劉秋興，于海鵬，傅賜福，王培濤，趙聯(lián)大，吳少華

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程天氣形勢(shì)分析及數(shù)值預(yù)報(bào)研究

劉秋興，于海鵬，傅賜福，王培濤，趙聯(lián)大，吳少華

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

對(duì)2011年9月1日在渤海發(fā)生的一次較強(qiáng)溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程的成因及發(fā)展情況進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)此次溫帶風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的數(shù)值研究分析和總結(jié)。從數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果來(lái)看，兩套溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式都表現(xiàn)出較好的預(yù)報(bào)能力，特別是對(duì)于此類移動(dòng)速度較為穩(wěn)定的溫帶系統(tǒng)，預(yù)報(bào)時(shí)效可以延長(zhǎng)到24 h左右。通過(guò)總結(jié)近10年來(lái)我國(guó)渤海典型溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程的致災(zāi)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn):冷空氣和低壓配合對(duì)渤海特別是渤海灣產(chǎn)生的溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害性影響不容小覷，夏半年時(shí)更要注意中尺度對(duì)流天氣疊加在氣旋天氣系統(tǒng)上對(duì)災(zāi)害的放大作用。

溫帶風(fēng)暴潮；數(shù)值計(jì)算；非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格

1 引言

在西北太平洋沿岸國(guó)家中，我國(guó)是最容易遭受溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害襲擊的國(guó)家，而渤海又是我國(guó)溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，渤海發(fā)生了多次嚴(yán)重的溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程[3-5]，包括“20031011”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程[6]、“20070303”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程和“20090415”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程[7]等。單純冷空氣或低壓引起的災(zāi)害性風(fēng)暴潮過(guò)程很少，縱觀10年來(lái)我國(guó)渤海發(fā)生的較為嚴(yán)重的溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程，均是冷空氣和低壓配合引起的這一類溫帶系統(tǒng)，“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程也是如此。受冷空氣和低壓的共同影響，2011年9月1日上午，渤海灣、萊州灣沿海出現(xiàn)了一次較強(qiáng)的溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程。河北黃驊潮位站出現(xiàn)了550 cm（超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽?0 cm）的高潮位，為該站有觀測(cè)記錄以來(lái)的歷史第四大高潮位。天津塘沽潮位站潮位站出現(xiàn)了517cm（超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽?7 cm）的高潮位。盡管預(yù)報(bào)部門提前及時(shí)做出預(yù)警，有效地減小了損失，但此次風(fēng)暴潮過(guò)程仍然導(dǎo)致了渤海灣部分堤段被沖毀、蝦池被淹、漁船擱淺等損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅河北、天津兩地因本次風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)近2億元。

2 天氣形勢(shì)分析

本次溫帶風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)直接誘因是典型的冷空氣和低壓在渤海配合產(chǎn)生的東北大風(fēng)。從500 hPa高空天氣圖（見(jiàn)圖1）上可以看到，8月31日08時(shí)有淺槽在貝加爾湖以東中蒙邊界處生成并逐漸東移，于31日夜間掃過(guò)東北及渤海北部地區(qū)，形成此次大風(fēng)天氣的高空環(huán)流背景。

從850 hPa高空?qǐng)D（見(jiàn)圖2）上可以看到，31日20時(shí)，渤海西部受到華北東伸的暖脊控制，東北地區(qū)是一個(gè)冷渦，冷渦槽后的鋒區(qū)和冷平流已經(jīng)控制東北地區(qū)。31日白天和上半夜渤海地區(qū)受暖濕氣團(tuán)控制，累積計(jì)了大量不穩(wěn)定能量。至9月1日08時(shí)，鋒區(qū)南移跨過(guò)渤海抵達(dá)山東半島。

從地面圖（見(jiàn)圖3a）上可以看到，31日20時(shí)渤海西部位于高壓后部弱低壓控制吹弱的南-東南風(fēng)有利于不穩(wěn)定能量的累積。另外從距渤海西部最近的探空站北京31日20時(shí)的探空資料（見(jiàn)圖4）看，有中等強(qiáng)度不穩(wěn)定能量累積，cape（對(duì)流有效位能）值也達(dá)到1660，沿海地區(qū)由于空氣的濕度大、不穩(wěn)定能量只會(huì)更高。9月1日02時(shí)，地面冷鋒抵達(dá)渤海灣地區(qū)（見(jiàn)圖3b），引發(fā)了強(qiáng)烈的對(duì)流天氣。05—08時(shí)，系統(tǒng)在渤海灣地區(qū)進(jìn)一步發(fā)展并加強(qiáng)到鼎盛階段,范圍進(jìn)一步擴(kuò)大（見(jiàn)圖3c、3d）。

