南通沿海臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮分析及其經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)初探

高清清，曹兵，高鑫鑫，徐常三

(國(guó)家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇南通226005)

1 引言

風(fēng)暴潮是來(lái)自海上的一種海洋災(zāi)害，是指由強(qiáng)烈大氣擾動(dòng)如熱帶氣旋、溫帶氣旋等天氣系統(tǒng)所帶來(lái)的海面異常升降的現(xiàn)象。如果風(fēng)暴潮恰好與天文高潮相遇尤其是與天文大潮期間的高潮疊加，水位驟漲，將對(duì)沿海地區(qū)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，甚至對(duì)人身安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，風(fēng)暴潮的預(yù)測(cè)與分析一直是相關(guān)領(lǐng)域研究人員的重要工作之一。按照產(chǎn)生風(fēng)暴潮現(xiàn)象的大氣擾動(dòng)特征，將風(fēng)暴潮分為由熱帶氣旋和溫帶氣旋及寒潮大風(fēng)造成的兩大類，前者稱為臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮，后者統(tǒng)稱為溫帶風(fēng)暴潮[1-2]。對(duì)于風(fēng)暴潮的研究早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)開(kāi)展，至目前已經(jīng)取得了較多的成果[3-8]。

風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)方法分為兩大類：一種是經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法；另一種是數(shù)值預(yù)報(bào)方法。前者包括預(yù)報(bào)員的主觀經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法，后者包括諾模圖方法和數(shù)值模式預(yù)報(bào)方法[9]。葉鳳娟等[10]研究了單站資料在風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，并指出單站資料可補(bǔ)充數(shù)值預(yù)報(bào)的不足，但也有一定的局限，與其他方法配合使用，才能更好地發(fā)揮其作用。曾德美[11]分析了青島港風(fēng)暴潮概況，并求取了青島港極值增減水的預(yù)報(bào)公式。謝亞力，黃世昌[12]將動(dòng)力線性模型應(yīng)用于錢塘江河口臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)中，通過(guò)合理選取預(yù)報(bào)量及預(yù)報(bào)因子，建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方程，取得較好的效果。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)方法發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬取得了很大的進(jìn)展和應(yīng)用。在之后的風(fēng)暴潮研究工作中，大量的研究者將風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)作為風(fēng)暴潮的重要研究方向之一。朱建榮等[13]基于原正交ECOM模式，改進(jìn)為非正交曲線坐標(biāo)系，應(yīng)用于長(zhǎng)江河口、杭州灣及鄰近海區(qū)，改進(jìn)后的模式可更好地應(yīng)用于河口海岸的研究中。端義宏等[14]利用三維河口、海岸模式（ECOMSi）建立了一個(gè)適用于長(zhǎng)江口區(qū)風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)模式。

江蘇南通位于江蘇省東南部，居長(zhǎng)江入海口北岸，瀕江臨海。該地區(qū)基本的氣候特點(diǎn)是氣候溫和，日照充分，四季分明，無(wú)霜期較長(zhǎng)，海洋性氣候顯著。由于其獨(dú)特的地理位置，常受到西風(fēng)帶、副熱帶等天氣系統(tǒng)影響，氣象和氣象誘發(fā)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，其中主要的災(zāi)害之一就是風(fēng)暴潮災(zāi)害。南通幾乎每年夏秋季節(jié)都要受到臺(tái)風(fēng)影響，而由臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮災(zāi)害更是得到了南通市各級(jí)相關(guān)部門的極大關(guān)注。

本文選取南通沿海呂泗站的水文氣象資料，分析臺(tái)風(fēng)影響期間，該站的風(fēng)暴增水特征，并對(duì)該站臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式進(jìn)行初步探討，以期應(yīng)用于南通沿海臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中，更好地開(kāi)展風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)工作。

2 資料的選取

2000—2011年CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集；2000—2011年呂泗站實(shí)測(cè)潮位資料，天文潮資料；呂泗站地面氣象觀測(cè)資料中的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等。

3 影響南通沿海的熱帶氣旋

3.1 基本概況

根據(jù)2000—2011年熱帶氣旋資料，共有13 個(gè)熱帶氣旋影響或者外圍影響南通沿海（見(jiàn)表1），近十年間沒(méi)有直接登陸南通的熱帶氣旋。

從表1 中還可看出，熱帶氣旋影響南通沿海多發(fā)生在7、8、9三個(gè)月份，6月、10月份也有出現(xiàn)。且近十年間，每年一般最多有2 個(gè)熱帶氣旋影響南通沿海。

3.2 熱帶氣旋分類

根據(jù)熱帶氣旋的登陸情況以及移動(dòng)路徑，對(duì)上述進(jìn)入南通或者影響南通的13 個(gè)熱帶氣旋進(jìn)行分類，共得兩大類，分別為不在我國(guó)登陸的（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）以及在江浙一帶登陸的（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型），見(jiàn)表2及圖1—6。

4 風(fēng)暴潮分析及預(yù)報(bào)

