河北省沿海風暴潮特征及成因分析

褚芹芹，張萬磊，洪新，李杰，張彥龍，張建樂

（1.國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心站，河北秦皇島066002；2.國家海洋局煙臺海洋環境監測中心站，山東煙臺264006；3.天津海洋環境監測中心站，天津300450）

1 引言

河北省沿海地區包括秦皇島、唐山、滄州3市，海岸線長487 km，海岸帶總面積11 379.88 km2。河北省沿海地區地處環渤海中心地帶，是我國環渤海重要的經濟成長區，與遼寧沿海經濟帶、天津濱海新區、黃河三角洲生態經濟區共同構成環渤海經濟圈的重點開發區，在促進全國區域協調發展中具有重要戰略地位。風暴潮災害是影響河北省沿海最嚴重的海洋災害之一，災害性風暴潮會對河北省沿海的養殖、旅游、港口航運、沿岸基礎設施等造成嚴重的危害和經濟損失。

歷史上關于河北省沿海風暴潮的記載，最早始于西漢元帝初元元年（即公元前48年），距今已有2 000多年。其間的記載時斷時續，至1949年只有46次[1]。郭迎春[1]收集整理了公元前48年—1996年近2 044 a的史料，分析了河北省風暴潮的成因，討論了風暴潮的時空分布特征、危害程度及區域評價，提出了河北省風暴潮的預警要點。李娜[2]對黃驊港潮位資料進行了分析，闡述了該海區風暴潮特點及潮災影響因素。弓冉等[3]通過多個實例分析風暴潮產生的成因以及它的類型,并論述地面沉降、海平面上升與海岸地形條件等方面對風暴潮的影響。陳利江等[4]通過歷史資料記載以及對1950—1994年所發生風暴潮的統計，分析河北沿海風暴潮災害的類型、成因、危害及其成災規律。

2013年，河北省政府發布了的風暴潮四色警戒潮位值標準，因此我們按照該標準，統計分析了2013年前后近10 a來（2008—2017年）的河北省沿海的風暴潮資料，分析河北省沿海風暴潮發生的時空分布特征，以及引起河北省沿海風暴潮災害的成因，以期為河北省沿海防災減災提供數據更新和支持。

2 河北省沿海風暴潮特征分析

以布設在河北省沿海3市，包括秦皇島、唐山京唐港、唐山曹妃甸、滄州黃驊4個具有代表性的驗潮站實測潮位和逐時風的數據為基礎，以2013年河北省政府發布的風暴潮四色警戒潮位值[5]為標準，我們統計了2008—2017年10 a河北省沿海的風暴潮過程（見表1）。通過統計得出，10 a內秦皇島、唐山、滄州3市沿海共發生40次達藍色警戒潮位及以上的風暴潮過程，平均每年4次。以下從5個方面分析河北省沿海風暴潮特征：

（1）達到警戒潮位的級別：河北省沿海共出現30次達藍色警戒潮位的風暴潮過程，8次達黃色警戒潮位，2次達橙色警戒潮位（其中1次出現在滄州和唐山近岸海域，1次僅出現在滄州海域），未出現達紅色警戒潮位的風暴潮過程。

表1 2008—2017年河北沿海達藍色警戒潮位的風暴潮過程

續表1

圖1 2008—2017年逐年風暴潮次數統計

圖2 2008—2017年各月風暴潮次數統計

圖3 2008—2017年風暴潮影響區域統計圖

（2）區域分布：如圖3所示，影響滄州黃驊沿岸的風暴潮次數最多，為27次；唐山曹妃甸沿岸和秦皇島沿岸次之，觀測到的風暴潮次數為17次；唐山京唐港沿岸最少，觀測到的風暴潮次數為7次。

（3）時間分布：近10 a來，河北省每年發生風暴潮次數在2～8次之間，其中2010年、2014年發生次數最少，2016年發生次數最多（見圖1）；月際變化方面（見圖2），7—10月是風暴潮高發時段，占全年發生次數的67.5%,這一方面與該時段內冷暖氣流交匯、天氣系統活躍有關，另一方面也與天文潮基礎潮位較高有關。

