一种基于风险模拟评估海港抵御气旋（Cyclone）灾害韧性的方法

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：A Risk-Based simulation approach to assessing seaport resilience against cyclone hazards

　　

由于气候变化，海港面临日益加剧的气旋风险，然而量化此类影响对港口功能及经济表现的概率与后果的综合风险方法仍然稀缺。研究人员整合气旋发生的概率建模与资产级易损性（Fragility）及停运（Downtime）分析，以估算功能退化，同时量化对港口运营的直接物理损害及相关经济影响。研究人员以台湾西南部的高雄港（Port of Kaohsiung）为案例研究，利用码头记录及历史气旋数据，模拟不同气旋类型与强度下的吞吐量（Throughput）损失。研究结果使港口当局能够评估海港承受并从中断中恢复的能力，并设计针对性的适应与修复策略。通过结合真实数据、先进模拟与整体韧性视角，本研究为长期港口可持续性开发成本效益决策支持工具做出了显著贡献。

研究背景与意义

海港因其沿海地理位置，极易遭受地震、气旋、海平面上升、洪水及风暴潮等多种自然灾害的威胁。这些灾害会以不可预测的方式中断海港活动，导致上部结构、系统、设备（如泊位、岸壁、岸桥、卡车、堆场起重机、变电站）遭受显著物理损坏，不仅引发即时运营延误，常因广泛的修复工作导致长期财务损失，极端情况下甚至数年无法恢复满负荷运营，进而造成区域及全球供应链的长期中断。随着气候变化导致自然灾害频率与强度增加，气旋及相关风暴潮、极端降雨已在全球数十个港口造成可观运营中断，权威气候评估预测热带气旋降雨强度、复合型沿海洪水及风暴潮影响将进一步增加，意味着未来几十年气旋相关的港口停运风险将更频繁且严重。然而，该过程因灾害及影响预测的不确定性、港口运营数据保密性、历史数据稀缺而复杂且具有挑战性。现有基于模拟的技术虽有所进展，但在覆盖港口脆弱性与韧性全范围（从运营退化到直接与间接经济损失）方面仍不成熟，多聚焦于灾害对运营性能的影响而忽略损失建模，或因稀疏数据依赖主观输入且缺乏事后证据验证。为此，研究人员旨在开发混合、基于模拟的框架，从运营功能与经济脆弱性两方面评估海港韧性，量化气旋导致的直接与间接物理损害及 resultant 经济损失，采用概率灾害建模、资产特定易损性曲线（Fragility Curves）及运营建模集成方法，以高雄港第七码头（Terminal 7）为案例验证，支撑港口当局风险管理与适应策略设计，发表于《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》。

主要关键技术方法

研究人员采用基于风险模拟的集成框架，涵盖灾害评估、功能损失评估、经济损失评估及码头模拟建模四阶段。灾害评估基于日本气象厅（JMA）强度分类将气旋分为六类，按距港0至400公里划分为6个环形区域（Ring 1至Ring 6），采用最接近法（Closest Approach, CA）与遭遇视图法（Encountered View, EW）构建港口特定气旋数据库，利用Vincenty公式计算测地距离，结合Holland参数风场模型估算港址风速。功能损失评估采用HAZUS飓风模型定义四级损坏状态（Damage State, DS₁至DS₄），基于对数正态易损性函数开发资产（以岸桥为核心）易损性曲线，结合蒙特卡洛期望量化物理损坏概率与停运分布。经济损失评估构建直接物理损害成本、停运成本（吞吐量损失与大风停运）及修复恢复成本模型，区分时间敏感与非时间敏感成本并引入时间压缩溢价因子。码头模拟采用离散事件模拟（Discrete Event Simulation, DES）在AnyLogic中构建高雄港第七码头靠泊与装卸流程，基于2024年8月至2025年7月实际运营数据（2010艘次船舶）校验模型，通过面验证、文献参数比对、实际记录对比及敏感性分析确保可靠性。

研究结果

5.1. Terminal throughput loss estimation（码头吞吐量损失估算）

研究人员将损坏状态概率作为容量缩减与临时关闭输入模拟模型，报告处理吞吐量、损失比（丢失吞吐量/完好吞吐量）及改航船舶数，采用条件驱动改航策略（超最大容忍等待时间则改航）。结果显示，所有气旋等级下吞吐量损失随距终端距离衰减，Ring 1（0–50 km）损失最大，强烈台风（Violent Typhoon, VTY）下损失比达6.21%，处理吞吐量3,421,385 TEU，改航117艘；至Ring 6（300–400 km）仅VTY保留0.11%微小损失。气旋强度越高，多环区内预期等待时间增加越显著，损失比与改航数越高，弱风暴仅影响内环。损失比、处理吞吐量与改航数对齐表明改航策略有效防止队列堆积，吞吐量趋近完好基线。

