李輝，李晴嵐，黃典,3，張蕾，李廣鑫，張立杰，張莉，楊悅新

(1.深圳市氣象局，廣東深圳518040；2.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東深圳518055；3.國家超級計算深圳中心，廣東深圳518055)

1 引 言

廣東省海岸線有4 114 km，是我國海岸線最長的省份，也是熱帶氣旋 (也稱臺風，Tropical Cyclone)登陸最頻繁的省份。根據(jù)廣東省氣象局的統(tǒng)計資料顯示[1]，1951—2013年登陸及嚴重影響廣東的熱帶氣旋總數(shù)為314個，年均5.3個，其中登陸233個，年均3.7個，最多年份高達7個。深圳位于廣東省的南部，東臨大亞灣和大鵬灣，西瀕珠江口和伶仃洋，海岸線總長248 km[2]，非常容易受到海洋氣象災害的影響，尤其是多發(fā)于夏、秋季節(jié)的熱帶氣旋。準確預報熱帶氣旋引發(fā)區(qū)域的風雨影響，是當?shù)卣懊癖姺罏臏p災工作的迫切需要。深圳作為一個海洋資源豐富的沿海城市，擁有密集的港口碼頭群，其集裝箱吞吐能力位列全球第三位[3-4]。對于受熱帶氣旋風力影響敏感的港口碼頭企業(yè)，準確預測熱帶氣旋風力大小尤其重要，因為風力大小決定了港口作業(yè)和運營是否關(guān)停，直接關(guān)系到港口的對外信譽以及競爭力[5]。

由于缺乏高分辨率觀測資料以及數(shù)值模式的不完善，數(shù)值模式預報局地強天氣的能力還遠不能滿足相關(guān)部門和用戶的需求[6-11]，數(shù)值模式預報港灣碼頭站的大風情況，也遠不能滿足專業(yè)用戶的需求[3,9]。

熱帶氣旋引發(fā)的大風極易造成港口碼頭的集裝箱傾覆，塔吊吹倒[12-16]。有關(guān)熱帶氣旋風力影響的定點預報研究，特別是對港口碼頭受熱帶氣旋影響下的風力預報，國內(nèi)外研究非常稀少[17]，大多數(shù)港口碼頭受破壞情況都是基于城區(qū)風災害數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行估算，并不能反映熱帶氣旋路徑和港口碼頭間的實際距離[17]。Li等[9]對深圳的三個主要港口碼頭：鹽田港、媽灣港和蛇口碼頭在熱帶氣旋影響下的風力分布特征進行研究分析，其結(jié)果可用于未來進入700 km范圍以內(nèi)的近海熱帶氣旋對三個港口碼頭站的陣風影響進行預估，為港口碼頭提供及時的預警信息。

Li等[9]的有關(guān)港口碼頭在熱帶氣旋影響下的定點陣風預報研究指出，陣風的大小受熱帶氣旋強度[18-19]、熱帶氣旋尺寸[20-21]、熱帶氣旋離港口碼頭站的距離[22-25]、熱帶氣旋相對于港口碼頭的方位[26-28]影響。Li等[9]研究用的數(shù)據(jù)是深圳港口碼頭自動觀測站2014年以前的歷史數(shù)據(jù)，繪制的陣風空間分布圖沒有系統(tǒng)地區(qū)分不同熱帶氣旋尺寸的影響。本研究在Li等[9]研究的基礎(chǔ)上，將熱帶氣旋尺寸進行系統(tǒng)劃分，并融合熱帶氣旋距離、熱帶氣旋強度、熱帶氣旋方位，全面對三個港口碼頭站在熱帶氣旋影響下的定點陣風進行預估；另外對2014年以來進入深圳地區(qū)700 km范圍的所有熱帶風暴級別以上的熱帶氣旋對三個港口碼頭最大陣風影響進行預估和檢驗，評估Li等[9]熱帶氣旋陣風定點預報方法的實用性。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù) 據(jù)

