，119°25ˊE）；日照站（35°23′N，119°32′E）；丹東站（124°24ˊE，40°07′N））的風(fēng)暴潮增減水明顯增大，即增水值變大，約為5—7 cm，減水也增加5—7 cm。海平面變化所引起的增減水差異顯示出一定的周期性變化，這可能與半日潮流的轉(zhuǎn)向有關(guān)。

海平面變化在不同的海區(qū)對風(fēng)暴潮變化的影響也不同。圖6所示為丹東、日照、連云港3個(gè)測站的17個(gè)氣候情景下風(fēng)暴潮個(gè)例期間的水位變差（風(fēng)暴潮期間的最大水位與最小水位之差）。由海平面變化導(dǎo)致的水位變差均出現(xiàn)增大現(xiàn)象。在同一臺風(fēng)影響下，位于山東半島南部的日照站和蘇北沿岸的連云港站因地理位置較近，所以受海平面變化的影響相似，兩站點(diǎn)的水位變差均受海平面變化影響而增加。例如，在日照站，氣候情境下的9216號風(fēng)暴潮水位變差較原始9216號風(fēng)暴潮增加20 cm左右。位于遼東半島東南沿岸的丹東站則與日照站、連云港站存在較大差異，因受臺風(fēng)影響范圍所致，海平面變化對其影響不如南部兩測站明顯，水位變差增加10 cm左右。

圖5 3個(gè)站點(diǎn)在情景下0807號臺風(fēng)風(fēng)暴潮增減水的差異（陰影部氣候分），增減水變化（虛線）和潮位變化（黑實(shí)線），紫點(diǎn)所示為臺風(fēng)影響時(shí)刻

圖6 海平面變化前后水位變差變化

臺風(fēng)個(gè)例的移動(dòng)路徑、臺風(fēng)強(qiáng)度不同，從而影響不同的海區(qū)，即使在同一站點(diǎn)，不同的臺風(fēng)個(gè)例的增減水過程也存在差異。例如，9216號、9711號以及0713號臺風(fēng)影響范圍廣，強(qiáng)度大，它們的模擬時(shí)段內(nèi)3個(gè)站的水位變差增加均比其他年份顯著，日照和連云港站水位變差增加超過20 cm，丹東站水位變差增加分別達(dá)12 cm和14 cm，0713號臺風(fēng)使得丹東站水位變差增加超過15 cm。8921號和0421號臺風(fēng)主要影響東中國海南部海域，并迅速減弱為低氣壓，對東中國海的影響強(qiáng)度較弱，在8921號和0421號模擬時(shí)段內(nèi)，水位變差雖增加但不十分顯著。

中國沿岸華北平原、蘇北平原和長江三角洲地區(qū)是典型脆弱區(qū)[15]。氣候情景下風(fēng)暴潮將使脆弱區(qū)風(fēng)暴潮增水增加（見圖7），其中華北平原風(fēng)暴潮增水增加最顯著，可達(dá)15 cm左右；蘇北平原次之，一般風(fēng)暴潮增水將增加約10 cm；長江三角洲地區(qū)的風(fēng)暴潮增水有5 cm左右的增加。因此，氣候情景下海平面變化對風(fēng)暴潮增水的影響具有區(qū)域性特征。

總體來說，海平面變化會(huì)影響不同海區(qū)的風(fēng)暴潮增減水強(qiáng)度，距離氣旋中心越近，海平面影響越顯著；臺風(fēng)強(qiáng)度越大，海平面對風(fēng)暴潮的影響越明顯。

圖7 海平面變化作用下典型脆弱區(qū)的增水差異

圖8 中國沿海主要脆弱區(qū)示意圖

4.3 海平面變化對沿海脆弱性的影響

脆弱性是指某個(gè)系統(tǒng)易受到氣候變化的不利影響，包括氣候變率和極端氣候事件，但卻無能力應(yīng)對不利影響的程度。脆弱性隨一個(gè)系統(tǒng)面臨的氣候變化和變異的特征、幅度和速率、敏感性及其適應(yīng)能力而變化[11]。就中國沿海而言，氣候變化引起的海平面變化導(dǎo)致風(fēng)暴潮災(zāi)害加劇，海岸帶更易受到風(fēng)暴潮強(qiáng)增水過程的危害，造成大片區(qū)域被淹沒，加重海岸侵蝕等災(zāi)害。中國國家氣候變化評估報(bào)告[15]中指出，風(fēng)暴潮是中國沿海致災(zāi)的主要原因，根據(jù)風(fēng)暴潮最大增水以及沿海陸地高程基準(zhǔn)、海岸防護(hù)等級等諸多因素綜合評估，將沿海地區(qū)分為8個(gè)脆弱區(qū)，其中華北平原、蘇北平原、長江和珠江三角洲地區(qū)是中國沿海最重要脆弱區(qū)（見圖8）。本文所指的海岸帶脆弱區(qū)是指容易受風(fēng)暴潮增水影響，受災(zāi)加重的海域。

