110-051-7C73
MOTC-IOT-109-H3CB001d
花蓮海岸公路浪襲預警及防災 應用技術之研究(1/2)-浪襲預警
系統建置
110 年 2 月
交 通 部 運 輸 研 究 所
交 通 部 運 輸 研 究 所
110-051-7C73
MOTC-IOT-109-H3CB001d
花蓮海岸公路浪襲預警及防災 應用技術之研究(1/2)-浪襲預警
系統建置
著者：陳冠宇、蔡立宏、李俊穎、陳鈞彥
GPN：1011000202 定價 300 元
交 通 部 運 輸 研 究 所 花 蓮 海 岸 公 路 浪 襲 預 警 及 防 災 應 用 技 術 之 研 究 (1/2)
浪 襲 預 警 系 統 建 置 110
國家圖書館出版品預行編目(CIP)資料
花蓮海岸公路浪襲預警及防災應用技術之研 究 : 浪襲預警系統建置. (1/2) / 陳冠宇, 蔡立宏,李俊穎, 陳鈞彥著. -- 初版. -- 臺 北市 : 交通部運輸研究所, 民 110.02 面 ; 公分
ISBN 978-986-531-281-7(平裝) 1.公路管理 2.災害應變計畫
557 110001252
花蓮海岸公路浪襲預警及防災應用技術之研究(1/2)-浪襲預警系統建置
著 者：陳冠宇、蔡立宏、李俊穎、陳鈞彥 出版機關：交通部運輸研究所
地 址：10548 臺北市松山區敦化北路 240 號
網 址：www.iot.gov.tw (中文版＞數位典藏＞本所出版品) 電 話：(04)2658-7200
出版年月：中華民國 110 年 2 月 印 刷 者：
版(刷)次冊數：初版一刷 70 冊
本書同時登載於交通部運輸研究所網站 定 價：300 元
展 售 處：
交通部運輸研究所運輸資訊組‧電話：(02)2349-6789
國家書店松江門市：104472 臺北市中山區松江路 209 號•電話：(02)2518-0207 五南文化廣場：400002 臺中市中區中山路 6 號•電話：(04)2226-0330
GPN：1011000202 ISBN：978-986-531-281-7（平裝）
著作財產權人：中華民國（代表機關：交通部運輸研究所）
本著作保留所有權利，欲利用本著作全部或部分內容者，須徵求交通部運輸研究所 書面授權。
交通部運輸研究所合作研究出版品摘要表
出版品名稱：花蓮海岸公路浪襲預警及防災應用技術之研究(1/2)-浪襲預警系統建置 國際標準書號（或叢刊號）
ISBN 978-986-531-281-7
政府出版品統一編號 1011000202
運輸研究所出版品編號 110-051-7C73
計畫編號 MOTC-IOT- 109-H3CB001d 本所主辦單位：港研中心
主管：蔡立宏
計畫主持人：李俊穎 研究人員：陳鈞彥
聯絡電話：(04)2658-7132 傳真號碼：(04)2658-4115
合作研究/共同研究單位：
計畫主持人：陳冠宇
研究人員：陳冠宇、劉俊志 地址：高雄市鼓山區蓮海路70 號 聯絡電話：(07)5252-000 #5353
研究期間 自109 年 2 月 至109 年 12 月
關鍵詞：花蓮海岸公路浪襲預警系統、異常浪、COBRAS、XBeach 摘要：
過去颱風的長浪曾在台 11 線公路造成災情。例如 2015 年蘇迪勒颱風和 2018 年潭美 颱風期間出現路基掏空，而 2016 年梅姬颱風期間則有浪襲道路的情況。故本研究收集近 幾年的台 11 線浪襲新聞事件，並利用 XBeach 模式從台 11 線挑選出 8 個離海岸線較近的 路段進行類颱風期間的海況模擬，藉以對台 11 線受到的浪襲影響作初步評估。由於新聞 事件和 XBeach 模擬皆顯示台 11 線人定勝天段較容易受到浪襲影響，故利用 COBRAS 模 式針對該路段的 7 個道路斷面進行不同海況條件的浪襲模擬，藉以建立情境資料庫並發展 浪襲預警系統，以提供相關單位較全面的災害評估。另外參考歐等人(2004)的同化方法對 SWAN 的示性波高預報進行同化修正，藉以提高臺東海岸公路浪襲預警系統的準確度。
研究成果效益：
研究成果可提供浪襲預警資訊，據以掌握對花蓮海岸公路易遭浪襲的路段可能發生之 風險及因應措施。
提供政府單位應用情形：
本計畫可提供公路總局第四區養護工程處，作為颱風期間浪襲封路之決策輔助工具。
出版日期 頁數 定價 本 出 版 品 取 得 方 式
110 年 2 月 280 300 凡屬機密性出版品均不對外公開。普通性出版品，公營、公 益機關團體及學校可函洽本所免費贈閱；私人及私營機關團 體可按定價價購。
備註：1.本研究之結論與建議不代表交通部之意見。
PUBLICATION ABSTRACTS OF RESEARCH PROJECTS INSTITUTE OF TRANSPORTATION
MINISTRY OF TRANSPORTATION AND COMMUNICATIONS
TITLE:Wave Attack Early Warning and Disaster Prevention of Hualien Coastal Highway (1/2) –Establishing Wave Attack Early Warning System
ISBN(OR ISSN) 978-986-531-281-7
GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER 1011000202
IOT SERIAL NUMBER 110-051-7C73
PROJECT NUMBER MOTC-IOT-109-
H3CB001d DIVISION:Harbor & Marine Technology Center
DIVISION DIRECTOR: Li-Hung Tsai PRINCIPAL INVESTIGATOR: Chun-Ying Lee PROJECT STAFF:Chun-Yen Chen
PHONE:(04)2658-7132 FAX:(04)2658-4115
PROJECT PERIOD FROM February 2020 TO December 2020
RESEARCH AGENCY:National Sun Yat-sen University PRINCIPAL INVESTIGATOR: Guan-Yu Chen
PROJECT STAFF:Guan-Yu Chen, Chung-Chi Liu
ADDRESS:No.70 Lien-hai Rd., Kaohsiung 80424, Taiwan, R.O.C.
PHONE:(07)5252-000 #5353
KEY WORDS:Freak Wave Early Warning System for Hualian Coastal Highway, Freak Wave, COBRAS, XBeach ABSTRACT:
In the past, the typhoon abnormal waves have caused disasters in Number 11 Highway. For instance, the fundations of Number 11 Highway were exposed when the Sudil typhoon (2015) and Trami typhoon (2018) attacked, and there were wave attacks in Number 11 Highway during Megi typhoon (2016). As a result, in the study, in order to estimate the influence of wave attack, the wave attacking news were collected, and eight of which were simulated under typhoon- like situation by XBeach. Due to the news and XBeach simulation have showed that the Jentingshengtien section in Number 11 Highway is likely influenced by wave attacks, we simulated seven cross sections of the Jentingshengtien section under different situations by COBRAS model. This method can build a situation database and develop the wave attack early warning system to estimate the hazard. In addition, refer to the assimilation method of Ou et al. (2004) to assimilate and modify the significant wave height forecast of SWAN, so as to improve the accuracy of the Taidong Coastal Highway wave attack warning system.
The effect of the study: providing the information of wave attack to better understand the hazard and the contingency plans of wave attack-likely section of Hualien coastal highway.
Gorverment application: the study can provide information of road close during wave attack caused by typhoon for Fourth Maintenance Office of Direcorate General of Highways, MOTC.
DATE OF PUBLICATION February 2021
NUMBER OF PAGES 280
PRICE 300
1. The views expressed in this publication are not necessarily those of the Ministry of Transportation and Communications.
