2009年兩次災(zāi)害性風(fēng)暴潮成因及對比分析

趙金霞 徐靈芝 （天津濱海新區(qū)氣象預(yù)警中心 天津300457）

范蘇丹 （南京信息工程大學(xué) 南京210044）

2009年兩次災(zāi)害性風(fēng)暴潮成因及對比分析

趙金霞 徐靈芝 （天津濱海新區(qū)氣象預(yù)警中心 天津300457）

范蘇丹 （南京信息工程大學(xué) 南京210044）

2009年天津港發(fā)生兩次災(zāi)害性風(fēng)暴潮天氣過程，應(yīng)用MICAPES資料、自動氣象站資料、NCEP再分析資料及天津海洋局潮位資料，對兩次過程的天氣系統(tǒng)進行了分析，得到風(fēng)暴潮成因及增水的不同特征，對未來天氣預(yù)測有指導(dǎo)意義。

風(fēng)暴潮成因 增水特征 對比分析

渤海海域大部分被陸地包圍，只有東側(cè)一個100 km寬的出口與黃海相連，形如一個斜放著的一個橢圓，平均水深約18 m，是一個半封閉型的淺海。它的地形地貌和地理位置造成了一年四季均有風(fēng)暴潮發(fā)生。統(tǒng)計結(jié)果表明，[1]在50年所有影響渤海灣的風(fēng)暴潮或者強增水個例中，冷鋒型占了65.3%，臺風(fēng)型占22.7%，最少的是強孤立氣旋型，僅占12%。無論哪一種天氣系統(tǒng)影響，其直接作用結(jié)果都是產(chǎn)生向岸大風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)暴增水。一般來說，形成風(fēng)暴潮有2個條件：第一，逢農(nóng)歷初一、十五的天文大潮，它是形成風(fēng)暴潮的主體；第二，持續(xù)強勁的向岸大風(fēng)是風(fēng)暴增水的主要強迫力。[2-5]2009年兩次災(zāi)害性風(fēng)暴潮的產(chǎn)生，一是受溫帶氣旋入海影響造成渤海海峽偏東大風(fēng)，二是冷空氣以回流形式南下入侵渤海產(chǎn)生東北大風(fēng)，當(dāng)天文大潮與持續(xù)的向岸大風(fēng)遭遇時，風(fēng)應(yīng)力增水作用導(dǎo)致風(fēng)暴潮發(fā)生。風(fēng)暴潮是由于強烈的大氣擾動所伴隨的強風(fēng)和氣壓驟變所導(dǎo)致的海面異常升降的現(xiàn)象，[6-8]往往造成巨大災(zāi)難。濱海新區(qū)位于渤海灣灣頂，是風(fēng)暴潮災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和嚴重區(qū)。[9]渤海嚴重的風(fēng)暴潮災(zāi)害引起了眾多學(xué)者的重視，劉鳳樹等[10]對黃河口區(qū)風(fēng)暴潮及其影響與預(yù)防對策進行了研究，胡欣等[11]對渤海灣風(fēng)暴潮天氣系統(tǒng)及風(fēng)場結(jié)構(gòu)進行了分析，于恩洪等[12]對渤海灣風(fēng)暴潮進行了統(tǒng)計分析，李艷蕓[13]建立了渤海天文潮的預(yù)報模型，包澄瀾[14]分析了厄爾尼諾與風(fēng)暴潮的關(guān)系。隨著沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展和對外貿(mào)易的增加，海上航行和岸邊倉儲安全變得尤為重要，因此找出風(fēng)暴潮的發(fā)生規(guī)律和特征對風(fēng)暴潮準(zhǔn)確預(yù)報有重要的作用。

