北海市沿岸風(fēng)暴潮特征研究

黃子眉，李小維

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003；2.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海 536000）

北海市沿岸風(fēng)暴潮特征研究

黃子眉1，2，李小維1，2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003；2.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海 536000）

根據(jù)1965—2009年間影響北海市沿岸的熱帶氣旋資料和風(fēng)暴增水資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析北海市沿岸的風(fēng)暴潮特征。結(jié)果表明：北海市沿岸平均每年發(fā)生風(fēng)暴增水2—3次，其中較大以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水每年0.87次，嚴(yán)重以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水每3年有一次；北海市沿岸每年4—11月均有可能發(fā)生風(fēng)暴增水，且集中在7—10月，尤以9月最多。影響北海市沿岸的熱帶氣旋主要以西北行路徑為主，且多是穿過(guò)雷州半島或海南島后在越南沿海登陸，此種情況下，風(fēng)暴增水曲線(xiàn)表現(xiàn)為周期性波動(dòng)。另外，本文還采用Pearson-Ⅲ分布和Gumbel分布來(lái)估算風(fēng)暴增水頻度，得出北海市沿岸不同重現(xiàn)期的高潮位值。

北海；風(fēng)暴潮特征；重現(xiàn)期

1 引言

北海市位于廣西的最南部，主要的海洋災(zāi)害是風(fēng)暴潮災(zāi)害，加上隨著泛北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的建立，經(jīng)濟(jì)逐漸繁榮，受風(fēng)暴潮的影響較為嚴(yán)重，因此對(duì)北海市沿岸風(fēng)暴潮特征進(jìn)行研究，為風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)提供參考意見(jiàn)，對(duì)該沿海地區(qū)的風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

2 資料來(lái)源

本文采用的熱帶氣旋資料來(lái)源于1965—2009年國(guó)家氣象局出版的《熱帶氣旋年鑒》[1]，風(fēng)暴增水資料主要來(lái)源于1965—2009年北海海洋監(jiān)測(cè)站（21°28'N，109°03'E）的實(shí)測(cè)潮位資料和由國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心的天文潮程序計(jì)算的1965—2009年潮汐表，風(fēng)暴增水采用通用的方法即用實(shí)測(cè)潮位減去天文潮位得到[2]。

從驗(yàn)潮站的增水?dāng)?shù)據(jù)分析表明，只有熱帶氣旋進(jìn)入一定區(qū)域才會(huì)對(duì)北海市沿岸增水產(chǎn)生顯著影響，該區(qū)域我們稱(chēng)為影響區(qū)[3]（18°—23°N，106°—113°E）。

統(tǒng)計(jì)過(guò)程中所選取的熱帶氣旋必須滿(mǎn)足以下條件[3]：（1）其路徑必須進(jìn)入影響區(qū)域或在影響區(qū)內(nèi)部生成；（2）同一個(gè)熱帶氣旋由于打轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，其兩次或兩次以上經(jīng)過(guò)影響區(qū)邊界時(shí)，若偏離邊界線(xiàn)的距離小于或等于2個(gè)緯距，均作為一個(gè)個(gè)例統(tǒng)計(jì)。

3 研究方法

（1）經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)繪制方法[4]：年極值潮位由大到小順序排列成H1、H2、H3…Hn，其中 p為數(shù)學(xué)期望的經(jīng)驗(yàn)頻率，即為：

（2）Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)繪制方法[5]：

式中，hˉ為年平均最大潮位，cv為變差系數(shù)，hp為不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)潮位。

（3） Gumbel型分布曲線(xiàn)繪制方法[5]：

式中，λpn是與年頻率 p及資料年數(shù)n有關(guān)的系數(shù)，可查第Ⅰ型極值分布律的λpn表；hp為不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)潮位。

（4） 重 現(xiàn) 期 計(jì) 算 方 法[5]： 用Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布的概率統(tǒng)計(jì)方法估算風(fēng)暴潮頻率，分別擬合經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)，采用與實(shí)測(cè)資料擬合最佳為準(zhǔn)，再根據(jù)式（2—8）得出北海沿岸不同重現(xiàn)期的高潮位值。重現(xiàn)期ΤR（年）與年頻率p（%）的關(guān)系為：