由17個(gè)臺風(fēng)個(gè)例模擬的平均最大增水值（見圖9）發(fā)現(xiàn)，閩浙沿岸風(fēng)暴潮引起的增水最大，大部分臺風(fēng)在該海域登陸，此時(shí)臺風(fēng)風(fēng)速大、中心氣壓低，引起較大的風(fēng)暴潮增水。沿海岸線向北，風(fēng)暴潮增水逐漸減小。但是由于地形的作用，杭州灣增水較大。遼東半島東南沿岸，風(fēng)暴潮增水較高。由北到南，風(fēng)暴潮最大增水集中的地段主要是遼東灣、萊州灣、江蘇小洋河口至浙江北部的海門、溫州、臺州、沙埕及福建的閩江口、廣東汕頭至珠江口沿岸。

氣候情景下的海平面影響前后風(fēng)暴潮最大增水的差異如圖10所示，蘇北淺灘、環(huán)渤海沿岸、遼東半島東南沿岸風(fēng)暴潮增水將增加。其中，蘇北沿岸風(fēng)暴潮最大增水將增大8 cm，遼東半島沿岸次之，增大可達(dá)5 cm，環(huán)渤海沿岸最大增水也將稍有增大。但是，局部沿岸地區(qū)風(fēng)暴增水將減小。華北平原、蘇北平原已是目前中國沿海最重要脆弱區(qū)，21世紀(jì)氣候情景海平面影響下風(fēng)暴潮增水將進(jìn)一步增大，海平面變化影響下，蘇北淺灘及環(huán)渤海海岸帶脆弱性將增強(qiáng)，華北平原、蘇北平原將變?yōu)楦嗳醯膮^(qū)域。

圖9 氣候情景下風(fēng)暴潮最大增水分布（單位：cm）

圖10 氣候情景下海平面變化對風(fēng)暴潮增水的影響（單位：cm）

圖11 100年一遇工程水位分布（單位：m）

從東中國海海平面變化脆弱區(qū)的分布來看，在沿海重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)和海平面上升脆弱區(qū)，應(yīng)開展海平面變化監(jiān)測及脆弱區(qū)劃工作，并將監(jiān)測和評價(jià)結(jié)果，作為沿海重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃的重要指標(biāo)，及時(shí)修訂堤防設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)。在重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)帶如天津?yàn)I海新區(qū)、長三角地區(qū)和珠江三角洲等受咸潮入侵嚴(yán)重區(qū)域，應(yīng)合理調(diào)配全流域的水資源，保障風(fēng)暴期間高海平面安全。

非正常天氣條件下，為保證沿海工程（如港口）在這種極端高潮位時(shí)碼頭不被淹沒，同時(shí)碼頭各部分及地基仍能夠保持必要的較高安全度。在沿海工程設(shè)計(jì)中，校核水位一般采用重現(xiàn)期為五十年一遇的高（低）潮位。校核水位一般對連續(xù)20年以上的實(shí)測年最高水位資料進(jìn)行分析計(jì)算得到。本文利用21世紀(jì)海平面影響下20個(gè)風(fēng)暴潮模擬的潮位，得到21世紀(jì)的100年一遇的校核水位分布（見圖11）。閩浙沿岸是校核水位最大的海域，100年一遇校核水位可達(dá)5 m以上，50年一遇可達(dá)4.5 m以上。其次是遼東半島東南沿岸，100年一遇校核水位可達(dá)5 m，50年一遇4 m。環(huán)渤海灣北部100年一遇校核水位相對較低，大概在3 m左右。山東半島南部沿岸校核水位大概在3 m左右。蘇北淺灘位于M2無潮點(diǎn)附近，因此校核水位相對較低。

5 結(jié)論

本文用三維水動(dòng)力模型Ecomsed，在第四次IPCC評估報(bào)告SRES A1B氣候情景下，分析21世紀(jì)海平面變化對東中國海風(fēng)暴潮及沿岸脆弱性的影響。

在A1B氣候情景下，對21世紀(jì)西北太平洋海平面變化進(jìn)行分析。21世紀(jì)海平面變化具有顯著的季節(jié)、年際及年代際變化。2060年之前，海平面上升，上升速率為2.7 mm/y；2060年之后，海平面以速率4.8 mm/y顯著降低；2060年海平面達(dá)到21世紀(jì)最大值。4—8年的年際變化在21世紀(jì)中期較為顯著。

氣候情景下21世紀(jì)海平面變化對風(fēng)暴潮增水過程有顯著影響。海平面變化引起10 cm的增減水差異，海平面變化將延長風(fēng)暴潮增水時(shí)段，海平面變化所引起的增減水差異的周期性變化可能與半日潮流的轉(zhuǎn)向有關(guān)。另外，臺風(fēng)強(qiáng)度越大，海平面對風(fēng)暴潮增水過程影響越明顯。