1 資料與方法

文中所用資料包括MICAPS系統(tǒng)天氣圖、NCEP再分析資料，渤海灣埕北A平臺國家基本站（站號54646，位置118°25′E，38°27′N）的風(fēng)向風(fēng)速、海平面氣壓觀測資料，國家基本站天津塘沽站（站號 54623，位置 117°43′E，39°03′N）的風(fēng)向風(fēng)速、氣壓觀測資料，國家海洋觀測基本站天津塘沽海洋站的每5 min潮位觀測資料。

天津港目前的防潮標(biāo)準(zhǔn)警戒水位為490 cm，以往以470 cm作為標(biāo)準(zhǔn)是由于沿海地區(qū)如天津港客運碼頭及港口的一些企業(yè)單位地處低洼，潮位達470 cm時已經(jīng)造成淹泡，并且在風(fēng)暴潮出現(xiàn)同時一般伴有大風(fēng)和大浪，也會造成一定災(zāi)害，本文將潮位達到警戒水位490 cm為風(fēng)暴潮標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)暴潮的強弱通常由增水來表示，即將實測潮位與計算所得天文潮位之差作為風(fēng)暴增水。

天津港發(fā)生的風(fēng)暴潮有明顯的季節(jié)特點，8～11月為高發(fā)期，2月和4月出現(xiàn)大于520 cm的風(fēng)暴潮為歷史罕見。2009年2月13日05：40時受溫帶氣旋影響，天津港發(fā)生了潮高達528 cm的嚴重風(fēng)暴朝，天津港客運碼頭、船閘上水達60 cm，交通全部中斷。天津港一公司、二公司碼頭部分地段上水，水深30 cm左右。氣象局預(yù)警后及時啟動了應(yīng)急預(yù)案，5部大型設(shè)備從低洼地段轉(zhuǎn)移到高處；倉庫門進行了封堵，庫內(nèi)幾萬噸大豆、糧食等沒有被淹泡損失。2009年4月15日，受強冷空氣和低壓倒槽共同的影響，渤海灣及萊州灣發(fā)生了較嚴重的風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害，渤海、黃海北部形成4～5 m的巨浪區(qū)，遭受很大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，其中天津市大港區(qū)37名遇險人員有22人獲救，3人遇難，6人失蹤；河北省滄州市沉沒損毀船只6艘、損毀港口碼頭、堤壩和養(yǎng)殖設(shè)施等直接經(jīng)濟損失7 000多萬元；山東省濰坊市共救助人員108人，受傷40人，失蹤1人，沉船4艘，損毀港口碼頭、養(yǎng)殖設(shè)施、防浪堤等造成直接經(jīng)濟損失2 000多萬元。本文通過分析2009年兩次風(fēng)暴潮異常增水過程，以期為風(fēng)暴潮的預(yù)報積累經(jīng)驗，為防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)資料依據(jù)。

2 風(fēng)暴潮成因

2.1 天氣形勢分析

2009年2月13日風(fēng)暴潮過程由溫帶氣旋所致。2月12日20：00時（圖略），500 hPa亞洲北部為寬廣的低壓槽區(qū)，在西南地區(qū)南支槽發(fā)展明顯。700 hPa在河套以東至長江上游有一高空槽，溫度場明顯落后于高度場，鋒區(qū)交角接近80°，冷空氣向東南沖下，促使南支槽深厚發(fā)展。850 hPa在東北-華北-西南有3個閉合低壓中心，南支槽前西南氣流強盛，低空急流風(fēng)速達22 m/s，渤海西岸有一閉合低壓中心，中心風(fēng)速達18 m/s，40°N以南為暖舌控制區(qū)。地面圖上氣旋范圍較大，呈東北-西南向，有兩個中心，北部中心位于山東半島附近，中心強度992 hPa?？梢娺@一中緯度氣旋發(fā)展成為深厚的溫帶氣旋。13日02：00時氣旋經(jīng)山東半島北部入海，此時陸地站城山頭氣壓992.9 hPa，氣旋中心位于海上（圖1a）。此后氣旋中心向東北方向移動，經(jīng)北黃海登陸朝鮮半島，逐漸遠離渤海灣。

