梁海萍，李團結(jié)，梁海燕，高 璐

(國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站，海南 海口 570100)

0 引言

風暴潮是指由溫帶氣旋、熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)造成的強烈大氣擾動引發(fā)的海面異常升降現(xiàn)象[1]，屬常見自然災(zāi)害之一。天文潮、周期性海浪與其疊加，常使水位暴漲、海水倒灌，釀成大災(zāi)。據(jù)記載，孟加拉灣沿岸在1970年11月13日發(fā)生了一次震驚世界的風暴潮災(zāi)害，奪走了恒河三角洲一帶30萬人的生命[2]，又于1991年4月30日遭受一次特大風暴潮襲擊，奪去13萬人生命；2005年8月29日，新奧爾良在颶風“卡特里娜”影響下，全城癱瘓，造成1 209人死亡[3]。所以研究風暴潮的特征，預(yù)報風暴潮在沿岸可能造成的增、減水效應(yīng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)于臺風風暴潮已有不少統(tǒng)計研究及數(shù)值分析結(jié)果。隋意 等[4]對影響我國的熱帶氣旋的特征及風暴潮災(zāi)害進行統(tǒng)計分析，得出影響我國的熱帶氣旋不僅強度大、次數(shù)多，而且登陸的強度和頻率不斷增加等結(jié)論；呂翠蘭 等[5]分析了3種不同路徑熱帶氣旋產(chǎn)生的增水特點；賈曉 等[6]研究了登陸我國的9種典型熱帶氣旋路徑及最低氣壓的空間分布；李文歡 等[7]研究了?？谑酗L暴潮高風險區(qū)增水淹沒圖信息系統(tǒng)；許啟望 等[8]研究了風暴潮強度與直接經(jīng)濟損失或災(zāi)度的關(guān)系，建立了評估風暴潮災(zāi)害損失的近似模式。

?？谑惺菫I海旅游城市，位于中國的南端，臨近東南亞各國，與廣東省隔瓊州海峽相望，是一個少有的天然良港。海南自由貿(mào)易港設(shè)立后，?？谑凶鳛閷ν赓Q(mào)易的重要場所，其社會與經(jīng)濟發(fā)展將迎來新的機遇，然而?？谑幸彩菬釒庑顒虞^為活躍的地區(qū)之一，受臺風風暴潮災(zāi)害影響較嚴重。國家海洋局秀英海洋環(huán)境監(jiān)測站實測資料統(tǒng)計顯示，1953—1994年?？谑泄舶l(fā)生風暴潮136次，年均3.2次，其中嚴重的風暴潮災(zāi)害共6次[9]，這嚴重制約了?？谑薪?jīng)濟發(fā)展和對外開放。因此，掌握?？谑酗L暴潮災(zāi)害的特點，對當?shù)卣笇?dǎo)海洋防災(zāi)減災(zāi)工作具有一定參考價值。本文基于1980—2017年實測潮位等資料，運用統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬方法研究了?？谑酗L暴潮的分布特征及其影響因子。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

熱帶氣旋資料來源于中國氣象局編著的《熱帶氣旋年鑒》(1980—2017年)[10]，原名《臺風年鑒》；潮汐數(shù)據(jù)來源于國家海洋信息中心編著的《潮汐表》(1980—2017年)[11]；災(zāi)害資料來源于《中國海洋災(zāi)害公報》[12]、《海南省千年自然災(zāi)害史料集》[13]等。

潮汐、風等實測資料(1980—2017年)來源于國家海洋局秀英海洋環(huán)境監(jiān)測站，以下簡稱秀英站。風暴增水計算采用實測潮位與天文潮位的代數(shù)差。

1.2 研究方法

由于單站數(shù)據(jù)不能精細化反映?？谑醒匕讹L暴潮情況，需結(jié)合數(shù)值模擬方法。本文采用中國海高分辨率業(yè)務(wù)化風暴潮模式[14]，經(jīng)邊界條件修正、內(nèi)插細網(wǎng)格及關(guān)鍵系數(shù)訂正后應(yīng)用于海口市海域，局部空間分辨率約為100 m，可較好地反映岸線與水深的變化，滿足計算效率與岸線形狀分辨率精度要求。

