随着沿海城市的不断发展, 海洋自然灾害造成的经济损失和社会影响也呈现不断增加趋势。开展自然灾害区域规律与区划的研究, 一直是综合减灾研究的重要研究领域, 亦是国际地理科学的前沿问题^[1]。目前, 国内在自然灾害综合风险评估方法的研究已取得了一定的成果, 并在国家、省、市、县等多个尺度上得到应用^[2-6]。相比之下, 我国在海洋自然灾害风险评估研究领域起步较晚, 且主要集中在对风暴潮、海冰等单一灾害因子的危险性、脆弱性和风险性评估方面^[7-12], 缺乏对海洋自然灾害综合性的评估研究^[13]。国家海洋局在日本“3.11”地震海啸之后启动了海洋自然灾害风险评估和区划工作, 编制了针风暴潮、海浪、海冰、海啸和海平面上升5种海洋自然灾害的风险评估和区划技术导则, 并在全国开展了试点工作。然而, 海洋自然灾害往往以群发、并发、耦发等形式造成许多重大灾害事件, 而单一的灾害风险评估难以表现这些形式。展开海洋自然灾害综合风险评估与区划, 有助于掌握研究区域海洋自然灾害分布活动规律和内在联系, 为制定区域综合减灾防灾战略、进行区域综合与专项规划提供决策依据。而海洋自然灾害综合危险性评估又是海洋自然灾害综合风险性评估的重要内容与基础。

山东省属于海洋灾害多发易发省区, 海洋灾害类型多、发生频率高、活动强度大、分布岸线广。给山东省沿海社会、经济及人民群众生命、财产等造成巨大损失的海洋灾害主要为风暴潮、海浪和海冰, 近5年每年造成直接经济损失均达数亿元。仅2012年, 风暴潮(近岸浪)灾害造成直接经济损失31.59亿元, 海冰灾害造成直接经济损失1.55亿元^[14]。海平面上升虽是缓发性灾害, 但能够加剧风暴潮和海浪灾害, 降低城市抗灾能力。山东省沿海虽未发生过灾害性的海啸事件, 但由于渤海分布有郯庐断裂带和燕渤断裂带, 发生局地地震海啸的可能性仍然不可忽视。因此, 本文以山东省沿海风暴潮、海浪、海冰、海平面上升和海啸等5种海洋自然灾害为研究对象, 在单一灾害因子评估和区划方法的基础上, 基于叠加分析原理, 进行山东省海洋自然灾害省级尺度的综合危险性评估与区划研究, 为我国海洋自然灾害综合风险评估研究进行有益的探索。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

山东省位于中国东部沿海、黄河下游, 山东半岛突出于渤海与黄海之中, 同辽东半岛遥相对峙, 近海资源得天独厚, 近海海域面积占整个渤海、黄海海域面积的37%, 滩涂面积占全国的15%, 地理为(114°50′~123°40′E, 34°25′~38°15′N)。山东省沿海包括滨州、东营、潍坊、烟台、威海、青岛、日照七市35县区, 海岸线长度3 345 km, 占全国海岸线的六分之一, 居全国第二位, 见图 1。

1.2 数据来源

根据历史灾情资料及实地调查, 本研究选择了对山东省沿海地区经济社会存在较大影响和潜在影响的风暴潮、海浪、海冰、海啸和海平面上升等5种海洋自然灾害进行综合危险性研究。研究所需的各灾种历史灾情资料和相关水文气象资料主要来源于国家海洋局, 基础数字线划地图、土地利用现状数据和数字高程数据来源于山东省国土资源厅和山东省测绘局, 沿海海堤现状数据来源于现场调查和山东省水利勘测设计院。

2 方法研究 2.1 评估指标体系

自然灾害的活动程度即危险性, 主要体现在灾害活动规律、灾害强度、灾害活动频次和概率等方面^[15]。灾害危险性分析精度在很大程度上会影响风险评估结果的可靠性。本文在海洋自然灾害单一灾种评估指标研究的基础上, 结合山东省实际灾害情况, 从风暴潮、海浪、海冰、海啸和海平面上升等5个方面, 构建省级尺度的海洋自然灾害综合危险性评估指标体系, 如表 1所示。基本评估单元确定为山东省沿海35个县级行政区及所辖海域。