2009年4月15日風(fēng)暴潮過程是東北強冷空氣南下引起的，4月14日20：00時（圖略），500 hPa在黑龍江以北有一冷低渦，最低氣溫達-45℃，700 hPa和850 hPa有低渦配合，從低渦延伸出的橫槽經(jīng)北京到達河套；鋒區(qū)呈東西走向到達40°N；850 hPa高度上鋒區(qū)兩側(cè)溫差大于20℃。地面圖呈北高南低的形勢，貝湖冷高壓受西南倒槽的阻擋向東北移動，東西向的冷鋒到達渤海北部，15日02時南壓到渤海中部，黃河下游至渤海灣為低壓倒槽控制（圖1b），08時冷空氣爆發(fā)性南壓快速移過山東半島。

2.2 風(fēng)場分析

2月13日02時在1 000 hpa高度場和風(fēng)場風(fēng)（圖1a）上，渤海處在氣旋的第二象限，黃海南部的風(fēng)指向黃海北部，黃海北部則通過渤海海峽指向渤海灣西岸，而渤海為一致的東北風(fēng)，中部最大風(fēng)速達20 m/s。渤海灣海面54646站12日的風(fēng)向轉(zhuǎn)變是08～14～20時為SE－E－NE，風(fēng)速維持在9.0 m/s左右，23時東北風(fēng)突然增大到16.1 m/s，13日02時極大風(fēng)速達21.8 m/s，10時風(fēng)速減小到8.0 m/s，東北風(fēng)維持到14時。陸地54623站風(fēng)速從始至終非常小，沒有超過5 m/s，原因是受海上氣旋影響，氣旋從山東半島入海后發(fā)展加強，氣壓梯度增大，梯度風(fēng)隨之加大。海上觀測站位置較陸地站偏東南，相對氣旋的位置較近，風(fēng)暴潮是在海上54623站持續(xù)7 h東北大風(fēng)后與高潮位疊加產(chǎn)生的。不論是海上站還是陸地站，向岸的風(fēng)向都有利于風(fēng)暴增水。由于氣旋入海的作用，導(dǎo)致渤海海峽和黃海北部偏東到東北風(fēng)，涌浪通過渤海海峽涌進渤海灣造成海水堆積，導(dǎo)致風(fēng)暴潮發(fā)生。因此對于風(fēng)暴潮的預(yù)報，預(yù)報海上大風(fēng)不僅局限于渤海，黃海北部及渤海海峽的風(fēng)況同樣重要。

4月15日02時在1 000 hpa高度場和風(fēng)場風(fēng)（圖1b）上，渤海北部和中部東北風(fēng)逐漸增大到20.0 m/s，由于渤海灣受低壓倒槽的影響吹偏東風(fēng)，此時渤海灣海面54646站東風(fēng)瞬時風(fēng)速由5.8 m/s突然增達到17.0 m/s，05時東風(fēng)瞬時風(fēng)速達到27.6 m/s，到10時轉(zhuǎn)東北風(fēng)13.9 m/s。陸地54623站風(fēng)向、風(fēng)速與海面站配合很好，02時東風(fēng)增大至11.3 m/s，05時極大風(fēng)速達到21.4 m/s，10時轉(zhuǎn)為東北風(fēng)6.7 m/s。由于冷空氣爆發(fā)性南下，在渤海灣出現(xiàn)偏東大風(fēng)3.5 h后與高潮位疊加產(chǎn)生強風(fēng)暴潮。因此偏東大風(fēng)的持續(xù)時間與高潮位是否疊加是風(fēng)暴潮出現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.3 散度場分析

散度是衡量速度場輻合、輻散強度的物理量。圖2a是沿122°E做的剖面圖，從圖中可以看出，底層最大輻合中心在39°N，即渤海海峽附近為-70×10-6s-1；大氣的斜壓性很強，從低緯到高緯無輻散層逐漸升高，說明北部的低層有冷空氣南下，抬升作用加劇了氣旋的發(fā)展。最大輻散中心在41°N、420 hPa上為50×10-6s-1；在122°E上，大氣層結(jié)在39°N的低層強烈輻合上升，在41°N的高層出現(xiàn)強輻散下沉，使氣旋快速加強，從而導(dǎo)致梯度風(fēng)加大.