極大3秒陣風值近年來被發(fā)達國家頻繁用于風載荷的工程設(shè)計標準[29-30]。本研究采用的數(shù)據(jù)是深圳3個港口碼頭站：鹽田港(Yantian International Container Terminal,YICT)、媽灣港(Mawan Port，MWP)、蛇口碼頭 (Shekou Ferry Terminal，SFT)直至2018年12月的所有歷史熱帶氣旋影響下的陣風觀測數(shù)據(jù)。三個氣象站的建站時間分別為：2007年、2006年和2004年。2014年(含2014年)以前的歷史陣風數(shù)據(jù)用于預報模型的訓練，2015—2018年12月的熱帶氣旋陣風觀測數(shù)據(jù)則用于預報模型的檢驗。圖1給出3個港口碼頭站的位置。港口碼頭站的陣風觀測數(shù)據(jù)是自動站的整點小時數(shù)據(jù)，陣風為每小時內(nèi)的最大陣風觀測，數(shù)據(jù)來源于深圳市氣象局；熱帶氣旋的路徑、強度、尺寸數(shù)據(jù)來源于中國氣象局，中國氣象局在熱帶氣旋發(fā)生期間向公眾實時更新熱帶氣旋的位置、強度等信息，絕大部分熱帶氣旋在進入南海后，其信息會每小時更新。

2.2 方 法

2.2.1 不同強度熱帶氣旋分組組合

本研究使用的建模方法同Li等[9]。先將所有熱帶氣旋按其生命史的不同強度階段，即熱帶低壓 (tropical depression，TD)、熱帶風暴(tropical storm，TS)、強熱帶風暴 (severe tropical storm，STS)、臺風(typhoon，TY)、強臺風(severe typhoon，STY)、超強臺風(super typhoon，SuperTY)進行分割，例如第i個熱帶氣旋，按強度大小分割成TDi序列，TSi序列，STSi序列，TYi序列，STYi序列，SuperTYi序列，然后用于建模分析的所有N個熱帶氣旋的不同強度序列，按相同的強度等級進行組合，即 TD1，TD2，……，TDi，……，TDN，組合成totalTD，其他 TS、STS、TY、STY、SuperTY 的不同小組 再 組 合 成 totalTS、totalSTS、totalTY、totalSTY、totalSuperTY。另一方面，收集各熱帶氣旋同期港灣碼頭氣象站的小時最大陣風值。

2.2.2 計算熱帶氣旋-氣象站間距離及方位角

計算歷史各熱帶氣旋不同位置與港灣碼頭氣象臺站的距離(公式(1))以及熱帶氣旋相對于氣象臺站的方位角(公式(2))[31]：

其中S是地球上兩點間距離 (km)；R是地球的半徑(km)，為 6 371.004 km；L1和 φ1是 A 點的經(jīng)度和緯度，即氣象臺站位置的經(jīng)緯度；L2和φ2是B點的經(jīng)度和緯度，即熱帶氣旋位置的經(jīng)緯度值。