4.1 各類熱帶氣旋風(fēng)暴潮概況

表3列出了熱帶氣旋影響期間呂泗站的最大增水值以及影響時(shí)間段，可以看出，在浙江一帶登陸后由內(nèi)陸北上進(jìn)入江蘇的熱帶氣旋對(duì)南通沿海造成的風(fēng)暴增水較其他類別的熱帶氣旋造成的增水要小。

結(jié)合圖1—6，發(fā)現(xiàn)Ⅰ型和Ⅱ型熱帶氣旋路徑較為相似，對(duì)南通沿海造成的風(fēng)暴增水也較為接近，除了1007 圓規(guī)以及1105 米雷造成的影響不大，較嚴(yán)重的風(fēng)暴潮基本上在125 cm 以上。而Ⅳ型和Ⅴ型這兩種臺(tái)風(fēng)路徑，雖然出海位置不同，但是差別并不明顯，且這兩種類型的臺(tái)風(fēng)造成的增水幅度較為接近，基本在50—90 cm。因此，將以上六種路徑的熱帶氣旋分為四類，分別為：第一類南通外海北上；第二類浙江外海轉(zhuǎn)向；第三類內(nèi)陸北上進(jìn)入江蘇并從江蘇沿海出海；第四類在浙江一帶登陸后未在內(nèi)陸北上，很快又轉(zhuǎn)出海。

表1 2000—2011年影響或者外圍影響南通沿海的熱帶氣旋

表2 熱帶氣旋路徑分類

圖1 Ⅰ型.北上右轉(zhuǎn)向

圖2 Ⅱ型.外海北上

圖3 Ⅲ型.浙江外海轉(zhuǎn)向

圖4 Ⅳ型.登陸后進(jìn)入江蘇，蘇北出海

圖5 Ⅴ型.登陸后進(jìn)入江蘇，蘇南出海

圖6 Ⅵ型.登陸后不在內(nèi)陸北上，再轉(zhuǎn)入海上

表3 臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮要素

表4 第一類熱帶氣旋影響期間，呂泗站風(fēng)暴潮情況

4.2 各類臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮分析及預(yù)報(bào)公式

4.2.1 第一類南通外海北上

表4列出了南通外海北上的熱帶氣旋引起的風(fēng)暴增水情況，可以看出，此類熱帶氣旋影響期間，呂泗站的風(fēng)向前期均為東北東，隨著臺(tái)風(fēng)進(jìn)一步北上，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏北或者西北西至偏北，最大增水出現(xiàn)時(shí)刻與最低氣壓出現(xiàn)的時(shí)刻較為接近。

選擇表4 中前四個(gè)熱帶氣旋作為研究分析對(duì)象，1109梅花過(guò)程用以對(duì)計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)。選取呂泗站增水值為預(yù)報(bào)量，臺(tái)風(fēng)過(guò)程該站最低氣壓與該月多年平均氣壓差、該站風(fēng)速、風(fēng)向以及臺(tái)風(fēng)中心距該站距離為預(yù)報(bào)因子。分別將臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程的增水△H 與氣壓差△P、臺(tái)風(fēng)中心距呂泗站的直線距離L、風(fēng)速V 、風(fēng)向θ 之間做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴增水△H 與上述物理量之間的相關(guān)性較好（通過(guò)95%信度檢驗(yàn)）。

采用回歸分析方法，計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)L 對(duì)整個(gè)回歸方程的貢獻(xiàn)不大，因此得出最大增水△Hmax的預(yù)報(bào)方程為：

式（1）中：△P 為過(guò)程最低氣壓與該月多年平均氣壓之差的絕對(duì)值，單位hPa；Vmax、θ 分別為最大平均風(fēng)速以及對(duì)應(yīng)風(fēng)向；以下同。

對(duì)1109梅花影響期間的增水值與氣壓差、臺(tái)風(fēng)中心距呂泗站的直線距離、風(fēng)速分別進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在該站風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北向之前，相關(guān)性均很好，通過(guò)了99%信度檢驗(yàn)。將梅花影響期間呂泗站測(cè)得的最低氣壓、最大平均風(fēng)速以及對(duì)應(yīng)風(fēng)向代入上式，計(jì)算得最大增水為152 cm，比實(shí)際最大增水值（139 cm）僅高出14 cm，誤差較小。

表5 第二類熱帶氣旋影響期間，呂泗站風(fēng)暴潮情況

4.2.2 第二類浙江外海轉(zhuǎn)向

表5 給出了浙江外海轉(zhuǎn)向的0014 臺(tái)風(fēng)桑美引起的風(fēng)暴增水情況。

根據(jù)其路徑，0014桑美于9月14日18時(shí)起轉(zhuǎn)為東北向，且移動(dòng)速度明顯加快，隨后強(qiáng)度逐漸減弱。呂泗站最大增水發(fā)生在其轉(zhuǎn)向前8 小時(shí)左右。呂泗站增水△H 與氣壓差△P、距離L、風(fēng)速V 、風(fēng)向θ 分別進(jìn)行相關(guān)分析，但是得到的相關(guān)性均不高，同時(shí)由于數(shù)據(jù)序列較少，回歸分析效果亦不明顯。

