趙金霞 徐靈芝 （天津濱海新區(qū)氣象預警中心 天津300457）

范蘇丹 （南京信息工程大學 南京210044）

2009年兩次災害性風暴潮成因及對比分析

趙金霞 徐靈芝 （天津濱海新區(qū)氣象預警中心 天津300457）

范蘇丹 （南京信息工程大學 南京210044）

2009年天津港發(fā)生兩次災害性風暴潮天氣過程，應用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進行了分析，得到風暴潮成因及增水的不同特征，對未來天氣預測有指導意義。

風暴潮成因 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暴潮發(fā)生。統計結果表明，[1]在50年所有影響渤海灣的風暴潮或者強增水個例中，冷鋒型占了65.3%，臺風型占22.7%，最少的是強孤立氣旋型，僅占12%。無論哪一種天氣系統影響，其直接作用結果都是產生向岸大風導致風暴增水。一般來說，形成風暴潮有2個條件：第一，逢農歷初一、十五的天文大潮，它是形成風暴潮的主體；第二，持續(xù)強勁的向岸大風是風暴增水的主要強迫力。[2-5]2009年兩次災害性風暴潮的產生，一是受溫帶氣旋入海影響造成渤海海峽偏東大風，二是冷空氣以回流形式南下入侵渤海產生東北大風，當天文大潮與持續(xù)的向岸大風遭遇時，風應力增水作用導致風暴潮發(fā)生。風暴潮是由于強烈的大氣擾動所伴隨的強風和氣壓驟變所導致的海面異常升降的現象，[6-8]往往造成巨大災難。濱海新區(qū)位于渤海灣灣頂，是風暴潮災害的多發(fā)區(qū)和嚴重區(qū)。[9]渤海嚴重的風暴潮災害引起了眾多學者的重視，劉鳳樹等[10]對黃河口區(qū)風暴潮及其影響與預防對策進行了研究，胡欣等[11]對渤海灣風暴潮天氣系統及風場結構進行了分析，于恩洪等[12]對渤海灣風暴潮進行了統計分析，李艷蕓[13]建立了渤海天文潮的預報模型，包澄瀾[14]分析了厄爾尼諾與風暴潮的關系。隨著沿海經濟的快速發(fā)展和對外貿易的增加，海上航行和岸邊倉儲安全變得尤為重要，因此找出風暴潮的發(fā)生規(guī)律和特征對風暴潮準確預報有重要的作用。

1 資料與方法

文中所用資料包括MICAPS系統天氣圖、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）的風向風速、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）的風向風速、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準警戒水位為490 cm，以往以470 cm作為標準是由于沿海地區(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時已經造成淹泡，并且在風暴潮出現同時一般伴有大風和大浪，也會造成一定災害，本文將潮位達到警戒水位490 cm為風暴潮標準。風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暴增水。

天津港發(fā)生的風暴潮有明顯的季節(jié)特點，8～11月為高發(fā)期，2月和4月出現大于520 cm的風暴潮為歷史罕見。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。氣象局預警后及時啟動了應急預案，5部大型設備從低洼地段轉移到高處；倉庫門進行了封堵，庫內幾萬噸大豆、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)生了較嚴重的風暴潮和海浪災害，渤海、黃海北部形成4～5 m的巨浪區(qū)，遭受很大的經濟損失和人員傷亡，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)殖設施等直接經濟損失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)殖設施、防浪堤等造成直接經濟損失2 000多萬元。本文通過分析2009年兩次風暴潮異常增水過程，以期為風暴潮的預報積累經驗，為防災減災提供基礎資料依據。

2 風暴潮成因

2.1 天氣形勢分析

2009年2月13日風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，低空急流風速達22 m/s，渤海西岸有一閉合低壓中心，中心風速達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。可見這一中緯度氣旋發(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，經北黃海登陸朝鮮半島，逐漸遠離渤海灣。

2009年4月15日風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 風場分析

2月13日02時在1 000 hpa高度場和風場風（圖1a）上，渤海處在氣旋的第二象限，黃海南部的風指向黃海北部，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，中部最大風速達20 m/s。渤海灣海面54646站12日的風向轉變是08～14～20時為SE－E－NE，風速維持在9.0 m/s左右，23時東北風突然增大到16.1 m/s，13日02時極大風速達21.8 m/s，10時風速減小到8.0 m/s，東北風維持到14時。陸地54623站風速從始至終非常小，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，風暴潮是在海上54623站持續(xù)7 h東北大風后與高潮位疊加產生的。不論是海上站還是陸地站，向岸的風向都有利于風暴增水。由于氣旋入海的作用，導致渤海海峽和黃海北部偏東到東北風，涌浪通過渤海海峽涌進渤海灣造成海水堆積，導致風暴潮發(fā)生。因此對于風暴潮的預報，預報海上大風不僅局限于渤海，黃海北部及渤海海峽的風況同樣重要。

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

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，大氣層結在39°N的低層強烈輻合上升，在41°N的高層出現強輻散下沉，使氣旋快速加強，從而導致梯度風加大.