模式的計算區(qū)域采用三重嵌套變網(wǎng)格，滿足海南島風暴增水預(yù)報與分析尺度。大區(qū)粗網(wǎng)格：105.6°—124.5°E，9.75°—25.5°N，空間分辨率為0.03°(空間步長約為3 336 m)；小區(qū)細網(wǎng)格(涵蓋海南本島)：108.15°—111.45°E，17.7°—22.02°N，空間分辨率為 0.005°(空間步長約為556 m)；加密小區(qū)細網(wǎng)格(涵蓋海口市和瓊州海域)：109.7°—110.9°E，19.9°—20.33°N，空間分辨率為0.001°(空間步長約為 111.2 m)。

從1980—2017年歷次秀英站風暴增水大于 50 cm 的熱帶氣旋過程中隨機抽取43場做模式后報檢驗，其中秀英站風暴增水大于100 cm的過程有12場。模式檢驗結(jié)果：43場過程后報最大增水平均絕對誤差為10.2 cm，實測風暴增水大于100 cm的最大增水平均絕對誤差為15 cm。大區(qū)后報與小區(qū)后報檢驗結(jié)果基本一致，總體模擬效果較好。

2 ?？谑酗L暴潮統(tǒng)計特征

2.1 風暴潮

潮位是風暴潮過程最直接、真實的體現(xiàn)，風暴增水可以客觀反映風暴潮物理過程致災(zāi)強度的大小，按風暴增水量的大小可以將風暴增水強度劃分為一般(39～49 cm)、明顯(50～69 cm)、較大(70～99 cm)、嚴重(100～199 cm)及特大(≥200 cm)5個級別。1980—2017年共計有108次熱帶氣旋過程影響?？谑醒匕禰15]，其中造成一般及以上強度的風暴增水過程有106次，年均2.79次；較大及以上強度的風暴增水過程有31次，年均0.82次；嚴重及以上強度的風暴增水過程有12次，年均0.32次；特大強度的風暴增水過程有2次，年均0.05次，分別為由1980年第7號熱帶氣旋“Joe”(強臺風級)誘發(fā)的增水209 cm和2014年第9號熱帶氣旋“威馬遜”(超強臺風級)誘發(fā)的增水208 cm(表1)。

表1 1980—2017年?？谑酗L暴增水強度分布表

1980—2017年海口市風暴潮在7—10月出現(xiàn)最頻繁，其次是6月和11月，這與熱帶氣旋影響?？谑械臅r間[16]基本一致。較大及以上強度的風暴增水一般在7—10月發(fā)生，9月較其他月份更容易發(fā)生較大及以上強度的風暴增水過程，特大風暴增水均發(fā)生在7月，嚴重風暴增水在9月發(fā)生的概率較大(表1)。

2.2 風暴潮災(zāi)害

風暴潮災(zāi)害是由多種致災(zāi)因子共同作用的結(jié)果，主要包括天文潮、風暴增水、近岸浪及三者耦合作用，也與承災(zāi)體有關(guān)。警戒潮位是當?shù)胤莱蹦芰Φ囊环N規(guī)范性指標，既包括自然變異的程度，也包括了當?shù)胤莱蹦芰Γ桥袛囡L暴潮災(zāi)害的常見方式[17]。1980—2017年?？谑谐^藍色警戒潮位事件共發(fā)生29次，年均0.76次；超過黃色警戒潮位有13次，年均0.34次；超過橙色警戒潮位有4次，年均0.11次；超過紅色警戒潮位有2次，年均0.05次(表2)。

表2 1980—2017年?？谑酗L暴潮超警戒潮位情況表

由此可見，?？谑惺茱L暴潮影響較頻繁，且災(zāi)害強度較大，故風暴潮災(zāi)害是影響海口市的自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一，需提前做好防范工作。