目 錄
中英文摘要 ... I 目 錄 ... III 圖 目 錄 ... VII 表 目 錄 ... XVIII 第一章 緒論 ... 1-1 1.1 前言 ... 1-1 1.2 研究範圍與工作內容 ... 1-3 1.3 工作項目及預期成就 ... 1-3 1.4 預期成果、效益及應用 ... 1-3 第二章 異常波浪案例蒐集與分析 ... 2-1 2.1 異常波浪災害概述與預警之必要性 ... 2-1 2.2 異常波浪災害蒐集與分析 ... 2-4 2.3 利用文字探勘蒐集異常波浪引致花蓮海岸公路災害之案例
... 2-6 第三章 評估花蓮海岸公路易受颱風波浪致災之區段 ... 3-1 3.1 XBeach 模式簡介 ... 3-1 3.2 模式理論 ... 3-3 3.2.1 控制方程式 ... 3-3 3.2.2 水平黏滯力 ... 3-4 3.2.3 底床剪應力 ... 3-4 3.2.4 非靜水壓校正 ... 3-4 3.3 模式地形 ... 3-6 3.4 模式情境條件設定 ... 3-11
3.5 模擬結果 ... 3-21 第四章 異常波浪容易致災區段之波浪溯上與溢淹數值模式建立 ... 4-1 4.1 COBRAS 模式介紹 ... 4-1 4.2 數值地形 ... 4-4 4.3 模式設定 ... 4-10 4.4 模擬流程 ... 4-12 4.5 模擬結果 ... 4-17 4.5.1 台 11 線 61K+300 站 ... 4-18 4.5.2 台 11 線 61K+380 站 ... 4-23 4.5.3 台 11 線 61K+500 站 ... 4-28 4.5.4 台 11 線 61K+580 站 ... 4-33 4.5.5 台 11 線 61K+700 站 ... 4-38 4.5.6 台 11 線 61K+830 站 ... 4-43 4.5.7 台 11 線 62K+220 站 ... 4-48 4.5.8 討論 ... 4-53 4.6 花蓮海岸公路浪襲預警系統 ... 4-59 4.6.1 浪襲警戒燈號定義 ... 4-59 4.6.2 海況條件與浪襲系統的使用 ... 4-68 4.6.3 浪襲系統的路段浪襲評估與驗證 ... 4-73 第五章 臺東海岸公路浪襲預警系統的精進 ... 5-1 5.1 研究方法 ... 5-1 5.2 資料同化與預報修正的流程 ... 5-4 5.3 臺東站的資料同化與預報修正 ... 5-7 5.4 南興站的資料同化與預報修正 ... 5-23 第六章 結論與建議 ... 5-1
6.1 結論與成果 ... 6-1 6.2 建議 ... 6-2 6.3 成果效益及應用情形 ... 6-2 參考文獻 ... 參-1 附錄一 期中報告審查意見處理情形表 ... 附 1-1 附錄二 期末報告審查意見處理情形表 ... 附 2-1 附錄三 期末報告簡報 ... 附 3-1 附錄四 工作會議紀錄 ... 附 4-1
圖 目 錄
圖 2.1 2013 年龍洞海濱瘋狗浪事件地點 ... 2-2 圖2.2a 2016 年澳洲雪梨皇家國家公園瘋狗浪事件 a ... 2-2 圖2.2b 2016 年澳洲雪梨皇家國家公園瘋狗浪事件 b ... 2-3 圖2.3 2000-2016 年臺灣地區各月份發生瘋狗浪次數統計 ... 2-4 圖2.4 2013 年龍洞瘋狗浪事件前後之波浪觀測波高、週期與波向 . 2-5 圖2.5 利用 google site 於特定新聞來源搜尋關鍵字結果 ... 2-6 圖2.6 新聞蒐集及事件辨識流程 ... 2-7 圖2.7a 利用 google site 於特定日期搜尋關鍵字結果 ... 2-8 圖2.7b 網路爬蟲蒐集新聞結果 ... 2-8 圖2.8a 相關浪襲公路新聞資料 ... 2-10 圖2.8b 相關浪襲公路新聞資料 ... 2-11 圖2.9 2018 年 9 月 28 日晚間 61K+400 附近浪襲影像 ... 2-12 圖3.1 海洋學門資料庫解析度 0.12 分之水深資料 ... 3-5 圖3.2 左到右各為第 1 到 3 模擬區域所用的陸地地形(紅框) ... 3-7 圖3.3 左到右各為第 4 到 6 模擬區域所用的陸地地形(紅框) ... 3-7 圖3.4 左和右各為第 7 和 8 模擬區域所用的陸地地形(紅框) ... 3-8 圖3.5 左、右各為第 1、2 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m) . 3-9 圖3.6 左、右各為第 3、4 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m) . 3-9 圖3.7 左、右各為第 5、6 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)3-10 圖3.8 左、右各為第 7、8 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)3-10 圖3.9 花蓮港 2020 年天文潮預報 ... 3-11
圖3.10 石梯漁港 2020 年天文潮預報 ... 3-12 圖3.11 氣象局花蓮沿海的潮汐預報 ... 3-13 圖3.12 花蓮港 AWCP 位置 ... 3-14 圖3.13 花蓮港 2015 年 8 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期 ... 3-15 圖3.14 花蓮港 2016 年 9 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期 ... 3-15 圖3.15 花蓮港 2018 年 9 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期 ... 3-16 圖3.16 JONSWAP 邊界條件的方向分布函數 ... 3-18 圖3.17 模式邊界條件設定 ... 3-20 圖3.18 情境 6b 第 60 秒的水位和流速空間分佈 ... 3-21 圖3.19 情境 6b 第 600 秒的水位和流速空間分佈 ... 3-22 圖3.20 情境 6b 第 1200 秒的水位和流速空間分佈 ... 3-23 圖3.21 情境 6b 第 1800 秒的水位和流速空間分佈 ... 3-24 圖3.22 情境潮位 1m 的最大溢淹水位 ... 3-25 圖3.23 情境潮位 2m 的最大溢淹水位 ... 3-26 圖3.24 情境潮位 2.6m 的最大溢淹水位 ... 3-27 圖3.25 區域 1 溢淹範圍(花蓮縣壽豐鄉台 11 線 7.5K 到 13K) ... 3-29 圖3.26 區域 2 溢淹範圍(花蓮縣壽豐鄉台 11 線 15K 到 20.5K) ... 3-30 圖3.27 區域 3 溢淹範圍(花蓮縣豐濱鄉台 11 線 38K 到 42.5K) ... 3-31 圖3.28 區域 4 溢淹範圍(花蓮縣豐濱鄉台 11 線 43.5K 到 49K) ... 3-32 圖3.29 區域 5 溢淹範圍(花蓮縣豐濱鄉台 11 線 51K 到 59.5K) ... 3-33 圖3.30 區域 6 溢淹範圍(花蓮縣豐濱鄉台 11 線 58.5K 到 63K) ... 3-34 圖3.31 區域 7 溢淹範圍(臺東縣長濱鄉台 11 線 75.5K 到 81K) ... 3-35 圖3.32 區域 8 (臺東縣成功鎮台 11 線 99K 到 105K) ... 3-36
圖3.33 區域 4 的 44.5K 到 44.7K 道路邊緣出現溢淹 ... 3-39 圖3.34 區域 5 的 52K 附近溢淹分布 ... 3-40 圖3.35 潮位 2.6m、示性波高 5m，台 11 線 54.93K 溢淹 ... 3-40 圖3.36 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 6 的 61.6-61.8K 溢淹 ... 3-41 圖3.37 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 7 的 77.25 K 溢淹 ... 3-42 圖3.38 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 8 的 99.7-99.9K 溢淹 ... 3-42 圖3.39 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 8 的 100.34-100.58K 溢淹3-43 圖3.40 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 8 的 101.25-101.63K 溢淹3-43 圖3.41 潮位 2.6m、示性波高 5m，區域 8 的 103.57 K 處溢淹 ... 3-44 圖4.1 台 11 線人定勝天段的網格化地形以及地形測點分布 ... 4-5 圖4.2 台 11 線人定勝天段選取 7 個情境里程位置 ... 4-5 圖4.3 台 11 線人定勝天段 7 個里程位置以及地形切線 ... 4-6 圖4.4 台 11 線人定勝天段 7 個站沿波向線選取地形切線 ... 4-6 圖4.5 61K+300 離岸方向的地形剖面 ... 4-7 圖4.6 61K+380 離岸方向的地形剖面 ... 4-7 圖4.7 61K+500 離岸方向的地形剖面 ... 4-8 圖4.8 61K+580 離岸方向的地形剖面 ... 4-8 圖4.9 61K+700 離岸方向的地形剖面 ... 4-9 圖4.10 61K+830 離岸方向的地形剖面 ... 4-9 圖4.11 62K+220 離岸方向的地形剖面 ... 4-10 圖4.12 模式使用的 61+300K 站切線地形 ... 4-10 圖4.13 不同情境模擬之海況條件組合 ... 4-11 圖4.14 61K+300 之情境模擬流程 ... 4-12
圖4.15 61K+380、+500、+580、+700、+830 和+220 的模擬流程 ...