圖7 0014桑美影響期間呂泗站增水曲線

圖7 給出了“桑美”影響期間呂泗站增水曲線。可以看出，呂泗站增水過(guò)程有明顯的半日周期波動(dòng)；天文潮和風(fēng)暴潮耦合作用[15]較強(qiáng)，周期內(nèi)增水最大值一般發(fā)生在天文高潮前3—4 h，因此建立此類臺(tái)風(fēng)暴潮與其他物理量之間的相互關(guān)系還需進(jìn)一步深入探討，將在以后的工作中開(kāi)展這方面的研究。

4.2.3 第三類內(nèi)陸北上進(jìn)入江蘇并從江蘇沿海出海

表6 為第三類熱帶氣旋引起的風(fēng)暴增水情況。可以看出，此類熱帶氣旋引起的最大增水均出現(xiàn)在登陸之后。

選擇表6 中0509 麥莎、0515 卡努、0807 海鷗和0908莫拉克這四個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程為分析對(duì)象，0713韋帕用以檢驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果。

采用相關(guān)分析以及回歸分析方法，計(jì)算發(fā)現(xiàn)L對(duì)整個(gè)回歸方程的貢獻(xiàn)不大，因此在公式中未列出這一因子，第三類熱帶氣旋增水極值預(yù)報(bào)公式如下：

根據(jù)式（2）計(jì)算0713 韋帕引起的最大增水△Hmax=82 cm，實(shí)際最大增水為78 cm，結(jié)果較為理想。

4.2.4 第四類在浙江一帶登陸后未在內(nèi)陸北上，很快又轉(zhuǎn)出海

表6 第三類熱帶氣旋影響期間，呂泗站風(fēng)暴潮情況

表7 第四類熱帶氣旋影響期間，呂泗站風(fēng)暴潮情況

表7為登陸后又轉(zhuǎn)入海上的熱帶氣旋所引起的風(fēng)暴增水情況。此類熱帶氣旋影響過(guò)程中，呂泗風(fēng)向基本為東北向，平均風(fēng)暴增水較其他類型的熱帶氣旋大。

分析結(jié)果顯示，增水△H 與測(cè)站風(fēng)速V12、臺(tái)風(fēng)中心到呂泗站的距離L 相關(guān)性均較好。回歸分析得到增水極值預(yù)報(bào)形式為（3）式，由于此類臺(tái)風(fēng)個(gè)例較少，故有待進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

式（3）中，V12為前12小時(shí)風(fēng)速。

5 小結(jié)和討論

綜上分析，近十年影響南通沿海的臺(tái)風(fēng)路徑可分為四類，分別為：南通外海北上；浙江外海轉(zhuǎn)向；內(nèi)陸北上進(jìn)入江蘇并從江蘇沿海出海；在浙江一帶登陸后未在內(nèi)陸北上，很快又轉(zhuǎn)出海。臺(tái)風(fēng)暴潮由于不同臺(tái)風(fēng)路徑其變化亦有所差異。登陸后由內(nèi)陸進(jìn)入江蘇的熱帶氣旋對(duì)南通沿海造成的風(fēng)暴增水較其他類別的熱帶氣旋造成的增水要小。

利用呂泗站水文氣象資料，分析了各類臺(tái)風(fēng)暴潮的特征，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)分析、回歸分析等方法探討了風(fēng)暴潮極值預(yù)報(bào)公式，得出第一類、第三類和第四類的臺(tái)風(fēng)暴潮極值公式，其中第一類和第三類風(fēng)暴潮極值公式經(jīng)驗(yàn)證后，效果較好；第四類臺(tái)風(fēng)暴潮公式由于個(gè)例有限，需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證；結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，第二類浙江外海轉(zhuǎn)向的臺(tái)風(fēng)對(duì)呂泗帶來(lái)的風(fēng)暴增水具有顯著的半日振蕩周期，研究需考慮風(fēng)暴潮與天文潮的耦合作用。

臺(tái)風(fēng)暴潮的過(guò)程值、極值與臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、路徑、強(qiáng)度、大陸架形態(tài)和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度等物理量均有關(guān)。這些因子綜合作用于海水上，如何在預(yù)報(bào)中體現(xiàn)出來(lái)是較為困難的。本研究?jī)H根據(jù)臺(tái)風(fēng)路徑來(lái)分類討論，建立了相應(yīng)風(fēng)暴增水極值預(yù)報(bào)方程。由于臺(tái)站資料的連續(xù)性不夠，本次研究工作中統(tǒng)計(jì)樣本總體偏少，在今后的工作中將把時(shí)間范圍擴(kuò)大至30年，繼續(xù)改進(jìn)預(yù)報(bào)方程，從而更好地做好臺(tái)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)工作。此外，對(duì)風(fēng)暴增水極值出現(xiàn)時(shí)刻的預(yù)報(bào)、風(fēng)暴潮與天文潮的耦合作用也將在后續(xù)的工作中進(jìn)一步討論。

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