采用叠加分析原理, 具体评估模型如公式(1)所示。

$ A = \sum\limits_{i = 1}^5 {{W_i} \times {B_i}} $

(1)

式中, A表示海洋自然灾害综合危险性指数; W_i表示第i个因子的权重系数; B_i表示第i个因子的指标值。

通过层次分析法确定危险性因子的权重系数W_i, 因子层权重计算判断矩阵, 通过山东省海洋灾害预报、评估和防灾减灾方面的10名专家独立打分确定。具体方法是根据5种海洋灾害对沿海社会、经济影响的重要性程度, 两两进行比较, 以比值的形式表示出这两个灾种的相对重要性程度等级, 形成5×5的判断矩阵, 进行各灾种的权重计算^[3]。

2.2 风暴潮危险性指标计算

风暴潮危险性评估综合考虑风暴潮强度和发生频率, 结合山东省目前防潮堤多为50年一遇防潮能力的实际情况, 确定采用50年一遇水位值作为评估因子, 利用数值模拟方法建构了近30年山东省沿岸水位分布数据。具体方法是基于中尺度气象数值预报模式(The Weather Research and Forecasting Model, WRF)构建渤海高分辨率气压场和风场数据^[16-17], 作为风暴潮数值模式驱动场, 利用成熟的风暴潮和天文潮耦合数值模式(The Unstructured Grid Finite Volume Community Ocean Model, FVCOM)^[18-19], 模拟渤海及黄海海域风暴潮过程, 计算得到1 km分辨率的岸段水位时空场。通过长期验潮站位的历史实测水位资料进行验证。基于年极值序列采用极值Ⅰ型分布构建了覆盖山东省岸段的不同重现期水位空间分布。对于每个沿海县区, 采用所辖岸段的最高水位值代表该县区的水位值, 具体值见表 1。再通过归一化方法, 获得沿海县区的风暴潮危险性指数(B₁)(表 2)^[20]。

2.3 海浪危险性指标计算

海浪危险性评估综合考虑海浪强度和发生次数两个因子, 利用数值模拟方法构建了近30年山东省海域有效波高分布。具体方法是基于WRF构建高分辨率风场数据, 作为海浪数值模式驱动场, 利用成熟的海浪数值模式(Sea WAve simulation Nearshore, SWAN), 模拟渤海及黄海海域海浪过程, 计算得到1 km分辨率的有效波高时空场。参照表 3进行近岸海浪强度等级划分^[21]。

基于海浪模拟结果, 分别计算每个岸段上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级浪高的年平均出现次数。根据公式(2)计算各点的海浪灾害危险指标。其中海浪灾害危险指标H_w如下计算:

$ {H_{\rm{w}}} = 0.6{N_1} + 0.25{N_2} + 0.1{N_3} + 0.05{N_4} $

(2)

式中, N₁、N₂、N₃、N₄分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级浪高的年平均出现次数。H_w具体值见表 4。并通过归一化方法, 获得山东省沿海1 km分辨率的海浪危险性指数。对于每个沿海县区, 采用所辖岸段的海浪危险性指数等级最高者代表该县区的海浪危险性指数(B₂)(表 2)。

2.4 海冰危险性指标计算

海冰危险性评估综合考虑冰厚、冰期以及密集度等三个因子, 参照表 4进行海冰危险性等级划分和危险性指数(B₃)的确定, 具体值见表 4^[22-23]。本文海冰历史数据, 主要采用国家海洋局北海分局开展的陆岸、航空、卫星遥感、船舶、雷达等各类冰情监测资料。

2.5 海平面上升危险性指标计算

海平面上升危险性评估选择海平面年上升速率作为评估因子。采用随机动态模型进行山东省沿海区县代表站的海平面年上升率计算^[24], 并通过归一化方法, 获得山东省沿海区县的海平面上升危险性指数(B₄)(表 2)。