... 4-13 圖4.16 61K+300 站情境模擬 7 個時間段 VOF 空間分布 ... 4-14 圖4.17 61K+300 站情境模擬第 149 到 155 秒發生浪襲 ... 4-15 圖4.18 61K+300 站情境模擬第 195 到 201 秒發生浪襲 ... 4-16 圖4.19 61K+300 站模擬期間的 VOF 空間分布最大值 ... 4-16 圖4.20 61K+300 道路溢淹的情境 ... 4-18 圖4.21 61K+380 道路溢淹的情境 ... 4-23 圖4.22 61K+500 道路溢淹的情境 ... 4-28 圖4.23 61K+580 道路溢淹的情境 ... 4-33 圖4.24 61K+700 道路溢淹的情境 ... ..4-38 圖4.25 61K+830 道路溢淹的情境 ... 4-43 圖4.26 62K+220 道路溢淹的情境 ... 4-48 圖4.27 當潮位-1m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-54 圖4.28 當潮位-0.5m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-54 圖4.29 當潮位 0m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-55 圖4.30 當潮位 0.5m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-55 圖4.31 當潮位 1m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-56 圖4.32 當潮位 1.5m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-56 圖4.33 當潮位 2m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-57 圖4.34 當潮位 2.5m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-57 圖4.35 當潮位 3m 時，各週期對應發生溢淹的波高下限 ... 4-58 圖4.36 61K+300 站 VOF 空間分布最大值 ... 4-60
圖4.37 61K+300 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-61 圖4.38 61K+380 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-62 圖4.39 61K+500 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-63 圖4.40 61K+580 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-64 圖4.41 61K+700 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-65 圖4.42 61K+830 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-66 圖4.43 62K+220 站 8 種入射波高的入射週期對潮位之警戒燈號 .. 4-67 圖4.44 人定勝天段外海提供示性波高、尖峰週期和潮位預報位置4-68 圖4.45 人定勝天段浪襲警戒預報檔內容 ... 4-69 圖4.46 61K+380 波向線寬度計算的折射係數(Kr=1.11) ... 4-71 圖4.47 61K+580 波向線寬度計算的折射係數(Kr=1.13) ... 4-71 圖4.48 61K+700 波向線寬度計算的折射係數(Kr=1.16) ... 4-71 圖4.49 花蓮海岸公路浪襲預警系統畫面圖 ... 4-72 圖4.50 2018-2020 年波潮預報模擬出現橙燈的浪襲事件分布圖 .... 4-74 圖4.51 2018-2020 年波潮預報模擬出現紅燈的浪襲事件分布圖 .... 4-74 圖5.1 台 9 線南興段 7 站位置 ... 5-1 圖5.2 海岸公路浪襲預警系統預警資訊未修正之前的流程... 5-4 圖5.3 海岸公路浪襲預警系統預警資訊修正後流程 ... 5-4 圖5.4 氣象局臺東浮標即時觀測資料 ... 5-5 圖5.5 SWAN 模式預報點和氣象局浮標位置 ... 5-6 圖5.6 小尺度臺灣東南海域風浪模式模擬範圍 ... 5-7 圖5.7 臺東站不同校正長度𝑳𝒎𝒂𝒙與兩種 R 的 RMSE ... 5-9 圖5.8 臺東示性波高單日的觀測、預報以及預報修正 ... 5-10
圖5.9 2019-2020 年臺東站示性波高的觀測、預報以及預報修正 .. 5-10 圖5.10 2019 年利奇馬颱風路徑圖 ... 5-11 圖5.11 2019 年白鹿颱風路徑圖 ... 5-12 圖5.12 2019 年米塔颱風路徑圖 ... 5-12 圖5.13 2020 年黃蜂颱風路徑圖 ... 5-13 圖5.14 2020 年哈格比颱風路徑圖 ... 5-13 圖5.15 2020 年米克拉(左)及巴威(右)颱風路徑圖 ... 5-14 圖5.16 利奇馬颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值5-16 圖5.17 白鹿颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值 .. 5-17 圖5.18 米塔颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值 .. 5-18 圖5.19 黃蜂颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值 .. 5-19 圖5.20 哈格比颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值5-20 圖5.21 米克拉颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值5-21 圖5.22 巴威颱風期間浮標波高觀測、預報、觀測及預報修正值 .. 5-22 圖5.23 南興站單日示性波高的模式預報值以及預報修正 ... 5-24 圖5.24 南興 2019-2020 年示性波高的預報以及預報修正 ... 5-25 圖5.25 利奇馬颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-26 圖5.26 白鹿颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-26 圖5.27 米塔颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-27 圖5.28 黃蜂颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-27 圖5.29 哈格比颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-28 圖5.30 米克拉颱風期間南興站示性波高預報和預報修正... 5-28 圖5.31 巴威颱風期間南興站示性波高預報和每 6 小時的預報修正5-29
表 目 錄
