警戒潮位核定中建立年極值水位序列的方法研究

李健，劉清容，連喜虎，焦艷，黎舸

(國家海洋局北海預報中心 青島 266061)

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警戒潮位核定中建立年極值水位序列的方法研究

李健，劉清容，連喜虎，焦艷，黎舸

(國家海洋局北海預報中心 青島 266061)

文章以山東省警戒潮位核定為基礎,對其沿岸驗潮站的實測數據情況進行分類;根據不同類別,分別采用相關分析、數值模擬等方法補充實測數據,獲得年極值水位序列,并采用極值Ⅰ型方法計算重現期高潮位。在警戒潮位核定中建立年極值水位序列所使用方法的順序是，有實測數據優先采用實測數據、沒有實測數據利用相關關系、沒有相關關系再使用數值模擬和調和分析的方法進行。值得注意的是，在使用相關關系建立年極值水位序列中,計算重現期高潮位時一定要滿足潮汐性質相同、所受風暴潮過程相似等條件;在使用數值模擬建立年極值水位序列中,須與其全年天文潮最大值進行對比。

年極值水位序列;警戒潮位;海洋災害;風暴潮;數值模擬；調和分析

1 引言

警戒潮位是防護區沿岸可能出現險情或潮災時，需進入戒備或救災狀態的潮位既定值。其高低與當地防潮工程緊密相關，當潮位達到這一既定值時，標志著防護區沿岸可能出現險情，須進入戒備狀態[1]。警戒潮位的設定是做好風暴潮災害監測、預報、警報的基礎工作，能夠為各級政府開展防災減災工作提供決策支持和科學依據。重現期高潮位是多年一遇的極值潮位值，通常采用統計每年潮位極值、建立年極值水位序列、利用極值方法計算的方式獲得，本研究采用的極值方法是極值Ⅰ型計算方法。

山東省位于我國東部，是海洋災害的頻發區域。據不完全統計，2010—2014年山東省海洋災害造成直接經濟損失達77.32億元，其中風暴潮災害損失占52.3%[2]。準確的警戒潮位核定能有效減少風暴潮造成的災害損失并對防災減災具有重要意義。但由于山東省位于黃海、渤海之間，岸線復雜變遷[3]，潮汐系統多樣，沿海各驗潮站缺乏實測數據，給警戒潮位核定工作帶來諸多不便。本研究根據《警戒潮位核定規范》(GB/T17838—2011)要求，對不同實測數據情況進行分類，根據不同類別分別利用相關分析、數值模擬等手段進行警戒潮位核定。

2 警戒潮位核定方法和數值模式

2.1 警戒潮位核定方法

按照《警戒潮位核定規范》[1]要求，核定4色警戒潮位，只需確定藍色和紅色警戒潮位值，而黃色和橙色警戒潮位值則采用平分藍色和紅色警戒潮位值的方法確定。警戒潮位的計算方法是：

H=h+Δh

(1)

式中：H代表藍色或紅色警戒潮位值(cm)。當H代表藍色警戒潮位值時，h為2～5年重現期高潮位；當H代表紅色警戒潮位值時，有岸堤岸段h取核定岸段所有防潮海堤的實際防潮標準所對應重現期高潮位的最小值，無岸堤岸段h取核定岸段歷次重大風暴潮災害期間高潮位的最低值。Δh代表修正值，其核定應綜合分析歷次潮災的風、浪、潮等自然因子，實際防潮能力及社會、經濟等情況，通常Δh值比h值至少小1個數量級。

在山東省警戒潮位核定中，有岸堤岸段紅色警戒潮位通常選擇20年或50年一遇的重現期高潮位，無岸堤岸段則利用歷史災害性最低綜合潮位確定。通過核定式(1)發現，核定警戒潮位的主要環節是確定重現期高潮位，而計算重現期高潮位的關鍵在于建立年極值水位序列。但由于核定岸段情況不同，所具有的實測數據量也不同，使得建立年極值水位序列所使用的方法也不同[4]。

2.2 數值模式

在山東省警戒潮位核定中，采用的風暴潮數值模式是FVCOM(An Unstructured Grid，Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式。由于風暴潮是一種全海域的強迫響應，山東省海域風暴潮不只是該海域自身對局地氣壓場和風場等的響應，大的災害性風暴潮往往是由黃海、東海海水涌入和近海局地增水的共同作用[5]而形成的。因此，計算區域選定為渤海、黃海和東海(圖1)，并在山東省沿岸區域進行網格加密，水平分辨率最小為30 m，網格節點數為89 541、有限元網格數為168 373；模式時間步長外模態為1.5 s、內模態為15 s，模式垂向平均分為10層[6]。

