馬筱迪,張光宇,袁德奎,李原儀

(天津大學 機械工程學院，天津 300072)

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基于歷史數(shù)據(jù)的天津沿岸風暴潮特性分析*

馬筱迪,張光宇,袁德奎,李原儀

(天津大學 機械工程學院，天津 300072)

根據(jù)1950-2014年65 a間的107次對天津濱海區(qū)域及附近有顯著影響的風暴潮的觀測數(shù)據(jù)，分析了天津沿岸風暴潮的特性，結(jié)果表明天津一年四季都有發(fā)生風暴潮災的可能，并且8、10和11月是風暴潮災發(fā)生的高峰期。分別利用1950-1979年年最高潮位和1980-2012年年最高潮位計算天津沿海風暴潮重現(xiàn)期潮位值，發(fā)現(xiàn)后者所計算的潮位值明顯高于前者，不僅表明天津沿海風暴潮高潮位有升高的趨勢，也說明了天津沿海潮情發(fā)生了變化；用1950-2012年塘沽驗潮站年最高潮位，采用耿貝爾分布，考慮了特大值的影響，確定了考證重現(xiàn)期為400 a，得到的重現(xiàn)期潮位值能夠很好地擬合塘沽驗潮站年最高潮位的經(jīng)驗累積頻率點；對1950-2012年年極值潮位進行了沉降量校正，計算的重現(xiàn)期潮位值明顯增大。

天津；風暴潮；耿貝爾分布；重現(xiàn)期；地面沉降

天津位于渤海灣灣頂，其濱海區(qū)域自古以來就是風暴潮發(fā)生的重災區(qū)。作為環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的中心城市和國家的自由貿(mào)易實驗區(qū)，天津的社會、經(jīng)濟發(fā)展迅速，沿?；A(chǔ)設施日益完善，人口密度日益增長，承災體日趨龐大，使得風暴潮可能造成的直接、間接損失也在增加，這對天津沿岸的防災減災工作提出了新的挑戰(zhàn)。因此，有必要更深入地認識天津沿海風暴潮的特性。

我國風暴潮的研究起始于20世紀70年代，并在過去的40多年間取得了大量的成果。1975-1982年，馮士筰、孫文心、秦曾灝[1-3]等對淺海風暴潮動力機制進行研究，給出渤海風暴潮三維問題的零階模型和一階模型，并導出相應的風暴潮位和風暴潮流的預報方程，并對渤海風暴潮進行了模擬；1982年，馮士筰編著的《風暴潮導論》[4]為我國風暴潮研究奠定了理論基礎(chǔ)；2001-2003年，王喜年[5-7]發(fā)表了以“風暴潮預報知識講座”為題的專題講座，探討了我國風暴潮研究現(xiàn)狀，詳細介紹了風暴潮預報的數(shù)值方法。在溫帶風暴潮特性研究方面：2012年，曾繼平[8]利用塘沽海洋站1991-2010年潮位資料，發(fā)現(xiàn)2003年以前增水超過100和50 cm的天數(shù)分別為7.9和71.0 d，而2003年后，分別為11.4和80.0 d，風暴潮發(fā)生的頻率增大了。在臺風風暴潮特性研究方面：1987年，尹慶江和王喜年[9]對影響渤海的歷史臺風路徑統(tǒng)計劃分為5種類型：東北型、西北型、北上型、西北偏北型和東北偏北型，并歸納出了27條典型的臺風路徑，在此基礎(chǔ)上假設一個“標準”臺風以3種不同速度分別沿27條路徑襲擊渤海，計算出81種情況下的逐時風暴潮位場，建立了預報諾模圖，其結(jié)果至今仍有參考價值；2007年，王月賓[10]利用多年氣象資料和數(shù)值預報產(chǎn)品，應用完全預報方法研究了影響渤海的臺風和冷空氣大風與增水的關(guān)系，建立渤海西岸風暴潮預報模型。在地質(zhì)因素對天津風暴潮影響方面，2010年，王宏等[11]分別探討了渤海灣西岸海面上升、地面下沉-圍海造陸共同作用、河口增水效應等因素對風暴潮增水值的影響。

已有的研究工作無疑為天津沿海風暴潮災害的防治奠定了很好的基礎(chǔ)，并發(fā)揮了重要的作用。近年來，觀測數(shù)據(jù)的日益豐富為深化和完善已有認識提供了更好的基礎(chǔ)。此外，岸線和氣候的變化，以及防災減災要求的提高也需要在風暴潮特征及成因方面開展更深入的研究。