α為A、B兩點間的方位角，公式(2)中θ應該滿足以下要求：

當B點位于相對于A點的第一象限時，方位角=α；當B點位于第二象限時，方位角=360+α；當B點位于第三和第四象限時，方位角=180-α。

按S大小篩選出700 km以外的熱帶氣旋，保留距離氣象站700 km以內(nèi)的熱帶氣旋記錄。

2.2.3 按熱帶氣旋尺寸大小進一步分組

根據(jù)氣象界常規(guī)，一般采用熱帶氣旋烈風(34 kt或17 m/s)半徑值[32-35](即7級風圈半徑范圍)來定義熱帶氣旋尺寸。熱帶氣旋大風的形成，主要是由于熱帶氣旋中心氣壓很低，與周圍環(huán)境形成很大的氣壓梯度引起[23]。熱帶低壓難以給周邊環(huán)境造成大的氣壓梯度，因此不會造成大風破壞。本研究只對TS、STS、TY、STY和SuperTY造成的大風影響進行研究。因為近海的SuperTY樣本偏少，因此把STY與SuperTY合并為一個熱帶氣旋類型SSTY進行分析。Li等[9]基于2006—2014年的所有熱帶氣旋尺寸，得出TS、STS、TY、SSTY熱帶氣旋尺寸的中位數(shù)分別為：180 km、260 km、300 km、330 km，本研究將熱帶氣旋尺寸大于或等于本類型熱帶氣旋中位數(shù)尺寸的，定義為大尺寸熱帶氣旋，小于本類型熱帶氣旋中位數(shù)尺寸的為小熱帶氣旋。因此以上熱帶氣旋組別進一步分成TSbig、STSbig、TYbig、SSTYbig和 TSsmall、STSsmall、TYsmall、SSTYsmall。

2.2.4 去除一個格點中一個熱帶氣旋的多個小風影響，保留一個熱帶氣旋的最大陣風影響

一個特定尺寸和強度級別的熱帶氣旋通過距離氣象站700 km范圍內(nèi)任一個1°×1°的格點，按照熱帶氣旋平均移動速度15～30 km/h，一般需要至少3小時以上，在這幾小時期間，氣象臺站的小時極大風不會保持恒定大小。鑒于氣象預報關(guān)注的是熱帶氣旋對區(qū)域可能帶來的最大災害，因此，篩選熱帶氣旋在這個格點的幾小時內(nèi)對氣象臺站的最大陣風影響，保留在數(shù)據(jù)庫中，用于預報未來同樣強度級別的熱帶氣旋通過鄰近位置時可能引發(fā)的氣象站最大陣風影響。

通過以上4個步驟，可計算得到大小兩種不同尺寸類別的，不同強度級別熱帶氣旋在距離港灣碼頭站700 km范圍以內(nèi)的每一個整數(shù)1°×1°格點內(nèi) (比如 18°≤lat＜ 19 °，114°≤lon ＜115 °格點)，在其實際歷史路徑位置，對港灣碼頭站的最大陣風影響。

然后以港灣碼頭站為圓心，建立角坐標系，將計算得出的每個熱帶氣旋以一個強度級別經(jīng)過每個整點1°格點，對該氣象臺站產(chǎn)生最大陣風影響的位置繪制在極坐標系中，依據(jù)該位置距氣象臺站的距離和方位角在極坐標系中定位，以黑點表示。再用不同顏色表示此強度熱帶氣旋經(jīng)過該點時引發(fā)的港灣碼頭站的陣風大小。歷史上同強度級別的不同熱帶氣旋在700 km范圍內(nèi)的不同格點引發(fā)港灣碼頭站的風力影響則可全部繪制出來，根據(jù)已有的熱帶氣旋歷史位置、港灣碼頭風力觀測，進行空間插值，可得出一種強度級別的熱帶氣旋在近海時對相應港灣碼頭的可能最大陣風影響，對于每一個港灣碼頭站，一種強度TC對應兩張最大陣風影響圖，一張為大尺寸本強度熱帶氣旋，另一張為小尺寸本強度熱帶氣旋。

3 結(jié)果和討論

3.1 2014年以前TCs對港灣碼頭站陣風影響

按照第2節(jié)中描述的方法，把有歷史記錄以來至2014年12月的三個港灣碼頭站在近海熱帶氣旋影響下的陣風影響進行計算，其過程包括熱帶氣旋相對于氣象臺站的距離及方位角的計算、保留距離氣象臺站700 km范圍內(nèi)的熱帶氣旋、按熱帶氣旋不同強度等級進行分組、再按不同強度級別熱帶氣旋的不同尺寸進一步分大小尺寸TC組、保留同一個熱帶氣旋相同強度級別經(jīng)過同一個經(jīng)緯度格點的最大陣風影響。經(jīng)過上述計算，各組別的熱帶氣旋樣本數(shù)情況匯總在表1中；同時根據(jù)各組別的熱帶氣旋對自動站的陣風影響繪制空間分布圖，得到圖2(鹽田港)、圖3(媽灣港)與圖4(蛇口碼頭)。