3 影響因子探析

影響風暴潮大小的主要氣象因子有風、氣壓、熱帶氣旋路徑及其移動速度等[16]，主要的地理因素有地形、地面沉降和海平面升高等[18]，本文將從熱帶氣旋路徑、地形和移動速度3個方面分析海口市風暴潮分布特征。

3.1 路徑與地形的影響

3.1.1 機理分析

3.1.1.1 路徑

熱帶氣旋內(nèi)受本身的結(jié)構(gòu)、強度等作用，外受引導(dǎo)氣流牽引和其他天氣系統(tǒng)影響，移動路徑復(fù)雜多變。不同移動路徑的熱帶氣旋臨近?？谑薪稌r，由于熱帶氣旋風場的旋轉(zhuǎn)特征(北半球逆時針旋轉(zhuǎn))，導(dǎo)致海口市位于熱帶氣旋移動路徑的不同位置所受的風力有較大差異。?？谑械牡乩砦恢脤儆凇澳详懕彼?，若?？谑形挥跓釒庑斑M方向的左前方，則受到向岸風作用，出現(xiàn)增水現(xiàn)象；若海口市位于熱帶氣旋前進方向的右前方，則受到離岸風的作用，會出現(xiàn)減水現(xiàn)象。另外，風暴增水強度受熱帶氣旋移動路徑與海口市岸線距離影響，距離越近，熱帶氣旋近中心的強風作用效果越突出，“虹吸現(xiàn)象”(內(nèi)外氣壓差造成水位上升)更明顯。

3.1.1.2 地形

地形是影響風暴增水的眾多重要因素之一，這里主要指岸線形狀。海口市位于19°32′—20°05′N，110°10′—110°41′E之間，與廣東省隔瓊州海峽相望，岸線形狀略呈長心形，岸線曲折復(fù)雜；鋪前灣開口大，灣底狹長；海口灣向北敞開，屬半封閉型弧形海灣，西起后海，東至白沙角，口門寬和海岸線長分別為 20.5 km 和12.5 km；北向風為向岸風、南向風為離岸風[19]。

?？谑星蹚?fù)雜的岸線使熱帶氣旋與其有更多接近垂直的機會，強風作用的效果更加突出，“虹吸現(xiàn)象”更明顯，易造成大幅度風暴增水。鋪前灣和?？跒抽_口大，更有利于海水涌入灣內(nèi)，潮波能量在灣內(nèi)匯集，且不易向外擴散，水位易漲難退，強風作用下易出現(xiàn)大幅度增水。熱帶氣旋移至近岸時，由于水深變淺，海底摩擦作用使得風暴潮波被迫向上抬升并向前傾斜，造成大幅度風暴增水[18]。

3.1.2 增水過程分析

本文以1415號臺風“海鷗”(臺風級，9月16日09時40分前后在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心氣壓960 hPa，最大風速40 m/s)為例，分析風暴潮的增水過程(圖1和圖2)。

圖1 1415號臺風“海鷗”的移動路徑

圖2 1415號臺風“海鷗”期間秀英站實測風暴增水過程曲線

9月15日18時至16日1時，海南島東部站點增水值基本維持在30 cm左右，秀英站潮位增水值逐漸上升，此時是臺風中心到達之前的前兆波；9月16日起，增水迅速上升，于16日11時達到最高值，為 199 cm，此時間段?？谑邪毒€位于“海鷗”移動路徑的左前方，受向岸風作用；16日12時后，“海鷗”中心進入瓊州海峽區(qū)域，熱帶氣旋近中心的強風作用效果不明顯，增水迅速下降，于16日18時—20時出現(xiàn)弱減水。

“海鷗”移動路徑距?？谑邪毒€非常近，斜穿岸線時間長，其強風作用效果明顯，配合海口灣喇叭口岸線形狀，潮水易積難退，故移動路徑和地形是臺風“海鷗”造成秀英站199 cm嚴重風暴增水的重要原因。石?，?等[20]在研究“威馬遜”與“海鷗”風暴增水特征時，也指出路徑和地形會對風暴增水產(chǎn)生影響，黃山[21]在研究中也指出路徑差異是造成風暴增水差異的重要原因。