圖1（a） 2月13日02時1 000 hPa高度場和風(fēng)場

圖1（b） 4月15日02時1 000 hPa高度場和風(fēng)場

圖2b是沿120°E做的剖面圖，從圖中可以看出，底層最大輻合中心在38°N，即渤海南部附近為-70×10-6s-1；在底層41°N附近有一個輻散中心30×10-6s-1，說明渤海北部海面已有很強的下沉氣流；南部強輻合上升，北部強下沉輻散，導(dǎo)致冷空氣爆發(fā)性南下。

圖2（b） 4月15日02時散度垂直剖面圖

2.4 位溫和溫度平流分析

位溫是表征空氣熱狀態(tài)的干過程物理量，因此采用位溫和溫度平流來探討風(fēng)暴潮發(fā)生時冷空氣強度，對大風(fēng)的預(yù)測有很好的指示作用。

圖3和圖4是沿120°E做的剖面圖位溫及溫度平流剖面圖，從圖3（a）可以看出，北面的冷空氣已經(jīng)到達36°N，其中700 hPa的高度上暖氣團較強，達到324 K；冷氣團前的等位溫線較密集，在38°N附近960 hPa以上坡度明顯減小，說明暖氣團勢力強大，氣旋在發(fā)展。從溫度平流圖3（b）看，強冷平流到達39°N附近，-50×10-5K/S冷中心接近底層，說明強冷空氣已達渤海中部，暖氣團受到抬升后，氣旋在加強，梯度風(fēng)將加大。

圖3（a） 2月13日02時位溫垂直剖面圖

圖3（b） 2月13日02時溫度平流垂直剖面圖

從圖4（a）可以看出，北面的冷空氣已經(jīng)到達38°N，相鄰的暖氣團強度達320 K，冷氣團前的等位溫線非常密集，在38°N～40°N附近850 hPa以下等位溫線呈垂直排列，說明下沉冷空氣強，積聚層厚；從溫度平流看圖4（b），-50×10-5K/S強冷平流在39°N附近到達底層，在其上920 hPa的高度上有一個-80×10-5K/S的冷中心，說明冷空氣在近地層爆發(fā)南下，移速很快，已到達渤海中部。

圖4（a） 4月15日02時位溫垂直剖面圖

2.5 1 000 hPa高度上6小時變高分析

圖4（b） 4月15日02時溫度平流垂直剖面圖

圖5（a） 2月13日02～08時變高場

變高反映了系統(tǒng)的強弱和移動速度快慢，從圖5（a）6小時變高場可以看出，渤海以南為正變高，中心達8 hPa，朝鮮及其以東為負變高，中心達-8 hPa；零變高即鋒區(qū)在山東半島東部，氣旋以東移為主，氣旋中心前部為東南風(fēng)，后部為東北風(fēng)；由于氣旋的發(fā)展加強，移速慢，渤海灣及萊州灣長時間維持正變高。從圖5（b）可以看出6小時變高場在渤海及其以西為正變高，中心達18 hPa；山東半島以南為零變高，說明冷空氣在渤海灣及萊州灣有強烈的積聚，強冷空氣在南壓過程中西南倒槽逐漸減弱、填塞。