1 數(shù)據(jù)來源及高程基準

本文的風暴潮數(shù)據(jù)來自可查詢的期刊論文、學位論文以及中國海洋災害公報，共搜集到1950-2014年65 a間的107次對天津濱海區(qū)域及附近有顯著影響的風暴潮的觀測數(shù)據(jù)，涵蓋了溫帶風暴潮和熱帶風暴潮，可以比較全面地反映天津沿海的風暴潮特征。為便于比較和分析，我們采用塘沽驗潮站的數(shù)據(jù)，并且將所有潮位數(shù)據(jù)基準面都統(tǒng)一至塘沽海洋站理論深度基準面，不同基準面高程示意圖(圖1)：

圖1 不同基準面間的換算關(guān)系(m)[12-14]Fig.1 Conversion relationship among different height datum planes(m)[12-14]

2 天津沿海風暴潮的總體統(tǒng)計特性

2.1 天津風暴潮的逐月分布

統(tǒng)計了1950-2012年塘沽各個月份的最高潮位值，比較了其與天津現(xiàn)行警戒水位的關(guān)系(圖2)。從圖中可以看出8月、9月和11月的潮位較高，1月和12月風暴潮潮位較低，一年四季幾乎都有發(fā)生風暴潮災的可能。圖3給出了塘沽1950-2014年風暴潮發(fā)生的月頻次，從圖中可以看出8月、10月和11月是風暴潮發(fā)生的高峰期。

圖2 1950-2012年各個月份的平均最高潮位值Fig.2 The highest tide levels of each calendar month from 1950 to 2012

圖3 1950-2014年風暴潮的平均月頻次Fig.3 Monthly frequency of storm surges from 1950 to 2014

2.2 天津沿海不同類型風暴潮的特征

按照誘發(fā)風暴潮的大氣擾動的特征來分類，天津沿海風暴潮可分為由熱帶風暴引起的熱帶風暴潮和由溫帶氣象因素引起的溫帶風暴潮。

圖4 溫帶風暴潮種類及頻次Fig.4 Type and frequency of extratropical storm surge

溫帶風暴潮一般特點為水位變化持續(xù)而不急劇，多發(fā)生在春(3月和4月)秋(10月和11月)兩季。從圖3可以看出，天津沿海溫帶風暴潮發(fā)生的頻率明顯高于熱帶風暴潮，而且溫帶風暴潮一年中12個月份都有可能發(fā)生。根據(jù)引起風暴潮的氣象因素的不同，溫帶風暴潮又可分為：冷鋒配合低壓類、冷鋒類和強孤立溫帶氣旋類。根據(jù)統(tǒng)計情況，冷鋒配合低壓類為天津沿海主要溫帶風暴潮類型，占溫帶風暴潮總數(shù)的41%，季節(jié)性明顯，主要發(fā)生在春秋兩季，尤以4月、11月最盛；冷鋒類為我國北黃海和渤海地區(qū)所特有的溫帶風暴潮，占溫帶風暴潮總數(shù)的33%，多發(fā)生在秋季，以10月和11月最盛；溫帶氣旋類占溫帶風暴潮總數(shù)的26%，多發(fā)生在春夏兩季(圖4)。

熱帶風暴潮特點為水位變化急劇，且集中發(fā)生在夏季和秋初(6—9月)，其中以7月、8月份最盛。雖然發(fā)生的頻率比較低，但是一旦發(fā)生，往往造成很大的災害。如1992年9216號熱帶風暴導致塘沽出現(xiàn)了20世紀最高潮位，天津沿海100 km海堤漫水，40處決口，1 200 hm2養(yǎng)蝦池被沖毀，損失原鹽30萬t，直接損失達4億元之多。

3 關(guān)于重現(xiàn)期潮位值的討論

關(guān)于天津沿海不同重現(xiàn)期的潮位值，很多學者進行了研究，但是認識卻不統(tǒng)一。如段志華[14]利用海河閘年最高潮位，采用皮爾遜Ⅲ型方法，得到的9216號風暴潮位為80年一遇，吳少華等[15]利用塘沽站驗潮資料，采用耿貝爾方法，得到的9216號臺風風暴潮位為100年一遇。另外，天津地區(qū)的圍填海工程、海平面上升和地面沉降，都有可能對天津地區(qū)潮情產(chǎn)生影響，因此需要對天津沿岸不同重現(xiàn)期潮位值進行研究，統(tǒng)一認識，對天津地區(qū)防潮工作提供可靠的科學依據(jù)。

