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黄、渤海区风暴潮致灾机理与风险评估研究
李健
Subtype博士
Thesis Advisor侯一筠
2021-05-19
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中科院海洋研究所
Degree Name理学博士
Keyword风暴潮,黄、渤海区,风险评估,互补叠加算法,台风影响范围
Abstract

二十一世纪是海洋世纪。在大力发展海洋经济的同时,有效减少各类海洋灾害造成的经济损失,确保沿岸居民生命和财产安全显得尤为重要。随着科技的发展和海洋灾害关注度的提升,单纯针对水动力过程的数值模拟已经不能完全满足决策者和应用者的需求,结合社会属性开展的风险评估越来越受到重视。但是由于风暴潮受地域影响较大、涉及评估因素较多、实测灾害数据缺乏等因素影响,导致其致灾机理和风险评估仍有许多不清楚地方,因此一直是国内外学者研究热点之一。

鉴于上述情况,本论文以现场观测、卫星遥感和基础地理等数据为基础,利用统计、数值模拟和灾害模型等方法,在黄、渤海区(系指35°N以北的中国海域)依次开展风暴潮时空分布、风暴潮致灾机理和风暴潮风险评估的研究,并获得以下成果。

首先,开展风暴潮时空特征研究。通过对近30年观测潮位数据和灾损数据分析发现:较高级别风暴增水和达警报级别综合潮位的出现频率和极值分布,在空间上较为一致,均主要出现在渤海湾和莱州湾;但在时间上,两者相差较大,前者主要出现在秋冬季节交换时期,而后者主要出现在汛期。黄、渤海区由风暴潮导致的人员伤亡和直接经济损失主要分布在山东省,且黄、渤海区近10年灾害损失比例呈上升趋势。同时结合警戒潮位值给出了黄、渤海区沿岸各地出现红色警报的可能性分布,并得出黄、渤海区沿岸的防潮能力建设较差和防潮意识比较薄弱的结论,因此该区域更需要开展风暴潮致灾机理研究和风险评估体系的建设。

其次,根据风暴潮时空分布结果显示,北上台风在黄、渤海区引发的风暴潮灾害最多,因此本文针对北上台风风暴潮开展了致灾机理的研究,主要从天气系统自身变化和天气系统所处地理位置两个角度进行研究。(1)以历史台风风暴潮分析为基础,结合数值对比试验,开展了天气系统自身变化(主要研究前人考虑较少的台风影响范围)对风暴潮影响研究。研究发现:台风影响范围是引发风暴增水大小的决定因素之一,当台风影响范围较小时,台风强度和最大风速半径变化对风暴增水极值产生的影响较小;当台风强度固定时,风暴增水极值会随台风影响范围增长而线性增长。(2)提出了利用天气系统所处位置对渤海风暴潮分解的方法。通过解析历史台风风暴潮过程和设计数值对比试验,将渤海风暴潮分解成两部分:一部分是位于渤海的局地风场的直接作用,另一部分位于黄、东海的外部风场的间接影响。前者是通过风直接作用于渤海引发的,因此空间分布差异较大;而后者主要通过作用于黄、东海区域的风场,所产生的能量和海水传入渤海引发的,因此空间分布较为一致。外部风场是东南向时,引发渤海沿岸风暴增水极值最大,且东南风持续时间是影响渤海风暴潮出现极值的重要因素。

最后,通过风暴潮时空分布和致灾机理研究,确定莱州湾底是灾害高发区,因此本文针对该区域构建了定量化的多灾并发和链式风险评估体系,并以TY1909号台风风暴潮为例进行风险计算,同时对评估体系的合理性进行了探讨。(1)多灾并发的评估体系是以承灾体为出发点,通过本文新提出的补集叠加的算法,构建的m+n的风险评估体系。该体系引入了体现不同承灾体对不同致灾因子抵御能力差异的敏感性和防灾减灾能力的作用,并以函数拟合、正态分布等手段将离散的评估等级进行了连续化。同时基于MIKE21和洪水溢流模型等手段,针对TY1909号台风风暴潮开展风暴潮、海浪和洪水并发的风险评估。评估结果与实际过程中承灾体损失情况较为一致,表明该评估体系能够准确的识别研究区域的风险大小和分布。(2)链式风险评估体系是在多灾并发的风险评估体系基础上构建的。根据灾害事件的链式关系,将链式风险评估分解成双重的并发风险评估,并通过补集叠加算法和条件概率叠加算法,对发生概率进行迭代计算,获得承灾体出现风险的综合概率。通过合理的假设,构建了TY1909号台风风暴潮引发连锁灾害事件,同时开展了链式风险计算,并给出具体风险评估流程。计算结果表明该链式评估体系和流程能够简洁的获得各个阶段灾害事件的发生概率,并能给出不同角度的风险值。