5.2. Economic loss estimation（经济损失估算）

研究人员基于HAZUS默认港口系统经济参数（PEQ2类岸桥平均损失比：DS₁5%、DS₂25%、DS₃75%、DS₄100%）及实际资产价值（远程操控岸桥1500万美元/台、传统岸桥1200万美元/台等）、处理费率（200 USD/TEU）等参数估算经济损失，分直接损害成本、停运成本与恢复成本。结果显示，VTY Ring 1总经济损失约1.4亿美元（直接损害7700万、停运4500万、恢复1600万）；非常强台风（Very Strong Typhoon, VST） Ring 1直接损害5600万、停运3000万、恢复1100万；热带风暴（Tropical Storm, TS） Ring 1直接损害600万、停运200万、修复成本极低。外环区弱事件损失显著更低，VTY/VST在外环仍保留非平凡成本尾端，主因DS₃-DS₄持续存在与残余吞吐量损失。直接损害成本主驱为DS₄（100%损失比与长替换时间），其概率升高同时放大停运成本。灾后评估完好设备后同步启动恢复与剩余设施运营，提升可用岸桥与泊位利用率补偿产能缺口。

5.3. Discussion and implications（讨论与启示）

研究人员指出热带气旋是威胁海港运营最严重自然灾害之一，气候变化加剧西北太平洋气旋强度，高雄港所在区域未来5年更强气旋（更强风与降雨）发生概率增加。Ring 1内VTY致近226k TEU吞吐量损失（约年量6%），Ring 3-4内VTY仍存非平凡概率，TS/STS近零，显示高强度气旋具长损害尾端。DS₃-DS₄超越概率随强度与邻近度非线性陡增：Ring 1内DS₄从TS的0.09%升至VTY的50.32%，DS₃同步上升，解释内环VST/VTY主导运营损失与改航。经济上VTY Ring 1损失1.4亿美元，VST显著更低，TS低一个量级，外环弱事件损失骤降但VTY/VST保留成本尾端。优先对关键路径资产（岸桥臂与驱动、电力系统、IT结构）投资韧性（鲁棒性、冗余性、快速性、资源性），如延性系紧装置（Ductile-link tie-downs）、防撞雷达、备用臂架、远程诊断、双11 kV馈线环、冗余光纤环等，可降低DS₃-DS₄概率与停运成本。以2003年鸣蝉（Maemi）台风釜山港岸桥多米诺坍塌（6台坍塌、预期15个月修复）为例，延性系紧装置可避免此类失效。大型枢纽港短期中断会引发供应链连锁失效与声誉损失，需系统考量技术、运营、经济决定因素。框架兼容全自动/半自动/非自动港口，支撑韧性策略评估。

结论部分翻译

本文开发并应用基于风险的模拟框架于高雄港第七码头，评估气旋对港口功能的影响并估算相关经济损失。框架利用运营记录与详细设备规格参数化模型，整合影响终端区域三十年的气旋观测以生成客观数据驱动输入。首先按类型分类气旋并估算发生频率与强度分布；随后在AnyLogic中采用离散事件模拟模型量化功能损失（如吞吐量退化与停运）；针对各情景使用开发的数学成本模型评估直接与间接经济影响。主要发现如下：（1）高雄港400 km内气旋总频率约6.07次/年，台风级事件占34.5%；（2）最坏情景（终端50 km内强烈台风）吞吐量损失超年量6%，折合近4500万美元；（3）吞吐量损失随气旋强度降低与距离增加而减少；（4）损失在前三个环形区域最显著，超出后对终端功能影响骤降；（5）近环区台风级事件直接物理损害成本通常超过停运成本；（6）先进韧性措施（如臂架防撞传感器与延性系紧链）可避免气旋期间大量损害与业务中断。本文贡献有五：推进气旋对港口功能及经济损失影响认知；开发高雄港专用气旋灾害数据库（可扩展至周边码头与港口）；建立岸桥气旋诱导易损性曲线以提升风致损坏机制定量理解；基于模拟整合客观运营数据估算吞吐量损失与经济影响，降低同类研究主观性；提出集成韧性评估框架为海港当局提供分析工具以系统评估、比较与增强气候相关灾害韧性。方法论除分析贡献外，为港口决策者提供直接实践价值，支撑气旋频发区港口准备度与韧性水平循证评估，联合考量基础设施脆弱性、运营退化与经济后果，作为整体决策支持平台识别、比较与优先排序适配港口运营背景的韧性策略，明确替代韧性投资权衡（成本、效益、恢复影响），支撑可持续与气候韧性港口基础设施的风险规划。需注意本研究经济损失估算旨在演示方法适用性而非提供精确货币值，采用公开与近似数据，端口特定应用可细化成本参数反映本地条件。气旋行为表征基于过去30年历史记录，未完全捕捉未来气候条件下前向预测视角，未来需纳入气候变化预测以评估未来风险。未来工作将扩展至多灾害框架（明确气旋诱导效应：风暴潮、复合洪水、波浪设置、爬高与越顶），系统检查终端全系统（岸、堆场、联运接口）传播与级联中断，定量评估替代韧性策略有效性及其减少运营中断与经济损失的贡献，支撑更全面可行的港口韧性规划。