圖4 2008—2017年引起風暴潮的天氣系統統

圖5 2008—2017年引起風暴潮的氣旋系統種類統計

（4）引發風暴潮的天氣系統：河北省沿海風暴潮主要受溫帶氣旋、冷空氣、溫帶氣旋和冷空氣共同作用、臺風4類天氣系統，其中冷空氣引發的風暴潮次數最多，占了總次數的42.5%，其次為溫帶氣旋，再次為溫帶氣旋和冷空氣共同配合，臺風北上引發的風暴潮最少（見圖4）；冷空氣參與引起的風暴潮主要發生在春、秋季節，且秋季明顯多于春季，1月、6月、7月3個月未出現冷空氣參與引起的風暴潮過程（見圖6）；溫帶氣旋參與引起的風暴潮過程在夏秋季節較多，冬季最少（見圖7）；根據氣旋生成源地的不同，引起河北沿海風暴潮的溫帶氣旋包括江淮氣旋、黃河氣旋、蒙古氣旋和東北氣旋4類，其中江淮氣旋引發風暴潮次數最多，黃河氣旋次之，蒙古氣旋和東北氣旋由于位置偏北，引發風暴潮次數最少（見圖5）；江淮氣旋多獨自引起風暴潮過程，黃河氣旋則多與冷空氣配合引起風暴潮過程，蒙古氣旋和東北氣旋均為獨自引起風暴潮過程，這與氣旋所在位置及移動路徑有關；臺風北上引起的風暴潮集中發生在6—8月，其中8月份最多。

圖6 2008—2017年各月引起風暴潮的冷空氣個數統計（包括冷空氣獨自引起的以及氣旋和冷空氣共同作用引起的風暴潮過程）

（5）經濟損失：據2008—2017年河北省海洋環境狀況公報[6]中公布的風暴潮經濟損失數據統計，造成河北省沿海經濟損失的風暴潮過程共6次，總經濟損失32.29億元，發生在4月、7—10月，冷空氣、氣旋過程各兩次，冷空氣和氣旋配合過程1次，臺風北上過程1次，其中2012年10號臺風“達維”北上影響造成的經濟損失額最大，達20.44億元。

3 河北省沿海風暴潮災害成因分析

3.1 地形原因

從表1可看出，河北省風暴潮在滄州沿岸發生次數最多，且滄州和唐山地區的風暴潮過程多由東北向大風引起，而秦皇島地區的風暴潮過程多由東南向風引起，這與秦皇島、唐山、滄州3市地形分布有關。

秦皇島沿海位于遼東灣西南部、渤海灣西北部，岸線呈西南-東北走向，東南向風利于水體向岸堆積，唐山、滄州沿海位于渤海西及西南海岸，當渤海出現偏東或東北大風時，強風驅使海水通過渤海海峽或自遼東灣向渤海灣流動，在科氏力作用下，水體在渤海灣灣頂堆積，尤其是歧口一帶，爾后推向塘沽以北海域，從而造成黃驊岸段、唐山岸段，甚至秦皇島岸段出現較大增水。

3.2 天氣系統與漲潮過程的配合

圖7 2008—2017年各月引起風暴潮的氣旋個數統計（包括氣旋獨自引起的以及氣旋和冷空氣共同作用引起的風暴潮過程）

由第2節分析得出引發河北省沿海風暴潮的天氣系統有冷空氣、溫帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣共同配合、臺風北上4種。

（1）冷空氣主要是西伯利亞或蒙古等地高壓沿河套地區東移南下，此時我國南方無明顯的低壓系統與之配合，橫向有冷鋒壓到渤海南部，冷空氣南緣等壓線呈東西向，造成渤海東北大風，致使河北省唐山以及滄州沿岸發生風暴潮，如下圖8所示，受冷空氣影響，2011年9月1日出現了一次風暴潮過程，給滄州沿岸造成132 cm增水，達到了橙色警戒潮位。

（2）溫帶氣旋獨立引起的風暴潮是指無明顯冷空氣與之配合，暖濕氣流活躍的氣旋。受到氣旋后部或是前部影響，渤海出現北到東北或東到東南大風，配合漲潮過程，從而造成河北省沿岸，尤其是唐山和滄州沿海會出現較大增水，如圖9所示，受江淮氣旋前部影響，2016年7月20日河北省沿岸出現了一次溫帶風暴潮過程，秦皇島最高潮位超過了當地黃色警戒潮位值，唐山、滄州沿岸最高潮位超過當地藍色警戒潮位值。

（3）溫帶氣旋和冷空氣配合的天氣系統在夏季出現較少，多數出現在春、秋及冬季，此時冷空氣活動頻繁，配合氣旋會形成區域性大風，最為典型的是冷空氣受西南倒槽阻擋，在渤海中部產生強大的氣壓梯度，造成渤海海面持續東北大風，從黃驊沿海到灤河口都會出現很大增水，尤其岐口以南最為嚴重。如圖10所示，2009年4月15日，河北省沿海出現了一次由冷空氣配合黃河氣旋造成的風暴潮過程，滄州沿岸出現了161 cm的增水，最高潮位超過了當地黃色警戒潮位值。