4 結(jié)果與討論

4.1 影響北海市沿岸的熱帶氣旋特征

4.1.1 登陸類(lèi)型

影響北海市沿岸的熱帶氣旋大致可以劃分為以下三種類(lèi)型[6]：

第一種類(lèi)型是登陸粵西沿岸后從陸上進(jìn)入廣西境內(nèi)的熱帶氣旋（EG）；第二種類(lèi)型是穿過(guò)雷州半島或海南島在廣西沿海登陸的熱帶氣旋（ZG）；第三種類(lèi)型是穿過(guò)雷州半島或海南島在越南沿海登陸的熱帶氣旋（WG）。三者分別占影響總數(shù)的21.6%、16.2%、62.2%，見(jiàn)表1。因此，進(jìn)入影響區(qū)域的熱帶氣旋是以第三種類(lèi)型為主，即以穿過(guò)雷州半島或海南島在越南沿海登陸為主。

表1熱帶氣旋登陸統(tǒng)計(jì)

4.1.2 影響頻度

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1965—2009年影響北海市沿岸的熱帶氣旋有111個(gè)，平均每年2.5個(gè)，1971年最多，有6個(gè)。有熱帶氣旋進(jìn)入影響區(qū)的年份中，1997年和1998年最少，為1個(gè)。由表2可以看出影響北海市沿岸的熱帶氣旋集中發(fā)生在7—10月，約占年影響總數(shù)的87.4%；其中9月份的最多為29個(gè)，而12月至翌年3月則沒(méi)有熱帶氣旋進(jìn)入影響區(qū)。

表2 影響北海市沿岸熱帶氣旋個(gè)數(shù)的逐月分布表

4.1.3 影響強(qiáng)度

熱帶氣旋對(duì)北海市沿岸的影響程度，以其影響期間北海市沿岸出現(xiàn)的最大平均風(fēng)力劃分，如表3所示，7—9級(jí)的最多，其次是10—11級(jí)，12級(jí)以上的最少，三者分別占影響總數(shù)的60.1%、11.7%、2.7%。在逐月分布中，12月至翌年3月很少有熱帶氣旋進(jìn)入影響區(qū)，7—9月則較多，尤其是9月，這與熱帶氣旋季節(jié)分布有關(guān)。

表3 影響北海市沿岸的熱帶氣旋強(qiáng)度逐月分布表

4.2 風(fēng)暴增水特征

4.2.1 風(fēng)暴增水的頻度和強(qiáng)度特征

由于歷史原因，1965—2009年間，影響北海市沿岸的111個(gè)熱帶氣旋中有7個(gè)熱帶氣旋增水資料缺失。影響熱帶氣旋增水的主要因素是風(fēng)、氣壓、熱帶氣旋路徑以及其移動(dòng)速度等，其中尤以風(fēng)和氣壓為主導(dǎo)誘發(fā)因素[7]。這里將北海市沿岸風(fēng)暴增水和風(fēng)暴潮災(zāi)依據(jù)表4的標(biāo)準(zhǔn)[8]劃分為5個(gè)級(jí)別。

表4 北海市沿岸風(fēng)暴增水及風(fēng)暴潮災(zāi)級(jí)別

從1965—2009年的104次風(fēng)暴增水資料來(lái)看，如表5所示，影響北海市沿岸一般以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水過(guò)程有98次，年均2.2次；明顯以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水過(guò)程有72次，年均1.6次；較大以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水過(guò)程有39次，年均0.87次；嚴(yán)重以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水過(guò)程有14次，年均0.31次；30 cm以下增水過(guò)程有6次。其中最強(qiáng)的是1996年8月18日由9615號(hào)熱帶氣旋誘發(fā)的風(fēng)暴增水，北海站出現(xiàn)最大增水145 cm。

由于在風(fēng)暴增水過(guò)程中天文潮的高潮位均不是很高，故都沒(méi)有造成輕度以上程度的風(fēng)暴潮災(zāi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北海市歷年來(lái)只有1次可能造成風(fēng)暴潮災(zāi)（即達(dá)潛在災(zāi)害及以上程度），即1986年7月21日由8609號(hào)臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的風(fēng)暴潮，北海站實(shí)測(cè)最高潮位593 cm，超過(guò)警戒水位43 cm，給北海市沿岸地區(qū)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。由此可得：北海市沿岸一般只受潛在災(zāi)害程度的風(fēng)暴潮影響。

表5 1965—2009年間風(fēng)暴潮及風(fēng)暴潮災(zāi)次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 風(fēng)暴增水發(fā)生時(shí)間