圖1 31日08時(shí)500 hPa高空天氣圖（引自韓國(guó)氣象廳） 圖2 31日20時(shí)850 hPa高空天氣圖（引自韓國(guó)氣象廳）

圖3 地面天氣圖（引自韓國(guó)氣象廳）

從9月1日02時(shí)天津站的多普勒雷達(dá)測(cè)到的組合反射率圖（見(jiàn)圖5）上看，天津附近及渤海西部地區(qū)有50 dBz以上的強(qiáng)回波區(qū)。

圖4 溫度對(duì)數(shù)壓力圖

圖5 多普勒雷達(dá)組合反射率圖

同時(shí)，在平均徑向速度多普勒雷達(dá)圖（見(jiàn)圖6）上，出現(xiàn)了27 m/s以上的東-東北向強(qiáng)風(fēng)速區(qū)域，說(shuō)明03時(shí)天津附近的近地面層出現(xiàn)了很強(qiáng)的東-東北向?qū)α鲝?qiáng)風(fēng)。

從連續(xù)的紅外增強(qiáng)云圖上看，9月1日01時(shí)對(duì)流云團(tuán)開始在近海陸地上形成，02時(shí)移到天津一代沿海并強(qiáng)烈發(fā)展，03時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)，04時(shí)范圍擴(kuò)大并開始東移，中心強(qiáng)度開始減弱，見(jiàn)圖7。

圖6 平均徑向速度多普勒雷達(dá)圖

圖7 9月1日紅外增強(qiáng)云圖（引自臺(tái)灣（中央）氣象局）

圖8 塘沽潮位站風(fēng)速風(fēng)向圖

圖9 黃驊潮位站風(fēng)速風(fēng)向圖

結(jié)合塘沽和黃驊海洋站的風(fēng)速風(fēng)向?qū)崨r可以看到（見(jiàn)圖8、9），塘沽站02時(shí)風(fēng)速達(dá)到7級(jí)風(fēng)的強(qiáng)度（03時(shí)陣風(fēng)9級(jí)）并一直維持至07時(shí)前后，風(fēng)向以東北偏東風(fēng)為主；黃驊站03時(shí)開始出現(xiàn)7級(jí)以上大風(fēng)，也維持了3 h左右，特別是在04時(shí)后更觀測(cè)到了10級(jí)（26.8 m/s）的陣風(fēng)，風(fēng)向以東北風(fēng)為主。08時(shí)以后，兩站風(fēng)速逐漸減小到5級(jí)以下，此次過(guò)程對(duì)渤海灣的大風(fēng)影響逐漸減弱至消失。

3 溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程實(shí)況

“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程從9月1日凌晨開始影響我國(guó)的渤海灣，下午影響山東萊州灣沿海，沿岸各潮位站均觀測(cè)到了不同程度的風(fēng)暴增水，影響嚴(yán)重岸段為渤海灣，沿岸多個(gè)潮位站出現(xiàn)了超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽?。渤海灣?nèi)天津塘沽站和河北黃驊站從1日02時(shí)前后開始出現(xiàn)明顯增水，分別于07、06時(shí)前后增水達(dá)到最大，塘沽站整個(gè)過(guò)程逐時(shí)最大風(fēng)暴增水110 cm，黃驊站過(guò)程逐時(shí)最大風(fēng)暴增水123 cm，由于增水主振過(guò)程適逢渤海灣沿岸當(dāng)日凌晨天文高潮位時(shí)段，因此沿岸塘沽站于1日04時(shí)58分出現(xiàn)了517 cm過(guò)程最高潮位，超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽?7 cm。河北省黃驊站于1日05時(shí)20分出現(xiàn)了550 cm的過(guò)程最高潮位，超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽?0 cm。山東濰坊站整個(gè)過(guò)程逐時(shí)最大風(fēng)暴增水124 cm，最高潮位311 cm，由于最大增水未疊加到該站的天文高潮階段，故該站未出現(xiàn)超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽?。渤海灣、萊州灣沿岸各站潮位和增水見(jiàn)表1。