圖8 2011年8月31日—9月1日地面實況天氣圖（時間為北京時，下同）

（4）臺風引發的風暴潮多發于臺風活動頻繁的夏秋季節，熱帶氣旋由西北太平洋生成后北或西北行進入東海，繼續北上穿過山東半島進入渤海。由于陸地對北上臺風的消減，造成河北省沿岸增水的多是減弱為熱帶氣旋或是變性后的臺風與冷空氣的配合之后的天氣系統。當移經黃渤海的臺風減弱為低壓或變性為溫帶氣旋又與北方冷空氣配合時，將造成河北省沿海出現嚴重的增水，繼而引發風暴潮災害。如圖11所示，2012年8月3—4日，受第10號臺風“達維”北上影響，河北省沿海出現了一次較強的風暴潮過程，按照2012年河北執行的單色警戒潮位標準，滄州沿岸出現了超過當地橙色警戒潮位的高潮位，秦皇島沿岸和唐山沿岸也出現了不同程度的增水，給河北省沿海造成了較大的經濟損失。

3.3 海平面上升

隨著全球氣候變暖以及人為對岸線干預造成的海平面上升，對風暴潮的影響也不容忽視。海平面上升對風暴潮的影響主要體現在風暴潮基礎水位的提高，從而導致達到風暴潮警戒標準的增水值減小。

圖9 2016年7月20日05—17時地面實況分析天氣圖

目前，全球氣候變暖引起的海水體積膨脹、極地冰蓋及陸源冰川冰帽等融化等引起的海平面上升和區域構造沉降、沉積層壓實因素及人為造成的地面沉降，海平面上升和地面沉降均會引起風暴潮基礎水位升高，因而使出現同樣高度風暴潮高潮位所需的增水值減小，從而縮短極值高潮位的重現期、增大海水漫灘的機會，使現有海堤防御能力下降甚而遭到破壞，加大城市防洪與排澇困難[8]。據文獻分析，滄州中捷農場生活區及臨港工業開發區最大沉降速率超過40 mm/a，唐山的兩個沉降區域近年來沉降速率有所下降，但最大沉降速率仍超過30 mm/a[9]。據2017年中國海平面公報顯示[10]，中國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢，2017年，中國沿海海平面較常年高58 mm，其中河北沿海海平面較常年高35 mm，預計未來30 a河北沿海海平面將上升70～150 mm，因此，海平面上升對河北省沿海風暴潮的影響將會是一個持續的過程，是河北省沿海地區警戒潮位值核定參考的重要因素。

此外，海平面上升還會使得地面降水的徑流水位提高，從而變相抬高了風暴潮，引起風暴潮水位上升，據仉天宇等[11]通過風暴潮漫灘數值模式研究得到，在海平面上升50 cm的情況下，風暴潮淹沒面積平均增加百分比為35.4%；上升100 cm的情況下，增加百分比為86.4%[11]。

3.4 全球變暖引發的氣候異常

全球變暖引發的氣候異常，可能會導致極端天氣事件頻發，登陸臺風強度加強、風力變大，北上影響河北省沿岸的可能性增大，從而加大河北省風暴潮災害風險，如2011年和2012年受到氣候異常影響，每年有兩個臺風北上影響河北省海域，河北省沿海連續兩年共出現了4次臺風風暴潮過程，給河北省沿海地區造成了較大的經濟損失。

圖10 2009年4月14日20時—4月15日02時地面實況分析天氣圖

圖11 2012年8月3日08時—8月4日08時地面實況分析天氣圖

4 結論

根據2008—2017年10 a的河北省沿海風暴潮資料的統計，分析河北省沿海風暴潮發生的時空分布特征，以及引起河北省沿海風暴潮災害的成因，得出以下主要結論：

（1）河北沿海近十年共發生40次風暴潮過程，其中影響滄州市沿海的次數最多，唐山曹妃甸潮位和秦皇島次之，唐山京唐港最少；

（2）7—10月是風暴潮高發時段，占全年發生次數的67.5%,遭受經濟損失的風暴潮過程也多發生在這一時段，這一方面與該時段內冷暖氣流交匯、天氣系統活躍有關，另一方面也與天文潮基礎潮位較高有關。

（3）引發河北省風暴潮的天氣系統主要為冷空氣、溫帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣共同作用、臺風4類天氣系統，其中冷空氣引發的風暴潮次數最多。冷空氣參與引起的風暴潮主要發生在春、秋季節；溫帶氣旋參與引起的風暴潮過程在夏秋季節較多，冬季最少；臺風北上引起的風暴潮集中發生在6—8月，其中8月份最多。

（4）河北省沿海風暴潮成因主要有地形影響、天氣系統與漲潮過程配合、海平面上升及全球變暖引發的氣候異常等4方面原因。由于河北省岸線分布特點，滄州和唐山地區的風暴潮過程多由東北向大風引起，而秦皇島地區的風暴潮過程多由東南向風引發，有利的風向配合漲潮過程極易引發沿海風暴潮災害。