表 1-1 工作項目檢核表... 1-5 表 2-1 新聞蒐集相關浪襲公路事件 ... 2-9 表 3-1 台 11 線 8 個離海岸線較近的路段緯度範圍 ... 3-8 表 3-2 花蓮港極值波高重現期 ... 3-16 表 3-3 台 11 線 8 個路段區域對應 3 種潮位的情境 ... 3-19 表 3-4 Xbeach 模式相關參數設定 ... 3-20 表 3-5 區域 1 到 3 情境模擬的台 11 線溢淹路段 ... 3-37 表 3-6 區域 4 到 8 情境模擬的台 11 線溢淹路段 ... 3-38 表 4-1a 61K+300 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-19 表 4-1b 61K+300 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-20 表 4-2a 61K+300 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m) 4-21 表 4-2b 61K+300 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m)4-22 表 4-3a 61K+380 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-24 表 4-3b 61K+380 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-25 表 4-4a 61K+380 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m) 4-26 表 4-4b 61K+380 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m)4-27 表 4-5a 61K+500 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m) 4-29 表 4-5b 61K+500 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m)4-30 表 4-6a 61K+500 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m) 4-31 表 4-6b 61K+500 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m)4-32 表 4-7a 61K+580 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-34
表 4-7b 61K+580 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-35 表 4-8a 61K+580 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m) 4-36 表 4-8b 61K+580 情境模擬接近道路邊緣的水位最大高程(單位 m)4-37 表 4-9a 61K+700 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-39 表 4-9b 61K+700 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-40 表 4-10a 61K+700 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-41 表 4-10b 61K+700 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-42 表 4-11a 61K+830 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m)... 4-44 表4-11b 61K+830 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-45 表 4-12a 61K+830 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-46 表 4-12b 61K+830 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-47 表4-13a 62K+220 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m)... 4-49 表4-13b 62K+220 情境模擬的陸地溢淹距離(單位 m) ... 4-50 表4-14a 62K+220 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-51 表4-14b 62K+220 情境模擬接近道路邊緣水位最大高程(單位 m) . 4-52 表4-15 2018-2020 年波潮位預報值搭配情境模擬所得浪襲時數 .... 4-73 表5-1 SWAN 模式的預報點和氣象局波浪浮標的經緯度 ... 5-6 表5-2 每個颱風期間以及全部資料期間的 RMSE 與其修正率 ... 5-15
第一章 緒論
1.1 前言
海岸地區由於鄰近海洋，受到異常浪侵襲的機率較高，可能因此造 成重大災害。浪襲事件在屢經大眾傳播媒體的大幅報導後，社會大眾對 波高顯著大於背景波高之異常特大波浪已有認識，並普遍稱之為「瘋狗 浪」。然而目前對於瘋狗浪的研究，能應用在實際災害防護的成果仍有 限。主管機關應採取何種程度之措施以減輕瘋狗浪災害？道路、風景區 或其他可能受災的設施應該何時封閉或管制？哪些區域應管制一般民 眾進入以免危險? 民眾管制區域該以何處為界？凡此種種，主管機關 都沒有簡單可行的準則可以依循。
相對於臺灣西部的海岸，東部海岸地區與海岸公路較容易受到颱 風波浪或異常浪等長波侵襲。舉例而言，2015 年蘇迪勒颱風和 2018 年 潭美颱風所引起的長浪造成台11 線花東海岸公路路基流失致使道路阻 斷；2016 年梅姬颱風期間，台 11 線人定勝天段出現浪花夾帶碎石波及 道路路面的情形。在蘇迪勒颱風期間，台 9 線還發生浪襲致使駕駛車 輛擋風玻璃破裂的事件，其長浪甚至將台11 線的人定勝天碑打落海中；
而在潭美颱風期間，公路局的影像記錄到長浪飛濺到台11 線人定勝天 段路面的情形，可見颱風長浪對海岸公路安全的威脅甚大。
另外2013 年的海燕颱風，雖然中心位置遠在菲律賓外海，卻能在 龍洞海濱引起瘋狗浪，造成八死八傷的慘劇。根據現場勘查與相關地形 資料，龍洞海濱的瘋狗浪事件發生地點與海面有相當距離(約有 50 公 尺以上)，中間有礁臺相隔。由於事發地點並非緊鄰海岸，一般民眾可 能覺得此距離應足以保障人身安全，但其實不然。這些案例說明對海岸 相關權責單位來說，並不容易決定管制方式，實務上也缺少明確的規 範。
以2013 年龍洞海濱瘋狗浪事件為例，對瘋狗浪的溯上過程進行數 值模擬，並探討將研究方法與結果應用在海岸風景區或海岸公路的方 式。目標則是提出一套利用數值模擬的方式，提供海岸遊憩區或海岸公 路的管理當局在海象存在瘋狗浪的風險時，決定海岸風景區或海岸公
路 之 管 制 方 式 或 管 制 區 域 的 方 法 或 程 序 。 陳 等(2016)年除了利用 COBRAS 模式探討龍洞灣瘋狗浪的浪襲原因，也提供一個的風險評估 流程來判斷海岸地區的公路或遊憩區是否容易受到瘋狗浪襲擊。
為了推動海岸災害防救科技發展，精進海岸與港灣的災害防救科 技研發，強化基礎設施中有關環境資料庫之調查蒐集與建置及應用。交 通部運輸研究所在「綠色海洋與航安科技發展計畫(1/4)」106 年度海洋 科技類綱要計畫之分項計畫「海岸公路異常波浪特性及防災應用技術 之研究」中，建立了臺東海岸公路異常波浪容易致災區段之波浪溯上與 溢淹數值模式資料庫。藉由蒐集颱風期間相關的新聞及分析後，以台9 線多良段417K+715 到 419K+862 之間地勢較低的區段，及南興段離海 最近的439K+700 到 441K+240 之區段為目標，彙整海象模擬與國內海 象觀測站之波浪資料來建立異常波浪容易致災之區段的長浪溯上數值 模式，評估其對海岸公路通行安全之可能影響，可提供海岸公路通行安 全預警資訊，以利公路管理單位作為災害預防及災後管理之決策參考。
交通部運輸研究所基於上述 106 年度計畫所建立的浪襲模式資料 庫，加以整合鄰近區域的波浪觀測站即時觀測資訊以及本所作業化模 擬之海象預報資訊，於 107 年度建置完成「臺東海岸公路浪襲預警系 統」，並於該年度的瑪莉亞颱風有成功預警案例。由於過去颱風的長浪 除了在台9 線公路造成危害，亦於台 11 線公路造成災情。所以本計畫 將在台11 線的花蓮海岸公路建立另一個的浪襲預警系統，以提供相關 單位較全面的災害評估。
1.2 研究範圍與工作內容