圖5（b） 4月15日02～08時變高場

3 風(fēng)暴潮增水特征

2月13日風(fēng)暴潮的產(chǎn)生，從風(fēng)暴潮過程潮位曲線看（圖6），12日13：40時開始出現(xiàn)大于100 cm的增水，到13日03：20時達到增水最大值204 cm，超200 cm的增水持續(xù)了3.5 h。05:40時天津港發(fā)生了潮高達528 cm的嚴重風(fēng)暴朝，實況潮位超過警戒水位38 cm。增水峰值出現(xiàn)在最高潮位期之前，超過100 cm的增水持續(xù)了16 h。但在潮位回落的過程中維持100 cm的較高增水持續(xù)8 h；高增水持續(xù)時間如此之長在統(tǒng)計中少見。原因是氣旋強烈的偏東風(fēng)由黃海經(jīng)渤海海峽時，風(fēng)應(yīng)力帶動外海海水涌入渤海，沖向渤海西岸，當(dāng)一個前進潮波傳入海灣時為入射波，到達渤海灣由于灣頂岸壁的全反射就產(chǎn)生了一個反射波，這兩個波疊加而成的駐波構(gòu)成了渤海灣的潮波，而各時刻的潮流，可看作入射潮波和反射潮波疊加而成。此次過程海岸風(fēng)速雖小，但外海風(fēng)速大導(dǎo)致海水大量涌入，使渤海灣水位急劇增高。當(dāng)潮位回落時由于氣旋中心氣壓低，周圍大氣輻合上升的抽吸作用使黃海北部海面水位增高，加之渤海海峽通道狹窄，寬度僅為100多km，東退的海水不能迅速地流出渤海，因此風(fēng)暴潮發(fā)生前后渤海灣維持較高的增水。

圖6 2009年2月12日12：00時～13日12：00時實測潮位（點線）、增水曲線（實線）及警戒水位（虛線）情況（單位∶m）

4月15日風(fēng)暴潮的產(chǎn)生是受強冷空氣和低壓倒槽共同影響，增水特點是水位上升迅速，03：10開始出現(xiàn)大于100 cm的增水，持續(xù)3個多小時后，06：50時就發(fā)生最高潮位達523 cm的嚴重風(fēng)暴朝；最大增水值出現(xiàn)在高潮位之后，9：00時最大增水198 cm；這是因為強冷空氣從東北以回流的形式爆發(fā)性南下，渤海灣及沿岸偏東風(fēng)迅速增大，風(fēng)大浪高使海岸增水迅猛，與當(dāng)日天文高潮位相遇時就引發(fā)災(zāi)害性風(fēng)暴潮。由于增水的滯后性，54646站大于17.2 m/s強風(fēng)持續(xù)到9：00時，岸邊出現(xiàn)了增水最大值；11時風(fēng)力的減小到9.7 m/s以下，14：00時以后增水小于100 cm。這類冷空氣配合低壓倒槽，系統(tǒng)移速快、強度強、影響時間短、范圍小，準(zhǔn)確的預(yù)報難度大。在大風(fēng)、巨浪共同影響下，渤海灣和萊州灣沿岸發(fā)生了較嚴重風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害。

