不同重现期风暴潮极端高水位的预测方法研究

The coastline of China is vulnerable to storm surge, with the rapid economic development in the coastal areas, the design criteria for coastal protection engineering need to be increased correspondingly. The historical tidal water level datasets are usually not long and not suitable to be used to estimate 100 year even 500 year extreme high water levels. The high water levles simulated by storm surge hydrodynamic can not get the correponding return year. In this study, the storm surge forcing factors are simulated by Monte Carlo model based on historical strom surge factors. With Adcirc hydrodynamic model, the extreme water levels are simulated in the studied area. The stations of Wusong in Shanghai and Ganpu in Zhejiang province are chosen for this study. Pensacola and Fernandina in America with 88 and 99 years datasets are also chosen for comparison. The study contents include: (1)Stochastic simulation of historical typhoon storm surge forcing factors. (2)Hydrodynamic simulation on reconstructed storm surge forcing factors and the determination on return periods of the corresponding maximum water levels. (3)Analysis and verification on the proposed integrated model by comparing with frequency analysis methods. An accurate, efficient and widely applied method in estimating storm surge extreme water level is proposed in this study.

我国风暴潮频发，海岸带区域经济发展迅速，海岸防护标准需相应提高。然而我国已有潮位系列大多较短，尚难利用传统的频率分析方法推求100年甚至500年一遇的极端水位，并且现有风暴潮水动力计算取得水位尚难确定其相应重现期。本项目拟根据已有年份历史风暴潮要素采用Monte Carlo模型产生所需重现期的风暴潮要素，结合水动力模型Adcirc计算研究区域极端水位的数值模拟方法解决现有问题。拟将上海吴淞和浙江澉浦作为例子并结合拥有88、99年数据的美国Pensacola,Fernandina进行研究，研究内容包括：（1）研究区域历史风暴潮驱动要素的重新组合（2）重组后的风暴潮驱动要素情况下的水动力模型计算及相应最高水位的重现期确定。（3）结合频率分析方法以及实测历史年最高水位来分析和检验模型的计算结果。最终形成一套准确、高效可推广的风暴潮极端水位的计算方法。

我国风暴潮频发，针对现有潮位数据历史较短这一现状，常用的频率分析方法尚难满足高年份重现期下的极端水位的计算，为此本研究建立了一整套预测和分析风暴潮极端高水位的方法。本文分别以长江口和斯里兰卡科伦坡沿海为例重点研究其不同重现期下的极端高水位。利用具有准确历史数据的气象和天文潮以及其他可能驱动因素作为水动力数值模拟的驱动因素来进行数值模拟。对已有Monte Carlo 方法进行改进，采用Monte Carlo 随机模型产生不同重现期的台风参数数据的联合概率组合，并根据藤田—高桥嵌套公式计算出各模拟台风的风场与气压场作为风暴潮的驱动因素，再通过ADCIRC水动力模型进行风暴潮增水的数值模拟，并将各模拟风暴潮增水过程与所乘的天文潮水位进行叠加进而推算出研究海域不同重现期的极端水位值。这样通过水动力模型便可将现有气象统计资料与未知的水位数据联系起来，从而实现由气象因素推求极端水位预测值的目的。通过上述方法同时考虑径流要素组合成新的风暴潮驱动因素，长江口吴淞水位站的风暴潮增水的200年一遇极端水位值为6.5米，100年一遇极端水位值为6.15米。同时也进一步证明了该方法适用于长江口地区，并可向全国海岸带推广。在斯里兰卡科伦坡沿海的研究中，50年、100年和200年一遇的极端高水位预测值分别为1.25m、1.37m和1.45m。考虑到海平面上升对于气候的影响逐年加剧，在工程设计和港口规划中应当要考虑到海平面上升对极端高水位预测的影响，本研究主要针对佛罗里达州海岸的Pensacola和Fernandina水文站在是否考虑海平面上升因素的影响对不同重现期的极端高水位进行了研究和分析。尽管这项研究是在佛罗里达州的两家水文站进行的，该技术可以为其他沿海地区类似的研究提供有用的参考。