本研究屬配合交通部推動科學技術發展之目標：推動海岸災害防 救科技發展，精進海岸與港灣的災害防救科技研發，強化基礎設施中有 關環境資料庫之調查蒐集與建置及應用。本年度之主要目的為瞭解花 蓮海岸公路受颱風波浪影響的區段範圍、發展溯上分析及預警系統，建 立颱風波浪容易致災區段的長浪溯上數值模式，據以評估花蓮地區海 岸公路可能遭受的威脅及通行安全。搭配港灣技術研究中心在臺灣東 部的風浪與潮汐預報模式，預警系統可提供24 小時預警資訊，可改善 僅仰賴現場人員即時觀測之封路作業，讓人員有充分時間可做應變及 調度。對於易致災路段路基易受波浪作用力造成掏空之問題，並提出因 應對策。
1.3 工作項目
本研究完成的主要工作項目如下:
1. 蒐集颱風波浪引致花蓮海岸公路災害之案例。
2. 分析案例且評估決定花蓮海岸公路因受颱風波浪致災之區段。
3. 建立花蓮易致災公路區段之颱風波浪溯上與溢淹之數值模式。
4. 評估花蓮易致災區段受颱風波浪侵襲時之溯上範圍。
5. 建立花蓮海岸公路通行安全評估之波浪溯上資料庫。
6. 整合近岸海象預報資訊、近岸即時海象觀測資訊及波浪溯上資料 庫建置浪襲預警系統。
7. 精進臺東海岸公路浪襲預警系統，並評估成果實際效益。
1.4 預期成果、效益及應用
本研究完成成果、效益及其應用如下：
(一) 預期成果：
1. 完成花蓮海岸公路易致災路段之颱風波浪溯上與溢淹之數值 模式。
2. 完成案例分析與評估花蓮海岸公路受颱風波浪致災之區段。
3. 完成花蓮海岸公路通行安全評估之波浪溯上資料庫。
4. 完成評估花蓮海岸公路易致災路段受颱風波浪侵襲時之溯上 範圍。
5. 完成建立花蓮海岸公路易致災路段通行安全浪襲預警系統，提 供預警資訊，作為颱風期間浪襲封路作業之輔助參考。
(二) 效益及應用：
1. 建立花蓮海岸公路因颱風波浪之通行安全評估的技術及資料庫。
2. 提供浪襲預警資訊，可改善僅仰賴現場人員即時觀測之封路作 業，讓人員有充分時間可做應變及調度，預先掌握對花蓮海岸 公路易浪襲路段可能發生之風險及因應措施。
3. 以溯上與溢淹圖，供防災應變之用，便於規劃花蓮人定勝天路 段海岸公路之減災措施及提供本所後續相關研究之依據。
4. 可提供公路總局第四區養護工程處，作為颱風期間浪襲封路之 決策輔助工具。
表 1-1 工作項目檢核表
工作項目 是否
完成
對應章節 1.蒐集颱風波浪引致花蓮海岸公路災害之案例。 是 第二章 2.分析案例且評估決定花蓮海岸公路因受颱風波浪致災之
區段。
是 第三章 3.建立花蓮易致災公路區段之颱風波浪溯上與溢淹之數值
模式。
是 第三章 4.評估花蓮易致災區段受颱風波浪侵襲時之溯上範圍。 是 第三章 第四章 5.建立花蓮海岸公路通行安全評估之波浪溯上資料庫。 是 第四章 6.整合近岸海象預報資訊、近岸即時海象觀測資訊及波浪
溯上資料庫建置浪襲預警系統。
是 第四章 7.精進臺東海岸公路浪襲預警系統，並評估成果實際效益。 是 第五章
第二章 異常波浪案例蒐集與分析
2.1 異常波浪災害概述與預警之必要性
臺灣海岸地區可能因受到異常波浪之侵襲，進而造成重大的災害。
漁民、釣客、戲水的民眾或海巡人員，常被「突發性的異常波浪」所襲 擊，這種突發性的異常波浪是沒有任何的前兆，如「瘋狗」般的隨便亂 咬人，漁民及釣客就稱這「突發性的異常波浪」為「瘋狗浪」。而在國 外文獻中，特大的波浪稱為 freak wave(譯作突浪)或 rogue wave，亦稱 為極限暴風波浪(extreme storm wave, ESW)或極陡波浪事件(steep wave event, SWE)。目前對於瘋狗浪的研究，能實際應用於災害的成果仍很 有限。主管機關應採取何種程度之措施以減輕瘋狗浪災害？道路、風景 區或其他可能受災的設施應該何時封閉或管制？哪些區域應管制一般 民眾進入以免危險? 民眾管制區域該以何處為界？凡此種種，主管機 關都沒有簡單可行的準則可以依循。
例如 2013 年海燕颱風威力強大，雖然遠在菲律賓外海，但卻也在 龍洞海濱引發瘋狗浪，造成八死八傷的慘劇。根據現場勘查與相關地形 資料，2013 年瘋狗浪事件發生的地點與海面有相當距離(約有 50 公尺 以上)，中間有礁臺相隔(圖 2.1，國立成功大學董東璟教授提供)。由於 事發地點並非緊鄰海岸，一般民眾可能覺得此距離應足以保障人身安 全，但其實不然。此案例也說明了對海岸遊憩區等權責單位而言，如何 進行管制並不容易決定，實務上也缺少明確的規範。
圖 2.1 2013 年龍洞海濱瘋狗浪事件地點
瘋狗浪災害的發生，主要是岸邊的人被波浪衝擊失去平衡，從而被 捲入海中(如圖 2.2a, 2.2b，來源 Mail Online)；波浪的衝擊力與波高有 關，因此以波高做為判斷基準是最直接有效的方法。先前執行的交通部 運輸研究所合作研究計畫(如陳等，2013、陳等，2014、陳等，2015) ， 不論是異常氣候下跨河橋梁何時封橋，抑或海嘯發生時民眾應往何處 疏散避難，都依據數值模擬所得之各地淹水的深度來決定。因此在思考 瘋狗浪防災問題時，自然也想參考過去的經驗，甚至延續過去的方法加 以探討。
圖 2.2a 2016 年澳洲雪梨皇家國家公園瘋狗浪事件 a
圖 2.2b 2016 年澳洲雪梨皇家國家公園瘋狗浪事件 b
波浪在極淺海的環境中傳播時，由於受到海床地形與水體之環境 影響，是一個極為複雜的問題。學者也指出礁岩與防波堤的阻擋造成波 浪反射與向上沖擊的現象，可使波浪遠高於原有波高，極可能是發生瘋 狗浪意外的重要輔助條件(Su et al., 2002)。因此，單純以外海或近岸的 波高判斷瘋狗浪的危險程度與有安全威脅的區域都很容易誤判。以跨 河橋梁或海嘯的例子而言，都需另外對照海岸線附近的數值模擬結果，
才能據此決定各地淹水的深度，再決定管制方式或管制區域。
除數值模擬之外，陳等人先前執行的研究計畫中，將各港遭受不同 高度海嘯時的溢淹區域模擬結果，與 Google Earth 地理資訊系統之圖 資相整合(Chen et al., 2015)。其目的是利用圖層方式在溢淹潛勢圖顯示 港區不同之溢淹高程，港務單位可據以製作規劃逃生路徑或進行災害 演習等。瘋狗浪如果能建立類似的危險區域資訊，以類似海嘯溢淹區域 結合地理資訊系統之方式展現。
2.2 異常波浪災害蒐集與分析
根據中央氣象局氣象資料開放平臺資料庫及蔡等(蔡等人，2016)調 查統計，結果顯示從2000年至2016年6月間臺灣地區的海岸瘋狗浪事件 共有301件(如圖2.3)，合計475人落海，臺灣四周海岸均有發生過瘋狗浪 事件，以東北部及東部發生居多。
近幾年的新聞報導，如2000年12月14日基隆八斗子漁港西防波堤 內側平台遭翻越的大浪襲擊落2名釣客入港內，造成2死的悲劇；2013年 11月9日於新北市貢寮區的鼻頭龍洞地質公園，樹林社區大學共16學員 突遭一陣大浪襲擊，造成8死8傷的重大慘劇；2014年7月8日於新北市野 柳風景區內，有5人在地質公園遭到3波6公尺大浪襲擊受傷。
圖2.3 2000-2016年臺灣地區各月份發生瘋狗浪次數統計
根據自由時報報導，2013 年龍洞瘋狗浪事故發生時，樹林社大一 行人正由龍洞灣岬步道尾端行走到鼻頭角海濱步道起點(圖 2.1)。事故 地點附近的龍洞測站資料(圖 2.4，國立成功大學董東璟教授提供)所示，
事故發生之前後幾天波浪方向接近 90 度，而波高和周期各約為 2m 和 7 秒。
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
瘋狗浪發生次數
圖 2.4 2013 年龍洞瘋狗浪事件前後之波浪觀測波高、週期與波向
2.3 利用文字探勘蒐集異常波浪引致花蓮海岸公路災害之案 例
文字探勘是近年來隨著人工智慧和自然語言處理技術發展的一門 新興技術文字探勘（Text Mining）主要是針對半結構化（Semi- structured）或非結構化（Unstructured）儲存格式的文件資料進行探 勘，從非結構化的文字中，萃取出有用的資訊或知識( Fayyad et al.
1996)。
網路爬蟲是一種「自動化瀏覽網路」的程式(網路爬蟲被廣泛用於 網際網路搜尋引擎或資料蒐集網站，用以取得或更新網站的內容。網 路爬蟲可以自動收集所有頁面內容，供文字探勘演算法做探勘（分析 處理下載的頁面），然後進一步得到隱含在網頁內容中之資訊(圖 2.5)。
圖 2.5 利用 google site 於特定新聞來源搜尋關鍵字結果
本研究利用文字探勘的技術來自動蒐集異常波浪及海岸公路的新 聞資料，在分析文字資料時，我們經常會遇到字詞出現在許多個文件 之中，一般而言，這些頻繁出現的字詞，並沒有包含著有用的資訊或 是可供分辨上下文語意的資訊，一個有用的技術 tf-idf 可以解決這項 問題，tf-idf 是一種在文字探勘、資訊檢索中常用的加權技術(Salton 和 Buckley 1988)，也是一種統計方法，主要是評估一個字詞(term)對