從影響北海市沿岸風(fēng)暴增水的逐月分布表3—6中可以看出，45年間，北海市沿岸一般及以上程度的風(fēng)暴增水7—10月出現(xiàn)最頻繁，而12月至翌年3月卻沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。這與影響北海市沿岸熱帶氣旋逐月變化情況相一致。同時(shí)，較大風(fēng)暴增水5—10月均有發(fā)生，以7—8月出現(xiàn)最多；而嚴(yán)重風(fēng)暴增水僅在6—10月出現(xiàn)，其中以7月最多；特大風(fēng)暴增水沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。

4.2.3 風(fēng)暴增水地理分布

影響北海市沿岸風(fēng)暴增水的主要因子是風(fēng)和氣壓，因此，登陸地點(diǎn)不同，北海市沿岸相對(duì)于熱帶氣旋的位置就不同，其受風(fēng)和氣壓的影響就不同。前面提到的熱帶氣旋的三種不同的登陸類(lèi)型對(duì)北海市沿岸風(fēng)暴增水的影響各不相同。

表6 1965—2009年間風(fēng)暴增水次數(shù)逐月分布表

4.2.3.1 登陸粵西沿岸后從陸上進(jìn)入廣西境內(nèi)的熱帶氣旋（EG）型

熱帶氣旋在粵西沿海登陸前后，從陸上進(jìn)入廣西境內(nèi)，當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)為WS-S時(shí)，北海市沿岸向岸風(fēng)分量較大，使得海水容易堆積，形成較大增水。這就使得此種情形下北海市沿岸的風(fēng)暴增水量級(jí)較大。圖1可以清楚看到：當(dāng)熱帶氣旋向粵西沿海逼近（即進(jìn)入113°E度以西海域）時(shí)，北海市沿岸便開(kāi)始出現(xiàn)20—40 cm的震蕩增水，最大增水基本都在登陸前后十幾個(gè)小時(shí)到二十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)，且3個(gè)熱帶氣旋造成的最大增水都超過(guò)了70 cm（0307號(hào)熱帶氣旋最大增水為93 cm）。

4.2.3.2 穿過(guò)雷州半島或海南島后在廣西沿海登陸的熱帶氣旋（ZG）型

圖1 從陸上進(jìn)入廣西境內(nèi)的3個(gè)熱帶氣旋增水圖

圖2 穿過(guò)雷州半島或海南島在廣西沿海登陸的3個(gè)熱帶氣旋增水圖

圖3 穿過(guò)海南島南部或繞過(guò)海南島在越南沿海登陸的3個(gè)熱帶氣旋增水圖

從圖2上看，直接在廣西沿海正面登陸的熱帶氣旋，登陸前（即進(jìn)入18°N以北的海面后），北海市沿岸的東北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致減水也增大；當(dāng)其登陸時(shí)，風(fēng)速迅速增大導(dǎo)致增水也急劇增大；接著出現(xiàn)微風(fēng)甚至靜風(fēng)，增水減??；待熱帶氣旋過(guò)境后，風(fēng)向變?yōu)槟巷L(fēng)或東南風(fēng)，風(fēng)速由大變小，因此增水先增大后減小，最終恢復(fù)到正常潮位。

4.2.3.3 穿過(guò)海南島南部或繞過(guò)海南島后在越南沿海登陸的熱帶氣旋（WG）型

當(dāng)熱帶氣旋進(jìn)入18.0°N以北的海面后，北海市沿岸的東北風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，導(dǎo)致減水也增大；當(dāng)其在越南沿海登陸后，風(fēng)向轉(zhuǎn)為WS-S時(shí)，北海市沿岸向岸風(fēng)分量較大，使得海水容易堆積，形成較大增水。圖3可以看出：當(dāng)熱帶氣旋向北海市沿海逼近（即進(jìn)入影響區(qū)域）時(shí)，北海市沿岸便開(kāi)始出現(xiàn)減水，最大增水基本都在風(fēng)向轉(zhuǎn)為WS-S后數(shù)個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)，3個(gè)熱帶氣旋造成的最大風(fēng)暴潮增水都超過(guò)了100 cm。

4.3 風(fēng)暴增水頻率估算

4.3.1 經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)繪制

用公式（1）求出系列H1、H2、H3…Hn的各項(xiàng)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)頻率P1、P2、P3…Pn， 以Hi為縱坐標(biāo)，Pi為橫坐標(biāo)，即可在幾率格紙上點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)，見(jiàn)圖4。