4 溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程的數(shù)值預(yù)報(bào)研究

國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心目前運(yùn)行兩套業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式，每天定時(shí)兩次對(duì)外發(fā)布溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)中強(qiáng)迫場(chǎng)采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心風(fēng)場(chǎng)組提供的分辨率為0.1o×0.1o的MM5業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的逐時(shí)分析風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)作為海表面的氣象強(qiáng)迫場(chǎng)資料，模式計(jì)算區(qū)域包括北黃海和渤海，水深采用分辨率為2'×2'的數(shù)據(jù)，三角網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)水深數(shù)據(jù)采用反距離插值法獲取。在重點(diǎn)區(qū)域近海采用專項(xiàng)調(diào)查得到的水深資料。岸線為國(guó)家測(cè)繪局1997—2001年的海岸線資料進(jìn)行訂正之后的海岸線數(shù)據(jù)，比例尺為1:250000，并根據(jù)目前的最新變化情況進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表1 “20110901”溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程最大增水和最高潮位

圖10 塘沽站逐次預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程曲線對(duì)比圖 圖11 黃驊站逐次預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程曲線對(duì)比圖

圖12 塘沽站逐次精細(xì)化預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)圖13 黃驊站逐次精細(xì)化預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程曲線對(duì)比圖 潮位過(guò)程曲線對(duì)比圖

對(duì)于“20110901”次溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程，采用了兩套不同溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式分別進(jìn)行了4次預(yù)報(bào)（第一次預(yù)報(bào)時(shí)間為2011年8月30日08時(shí)，第二次預(yù)報(bào)時(shí)間為8月30日14時(shí)，第三次預(yù)報(bào)時(shí)間為8月31日08時(shí)，第四次預(yù)報(bào)時(shí)間為8月31日14時(shí)），預(yù)報(bào)時(shí)效在12—48 h之間。

4.1 業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式1（CES）

該模式計(jì)算區(qū)域覆蓋整個(gè)中國(guó)近海，空間分辨率為6'，采用半隱式差分格式，有效地提高了計(jì)算效率，自從2004年開始業(yè)務(wù)化運(yùn)行以來(lái)，對(duì)影響渤海的三類主要溫帶天氣系統(tǒng)（冷鋒配合低壓、冷鋒類和強(qiáng)孤立氣旋）引起的溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程有較為良好的預(yù)報(bào)結(jié)果。文中采用此模式對(duì)本次風(fēng)暴潮過(guò)程中超過(guò)當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏奶凉梁忘S驊兩站進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)情況檢驗(yàn)。從歷次預(yù)報(bào)情況來(lái)看，隨著時(shí)間的推移，塘沽和黃驊兩站均表現(xiàn)出后一次預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度明顯比前一次要強(qiáng)，特別是前三次預(yù)報(bào)情況更是如此。第三次和第四次預(yù)報(bào)的時(shí)效在12—24 h之間，其預(yù)報(bào)結(jié)果已經(jīng)相差不大，與實(shí)測(cè)值非常吻合（見(jiàn)圖10—11）。

4.2 業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式2（ADCIRC）

該模式采用目前國(guó)際上通用的基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)的ADCIRC模式，其可以精細(xì)刻畫沿岸地形、水深變化趨勢(shì)，準(zhǔn)確表達(dá)風(fēng)暴潮在河口、港灣內(nèi)的傳播信息。其中開邊界為江蘇南通到朝鮮半島最南端的連線，開邊界處網(wǎng)格分辨率約為18 km，東海和黃海部分陸地邊界網(wǎng)格分辨率約為3—5 km；在渤?？拷兜貐^(qū)，分辨率逐漸提高，網(wǎng)格相對(duì)密集，網(wǎng)格分辨率約700 m左右。該套網(wǎng)格的計(jì)算區(qū)域包括了80678個(gè)三角形單元，共計(jì)41324個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于計(jì)算區(qū)域小，盡管網(wǎng)格分辨率較前一套模式有著顯著的提高，但仍表現(xiàn)出了較快的運(yùn)算能力，三天數(shù)值預(yù)報(bào)的計(jì)算時(shí)間在15 min左右，完全可以滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的需求，特別是在預(yù)報(bào)能力上更是反映出其特有的優(yōu)越性，其第二次預(yù)報(bào)的能力明顯強(qiáng)于預(yù)報(bào)模式1（CES），而第三次和第四次預(yù)報(bào)情況，兩套模式?jīng)]有明顯的區(qū)別（見(jiàn)圖11—12），均非常接近于實(shí)測(cè)值。

由于該次溫帶系統(tǒng)移動(dòng)速度和強(qiáng)度均較為穩(wěn)定，溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程發(fā)生前的24 h，數(shù)值預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)已經(jīng)準(zhǔn)確地計(jì)算出了此次過(guò)程的移動(dòng)速度和強(qiáng)度，是本次風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)能夠提前準(zhǔn)確的做出預(yù)報(bào)的一個(gè)重要前提。