圖1 山東省警戒潮位核定數值模擬網格

模式使用的風場是WRF(Weather Research and Forecasting Model)[7]同化后的模擬風場[6]，臺風風場采用Jelesnianski 2的模型風場[6,8]。FVCOM模式不考慮潮汐與風暴潮的耦合。

3 建立年極值水位序列

根據《警戒潮位核定規范》和山東省警戒潮位核定的具體情況，對其建立年極值水位序列所使用的方法進行總結，主要包括4類。①有20年以上實測數據的，直接計算極值，代表驗潮站有日照、五號碼頭、小麥島、芝罘島、蓬萊、龍口、羊角溝；②不足20年實測數據但附近有高潮相關性較好的長期驗潮站的，采用相關分析方法，代表驗潮站有濰坊港、石島、嵐山；③不足20年實測數據且無相關性較好的長期驗潮站的，采用數值模擬和調和分析方法，代表驗潮站有黃河海港、下營港；④無實測數據的，采用數值模擬和調和分析方法，代表驗潮站有濱州、文登、乳山等。

由于山東省海岸線較長、潮汐性質各異、長期驗潮站分布不均勻，為核定警戒潮位共使用驗潮站26個，其中包括臨時驗潮站10個。按類型舉例說明各種方法的建立過程。

3.1 類型1

日照驗潮站實測數據年限是1970-2012年，時間跨度大于20年，可以直接計算年極值水位。具體方法是：篩選出此核定驗潮站每年實測數據高潮最大值，建立年極值水位序列；利用極值Ⅰ型[9]計算其重現期高潮位(圖2)；核定警戒潮位。

圖2 日照驗潮站重現期高潮位

3.2 類型2

嵐山驗潮站實測數據年限是2004—2012年，時間跨度不足20年，但其與日照驗潮站在地理位置上十分接近，潮汐性質相同(均是正規半日潮且潮汐性質比接近)，所受風暴潮基本一致，因此采用相關分析方法補充建立年極值水位序列。具體方法是：計算相關關系，通過2011—2012年二站實測高潮位進行相關分析(圖3)，結果顯示，其相關率達到99.55%，滿足核定要求；利用此相關關系，將日照驗潮站1970—2003年的年極值水位序列轉化成嵐山驗潮站對應年份的年極值水位序列；計算2004—2012年嵐山驗潮站實測數據年極值，與相關關系轉化的年極值水位構成嵐山驗潮站的年極值水位序列；利用極值Ⅰ型計算其重現期高潮位，進而核定警戒潮位。

圖3 日照驗潮站與嵐山驗潮站的相關關系

3.3 類型3和類型4

這2種類型均是實測潮位數據較少或沒有，且附近沒有相關性較好的長期驗潮站，建立年極值水位序列主要是利用模擬的風暴潮和調和分析[10]的天文潮進行線性疊加獲取綜合潮位計算的。其中，風暴潮模擬是在沒有實測數據或實測數據不全的年份，選取3～5個重要的風暴潮過程進行模擬；而天文潮數據是驗潮站1年或臨時驗潮站1個月以上的實測數據通過調和分析獲得全年數據。以黃河海港驗潮站和文登驗潮站為例，介紹這2種類型的計算方法。

3.3.1 類型3——黃河海港驗潮站

實測數據年限是2008—2012年，時間跨度不足20年，且潮汐性質是正規日潮，附近沒有潮汐性質一致的長期驗潮站，因此采用數值模擬和調和分析手段建立年極值水位序列。具體方法是：在1982—2007年中，以年為單位選取黃河海港驗潮站附近長期驗潮站(龍口和塘沽驗潮站)實測潮位較大或增水較大的3～5個過程進行模擬；根據不同過程，針對臨近長期驗潮站，通過調整風場方法調試模擬結果，使其模擬結果與實測風暴潮結果差值在20 cm以內，同時提取黃河海港驗潮站風暴潮模擬結果；利用黃河海港驗潮站2008—2012年實測潮位數據，通過調和分析獲得1982—2007年天文潮結果；按照不同年份，分別將模擬風暴潮與天文潮疊加獲得綜合潮位，計算綜合潮位的最大值作為此年的年極值水位，再與2008—2012年實測年極值水位形成黃河海港驗潮站年極值水位序列；余下核定警戒潮位的步驟與類型1相同。

3.3.2 類型4——文登驗潮站

2012年前沒有實測潮位數據，只能采用數值模擬和調和分析方法建立年極值水位序列。具體方法與黃河海港驗潮站類似，值得一提的是，在天文潮計算中所使用的實測數據來自臨時觀測。根據《警戒潮位核定規范》要求，臨時觀測數據須連續觀測1個月以上，但由于以1個月的潮位數據計算獲得的調和常數缺少長周期部分，采用附近石島驗潮站(潮汐性質與文登相同)的長期調和常數進行補充，這樣可在一定程度上減少由于缺少長期調和常數而造成的天文潮誤差。