風暴潮模式計算的增水過程與秀英站實測增水過程基本吻合(圖3)，模擬效果較好。可采用?？谑屑用芫W(wǎng)格計算區(qū)域，分析該典型風暴潮過程?？谑酗L暴增水分布情況(圖4)。由圖可見，臺風“海鷗”經(jīng)過海口市過程中，?？谑醒匕蹲畲笤鏊憩F(xiàn)為：東寨港>秀英港>海甸島>南港。其主要原因是東寨港北部的鋪前灣開口大，潮波能量在此匯集，流入狹窄的東寨港后潮能不易向外擴散。此次“海鷗”直接穿過東寨港，有更多與岸線接近垂直的機會，近中心的強風作用效果更加突出，“虹吸現(xiàn)象”非常明顯，且東寨港大部區(qū)域位于“海鷗”移動路徑左方，受向岸風作用，有利于海水聚集；秀英港、海甸島和南港也位于“海鷗”移動路徑的左半圓，但受地形影響，其發(fā)生海水聚集的強度低于東寨港。秀英港位于?？跒车哪喜浚５閸u位于?？跒车臇|北部，兩者中海甸島更易發(fā)生潮能輻散，而南港距離臺風“海鷗”路徑較遠，最大增水明顯降低。

圖3 1415號臺風“海鷗”過程的風暴潮模式檢驗

圖4 1415號臺風“海鷗”過程?？谑酗L暴增水分布情況

3.1.3 路徑與地形權(quán)重分析

本文從1980—2017年影響海口市增水的106次熱帶氣旋過程中，隨機挑選34次過程，選取標準：(1)進入影響區(qū)域(108.1200°E，20.9902°N；108.1200°E，18.6390°N；112.1411°E，18.6390°N；112.1411°E，20.9902°N)；(2)移動路徑(進入影響區(qū)域后)為影響?？谑械某Ｒ娐窂剑碋—W、ESE—WNW和SE—NW(圖5)。最終選取的34次熱帶氣旋過程中，E—W路徑有11次，ESE—WNW路徑有8次，SE—NW路徑有15次。

圖5 影響?？谑械某Ｒ姛釒庑窂郊拔恢?/p>

采用數(shù)值模擬方法分析不同路徑下?？谑懈鞯湫蛥^(qū)域增水情況，結(jié)果顯示，除了1次熱帶氣旋增水過程(SE—NW路徑，9205號臺風“Eli”，圖6)，其他增水過程均符合以下規(guī)律：東寨港風暴增水強度位居第一，其次是秀英港，第三是海甸島，南港增水相對較弱(表3)。

表3 不同路徑下?？谑械湫蛥^(qū)域最大風暴增水排名情況

圖6 9205號臺風“Eli”過程海口市風暴增水分布情況

為進一步比較地形和移動路徑兩種因子的影響權(quán)重，對9205號臺風的移動路徑進行具體分析。其有以下特點：(1)移動路徑位于?？谑凶笄胺?本文選取的34場臺風中，有多場也位于左前方；(2)與?？谑凶疃叹嚯x為66 km(較其他臺風偏大)；(3)登陸時熱帶氣旋強度為臺風級，登陸后降為強熱帶風暴級(強度上沒有特殊之處)。

再對比兩場歷史相似臺風(1309號臺風“飛燕”和8410號臺風“Ike”)，兩場臺風移動路徑均位于?？谑械淖笄胺?，其中“飛燕”登陸前為強熱帶風暴，登陸后為熱帶風暴，?？谑信c移動路徑最短距離為 14 km；“Ike”登陸前后均為臺風級，與海口市最短距離為4 km；“飛燕”與“Ike”的增水強度均滿足前述規(guī)律(東寨港>秀英港>海甸島>南港)，但秀英港與東寨港最大增水很接近(不同于其他增水過程)。初步斷定9205號臺風具有增水特殊性的主要原因是因其距離?？谑休^遠，且與各觀測站點的距離為：東寨港>秀英港>海甸島>南港，地形的作用明顯減弱。