海平面變化影響下，風(fēng)暴潮增減水的變化具有顯著的空間分布特征。蘇北淺灘、環(huán)渤海沿岸、遼東半島東南沿岸風(fēng)暴潮增減水將增加。海岸帶主要脆弱區(qū)在海平面變化影響下，蘇北淺灘及環(huán)渤海海岸帶脆弱性將增強(qiáng)，華北平原、蘇北平原將變?yōu)楦嗳醯膮^(qū)域。

21世紀(jì)的校核水位在東中國海將會(huì)增大。校核水位在閩浙沿岸可達(dá)5 m左右，其次是遼東半島東南沿岸。環(huán)渤海灣北部校核水位相對較低，大概在3 m左右。在一般情況下，灣頂校核水位較大，尤其杭州灣可達(dá)5 m。校核水位的增加，意味著沿岸工程將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

[1]江文勝,孫文心.地形變化對青島地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)影響的一次模擬[J].海洋預(yù)報(bào),2002,19(1):97-104.

[2]郭可才,郭明克,江崇波,等.9711號臺風(fēng)對山東半島災(zāi)害的初步分析[J].海洋預(yù)報(bào),1998,15(2):47-51.

[3]張錦文,杜碧蘭.中國黃海沿岸潮差的顯著增大趨勢[J].海洋通報(bào),2000,19(1):1-9.

[4]陳奇禮,許時(shí)耕.海平面上升后粵西沿岸潮汐的變化[J].海洋通報(bào),1995,14(1):7-10.

[5]于宜法,郭明克,劉蘭.海平面上升導(dǎo)致渤、黃、東海潮波變化的數(shù)值研Ⅱ——海平面上升后渤、黃、東海潮波的數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2007,37(1):7-14.

[6]王偉,宋志堯,路衛(wèi)國,等.海平面上升對海岸潮差響應(yīng)的理論分析[J].海洋工程,2008,26(3):94-104.

[7]崔承琦,施建堂.近10年來我國沿海海面變化和風(fēng)暴潮[J].海洋通報(bào),2001,20(4):20-25.

[8]劉杜鵑.相對海平面上升對中國沿海地區(qū)的可能影響[J].海洋預(yù)報(bào),2004,21(2):21-28.

[9]Gao Z G,Han S Z,Liu K X,et al.Numerical simulation of the influence of mean sea level rise on typhoon storm surge in the East China Sea[J].Marine Science Bulletin,2008,10(2):36-49.

[10]Jelesnianski C P.A numerical computation of storm tides induced by a tropical storm impinging on a continental shelf[J].Mon.Wea. Rev.,1965,93(16):343-358.

[11]Meehl G A,Stocker T F,Collins W D,et al.Global Climate Projections.In:Climate Change 2007:The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report oftheIntergovernmentalPanelonClimateChange[M]. Cambridge University Press,2007.

[12]Houghton J T,Ding Y,Griggs D J,et al.Climate Change 2001: The Scientific Basis.Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge University Press,2001:881-882.

[13]Du L,Zuo J C,Li L,Li P L.The response of tidal wave and engineering water level to long-term sea level variation in the Jiaozhou Bay[J].Proceeding of the fifteenth International Society of Offshore and Polar Engineers Conference,2005:713-719.

[14]Lv X Q,Zhang J C.Numerical study on spatially varying bottom friction coefficient of a 2D tidal model with adjoint method[J]. Continental Shelf Research,2006,26:1905-1923.

[15]NationalAssessment Report of Climate Change committee.China' s National Assessment Report of Climate Change[M].Science Press,2007:422-423.

Impact of sea level variations on storm surge under SRES A1B scenario in the East China Sea

LI Jie1,2，DU Ling2，ZHANG Shou-wen2，ZHANG Qiu-feng1，NIU Fu-xin1，YE Feng-juan1
（1.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station,Tianjin 300457 China；2.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China,Qingdao 266100 China)

Based on the IPCC AR4 A1B scenario,the sea level variations in 21st century and the impact of sea level variations on storm surge along the coast of the East China Sea are analyzed using a three-dimensional high-resolution hydrodynamic model(Ecomsed).The“SRES A1B scenario storm surge”combined with the relevant monthly sea level in the 2060 year was simulated through 17 typhoon cases from 1989 to 2008.Residual elevation difference performed 10 cm in the three tide gauges.The influence of sea level variation on the maximal residual elevation and check water levels mapped the geographical variability.The maximal residual elevation would increased along the northern coastline of the Jiangsu province,and areas surrounding Bohai Sea, where would be the more vulnerable area.The check water in the 21st century would become higher as sea level varying.

East China Sea；sea level variation；climate scenario；storm surge

P731.23

：A

：1003-0239（2014）05-0020-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.004

2014-03-24

國家自然科學(xué)基金（41376008,41176009）;“973”課題（2012CB417401）;全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)(GASI-03-01-01-09)；北海分局海洋科技項(xiàng)目（2014B06）

李杰（1985-），女，助理工程師，主要從事潮汐海平面研究和海洋預(yù)報(bào)工作。E-mail：jieliouc@126.com