圖1（a） 2月13日02時1 000 hPa高度場和風場

圖1（b） 4月15日02時1 000 hPa高度場和風場

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暴潮發(fā)生時冷空氣強度，對大風的預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，后部為東北風；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 風暴潮增水特征

2月13日風暴潮的產生，從風暴潮過程潮位曲線看（圖6），12日13：40時開始出現大于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的嚴重風暴朝，實況潮位超過警戒水位38 cm。增水峰值出現在最高潮位期之前，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)時間如此之長在統計中少見。原因是氣旋強烈的偏東風由黃海經渤海海峽時，風應力帶動外海海水涌入渤海，沖向渤海西岸，當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生了一個反射波，這兩個波疊加而成的駐波構成了渤海灣的潮波，而各時刻的潮流，可看作入射潮波和反射潮波疊加而成。此次過程海岸風速雖小，但外海風速大導致海水大量涌入，使渤海灣水位急劇增高。當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日風暴潮的產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的嚴重風暴朝；最大增水值出現在高潮位之后，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迅速增大，風大浪高使海岸增水迅猛，與當日天文高潮位相遇時就引發(fā)災害性風暴潮。由于增水的滯后性，54646站大于17.2 m/s強風持續(xù)到9：00時，岸邊出現了增水最大值；11時風力的減小到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，系統移速快、強度強、影響時間短、范圍小，準確的預報難度大。在大風、巨浪共同影響下，渤海灣和萊州灣沿岸發(fā)生了較嚴重風暴潮和海浪災害。

4 風暴潮災害的成因

通常天文大潮、風暴增水與巨浪三者疊加是造成災害的主要原因。統計表明，[11]渤海灣天文大潮要比理論上的朔（農歷初一）和望（農歷十五）日延后2～3天，2009年2月13日為農歷十九，而4月15日為農歷二十，這兩次風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）內可有兩次高潮和兩次低潮，天文高潮一般出現在凌晨5時±3 h期間和下午17時±3 h期間。第一次過程影響系統為二月份很少出現的溫帶氣旋，天文高潮位非常低，為335 cm，較警戒水位相差155 cm，通常情況下很難產生風暴潮。但受氣旋入海影響，氣旋頂部強烈的偏東風由黃海經渤海海峽時，風應力帶動外海海水涌入渤海，雖然陸地風速在風暴潮過程前后始終沒有超過5 m/s，但海上風速大，起風時間早，由于風應力增水的貢獻，造成了渤海灣長時間較高的增水；當高增水與當日高潮位疊加時，就出現了災害性暴潮。風暴潮發(fā)生時由于岸邊風速小，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，應該引起高度重視。第二次過程出現在強冷空氣影響下，天文高潮位較低，為352 cm，較警戒水位相差148 cm，但渤海灣海面出現大于17.0 m/s的大風3個多小時，高增水與當日高潮位疊加，海岸就出現風暴潮。由于風暴潮發(fā)生時，狂風推動巨浪撲向岸，在向岸浪沖擊和爬坡效應的共同影響下，防潮堤、防潮閘等建筑物及停泊的船只嚴重損壞，大風也使海上船只、碼頭大型裝卸設備及倉儲等遭受損害，從而使災害損失加重。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該給予密切關注。

5 小結

2009年發(fā)生的兩次強風暴潮均在非大潮日，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，風應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偏東大風持續(xù)3.5 h后出現523 cm大潮。因此害性風暴潮是在高增水與高潮位疊加時產生。

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，在狂風巨浪的推動下，3個多小時產生198 cm的增水在統計中少見。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。

第一次風暴潮發(fā)生時由于岸邊風速小，容易造成漏報。第二次風暴潮發(fā)生時冷空氣南下速度快，爆發(fā)力強，持續(xù)時間短，對其產生的災害性程度容易預報偏低，這兩種情況在今后預報和服務中應該給予高度重視?！?/p>

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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)氣象災害性天氣機理分析與研究”（Z200915）

2011-05-09