由上述分析可知，在影響?？谑酗L暴潮的因素中，地形的權(quán)重通常比熱帶氣旋移動路徑更大。

3.2 移動速度的影響

在相同地理環(huán)境海域，海面所受風應(yīng)力作用時間越長，強風作用就越突出，相應(yīng)水質(zhì)點振幅也越大，往往引發(fā)的風暴增水更強。

本文從影響?？谑性鏊?06次熱帶氣旋過程中，隨機挑選18次熱帶氣旋過程，選取原則：(1)進入影響區(qū)域(同上節(jié)闡述)；(2)移動路徑為3種影響海口市的常見路徑(同上節(jié)闡述)，每種路徑挑選6次熱帶氣旋過程；(3)造成明顯的增水(最大風暴增水 ≥50 cm)。采用數(shù)值模型進行敏感性實驗(改變熱帶氣旋移動速度，其他影響因素均保持不變)，研究在相同地理條件下，熱帶氣旋移動速度對風暴增水的影響。

敏感實驗結(jié)果顯示(表4)：18次熱帶氣旋過程中，14次過程在移動速度為14～19 km/h時最大風暴增水達到最大，占比77.8%，其中SE—NW路徑和ESE—WNW路徑的熱帶氣旋過程更明顯，各自占比均達83.3%，E—W路徑占比為66.7%；2次過程在移動速度為8～13 km/h時最大風暴增水達到最大，占比為11.1%，均出現(xiàn)在E—W路徑中；移動速度為20～25 km/h 和26～31 km/h的熱帶氣旋各只出現(xiàn)1次最大風暴增水達到最大。

表4 不同移動速度的熱帶氣旋影響下秀英站最大風暴增水

結(jié)果表明，熱帶氣旋移動速度對海口市風暴增水有明顯影響，移動速度為14～19 km/h時，風暴增水往往達到最大。對影響?？谑械臒釒庑?，移動速度減慢，風暴增水往往相應(yīng)增大，但并非熱帶氣旋移動速度越慢，增水就越大，存在移動速度臨界值，低于臨界值，增水會隨著移動速度減小而減小，該臨界值很可能處于14～19 km/h區(qū)間內(nèi)。

產(chǎn)生上述情況的原因可能是：熱帶氣旋移動速度越慢，海面所受風應(yīng)力作用時間越長，強風作用的效果越突出，引發(fā)的風暴增水會更強；但當移動速度足夠慢時，它對增水的影響不如其他影響因子大。

4 小結(jié)

(1)?？谑惺芘_風風暴潮影響較頻繁，年均2.79次；超過藍色警戒潮位年均0.76次，超過黃色警戒潮位年均0.34次，超過橙色警戒潮位年均0.11次，超過紅色警戒潮位年均0.05次。風暴增水在7—10月出現(xiàn)最頻繁，較大及以上強度的風暴增水多發(fā)生在7—10月，9月較其他月份更易發(fā)生較大及以上強度的風暴增水過程。

(2)1415號臺風“海鷗”經(jīng)過?？谑袝r，受路徑、地形等影響，風暴增水強度表現(xiàn)為東寨港>秀英港>海甸島>南港，主要原因是東寨港北部的鋪前灣開口大，潮波能量在此匯集，流入狹窄的東寨港后潮能不易向外擴散，且臺風路徑給“虹吸現(xiàn)象”創(chuàng)造了有利條件。

(3)在E—W，ESE—WNW，SE—NW這3種常見路徑中，東寨港風暴增水強度位居第一，其次是秀英港，第三是海甸島，南港風暴增水相對較弱。

(4)在影響?？谑酗L暴潮的因素中，地形的權(quán)重通常比熱帶氣旋移動路徑更大；熱帶氣旋移動速度對?？谑酗L暴增水有明顯影響，移動速度為14～19 km/h 時，風暴增水往往達到最大。