3.1 不同時期重現(xiàn)期潮位值的變化

分別利用1950-1979年年最高潮位值和1980-2012年年最高潮位值，采用耿貝爾方法計算天津沿岸不同重現(xiàn)期高潮位，所得結(jié)果見表1。由表1中可知，1980-2012年階段的重現(xiàn)期潮位值明顯高于1950-1979年階段的重現(xiàn)期潮位值，這不僅表明天津沿海地區(qū)年最高潮位有增高的趨勢，也證實了天津潮情規(guī)律產(chǎn)生了一定的變化的猜想。

表1 不同時間段計算的重現(xiàn)期潮位值Table 1 Tide levels of different return periods during different time periods

3.2 重現(xiàn)期潮位值的計算

若想得到比較準確的重現(xiàn)期潮位結(jié)果，不僅需要較長時間段的潮位資料，還需要對所得到的潮位資料進行特大值處理[16]。處理特大值的關(guān)鍵在于調(diào)查考證重現(xiàn)期N。一般情況下，特大值的重現(xiàn)期要大于連續(xù)潮位資料的觀測年數(shù)，因此需要調(diào)查歷史文獻資料，確定考證重現(xiàn)期?？疾旖Y(jié)果見表2[17]，其中建國以前潮位值均統(tǒng)一到了塘沽理論深度基準面。由表2中的天津損失詳情可以推測出1938-08-11的風暴潮是1634年以來最嚴重的風暴潮，因此將考證重現(xiàn)期N定為400 a(分別計算了重現(xiàn)期381 a和400 a，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者差別很小，其中1 000 a一遇潮位值誤差在0.21 cm以下)。將年極值潮位按照耿貝爾分布，進行極大值處理，考證重現(xiàn)期采用400 a，計算不同重現(xiàn)期潮位值。表3分別列出了本文計算結(jié)果和文獻[15]計算結(jié)果。圖5給出了本文未考慮沉降量的計算結(jié)果與文獻[15]計算結(jié)果的頻率分布圖，對比可以看出本文的計算結(jié)果能夠更好地擬合塘沽驗潮站年最高潮位的經(jīng)驗累積頻率點。導致本文與文獻[15]的結(jié)果不同的主要原因：文獻[15]采用的資料限于1950-2000年51 a，而且在對實測值的處理過程中沒有考慮考證重現(xiàn)期和特大值對重現(xiàn)期潮位值的影響。另外，圖5中文獻[15]的部分實測值與本文所用的實測值是完全相同的，二者的縱坐標(高潮潮位值)值一致，而水平坐標(頻率)值的不同正是來源于對考證重現(xiàn)期和特大值處理方法的差異。由此可見，在重現(xiàn)期潮位值的推算中，一方面需要盡可能地收集長時間的實測資料，另一方面也必須慎重處理考證重現(xiàn)期和極大值。

表2 天津歷史風暴潮資料[17]Table 2 Historical storm surges in Tianjin coastal area[17]

表3 不同重現(xiàn)期計算結(jié)果Table 3 Tidal levels corresponding to different return periods

圖5 塘沽年最高潮位頻率分布圖Fig.5 Frequency distribution of high tide level in Tanggu

若利用較長時間段的潮位資料，必須要考慮地面沉降，對實測潮位進行校正。地面沉降是天津地區(qū)最主要的環(huán)境地質(zhì)問題之一。根據(jù)天津市水利局統(tǒng)計資料表明：1959-1990年塘沽最大累計沉降量達2.8 m，其中最明顯的一個例子就是海河閘，自1958年建成至2003年，海河閘閘體累積沉降量已達1.52 m[18]。如此大的沉降量不得不考慮。假設水尺零點隨地面沉降而沉降，即地面沉降多少，水尺零點就沉降多少，并且在研究的年份中水尺零點沒有經(jīng)過調(diào)整，按照這個假設對每年的年最高潮位進行修正。沉降量計算規(guī)律如下：1953年之前，沉降速率為5.6 mm/a[11]，1951-1971年下沉量為12.5 cm，1972-2012年沉降速率采用25 mm/a[19]，按以上規(guī)律對1950—2012年年極值潮位進行處理，將其統(tǒng)一到2012年基準面零點沉降量水平，其中部分風暴潮最高潮位修正結(jié)果見表2。