表1 各氣象臺站2014年12月31日以前有陣風記錄的距離700 km范圍的總TC樣本數(shù)據(jù)及最后用于空間陣風分布繪圖的各不同強度、不同尺寸類別的TC樣本數(shù)

從圖2～圖4中可看出，當熱帶氣旋位于極坐標的第三象限時，即相對于氣象站在180～270°之間時，對上述三個港灣碼頭站的風影響最大，特別是對于鹽田港，與熱帶氣旋強度級別、大小尺寸無關(guān)。當熱帶氣旋位于相對于三個港灣碼頭站的第三象限時，逆時針旋轉(zhuǎn)的熱帶氣旋給三個臺站帶來的風是東風或東南風，媽灣港、蛇口碼頭的東南方為香港新界，香港地域的存在削減了東南風對媽灣港和蛇口碼頭的影響；而鹽田港的東南方向為空曠洋面，因此受位于第三象限的熱帶氣旋風影響要大于蛇口碼頭和媽灣港；另外由圖1可見，在鹽田港的西面以及北面有兩座海拔近900 m的山峰，當鹽田港盛行東南風時，兩座山之間形成的狹管效應，將進一步加大第三象限熱帶氣旋對鹽田港的風力影響[9,36]。熱帶氣旋引發(fā)港口碼頭站大風(陣風≥17 m/s)的最遠距離可達到400 km以上[9]，本研究將第三象限400 km范圍定義為第三象限大風區(qū)域。另外，強熱帶風暴級別以上熱帶氣旋在深圳近海700 km留下的路徑點并不多，尤其是SSTY和TY(圖2～圖4中的a～d)，在近海200 km范圍內(nèi)的很大一部分區(qū)域，沒有同強度，同尺寸類型的熱帶氣旋經(jīng)過，其主要原因是深圳自動站建站時間相對較短。以圖2為例，2a顯示2014年以前，大尺寸SSTY到達鹽田港的最近距離為200 km左右，200 km以內(nèi)是空白；2b顯示在200 km范圍以內(nèi)，小尺寸SSTY留下3個歷史參考記錄，但其位置在第一象限。從圖中可看出，對于同一級別的熱帶氣旋，如果歷史氣旋路徑位置相似，大尺寸TC對臺站的極大風影響，大于小尺寸TC對臺站的極大風影響；同樣，如果位置相似，不同強度級別的大尺寸TCs，一般是強度越高，對臺站的極大風影響越明顯。如果未來有一定尺寸，一定強度級別的TC進入一個歷史上沒有同類型TC可參考的區(qū)域，則可先參考同強度級別不同尺寸的TC是否在鄰近區(qū)域出現(xiàn)過，如果仍然沒有，則再看同類型尺寸(比如都是大尺寸)的不同強度等級的TC是否在鄰近區(qū)域經(jīng)過。如果有，再根據(jù)其歷史記錄進行調(diào)整。再以圖2a為例，如果有一個大尺寸的SSTY進入臺站200 km范圍，大尺寸200 km范圍雖然有顏色，但考慮到是根據(jù)插值算法獲得，其可靠性低；先參考小尺寸的SSTY，如果位置及象限與歷史的路徑位置完全相似，則可直接參考圖2b的結(jié)果，相應加大10%～20%，作為可能的大尺寸SSTY引發(fā)臺站最大陣風影響參考值；如果是進入200 km范圍內(nèi)的其他區(qū)域，則看是否有大尺寸的TY歷史熱帶氣旋位置參考，如果有，則可根據(jù)兩類TC強度級別差異，調(diào)整可能引發(fā)的臺站陣風預報值，等等。