一個文件集或一份文件的重要程度，字詞的重要性隨著它在文件中出 現的次數成正比增加，但同時會隨著它在語料庫中出現的頻率成反比 下降，在一份給定的文件裡，詞頻(term frequency, tf)指的是某一個給 定的詞語在該文件中出現的頻率，對於在某一特定文件裡的字詞t𝑖來 說，它的重要性可表示為：
𝑡𝑓𝑖,𝑗 = 𝑛𝑖,𝑗
∑ 𝑛𝑘 𝑘,𝑗
以上式子中𝑛𝑖,𝑗是該詞在文件𝑑𝑗中的出現次數，而分母則是在文件𝑑𝑗中 所有字詞的出現次數之和。
逆向文件頻率(inverse document frequency, idf)是一個詞語普遍重要 性的度量，逆向文件頻率則可以用以下公式計算出來:
𝑖𝑑𝑓(𝑡, 𝑑) = log 𝑛𝑑 1 + 𝑑𝑓(𝑑, 𝑡)
𝑛𝑑為文件的總數，而𝑑𝑓(𝑑, 𝑡)表示包含字詞 t 的文件檔 d 的數量，而 對數函數(log)的使用則是確保低頻的文件，不會被賦予一個太大的 加權，tf-idf 可將特徵向量中常見的字詞的加權給降低，保留重要的 字詞，因此，tf-idf 可以定義為詞頻與逆向文件頻率的乘積。並透過 語意辨識及文章相似度來辨識相同的事件，並將相關的新聞事件標 記時間、地點，如圖 2.6。
圖 2.6 新聞蒐集及事件辨識流程
利用網路爬蟲爬回相關的新聞結果例如圖 2.7a 及圖 2.7b。因本 計畫以臺灣東部海岸地區與海岸公路可能受到颱風波浪或異常浪等 長波侵襲為軸，目前以關鍵字「瘋狗浪+公路」、「瘋狗浪+花 蓮」、「瘋狗浪+台 11 線」、「浪襲+花蓮」、「浪襲+台 11
線」、「颱風+壽豐+豐濱+吉安」作為檢索，其中符號「+」為部臨 檢索。從網路爬蟲的新聞結果中再挑選出與浪襲台 11 線比較有關的 部分，最後蒐集整理出的新聞如表 2.1 及圖 2.8a-2.8b，並以現有蒐 集之新聞資料作分析。
圖2.7a 利用 google site 於特定日期搜尋關鍵字結果
2.7b 網路爬蟲蒐集新聞結果
表 2-1 新聞蒐集相關浪襲公路事件
編號 日期 標題 事件地點 颱風 災情 管制措施
1 2015/8/8 人定不勝天!?花蓮「人定勝天碑」不見 台 11 線 62.1K 強颱蘇迪勒 單線地 基流失
單線雙向 通行 來源：自由時報 https://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1405399
2 2015/8/8 花蓮「人定勝天碑」遭捲入海！ 台 11 線先開放單線雙向
台 11 線 62K
至 63K 強颱蘇迪勒 單線地 基流失
單線雙向 通行 來源：ETtoday 新聞 https://www.ettoday.net/news/20150808/546984.htm#ixzz6BjnF8DVT
3 2015/8/8 蘇迪勒肆虐 人定勝天碑也倒 台 11 線 62K 強颱蘇迪勒 淘空路 基 來源：聯合新聞網 https://video.udn.com/news/354335
4 2015/8/9 颱風蘇迪勒強風豪雨 全台 5 死百傷災
情慘 台 11 線 62K 強颱蘇迪勒 單線地
基流失 來源：中央社 https://www.cna.com.tw/news/firstnews/201508080432.aspx
5 2015/8/23 大浪沖刷! 台 11 線邊坡崩落 台 11 線 47.6k 強颱天鵝 路肩邊
坡流失 架設護欄 來源：華視新聞 http://news.cts.com.tw/cts/general/201508/201508231651845.html#.Vdm1i4u5_p8
6 2016/9/27 梅姬大浪拍擊台 11 線！漂流木、礫石飛 上岸
台 11 線 62K
至 63K 中颱梅姬 浪襲道
路 全面封路 來源：自由時報 https://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/1838616
7
2018/9/28 台 11 線 61.5k 花蓮豐濱鄉人定勝天路
段路基掏空道路封閉 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏
空 全面封路 來源：公路總局 https://www.thb.gov.tw/sites/ch/modules/news/news_details?node=eeb33aa6-58a1-4d5d- b6aa-28dd4d5270b0&id=3283263d-71a8-4b13-8572-286f3d39e232
8 2018/9/28 颱風掏空路基 海岸公路花蓮豐濱鄉段
封閉至 10 月 1 日 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏
空 全面封路 來源：中時 https://www.chinatimes.com/realtimenews/20180928004176-260402?chdtv
9 2018/9/29 台11 線人定勝天路段路基掏空 緊急搶
修明天上午恢復通行 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏 空
單線雙向 通行 來源：新頭殼 https://newtalk.tw/news/view/2018-09-29/145822
10 2018/9/29 潭美掀浪！花蓮台 11 線豐濱人定勝天路
段路基掏空 道路封閉 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏 空
單線雙向 通行 來源：ETtoday 新聞雲 https://www.ettoday.net/news/20180929/1269316.htm
11 2018/9/29 潭美颱風掀浪 花蓮台 11 線豐濱段路基
掏空 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏
空
單線雙向 通行 來源：中央社 https://www.cna.com.tw/news/ahel/201809290031.aspx
12 2018/9/30 搶修 8 小時 花蓮豐濱人定勝天段單線
雙向通行 台 11 線 61.5K 強颱潭美 路基掏
空
單線雙向 通行 來源：聯合新聞網 https://news.housefun.com.tw/news/article/162895208427.html
圖2.8a 相關浪襲公路新聞資料
圖 2.8b 相關浪襲公路新聞資料
以蒐集新聞分析結果而言，近年來台 11 線花蓮海岸公路的人定勝 天碑路段(道路里程約 61K 到 63K) 因離海岸近，較易於颱風期間受到 長浪的影響，常為公路總局公告之浪襲路段。如 2015 年 8 月蘇迪勒颱 風期間，除了人定勝天碑被海浪打落海面之外，同時使道路的地基流失 (圖 2.8a)，讓相關單位採取單線雙向通行的措施。又如 2016 年 9 月梅 姬颱風期間，該路段出現浪花夾帶碎石波及道路路面的情形(圖 2.8b)。
除了上述新聞事件外，2018 年 9 月潭美颱風期間公路局亦在台 11 線 61k+400 附近拍攝到浪襲道路的情況，如圖 2.9。
圖 2.9 2018 年 9 月 28 日晚間 61K+400 附近浪襲影像
附註：(公路總局第四區養護工程處提供)
第三章 評估花蓮海岸公路易受颱風波浪致災之區段
除了透過第二章的方式蒐集近年來在台 11 線花東海岸公路發生災 害之網路新聞案例來加以分析之外，另可利用波浪模式的數值模擬針 對海岸公路離海岸線較近的區段，模擬類似颱風期間發生的海況對海 岸公路可能造成的影響，進而評估颱風期間海岸公路通行的安全性。另 外也可了解海岸公路靠海側的邊坡是否會受到海浪的衝擊，藉此為公 路的邊坡防護補強提供一個參考。本研究選擇 XBeach 波浪模式作為研 究工具，搭配內政部的陸域地形以及海洋學門資料庫的海域地形來建 立模式地形，再從台 11 線公路靠海的路線中挑選出 8 個離海岸線較近 的區段進行類颱風期間的海況模擬，最後根據模擬結果給予海岸公路 浪襲的初步評估。
3.1 XBeach 模式簡介