將考慮沉降量后的年極值潮位按照耿貝爾分布，進行極大值處理，考證重現(xiàn)期同樣采用400 a，計算不同重現(xiàn)期潮位值，計算結(jié)果見表3。圖6給出了考慮沉降量前后兩種情況的年最高潮位頻率分布圖。從表3和圖6中可以看出，考慮沉降量之后，重現(xiàn)期潮位值明顯增大，增幅為16.0%～25.8%，而且實測值和理論配線不能很好地擬合。究其原因，可能與沉降量的計算方法有關(guān)，潮位資料的準確性也有待考察。塘沽驗潮站的驗潮井在歷史上有變動[8]，水尺零點也有過調(diào)整[20]，因此將年極值潮位與沉降量簡單地線性相加并不能定量地描述地面沉降對重現(xiàn)期潮位的影響，但還是可以從定性上說明，地面沉降對重現(xiàn)期潮位的影響。

圖6 考慮沉降量前后塘沽年最高潮位頻率分布圖Fig.6 Frequency distributions of high tide level with and without ground subsidence correction

4 結(jié) 語

1)用耿貝爾分布計算重現(xiàn)期時，考慮了特大值的影響，考察了歷史上對天津影響嚴重的風暴潮，將考察重現(xiàn)期N定為400 a，得到的重現(xiàn)期潮位能夠較好地擬合塘沽驗潮站年最高潮位的經(jīng)驗累積頻率點。

2)分別利用1950—1979年年最高潮位和1980—2012年年最高潮位計算天津沿海風暴潮重現(xiàn)期潮位值，發(fā)現(xiàn)后者所計算的潮位值明顯高于前者，不僅表明了天津沿海風暴潮潮位有增高的趨勢，也證實了近年來地面沉降、海平面上升和圍填海工程對天津沿海潮情產(chǎn)生了一定的影響。但是，由于天津地區(qū)圍填海多發(fā)生在2000年之后，要對所得的結(jié)論進行進一步地驗證還需積累更長期的觀測數(shù)據(jù)。

3)通過對1950—2012年年極值潮位與沉降量線性相加，對天津沿海地區(qū)重現(xiàn)期水位進行了定量計算。由于潮位觀測資料的缺陷，對結(jié)果產(chǎn)生了影響，但還是可以說明天津沿海重現(xiàn)期潮位有增大的趨勢。

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Received: September 18, 2015

Analysis of the Characteristics of Storm Surges in Tianjin Coastal Area

MA Xiao-di，ZHANG Guang-yu，YUAN De-kui，LI Yuan-yi

(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity，Tianjin 300072，China)

The characteristics of storm surges in Tianjin coastal area were statistically analyzed based on observations of 107 cases that have significant impacts on Tianjin coastal area in the past 65 years. It is found that storm surges are likely to occur throughout the year, and August, October and November are the peak season of the storm surge. Return periods calculated based on the annual maximum high tide level from 1950 to 1979 and from 1980 to 2012 show that the one of the latter period is higher than that of the former period, suggesting that the high tide level has an upward tendency. Based on the annual maximum high tide level data of Tanggu tidal station from 1950 to 2012, maximum water levels of different return periods were calculated using the Gumbel distribution. As the influence of extraordinary values were taken into account, the research return period was determined to be 400 years, and the accuracy of the maximum tide level can be improved. If the land subsidence from 1950 to 2012 is considered, the calculated tide levels of different return periods increase significantly.

Tianjin coastal area； storm surge； Gumbel distribution； return period； land subsidence

2015-09-18

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃——近海水生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)驅(qū)動模型及其在渤海灣的應用(NCET-12-0406)

馬筱迪(1989-)，女，河南商丘人，碩士研究生，主要從事近海水動力方面研究.E-mail:mxdqiye@163.com

*通訊作者：袁德奎(1972-)，男，四川成都人，博士，研究員，博導,主要從事近海水動力及環(huán)境方面研究.E-mail: dkyuan@tju.edu.cn

P42

A

1671-6647(2016)04-0516-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.007