4 注意事項

在使用數值模擬和調和分析方法獲取年極值水位序列時應注意，模擬獲得的綜合潮位最大值應與此年預測天文潮最大值進行對比，選取其中較大者作為此年潮位極值。如出現模擬綜合潮位最大值低于全年天文潮最大值的現象，其原因可能是在選取模擬過程中主要依據附近長期驗潮站實測潮位較大或增水較大進行，但由于核定驗潮站與長期驗潮站位置不同，導致潮時存在差異，從而造成天文潮與增水疊加的綜合潮位結果偏小。這也在一定程度上說明數值模擬在核定警戒潮位中存在缺陷。

5 結語

通過對在山東省警戒潮位核定中建立年極值水位序列的研究發現，其采用方法的順序是：在尊重實測數據的原則基礎上，采用有實測數據優先采用實測數據、沒有實測數據利用相關關系、沒有相關關系再使用數值模擬和調和分析的方法進行。本研究根據實測數據的不同情況，將警戒潮位核定中所使用的驗潮站數據分成4類，同時對應4種建立年極值水位序列的方法。值得注意的是，在使用相關關系建立年極值水位序列中，計算重現期高潮位時一定要滿足潮汐性質相同、所受風暴潮過程相似等條件；在使用數值模擬建立年極值水位序列中，須與其全年天文潮最大值進行對比。

[1] 中華人民共和國國家標準GB/T17839—2011警戒潮位核定規范[S].北京:中國標準出版社,2012.

[2] 溫連杰，江崇波，馬兆江，等.山東省2010—2014年海洋災害概況及防御對策建議[J].海洋開發與管理,2016，33(6):98-104.

[3] 葉小敏，丁靜，徐瑩，等.渤海灣近30年海岸線變遷與分析[J].海洋開發與管理,2016，33(2):56-62.

[4] 黃錦林，張婷，李嘉琳.沿海警戒潮位核定技術問題探討[J].海洋預報,2015,32(1):26-32.

[5] 王秀芹,錢成春,王偉.計算域的選取對風暴潮數值模擬的影響[J].青島海洋大學學報(自然科學版)，2001(3):319-324.

[6] 黃娟,趙鵬,高松，等.風險分析和危機反應中的信息技術[C]//中國災害防御協會風險分析專業委員會第六屆年會論文集.2014.

[7] 王曉君,馬浩.新一代中尺度預報模式(WRF)國內應用進展[J].地球科學進展，2011(11)：1191-1199.

[8] 關芬呈,于斌,林少奕,等.南海北部風暴潮數值計算中的圓對稱臺風風場模式[J].廣東氣象,2000(S1)：44-49.

[9] 王喜年,陳祥福.我國部分測站臺風潮重現期的計算[J].海洋預報服務，1984,1(1):18-25.

[10] 方國洪.潮汐和潮流的分析和預報[M].北京:海洋出版社,1986.

Precautions on the Establishment of Annual Extreme Water Level Series for Approved Warning Water Level

LI Jian，LIU Qingrong，LIAN Xihu,JIAO Yan,LI Ge

(North China Sea Marine Forecasting Center,SOA，Qingdao 266061，China)

Accurate warning water level can effectively reduce disaster losses in storm surge hazards.In order to clarify the establishment of annual extreme water level series for approved warning water level,this paper classified the actual data of coastal tidal stations based on approved warning water level in Shandong Province and used correlation analysis,numerical simulation and other methods to supplement the different classification actual data which used to compute annual extreme water level series,respectively.Extreme-value type I method of the series was used to calculate High Tide Level in the return period.The order of the method used to establish the annual extreme water level sequence in the monitoring of the tide level is that the measured data are preferentially measured with the measured data,then is the correlation if there is no measured data,and the last is the use of numerical simulation and reconciliation analysis if there is no correlation.It is worth noting that in the use of the correlation between the establishment of the annual extreme water level sequence,the calculation of the high tide level of the reproduction must meet the same tidal nature,similar to the storm surge process and other conditions;the use of numerical simulation to establish the annual extreme water level sequence,should be compared with its annual maximum value of astronomical tide.

Annual extreme water level series，Warning water level,Marine disaster，Storm surge，Numerical simulation,Harmonic analysis

2016-12-15；

2017-05-19

北海分局科技項目(2015B06).

李健，工程師，碩士，研究方向為風暴潮預報，電子信箱：ylijian7@126.com

P741；X43

A

1005-9857(2017)06-0077-04