值得注意的是，對于圖2、圖3、圖4一些區(qū)域，不曾有歷史TCs經(jīng)過的區(qū)域，其色域值的使用，要非常謹慎，需同時參考其他鄰近類型TC的陣風影響空間圖。例如圖2e，在第一象限200～500 km范圍，有一塊黃色區(qū)域(對應21～27 m/s)陣風影響區(qū)，其分布特征與圖2a～2d、圖2f等都不一樣，則可視為無效插值區(qū)間；同樣，圖3e、圖4e中靠近圓心附近，第一象限和第四象限紅色部分區(qū)域也為無效的插值，使用時需要參考其他不同類型TC在鄰近區(qū)域的空間插值，根據(jù)熱帶氣旋不同強度級別影響規(guī)律，以及熱帶氣旋不同尺寸的影響規(guī)律進行調(diào)整。

3.2 2015—2018年TCs對港灣碼頭站陣風影響驗證

2015—2018年，進入深圳地區(qū)近海700 km范圍的TCs，一共有33個(圖5)，其中有13個TCs與深圳的最近距離小于300 km，1個TC(2015年強臺風“彩虹”)經(jīng)過第三象限大風區(qū)。接下來以這14個TCs為重點，對“基于歷史資料的熱帶氣旋大風定點預報方法”預報的港灣碼頭站最大陣風情況進行檢驗。14個TCs的詳細情況見表2。表中所列為各TCs對三個港灣碼頭站的最大陣風影響時所對應的時間，TC緯度，TC經(jīng)度，TC強度，TC氣壓，TC尺寸，TC尺寸類型，TC與相應臺站的距離，TC相對臺站的方位角，以及各臺站觀測到的最大陣風；表2倒數(shù)第二列為根據(jù)圖2、圖3、圖4歷史陣風空間分布圖估算的三個港灣碼頭氣象站的最大陣風值；倒數(shù)第一列為按Li等[9]方法(舊方法)，根據(jù)沒有劃分大小尺寸的熱帶氣旋影響下臺站歷史陣風空間分布圖估算的三個港灣碼頭氣象站的最大陣風值。由表2可見，新舊兩種方法預測的港灣碼頭站最大陣風大部分都非常相近。絕大部分的港灣碼頭站最大陣風觀測值都在預測值的范圍內(nèi)，或者與預測范圍非常接近。但新、舊方法預測結(jié)果有時差別較大，比如2017年的“天鴿”(1713)臺風，劃分熱帶氣旋尺寸后，小尺寸的SSTY“天鴿”帶給鹽田港的最大陣風預測值為27～33 m/s，而舊方法的預測值最大陣風為40.2±3.0 m/s，前者的最大陣風預估更接近實際觀測。綜上所述，新方法在考慮了熱帶氣旋尺寸影響后，預報結(jié)果更合理。

特別的，我們以2018年9月臺風“山竹”為例，討論利用歷史陣風空間分布圖估測鹽田港最大陣風的情況。

1822號臺風“山竹”是2018年影響中國的臺風王，其路徑見圖5d，其生命史過程中最大強度為65 m/s，經(jīng)過菲律賓島后臺風強度有所衰減，隨后在南海強度維持在強臺風級別，于2018年9月15日10時進入深圳國家基本氣象站800 km范圍圈?！吧街瘛庇?月16日16—17時在廣東臺山登陸，登陸強度為45 m/s?！吧街瘛辈恢故菑姸却?，尺寸也創(chuàng)造了該年登陸中國的臺風之最，最大尺寸為720 km，登陸廣東時，尺寸為400 km，為大尺寸SSTY。