5 結(jié)論

（1）單純冷空氣的角度來(lái)說(shuō)，9月1日的過(guò)程只是一次較弱的過(guò)程，但是由于觸發(fā)了強(qiáng)烈的對(duì)流使得初期風(fēng)速增強(qiáng)很快，強(qiáng)對(duì)流過(guò)程是觸發(fā)此次風(fēng)暴潮災(zāi)害的重要因子；同時(shí)強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)風(fēng)向和冷空氣風(fēng)向基本重疊都是東-東北向，強(qiáng)對(duì)流的能量釋放使得其后的冷空氣大風(fēng)得到加強(qiáng)，更有利于局地較大風(fēng)暴潮過(guò)程的發(fā)生；

（2）結(jié)合以往歷史統(tǒng)計(jì)資料及預(yù)報(bào)實(shí)踐，渤海灣及萊州灣產(chǎn)生較大風(fēng)暴潮災(zāi)害的天氣系統(tǒng)多數(shù)是冷空氣和氣旋配合型的，此次過(guò)程也不例外，特別是夏半年時(shí)更要注意中尺度對(duì)流天氣疊加在氣旋天氣系統(tǒng)上對(duì)災(zāi)害的放大作用，而每年7、8、9月份渤海灣高潮位是一年中最高的時(shí)期,因此要加強(qiáng)對(duì)此類天氣系統(tǒng)的監(jiān)視，不失時(shí)機(jī)的發(fā)布風(fēng)暴潮預(yù)警報(bào)；

（3）兩套溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)自8月30日上午就開始對(duì)本次風(fēng)暴潮過(guò)程做出預(yù)報(bào)，特別是31日的兩次預(yù)報(bào)情況與觀測(cè)結(jié)果十分吻合，可見(jiàn)溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)此類強(qiáng)度較強(qiáng)而且移動(dòng)速度穩(wěn)定的天氣過(guò)程的增水過(guò)程描述準(zhǔn)確，為溫帶風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)預(yù)警提供了非常重要的參考。

[1]王喜年.關(guān)于溫帶風(fēng)暴潮[J].海洋預(yù)報(bào),2005,22:17-23.

[2]葉琳,于福江.我國(guó)風(fēng)暴潮災(zāi)的長(zhǎng)期變化與預(yù)測(cè)[J].海洋預(yù)報(bào),2002,19（1）:89-96.

[3]于福江,王喜年.影響連云港的幾次顯著溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程分析及其數(shù)值模擬[J].海洋預(yù)報(bào),2002,19（1）:112-122.

[4]于福江,王喜年,宋珊,等.渤海“9216”特大風(fēng)暴潮過(guò)程的數(shù)值模擬[J].海洋預(yù)報(bào),2000,17（4）:9-15.

[5]吳少華,王喜年,戴明瑞,等.渤海風(fēng)暴潮概況及溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)報(bào),2002,24（3）:28-34.

[6]張志悅.滄州沿?！?011”特大溫帶風(fēng)暴潮過(guò)程的災(zāi)情成因分析[J].海洋預(yù)報(bào),2004,21（2）:74-77.

[7]王培濤,董劍希,趙聯(lián)大,等.黃渤海精細(xì)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式研究及應(yīng)用[J].海洋預(yù)報(bào),2010,27（4）:1-7.

Weather situation analysis and numerical prediction of the“20110901”extratropical storm surge

LIU Qiu-xing， YU Hai-peng， FU Ci-fu，WANG Pei-tao， ZHAO Lian-da，WU Shao-hua

(National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China)

The paper makes a case study to the typical“20110901”extratropical storm surge occurred in the Bohai Sea.Based on two different storm surge forecast models,both of them show a good ability to forecast the development of the extratropical storm surge.Meanwhile,for those weather systems moving at a stable speed,the effective forecasting lengths of time intervals could be extended to 24 hours.According to the analysis of the characteristics of extratropical storm surge during the last ten years in the Bohai Sea,it is found that the combination of cold air and low pressure could generate a disastrous storm surge most possibly in the Bohai bay.Especially in late summer,the effect of disaster could be intensified due to the mesoscale convective band superimposed on the cyclonic scale weather system.

extratropical storm surge；numerical calculation；unstructured triangular mesh

P458

A

1003-0239（2012）02-0001-07

2011-12-09

海洋局公益性項(xiàng)目“天津?yàn)I海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)與示范”（200805018）

劉秋興(1982-)，男，助理研究員，主要從事風(fēng)暴潮災(zāi)害的預(yù)報(bào)和研究工作。E-mail：lqx@nmefc.gov.com