本研究使用的 XBeach 波浪模式為聯合國教科文組織、荷蘭 Deltares 機構和代爾夫特理工大學以及美國邁阿密大學聯合開發的一套開放原 始碼的數值模式。最初開發是作為短波平均(short-wave averaged)，但具 有波群解析能力的模型，允許解析波群尺度上的短波變化以及與之相 關的長波。最早是用來模擬風暴期間在沙灘區的水動力和地形動力 (Morphodynamic)的過程。經過不斷的開發後，XBeach 已可模擬短波傳 播（包括折射，淺化和破碎），長波（亞重力波）傳播（包括生成，傳 播和耗散）、波浪引起的非穩態流以及越流(overwash)和溢淹等水動力 過程。在地形動力方面除了包含底床載(bed load)與懸浮載(suspension load)的沉積物傳輸，亦可模擬沙丘崩塌和底床破壞等地形變動。除了上 述應用外，同時可加入植被或結構物等因素進行模擬。該模式使用一組 預設的標準參數，並已通過一系列實驗室和現場測試案例的驗證。近年
來的應用包括利用 XBeach 非靜水壓方程以及地形變動模組來探討海 岸 沙 丘 的 局 部 崩 塌 所 對 附 近 建 築 物 區 域 造 成 的 溢 淹 (Elsayed 和 Oumeraci，2016)。還有 Barnard 等人(2019)結合 WaveWatch3、SWAN、
Delft3d 以及 XBeach 所發展的 CoSMoS 系統(Coastal Storm Modeling System)用來探討海水面上升時，颱風期間情境模擬的溢淹狀況。另外 Hewageegana 等人(2017)利用 XBeach 的 Surfbeat 模組和植被模組探討 波浪通過植被時的交互作用。
XBeach 目前提供三種模式的選擇，分別是駐波模式(Stationary wave mode)、浪擊模式(Surfbeat mode)和非靜水壓模式(Non-hydrostatic mode)。駐波模式能有效率的求解波動平均方程組，但不考慮亞重力波 的作用。浪擊模式則是計算波群尺度上的短波變化以及與之相關的長 波。最後是非靜水壓模式，該模式由台夫特理工大學(TU Delft)開發，
為相位解析模型(phase-resolving model)，使用非線性淺水方程(Non- linear shallow water equations)結合壓力校正項可對個別波的傳播和衰減 進行模擬。在非靜水壓模式中，雖然不需花時間計算短波作用的平衡 (Short wave action balance)，但為了解析短波和長波的運動情形，仍需 要較高的空間解析度以及較小的時間步長，導致計算量比浪擊模式大 很多。
非靜水壓模式的優點主要有兩大項，第一項是能模擬短波的溯升及 越流現象，這些現象在陡峭的斜坡上尤其重要，例如礫石灘；而第二項 優 點 為 此 模 式 能 直 接 解 析 波 浪 的 不 對 稱 性 (asymmetry) 和 偏 度 (a skewness)，而不是透過經驗公式給予近似值。綜合以上因素，本文使用 非靜水壓模式進行研究。
3.2 模式理論 3.2.1 控制方程式
為了模擬低頻波的傳播和深度平均流，模式使用淺水方程組作為 控制方程。為了說明波浪引起的質量通量和隨後產生的返流，將它們轉 換為深度平均的 GLM（Generalized Lagrangian Mean）公式。在這樣的 框架中，其動量和連續性方程式是使用拉格朗日(Lagrangian)速度𝑢𝐿 來 表示。拉格朗日速度定義為水粒子在一個波浪週期內的傳播距離除以 該週期。該速度與歐拉(Eulerian)速度（在固定點觀測的短波平均速度）
的關係為：
𝑢𝐿 = 𝑢𝐸+ 𝑢𝑆 𝑎𝑛𝑑 𝑣𝐿 = 𝑣𝐸 + 𝑣𝑆 (3.1) 其中𝑢𝑆和𝑣𝑆分別表示 x 和 y 方向上的斯托克斯漂移（Stokes drift）。計 算斯托克斯漂移時，其中波群變化的短波能量𝐸𝑤和方向從波作用平衡 中獲得，如下：
𝑢𝑆 = 𝐸𝑤cos 𝜃
𝜌ℎ𝑐 and 𝑣𝑆 = 𝐸𝑤sin 𝜃
𝜌ℎ𝑐 (3.2)
最後得到 GLM 動量方程如下：
𝜕𝑢𝐿
𝜕𝑡 + 𝑢𝐿 𝜕𝑢𝐿
𝜕𝑥 + 𝑣𝐿 𝜕𝑢𝐿
𝜕𝑦 − 𝑓𝑣𝐿 − 𝑣ℎ(𝜕2𝑢𝐿
𝜕𝑥2 +𝜕2𝑢𝐿
𝜕𝑦2) = 𝜏𝑠𝑥
𝜌ℎ −𝜏𝑏𝑥𝐸
𝜌ℎ − 𝑔𝜕𝜂
𝜕𝑥+
𝐹𝑥
𝜌ℎ+𝐹𝑣,𝑥
𝜌ℎ (3.3)
𝜕𝑣𝐿
𝜕𝑡 + 𝑢𝐿 𝜕𝑣𝐿
𝜕𝑥 + 𝑣𝐿 𝜕𝑣𝐿
𝜕𝑦 − 𝑓𝑢𝐿 − 𝑣ℎ(𝜕2𝑣𝐿
𝜕𝑥2 +𝜕2𝑣𝐿
𝜕𝑦2) = 𝜏𝑠𝑦
𝜌ℎ −𝜏𝑏𝑦
𝐸
𝜌ℎ − 𝑔𝜕𝜂
𝜕𝑦+
𝐹𝑦
𝜌ℎ+𝐹𝑣,𝑦
𝜌ℎ (3.4)
𝜕𝜂
𝜕𝑡 +𝜕ℎ𝑢𝐿
𝜕𝑥 +𝜕ℎ𝑣𝐿
𝜕𝑦 = 0 (3.5)
其中𝜏𝑠𝑥和𝜏𝑠𝑦是風剪應力，𝜏𝑏𝑥和𝜏𝑏𝑦是底床剪應力，𝜂是水位，𝐹𝑥和 𝐹𝑦是波浪引起的應力，𝐹𝑣,𝑥和𝐹𝑣,𝑦是植被造成的應力， 𝑣ℎ為水平黏滯力，
𝑓為科氏係數。
3.2.2 水平黏滯力
水平黏滯力𝑣ℎ使用 Smagorinsky(1963)模型作計算，以解決空間尺 度小於計算網格尺寸的水平動量交換，公式如下：
𝑣ℎ = 𝑐𝑠2212√(𝛿𝑢
𝛿𝑥)2+ (𝛿𝑣
𝛿𝑦)2+1
2(𝛿𝑢
𝛿𝑥 +𝛿𝑣
𝛿𝑦)2∆𝑥∆𝑦 (3.6)
3.2.3 底床剪應力
底床剪應力（𝜏𝑏）公式使用 Ruessink 等(2001)的方法，其中包含跟 平均流以及長波有關的底床摩擦。需注意底床剪應力公式所用的是歐 拉速度，如下：
𝜏𝑏𝑥𝐸 = 𝑐𝑓𝜌𝑢𝐸√(1.16𝑢𝑟𝑚𝑠)2+ (𝑢𝐸 + 𝑣𝐸)2 (3.7) 𝜏𝑏𝑦𝐸 = 𝑐𝑓𝜌𝑢𝐸√(1.16𝑢𝑟𝑚𝑠)2+ (𝑢𝐸+ 𝑣𝐸)2 (3.8)
其中𝑐𝑓為底床摩擦係數，XBeach 提供蔡司(Chezy)、曼寧(Manning) 公式等 5 種不同方式來定義𝑐𝑓。在此選擇預設的蔡司公式，如下：
𝑐𝑓 = √𝑔
𝐶2 (3.9)
在此使用典型的Chezy值，即 c = 55 𝑚1/2/𝑠。
3.2.4 非靜水壓校正
XBeach 的非靜水壓計算除了使用非線性淺水方程，亦考慮非靜水 壓力來計算波浪和海流引起的深度平均流。非靜水壓模式考慮了淺水
方程中包括短波在內的所有波浪運動，使用類似於 SWASH 模型
（Zijlema 等人,2011）垂直單層版本的方法推導深度平均正規化的動壓
（𝑞）。通過假設表面處的動壓為零並且隨深度呈線性變化，即可利用 表面和底床的動壓值求得深度平均動壓。為了計算底床的正規化動壓，
在此忽略平流和擴散項對垂直方向動量平衡的影響，計算動壓的方式 如下式：
𝛿𝑤 𝛿𝑡 +𝛿𝑞
𝛿𝑧 = 0 (3.10)
其中𝑤為垂直速度，𝑧為垂直方座標。而床層的垂直速度𝑤𝑏由運動邊界 條件決定，如下式：
𝑤𝑏 = 𝑢𝛿(𝜂−ℎ)
𝛿𝑥 (3.11)
結 合 由 Stelling 和 Zijlema(2003) 應 用 Keller-box 的 方 法 (Lam 和 Simpson,1976）來描述垂直方向的壓力梯度，可以通過以下方法表示底 床的動壓力𝑞𝑏：
𝑞𝑏 = −ℎ
2(𝛿𝑞
𝛿𝑧|𝑠 +𝛿𝑞
𝛿𝑧|𝑏) (3.12)
而表面的垂直動量平衡則以下面的公式來描述：
𝛿𝑤𝑠
𝛿𝑡 = 2𝑞𝑏
ℎ −𝛿𝑤𝑏
𝛿𝑡 (3.13)
其中𝑤𝑠是指表面的垂直流速。藉由結合當地的連續方程式來求解底床 的動壓力，如下式：
𝛿u
𝛿𝑥+𝑤𝑠−𝑤𝑏
ℎ = 0 (3.14)
3.3 模式地形
台 11 線模擬所使用的海域地形為海洋學門資料庫網格解析度 0.12 分之水深資料，區域範圍如圖 3.1。陸域地形資料則是由內政部地政司 所提供之 5m 解析度 DEM(Digital Elevation Model)數值地形，其中平面 座標採用內政部 1997 臺灣大地基準(TWD97)，而高程座標則採用內政 部 2001 臺灣高程基準(TWVD2001)，本研究從台 11 線中選取 8 個離海 岸線較近的路段，各路段的緯度範圍如表 3-1。8 個路段區域附近的 DEM 地形如圖 3.2 到 3.4 所示。
圖 3.1 海洋學門資料庫解析度 0.12 分之水深資料
考慮到海、陸域的地形解析度不同所呈現的海岸線不一致，在此先 將海域地形由經緯度座標轉 TWD97 座標，然後內插成與陸域地形一致 的 5m 解析度數值地形。地形整合的過程中，海域地形只取水深超過 20m 的地形，而水深介於 0 到 20m 的區域則以內插方式補足。為了讓 邊界入射條件一致，在此將 8 個模擬區域的入射邊界附近的海底地形 設定為相同深度。考量國內的波浪觀測站所在位置的水深通常約為 30m，故在此設定模式的地形最大水深為 30m。地形整合最後的結果如
圖 3.2 左到右各為第 1 到 3 模擬區域所用的陸地地形(紅框)
圖 3.3 左到右各為第 4 到 6 模擬區域所用的陸地地形(紅框)