综上本文所有研究成果不但给出了黄、渤海区风暴潮的分布特点和致灾机理,而且为风暴潮预报划定了区域并指明了方向,同时还建立了完整的针对单灾害作用,多灾害并发和链式灾害的风险评估体系,为防灾减灾和辅助决策提供了技术支持。

MOST Discipline Catalogue理学::海洋科学
Funding ProjectNational Natural Science Foundation of China (NSFC)[U1706216] ; National Natural Science Foundation of China (NSFC)[U1706216]
Language中文
Table of Contents

 

1  引言... 1

1.1  研究背景和意义... 1

1.2  国内外研究现状... 2

1.2.1  风暴潮预警... 3

1.2.2  风暴潮风险... 5

1.2.3  近岸浪风险... 7

1.2.4  洪水风险... 8

1.2.5  多灾并发风险... 8

1.2.6  多灾链式风险... 9

1.3  研究区域和对象... 11

1.3.1  研究区域... 11

1.3.2  研究对象... 14

1.4  科学问题和总体设计... 18

2  数据和研究方法... 21

2.1  数据介绍... 21

2.1.1  潮位数据... 21

2.1.2  海浪数据... 22

2.1.3  灾情数据... 22

2.1.4  风场数据... 23

2.1.5  卫星数据... 24

2.1.6  其它数据... 24

2.2  数据处理方法... 26

2.2.1  调和分析... 26

2.2.2  相关分析... 27

2.2.3  线性拟合... 27

2.2.4  重现期计算... 28

2.2.5  正态分布... 28

2.3  模型方法... 29

2.3.1  风场模型及拖曳系数... 29

2.3.2  FVCOM... 30

2.3.3  MIKE21. 30

2.3.4  FloodArea. 31

2.4  常规风险评估方法... 34

2.4.1  风险性... 35

2.4.2  危险性... 36

2.4.3  脆弱性... 36

2.4.4  防灾减灾能力... 37

2.5  链式风险评估方法... 37

3  风暴潮时空特征统计... 42

3.1  数据分析及处理... 42

3.2  风暴增水时空特征... 44

3.2.1  空间分布特征... 44

3.2.2  逐月分布特征... 45

3.2.3  逐年极值特征... 46

3.3  综合潮位时空特征... 48

3.3.1  空间分布特征... 48

3.3.2  逐月分布特征... 50

3.3.3  逐年极值特征... 52

3.4  海洋灾情时空特征... 53

3.5  小结和讨论... 54

3.5.1  小结... 54

3.5.2  讨论... 55

4  风暴潮致灾机理... 58

4.1  模式设置及验证... 58

4.1.1  模式设置... 58

4.1.2  模式验证... 59

4.2  天气系统自身因素... 61

4.2.1  历史过程分析... 61

4.2.2  数值对比试验... 63

4.3  天气系统位置因素... 68

4.3.1  历史过程分析... 68

4.3.2  数值理想试验... 70

4.4  风暴潮空间分解... 76

4.5  小结和讨论... 79

5  风暴潮风险评估... 81

5.1  风险评估分类... 81

5.2  风险评估体系... 83

5.2.1  风险性计算... 83

5.2.2  危险性等级... 84

5.2.3  脆弱性等级... 85

5.2.4  敏感性计算... 87

5.2.5  防灾减灾能力计算... 89

5.3  多灾并发风险评估... 89

5.3.1  模式设置和验证... 89

5.3.2  评估结果... 94

5.4  多灾链式风险评估... 101

5.4.1  评估方法... 101

5.4.2  评估思路... 102

5.4.3  概率计算方法... 104

5.4.4  评估结果... 109

5.5  小结和讨论... 112

5.5.1  小结... 112

5.5.2  讨论... 114

6  结论和展望... 115

6.1  结论... 115

6.2  展望... 117

参考文献... 118

    名词定义... 132

 

Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/170664
Collection海洋环流与波动重点实验室
Corresponding Author李健
Recommended Citation
GB/T 7714
李健. 黄、渤海区风暴潮致灾机理与风险评估研究[D]. 中科院海洋研究所. 中国科学院大学,2021.
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李健201818006812061黄、渤(8182KB)学位论文 延迟开放CC BY-NC-SAView 2023-7-1后可获取
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