4 風(fēng)暴潮災(zāi)害的成因

通常天文大潮、風(fēng)暴增水與巨浪三者疊加是造成災(zāi)害的主要原因。統(tǒng)計表明，[11]渤海灣天文大潮要比理論上的朔（農(nóng)歷初一）和望（農(nóng)歷十五）日延后2～3天，2009年2月13日為農(nóng)歷十九，而4月15日為農(nóng)歷二十，這兩次風(fēng)暴潮過程介于兩次天文高潮日之間，顯然不是天文大潮日。但天津港屬半日潮，[15]在每個太陰日（約24時50分）內(nèi)可有兩次高潮和兩次低潮，天文高潮一般出現(xiàn)在凌晨5時±3 h期間和下午17時±3 h期間。第一次過程影響系統(tǒng)為二月份很少出現(xiàn)的溫帶氣旋，天文高潮位非常低，為335 cm，較警戒水位相差155 cm，通常情況下很難產(chǎn)生風(fēng)暴潮。但受氣旋入海影響，氣旋頂部強烈的偏東風(fēng)由黃海經(jīng)渤海海峽時，風(fēng)應(yīng)力帶動外海海水涌入渤海，雖然陸地風(fēng)速在風(fēng)暴潮過程前后始終沒有超過5 m/s，但海上風(fēng)速大，起風(fēng)時間早，由于風(fēng)應(yīng)力增水的貢獻，造成了渤海灣長時間較高的增水；當(dāng)高增水與當(dāng)日高潮位疊加時，就出現(xiàn)了災(zāi)害性暴潮。風(fēng)暴潮發(fā)生時由于岸邊風(fēng)速小，對港口作業(yè)及碼頭停泊的船只影響不大，但對岸邊倉儲，海上航行，交通等還是有很大的潛在危險，應(yīng)該引起高度重視。第二次過程出現(xiàn)在強冷空氣影響下，天文高潮位較低，為352 cm，較警戒水位相差148 cm，但渤海灣海面出現(xiàn)大于17.0 m/s的大風(fēng)3個多小時，高增水與當(dāng)日高潮位疊加，海岸就出現(xiàn)風(fēng)暴潮。由于風(fēng)暴潮發(fā)生時，狂風(fēng)推動巨浪撲向岸，在向岸浪沖擊和爬坡效應(yīng)的共同影響下，防潮堤、防潮閘等建筑物及停泊的船只嚴重損壞，大風(fēng)也使海上船只、碼頭大型裝卸設(shè)備及倉儲等遭受損害，從而使災(zāi)害損失加重。由于這次強冷空氣南下速度快，爆發(fā)力強，持續(xù)時間短，很容易漏報，因此在春季強冷空氣影響渤海時應(yīng)該給予密切關(guān)注。

5 小結(jié)

2009年發(fā)生的兩次強風(fēng)暴潮均在非大潮日，第一次是溫帶氣旋北上入海，渤海海峽及黃海北部維持偏東大風(fēng)，風(fēng)應(yīng)力帶動外海海水涌入渤海，使渤海灣長時間維持較高的增水，超過100 cm的增水持續(xù)了16 h后出現(xiàn)528 cm大潮。第二次是東北冷空氣以回流的形式爆發(fā)性南下，使沿岸快速增水，渤海灣大于17 m/s偏東大風(fēng)持續(xù)3.5 h后出現(xiàn)523 cm大潮。因此害性風(fēng)暴潮是在高增水與高潮位疊加時產(chǎn)生。

冬季溫帶氣旋入海引起渤海灣如此高的增水（最大增水204 cm）為歷史罕見。后期增水回落緩慢，體現(xiàn)了氣旋增水特點。散度場中低層強輻合與高層輻散增大，說明氣旋入海后加強，冷平流鍥入式抬升使氣旋快速發(fā)展，梯度風(fēng)迅速增大。-50×10-5K/S冷平流強度、-70×10-6s-1輻合上升強度和變壓強度都顯示氣旋入海后的加強。

冷空氣以回流的形式爆發(fā)性南下，在狂風(fēng)巨浪的推動下，3個多小時產(chǎn)生198 cm的增水在統(tǒng)計中少見。溫度場中位溫梯度大，低層呈垂直形式分布，-80×10-5K/S冷平流中心和6 h 18 hPa的正變壓，對冷空氣強度和移速有很好的指示意義。

第一次風(fēng)暴潮發(fā)生時由于岸邊風(fēng)速小，容易造成漏報。第二次風(fēng)暴潮發(fā)生時冷空氣南下速度快，爆發(fā)力強，持續(xù)時間短，對其產(chǎn)生的災(zāi)害性程度容易預(yù)報偏低，這兩種情況在今后預(yù)報和服務(wù)中應(yīng)該給予高度重視。■

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注：資助課題，天津市氣象局青年基金課題“天津地區(qū)氣象災(zāi)害性天氣機理分析與研究”（Z200915）

2011-05-09