表2 14個進入300 km范圍或進入第三象限大風區(qū)范圍的TCs詳細情況

“山竹”對鹽田港站最大陣風影響時，時間為9月 16 日 12 時，44.7 m/s；15 時，44.4 m/s；16 時，44.3 m/s。距離鹽田港分別為153 km、148 km、164 km，方位角為175～234°，位于或靠近第三象限，為熱帶氣旋最易給深圳造成大風影響的區(qū)域。參考圖6a，2014年以前有記錄的位于第3象限，距離鹽田港最近的大SSTY為0814號臺風“黑格比”，距離深圳225 km左右，其對深圳的最大陣風影響為：32.8 m/s，但其與深圳的距離較“山竹”與深圳的最近距離偏遠；而參考歷史小SSTY最大陣風影響空間分布圖(圖6b)，也缺乏第三象限可供參考的歷史熱帶氣旋陣風記錄。再下一步，參考大TY的歷史記錄，大TY的最大陣風影響，來自于2012的“韋森特”臺風，最大陣風為35.7 m/s，發(fā)生最大陣風時，“韋森特”距離鹽田港140 km，方位角為226°，與“山竹”的發(fā)生最大陣風的位置非常接近。發(fā)生最大陣風時，“山竹”強度為48 m/s，“韋森特”強度為40 m/s，考慮SSTY“山竹”與TY“韋森特”的強度差異，我們采用簡單的線性外推方法，估算“山竹”對鹽田港站的最大陣風影響：(48×35.7)/40=42.84(m/s)。

類似，媽灣港站的最大陣風估算為35.5 m/s，蛇口碼頭的最大陣風估算為30.72 m/s。再考慮適當擴大緩沖范圍，可在計算的確定值上±3 m/s。比較“山竹”期間三個港灣碼頭站的最大陣風觀測，可看到其預報范圍或者包括了實際觀測值，或者與實際觀測非常接近。根據(jù)熱帶氣旋影響下臺站歷史最大陣風空間分布圖估算的臺站最大陣風，可給預報員的重點單位風險預報提供非常有價值的參考。

4 結(jié) 論

熱帶氣旋強度、熱帶氣旋距離氣象臺站距離、熱帶氣旋相對于氣象臺站方位角、熱帶氣旋的尺寸是熱帶氣旋對氣象站大風影響的關(guān)鍵因素。本研究在Li等[9]工作的基礎(chǔ)上，進一步加入熱帶氣旋尺寸因素的影響，以TC組別的SSTY、TY、STS、TS 的尺寸中位數(shù)：330 km、300 km、260 km、180 km為標準，劃分為大尺寸、小尺寸的TC組別，詳細分析研究深圳的三個重點港口碼頭單位：鹽田港、媽灣港、蛇口碼頭在不同強度、距離、方位角的歷史熱帶氣旋影響下的大風情況。用2014年以前的所有熱帶氣旋期間小時最大陣風觀測，和熱帶氣旋各關(guān)鍵因素建立模型，繪制熱帶氣旋大風定點預報位置空間分布圖。用2015—2018年進入深圳300 km距離和第三象限大風區(qū)域的14個熱帶氣旋驗證熱帶氣旋大風定點預報模型的準確性和實用性。結(jié)果表明，根據(jù)熱帶氣旋影響下臺站歷史陣風空間分布圖預測港灣碼頭站的最大陣風，其預報范圍或者包括了實際觀測值，或者與實際觀測非常接近。其預報結(jié)果可為預報員做出重點單位風險評估提供非?？煽康膮⒖?。特別地，該方法在2018年臺風“山竹”期間，對影響深圳地區(qū)的大風做出了準確預報，在當?shù)胤琅_減災工作中發(fā)揮了重要作用。另一方面，由上述分析可知，由于自動站歷史記錄時間較短，在考慮熱帶氣旋強度以及尺寸進行分組后，根據(jù)熱帶氣旋距離臺站距離和方位角繪制的陣風影響空間分布圖中的歷史數(shù)據(jù)位置略顯稀疏。未來需要根據(jù)新的熱帶氣旋觀測，不斷更新陣風影響數(shù)據(jù)庫，更新空間分布圖，使得基于歷史資料的熱帶氣旋大風定點預報更準確可靠。