4.3.2 Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)繪制

當(dāng)n=45時(shí)，hˉ=5.38m，cv=0.03，選取四種適線(xiàn)方法，分別是適線(xiàn)1：假設(shè)cs=2cv=0.06；適線(xiàn)2：假設(shè)cs=4cv=0.12；適線(xiàn)3：假設(shè)cs=6cv=0.18；適線(xiàn)4：假設(shè)cs=10cv=0.3。根據(jù)四種適線(xiàn)方法得出的四組p、xp值，繪制Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖4 1965—2009年年極值潮位經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)

圖5 Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)適線(xiàn)圖

圖6 Gumbel型分布曲線(xiàn)圖

圖7 Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)和Gumbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合

從圖5中可以看出，Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的配合程度較好的是適線(xiàn)1（即cs=2cv=0.06）。但當(dāng)潮位在5.10—5.30 m的高值之間或超過(guò)5.70 m時(shí)，Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)配合程度不好。

4.3.3 Gumbel型分布曲線(xiàn)繪制

根據(jù)所求出的 p和hp的值可以做出Gumbel型分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖6）?？梢钥闯觯篏umbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合程度較好，但當(dāng)潮位在5.50—5.70 m的高值之間時(shí)，Gumbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)配合程度不好。

4.3.4 擬合經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)

根據(jù)Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)和Gumbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合程度，從圖7可以看出：當(dāng)潮位在5.10—5.30 m的高值之間時(shí)，Gumbel型分布曲線(xiàn)配合程度較好；當(dāng)潮位在5.30—5.50 m之間，Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)和Gumbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合程度都較好；當(dāng)潮位在5.50—5.70 m的高值之間時(shí)，Pearson-Ⅲ型分布曲線(xiàn)配合程度較好；當(dāng)潮位出現(xiàn)超過(guò)5.70 m的高值時(shí)，Gumbel型分布曲線(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的分布規(guī)律擬合度較好。故本文嘗試運(yùn)用Pearson-Ⅲ型分布和Gumbel型分布兩種概率統(tǒng)計(jì)方法分別對(duì)北海市沿岸風(fēng)暴潮發(fā)生頻率進(jìn)行估算是可行的。

4.3.5 重現(xiàn)期的計(jì)算

根據(jù)公式2—8，選擇配合程度較好的Pearson-Ⅲ型分布或Gumbel型分布方法進(jìn)行計(jì)算，可得出結(jié)論見(jiàn)表7。

表7 北海年極值潮位重現(xiàn)期分布表

5 結(jié)論

（1）北海市沿岸平均每年發(fā)生風(fēng)暴增水2—3次，其中較大以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水每年0.87次，嚴(yán)重以上強(qiáng)度的風(fēng)暴增水每3年有一次；

（2）北海市沿岸每年4—11月均有可能發(fā)生風(fēng)暴增水，且集中在7—10月，尤以9月最多；

（3）影響北海市沿岸的熱帶氣旋主要以西北行路徑為主，且多是穿過(guò)雷州半島或海南島后在越南沿海登陸，此種情況下，風(fēng)暴增水曲線(xiàn)表現(xiàn)為周期性波動(dòng)；

（4）采用Pearson-Ⅲ分布和Gumbel分布來(lái)估算風(fēng)暴增水頻度，得出北海市沿岸不同重現(xiàn)期的高潮位值。

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Characteristics of the storm surge along the Beihai coast

HUANG Zi-mei1,2，LI Xiao-wei1,2

(1.The Ocean University of China,Qingdao 266003 China;2.The Ocean Environment Monitors Master Station of Beihai of State Oceanic Administration,Beihai 536000 China)

Based on the tropical cyclone storm surges data from 1965 to 2009 in the Beihai city,the characteristics of storm surges is studied along the coastal region.The results show that there are 2—3 times storm surges occured annually along the Beihai coast,whereas the frequency of serious storm surge is 0.87 times per year and a severe storm surge occurs once every 3 years.The Beihai city are likely to have storm surges from April to November in each year,especially more in 7—10 months and most in September.The tropical cyclones influencing the Beihai coast is mainly in the northwest line of the path,and mostly through the Leizhou Peninsula or along the coast of Hainan Island before landing in Vietnam.Under such circumstances,the storm surge curve showed periodic fluctuations.In addition,the frequency of storm surge is estimated based on Pearson-Ⅲdistribution and the Gumbel distribution.The repcurrence interval of high tide is obtained along the Beihai coast.

Beihai;characteristics of storm surge;repcurrence interval

P444

A

1003-0239（2012）01-0018-06

2011-02-23

黃子眉（1981-），女，工程師，從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)工作。E-mail：huangzm1981@yahoo.com.cn