圖 3.4 左和右各為第 7 和 8 模擬區域所用的陸地地形(紅框) 表 3-1 台 11 線 8 個離海岸線較近的路段緯度範圍
區域
編號 緯度區間(度) TWD97 的 Y 座標區間
(m) 行政區 台 11 線里程
(K) 1 23.865 ~ 23.92 2640072 ~ 2646163 花蓮縣壽豐鄉
鹽寮村 7.5 ~ 13
2 23.807 ~ 23.851 2633649 ~ 2638522 花蓮縣壽豐鄉
鹽寮村、水璉村 15 ~ 20.5 3 23.657 ~ 23.696 2610393 ~ 2616484 花蓮縣豐濱鄉
磯崎村、新社村 38 ~ 42.5 4 23.597 ~ 23.652 2607071 ~ 2621357 花蓮縣豐濱鄉
新社村、豐濱村 43.5 ~ 49 5 23.521 ~ 23.597 2601977 ~ 2610393 花蓮縣豐濱鄉
豐濱村 51 ~ 59.5
6 23.491 ~ 23.531 2598655 ~ 2603084 花蓮縣豐濱鄉
豐濱村、港口村 58.5 ~ 63 7 23.354 ~ 23.403 2583483 ~ 2588910 臺東縣長濱鄉
樟原村、三間村 75.5 ~ 81 8 23.166 ~ 23.217 2562665 ~ 2568313 臺東縣成功鎮
博愛里、忠孝里 99 ~ 105
圖 3.5 左、右各為第 1、2 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)
圖 3.6 左、右各為第 3、4 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)
圖 3.7 左、右各為第 5、6 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)
圖 3.8 左、右各為第 7、8 區的模式地形(黑色等深線的間隔 10m)
3.4 模式情境條件設定
為了解台 11 線沿岸地區受到天文潮影響的潮位範圍，在此根據氣 象局利用 2017 和 2018 年的潮位觀測資料進行調和分析所得的各分潮 參數所預報在花蓮港與石梯漁港 2020 年的天文潮如圖 3.9 和圖 3.10，
由圖可知花蓮港的潮位變化大約介於-1m 到 1m 之間，而石梯漁港的潮 位變化範圍則在-1.1m 到 1.1m 之間。根據氣象局網頁資料(圖 3.11)，吉 安鄉的臺灣高程基準(TWVD 2001)比當地平均潮位高 0.12m，則可推估 花蓮港的天文潮高程約在-0.9m 到 1.1m 之間。同樣豐濱鄉的高程基準 比當地平均潮位高 0.24m，則可概估石梯漁港天文潮高程在-0.9m 到 1.3m 之間。
圖 3.9 花蓮港 2020 年天文潮預報
楊(2018)利用 1992 年到 2017 年的花蓮潮位站觀測資料以及 2001 到 2017 年的石梯潮位站觀測資料各別分析出資料期間花蓮站最大的暴 潮偏差為 0.79m，而在石梯站為 1.3m。花蓮站的最大偏差發生時間在 2007 年柯羅莎颱風期間，而石梯站則在 2015 年蘇迪勒颱風期間。以臺 灣高程基準來看，在花蓮港若以最大天文潮 1.1m 再加上 0.8m 的暴潮 偏差，則可出現 1.9m 的潮位。而在石梯漁港如以最大天文潮 1.3m 如 果加上 1.3m 暴潮偏差，則可出現 2.6m 的潮位。為了解暴潮期間的可 能影響，在此 Xbeach 分別使用 1m、2m 和 2.6m 等三種初始水位條件 作為情境潮位來進行模擬。
圖 3.10 石梯漁港 2020 年天文潮預報
圖 3.11 氣象局花蓮沿海的潮汐預報
藉由表 2.1 所蒐集的浪襲公路新聞事件可知事件分別發生在蘇迪勒 颱風(2015)、天鵝颱風(2015)、梅姬颱風(2016)以及潭美颱風(2018)期間。
在此利用港灣技術研究中心在花蓮港的 AWCP 波浪逐時統計資料來了 解發生浪襲事件的颱風期間所觀測到的示性波高和尖峰週期。花蓮港 AWCP 的位置如圖 3.12，位置水深為 34m。圖 3.13 到 3.15 各為 2015 年 8 月、2016 年 9 月以及 2018 年 9 月 AWCP 所觀測的逐時示性波高 和尖峰週期。在氣象局發布的颱風警報期間，蘇迪勒颱風觀測的最大示 性波高值約 8.9m，而尖峰週期約 13.7 秒。颱風期間的示性波高大致在 2 到 9m 範圍內，而尖峰周期大多分布在 10 到 14 秒之間(圖 3.13 黑 框)。天鵝颱風警報期間的最大示性波高約 4.2m，其尖峰週期約 14 秒，
警報期間示性波高大部分在 2.5 到 4m 之間，而尖峰周期大多介於 10 到 14 秒範圍內(圖 3.13 紅框)。梅姬颱風警報期間最大示性波高約 9.1m，
其尖峰週期約 12.4 秒 (圖 3.14)。潭美颱風雖然沒有發布警報，但在接 近臺灣的 9 月 25 到 30 日期間的最大示性波高約 3.7m，其尖峰週期約
13 秒，示性波高大多介於 2 到 4m 範圍內，而尖峰周期分布在 10 到 15 秒之間(圖 3.15)。綜合上述四個颱風期間的觀測值，其示性波高範圍大 多介於 2m 到 9m 之間，而尖峰週期在 10 到 15 秒之間。
圖 3.12 花蓮港 AWCP 位置
圖 3.13 花蓮港 2015 年 8 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期
圖 3.14 花蓮港 2016 年 9 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期
圖 3.15 花蓮港 2018 年 9 月 AWCP 的示性波高和尖峰週期 由於上述颱風期間的尖峰週期最大值接近 15 秒，故在此設定邊界 的尖峰週期為 15 秒。雖然颱風期間的最大波高約 9m(圖 3.13、3.14)，
在此僅將模式邊界入射的示性波高設定為 5m。表 3-2 為陳等人(2017) 利用示性波高資料所計算的花蓮港極值波高重現期，根據其極值分布 的模型可推算極值波高 5m 的重現期約為 1.2 年。故本模式設定的 5m 示性波高出現頻率接近於每年發生 1 次。
表 3-2 花蓮港極值波高重現期 重現期(年) 極值波高(m) 標準偏差(m)
10 8.6 0.59
25 9.52 0.71
50 10.13 0.79
100 10.69 0.87
200 11.21 0.95
模式邊界的波浪入射主要方向在此假設垂直於海岸線方向。模式利 用 JONSWAP 波譜(Hasselmann et al. 1973)搭配 Longuet-Higgins(1963) 的單峰方向分布函數(directional spreading function)作為入射條件。
JONSWAP 波譜如下式：
S(𝑓) =0.0081𝑔2
𝑓5 𝑒𝑥𝑝 [−5
4(𝑓𝑝
𝑓)4] Υ𝛽 (3.15) 𝛽 = 𝑒𝑥𝑝 [−(𝑓−𝑓𝑝)
2
2𝜎2𝑓𝑝2 ] (3.16) 𝜎 = {0.07, 𝑓 ≤ 𝑓𝑝
009, 𝑓 > 𝑓𝑝 (3.17) 其中
𝑓：頻譜頻率(Hz)
𝑔：重力加速度(m/sec2) 𝑓𝑝：尖峰頻率(Hz)
Υ：尖峰集中度係數(peak enhancement factor)
單峰方向頻譜如下式所示：
𝐸(𝑓, 𝜃) = 𝐸(𝑓) ∙ 𝐷(𝑓, 𝜃) (3.18) 其中
E(𝑓, 𝜃)：方向能譜密度函數函數 E(𝑓)：一維能譜密度函數
𝐷(𝑓, 𝜃)：角度分布函數(angular spreading function) 𝑓：頻率(Hz)
𝜃：波向(徑度)
且𝐷(𝑓, 𝜃)須符合下式：
∫ ∫ 𝐸(𝑓) ∙ 𝐷(𝑓, 𝜃)𝑑𝜃𝑑𝑓 =0∞ −𝜋𝜋 ∫ 𝐸(𝑓)𝑑𝑓0∞ (3.19) 𝐷(𝑓, 𝜃)函數使用 Cosine-2S 型態，如下式：
𝐷(𝑓, 𝜃)
=
(2(2𝑠−1)𝜋 ) (𝛤2(𝑠+1)
𝛤(2𝑠+1)) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃−𝜃𝑚𝑒𝑎𝑛
2 )2𝑠 (3.20) 其中
Γ：Gamma 函數
𝜃mean：平均波向(徑度) 𝑠：方向分佈係數
給定入射波平均波向𝜃𝑚𝑒𝑎𝑛以及分布係數 s 後可得到一個波向的分 布。在此設定 s 值為 1024，其波向分布範圍介於平均波向的正、負 10 度左右，屬於方向分佈集中的型態，cos (𝜃−𝜃mean
2 )2𝑠分布值函數如圖 3.16。
圖 3.16 JONSWAP 邊界條件的方向分布函數
另外針對從模擬區域內離開海洋邊界的波浪進行波能吸收，其目的