2.6 海啸危险性指标计算

海啸危险性评估考虑到海啸发生的极端性, 确定最大可能海啸波高作为评估因子。通过对海底地震活动时空特征分析, 确定潜在海啸源位置和可能最大震级, 利用目前广泛应用的海啸数值模式(The Cornell Multi-grid COupled Tsunami numerical model, COMCOT)建构山东省沿海海啸波分布^[25], 对于每个沿海县区, 采用所辖岸段的最大海啸波高代表该县区的海啸波高, 再通过归一化方法, 获得各县区海啸危险性指数(B₅)(表 2)^[26]。

3 结果与分析

基于本文建立的综合危险性评估指标系统, 分别得到山东省沿海各区县的5个主要海洋自然灾害单因子危险性指数和综合危险性指数分布(图 2)。并以综合危险性指数变化较大的位置进行等级划分, 将综合危险性指数划分为4个等级, 分别为低危险(0~0.4)、中危险(0.4~0.6)、较高危险(0.6~0.7)和高危险(0.7~1), 以更清晰分类出各县危险度高低等级。由此得到山东省沿海区县综合危险性等级分布(图 3)。表 5统计了山东省沿海区县综合危险性等级, 结果表明山东省沿海4个区县处于高危险区, 6个区县处于较高危险区, 9个区县处于中危险区, 17个区县处于低危险区。

高和较高综合危险区主要分布在黄河口至莱州湾底部的河口区(西)、利津县、垦利县、东营区、广饶县、寿光市、寒亭区和昌邑市, 以及日照市的东港区和岚山区。其中, 黄河口至莱州湾底部的各区县主要受风暴潮、海冰和海平面上升灾害影响, 海浪灾害次之。日照市各区县主要受风暴潮、海浪和海平面上升灾害影响, 海啸灾害次之。

中综合危险区主要为滨州市的无棣县和沾化县, 以及山东半岛南岸的登市、乳山市、海阳市、即墨市、崂山区、市南区和黄岛区。其中, 滨州市主要受海冰和海平面上升灾害影响, 风暴潮和海浪灾害次之。山东半岛南岸各区县, 主要受海浪、风暴潮和海啸灾害影响, 海平面上升灾害次之。

低综合危险区主要分布在河口区(东)、莱州湾东侧至成山岸段(包括:莱州市、招远市、龙口市、蓬莱市、长岛县、福山区、芝罘区、莱山区、环翠区、荣成市), 以及胶州湾内的市北区、李沧区、城阳区、胶州市和丁字湾内的莱阳市。其中, 河口区(东)主要受海冰和海平面上升灾害影响, 海浪灾害次之; 莱州湾东侧至成山岸段主要受海浪灾害影响, 局部区域受到海啸和海平面上升灾害影响; 胶州湾和丁字湾内区县主要受风暴潮灾害影响。

4 结论与讨论

本文基于叠加分析原理建立包括风暴潮、海浪、海冰、海平面上升和海啸等5种灾害的海洋自然灾害综合危险性省尺度评估体系, 采用层次分析方法确定各灾种的权重系数, 并据此对海洋灾害综合危险进行等级划分。该方法克服了单一灾种评估方法的局限性和片面性, 使评估结果更加科学、合理, 且方法可行。从山东省的评估结果来看, 评估区划结果比较真实地揭示了5种海洋自然灾害对山东省沿海区县综合影响程度的分布, 能够为山东省的海洋经济建设布局、海洋资源开发和规划、海洋防灾减灾等工作提供科学依据。

应当指出, 本文的评估方法将评估单元确定为县级行政区, 为各类指标值的获取, 特别是进一步开展风险性评估提供了便利。但容易出现因县级行政区所辖海域和岸线范围内自然灾害的特征属性差别较大, 而导致评估结果偏离实际的情况。下一步还需通过开展市县尺度的综合危险性评价研究, 进一步细化评估单元, 提高区划成果的科学性。