风暴潮灾害是造成沿海地区社会经济损失最主要的海洋动力灾害，在海洋经济快速发展和全球气候变化背景下，风暴潮对沿海地区人民生命财产安全的威胁日益突出。风暴潮及漫滩预报和风险评估技术的发展，已经能够在一定程度上为防灾减灾提供指导依据。但随着对风暴潮灾害风险评估关注度的提升，实际需求不再局限于主观的、单一尺度、单一情景的风险评估，对客观的、多尺度、综合的风暴潮灾害风险评估的需求与日俱增。但由于传统风暴潮数值模式在风暴潮淹没致灾因子模拟上存在计算效率和稳定性方面的局限性，以及风暴潮灾害风险评估方法客观性不足和对致灾不确定性的忽略，现有方法尚不能满足综合风险评估的实际需求。
针对以上情况，从风暴潮灾害风险评估的迫切需求出发，构建了一个高效、稳定且准确的风暴潮漫滩动力网格模拟框架，并综合风暴潮致灾因子和承灾体易损性中的不确定性，设计了一个综合性风暴潮淹没灾损概率风险评估模型。最后，对山东省沿海区域风暴潮淹没灾损风险进行评估和区划。主要研究成果如下：
建立了中国近海高分辨率的ADCIRC+SWAN耦合模式。通过浅水方程推导出一种用于漫滩模拟的干湿网格外推判据，构建了风暴潮漫滩模型（HCA-FM），最终组建了新型风暴潮漫滩动力网格模拟框架。基于验潮站实测数据，验证了ADCIRC+SWAN耦合模式用于模拟风暴潮以及提供近岸漫滩模拟边界驱动条件的可靠性（风暴增水相对误差不超过13%）。HCA-FM漫滩模拟结果与两次台风期间的风暴潮淹没实测数据对比检验，验证了HCA-FM对风暴潮淹没范围的准确识别。与ADCIRC+SWAN漫滩模式在莱州湾区域两次台风风暴潮过程“利奇马”和“玻莉”模拟结果的一致性检验结果显示，两个模型模拟的淹没范围重合度分别为0.92和0.95。淹没水深对比评价指标中，“利奇马”的R²和均方根误差（RMSE）分别为0.96和0.13 m，“玻莉”的R²和RMSE分别为0.96和0.12 m。两者高度的一致性进一步表明HCA-FM在风暴潮淹没范围和水深模拟方面的可靠性。相比于传统的城市洪水概念模型，HCA-FM对风暴潮淹没模拟的准确性，主要得益于模型对风应力和底摩擦力的考虑。此外，由于干湿网格判据对浅水方程进行简化，避免了传统数值模式求解复杂微分方程时对计算量和稳定性的依赖性。外推方案的干湿网格算法和结构网格的应用，有效提升了HCA-FM的计算效率，相对于ADCIRC+SWAN漫滩模式，其计算效率提升了约4个数量级。总体而言，HCA-FM能够准确、高效和稳定地进行风暴潮淹没致灾因子识别，为大范围和长时序风暴潮漫滩模拟提供一种更加易于应用推广的方案。
着眼于风暴潮致灾过程中的不确定性因素，结合风暴潮淹没致灾因子不确定性和承灾体易损性不确定性，设计了一个风暴潮淹没灾损综合概率风险评估模型。基于风暴潮致灾因子的长期观测或模拟数据，采用Gumbel分布描述风暴潮淹没致灾因子极值的概率分布。基于承灾体易损性和脆弱性定义的内在联系，将单一类型承灾体的易损性曲线推广到六类承灾体，描述在不同强度致灾因子作用下承灾体损失率的条件概率分布。最终将二者相结合，利用全概率公式，计算承灾体损失率的全概率分布。根据评估区域的实际土地利用分布，对风暴潮淹没灾损风险进行评估和区划。基于3次历史风暴潮过程对山东省7个沿海城市造成的直接经济损失实测数据，对概率风险评估方法的准确性和合理性进行了检验验证。对比结果表明，灾损评估结果基本上能够反应实际的灾损等级，各市之间灾损的相对大小基本与实际相符。由于概率风险评估方法考虑了致灾因子与承灾体易损性的不确定性，因此能够提供概率分布形式的评估结果，反应不同概率灾损风险的精细化分布，更好地满足综合、客观的风险评估需求。
综合利用上述风暴潮漫滩动力网格模拟框架和概率风险评估方法，对山东省沿海地区进行风暴潮淹没危险性和灾损概率风险评估。在危险性方面，基于山东半岛沿岸连续40年风暴潮模拟数据，利用HCA-FM模拟了40年年极值水位条件下的近岸淹没范围和淹没水深。通过Gumbel分布计算了山东省近岸具有淹没风险区域淹没水深的概率分布。结合山东省近岸土地利用分布，以及各类承灾体易损性曲线，进行了山东省沿海区域的风暴潮淹没灾损风险评估。根据计算得到的相对损失风险和绝对损失风险的概率分布，选择合适的风险等级划分指标进行风险等级划分，以乡级行政单元的总损失进行风暴潮淹没灾损风险区划。评估结果表明，与山东半岛的黄海沿岸地区相比，渤海沿岸地区，尤其是莱州湾沿岸，风暴增水危险性更高，淹没面积更大。对于相对损失风险，山东半岛南部岸段和北部莱州湾岸段的承灾体损失率相对更大。而对于绝对损失风险，单位面积损失高风险主要分布在青岛、日照、烟台和威海的沿海地区。对于各行政单元的总损失，滨州、东营和潍坊的各乡镇总灾损风险等级最高，原因在于以上地区的潜在淹没面积更大。其他部分地区尽管具有较高的单位面积损失风险，但受影响的范围较小，因此总损失相对较小。
综上所述，在风暴潮漫滩模拟以及综合概率风险评估方法上的研究成果，部分解决了现有方法不能满足与时俱进的实际需求的问题，为客观、多尺度、综合性风暴潮灾害风险评估提供了技术支持，对沿海城市规划和防灾减灾建设具有重要意义。

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 风暴潮模拟研究进展 3

1.2.2 风暴潮漫滩模拟研究进展 3

1.2.3 风暴潮灾害风险评估研究进展 5

1.3 本文主要研究内容 9

1.3.1 科学问题 9

1.3.2 研究内容 9

第2章 风暴潮及漫滩数值模式构建与验证 12

2.1 数值模式介绍 12

2.1.1 SWAN海浪模式 12

2.1.2 ADCIRC模式 13

2.1.3 ADCIRC+SWAN耦合模式 14

2.2 数据资料介绍 16

2.2.1 风场和气压数据 16

2.2.2 台风路径数据 16

2.2.3 水深地形数据 16

2.2.4 实测潮位数据 17

2.2.5 岸线数据 17

2.3 模式网格和参数 17

2.3.1 模式网格 17

2.3.2 参数设置 17

2.4 耦合模式验证 18

2.4.1 研究区域和网格 18

2.4.2 模拟结果 20

2.4.3 验证结果 21

2.5 本章小结 23

第3章 风暴潮漫滩新型动力网格模拟框架 24

3.1 引言 24

3.2 原理介绍 26

3.2.1 干湿网格判据 26

3.2.2 模型迭代算法 28

3.2.3 风暴潮漫滩模拟流程 31

3.3 模型验证 33

3.3.1 研究区域与数据 34

3.3.2 模型与实测数据对比 38

3.3.3 模型与数值模式结果对比 40

3.3.4 结果分析 43

3.4 外力项敏感性实验 43

3.5 模型效率与稳定性分析 46

3.6 本章小结 48

第4章 风暴潮灾害概率风险评估模型 50

4.1 引言 50

4.2 致灾因子危险性 50

4.3 承灾体易损性 51

4.3.1 易损性曲线 51

4.3.2 多类承灾体易损性曲线参数外推 53

4.4 概率风险评估模型 56

4.4.1 概率风险计算 56

4.4.2 风险等级划分 57

4.5 评估模型验证 58

4.5.1 研究区域承灾体分布概况 59

4.5.2 历史风暴潮灾害 60

4.5.3 风暴潮淹没损失评估 61

4.5.4 验证结果 64

4.5.5 结果分析 66

4.6 本章小结 67

第5章 山东省风暴潮灾害概率风险评估 68

5.1 研究区域与数据方法 68

5.1.1 研究区域 68

5.1.2 方法与数据 68

5.2 危险性概率统计分析 69

5.2.1 山东半岛沿岸风暴增水危险性 69

5.2.2 山东半岛风暴潮淹没危险性 71

5.3 风暴潮淹没灾损概率风险评估和区划 73

5.3.1 山东省风暴潮相对损失风险 73

5.3.2 山东省风暴潮绝对损失风险 75

5.3.3 山东省乡级行政单元风暴潮灾损风险区划 77

5.4 本章小结 81

第6章 结论与展望 83

6.1 结论 83

6.2 创新点 84

6.3 展望 85

参考文献 87

附录  名词定义 95

致谢 97

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 99