李 健 侯一筠 莫冬雪 劉清容

黃、東海天氣系統(tǒng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響*

李 健1, 2, 3, 4侯一筠1, 2, 5①莫冬雪1, 2劉清容4

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266061; 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237)

渤海沿岸是風(fēng)暴潮多發(fā)區(qū)域。研究者多關(guān)心渤海局地風(fēng)引起風(fēng)暴潮變化, 而忽略黃、東海天氣系統(tǒng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮的影響。為研究外圍天氣系統(tǒng)對(duì)局地風(fēng)暴潮的影響, 本文采用實(shí)測資料對(duì)比和設(shè)計(jì)理想數(shù)值試驗(yàn)等方法, 對(duì)黃、東海天氣系統(tǒng)影響的渤海風(fēng)暴潮進(jìn)行了研究。結(jié)果表明: 1、TY1814“摩羯”和TY1818“溫比亞”臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮的實(shí)測資料呈現(xiàn)當(dāng)黃、東海風(fēng)力較大, 而渤海風(fēng)力較小時(shí), 渤海沿岸也會(huì)出現(xiàn)較大風(fēng)暴潮現(xiàn)象; 2、從FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模擬的理想數(shù)值試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 黃、東海風(fēng)向是東南風(fēng)時(shí), 引起渤海沿岸風(fēng)暴增水極值最大; 3、以入海氣旋和登陸北上臺(tái)風(fēng)兩種類型天氣系統(tǒng)風(fēng)向變化設(shè)計(jì)理想數(shù)值試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)黃、東海的東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)渤海沿岸風(fēng)暴潮極值大小和出現(xiàn)時(shí)間影響較大。理想試驗(yàn)獲得的結(jié)論不僅能為渤海風(fēng)暴潮預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù), 還能夠有效減少預(yù)警應(yīng)急中漏報(bào)的現(xiàn)象, 降低沿海經(jīng)濟(jì)損失。

渤海; 風(fēng)暴潮; 理想試驗(yàn); 入海氣旋; 登陸北上臺(tái)風(fēng)

海洋動(dòng)力災(zāi)害(包括風(fēng)暴潮、巨浪等)是對(duì)全球沿海各國危害最大的自然災(zāi)害之一(Hou, 2015), 其中風(fēng)暴潮災(zāi)害作為海洋動(dòng)力災(zāi)害重中之重, 一直是海洋學(xué)家研究焦點(diǎn)。隨著科技發(fā)展, 風(fēng)暴潮研究已從早期理論研究向數(shù)值化、智能化方向發(fā)展; 數(shù)值模型從早期的零階、一階模型(孫文心等, 1979), 向二維、三維模型發(fā)展, 如美國的ECOM(Estuarine Coastal and Ocean Model)、POM(Princeton Ocean Model)、FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型、德國的HAMSOM(HAMburg Shelf Ocean Model)模型、荷蘭的Delft-3D模型等等(董劍希等, 2008)。風(fēng)暴潮研究不僅模式方面發(fā)展迅速, 而且考慮因素也越來越多, 如Olbert等(2013)、Xu等(2016)研究了天文潮對(duì)風(fēng)暴潮影響, Feng等(2011)、Olabarrieta等(2011)研究了波浪與風(fēng)暴潮之間的相互影響, Muis等(2016)、張平等(2017)研究了海平面變化對(duì)風(fēng)暴潮影響; 考慮角度越來越全面, 如Zhong等(2010)、李健等(2018)研究了臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)風(fēng)暴潮影響, Mo等(2016)研究了寒潮變化對(duì)風(fēng)暴潮影響, Powell等(2003)、史劍等(2013)研究了風(fēng)拖曳系數(shù)對(duì)風(fēng)暴潮影響。但目前多數(shù)研究者僅聚焦局地風(fēng)對(duì)沿岸風(fēng)暴潮影響, 很少考慮外部天氣系統(tǒng)引起的風(fēng)暴潮, 而風(fēng)暴潮是一個(gè)全局響應(yīng)的過程, 僅考慮局地風(fēng)引起的海水變化, 往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏低。因此為提高模擬和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性, 外部天氣系統(tǒng)對(duì)風(fēng)暴潮的影響不能被忽略。

渤海是一個(gè)半封閉海域, 容易受到黃、東海天氣系統(tǒng)影響, 從而導(dǎo)致渤海沿岸出現(xiàn)風(fēng)暴潮。本文利用臺(tái)風(fēng)期間驗(yàn)潮站和浮標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù), 分析黃、東海天氣系統(tǒng)引起渤海沿岸風(fēng)暴潮的現(xiàn)象, 并通過數(shù)值模擬的手段進(jìn)一步探索不同黃、東海天氣系統(tǒng)對(duì)渤海沿岸風(fēng)暴潮的影響。獲得的研究結(jié)果不僅為渤海風(fēng)暴潮預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù), 還在災(zāi)害預(yù)警和防治起到重要作用, 尤其是能夠有效的提高渤海沿岸潮位預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性, 降低預(yù)警應(yīng)急中漏報(bào)率。

1 臺(tái)風(fēng)和數(shù)據(jù)簡介

1.1 臺(tái)風(fēng)簡介

2018年8月渤海區(qū)接連受到兩個(gè)北上臺(tái)風(fēng)(具體臺(tái)風(fēng)路徑見圖1)影響, 造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失, 僅1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”北上引起風(fēng)暴潮造成直接損失(指山東以北區(qū)域的經(jīng)濟(jì)損失)就高達(dá)1.363億元(自然資源部北海局, 2019)。1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”于2018年8月8日11時(shí)在西北太平洋面生成。12日11時(shí)35分在浙江溫嶺沿海登陸, 登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力10級(jí)(28m/s, 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí))。登陸后強(qiáng)度逐漸減弱, 并變性(謝駿等, 2018)為溫帶氣旋, 路徑偏西北上。15日進(jìn)入渤海, 此時(shí)最大風(fēng)力8級(jí)。進(jìn)入渤海后, 強(qiáng)度加強(qiáng), 并與北部冷空氣相配合, 形成強(qiáng)的東北風(fēng), 造成萊州灣和渤海灣的一次風(fēng)暴潮過程。1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”于2018年8月15日11時(shí)在我國東海附近生成。17日4時(shí)5分在上海浦東新區(qū)南部沿海登陸, 登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力9級(jí)(23m/s), 中心最低氣壓985百帕。登陸后臺(tái)風(fēng)沿著副高外緣, 先向西北移動(dòng), 后變性轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng), 于8月20日7時(shí)左右進(jìn)入渤海, 此時(shí)最大風(fēng)力8級(jí)。由于兩次臺(tái)風(fēng)相繼影響渤海, 使渤海沿岸出現(xiàn)持續(xù)風(fēng)暴增水, 而且黃、東海天氣系統(tǒng)間接影響渤海, 造成渤海整體水位上升, 進(jìn)一步加重了渤海沿岸風(fēng)暴潮災(zāi)害。

圖1 模式網(wǎng)格和臺(tái)風(fēng)路徑示意圖

注： 綠色: 熱帶低壓級(jí)臺(tái)風(fēng); 藍(lán)色: 熱帶風(fēng)暴級(jí)臺(tái)風(fēng); 黃色: 強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)臺(tái)風(fēng); 空心: 1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”; 實(shí)心: 1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”

1.2 數(shù)據(jù)簡介及處理

臺(tái)風(fēng)影響期間的實(shí)測風(fēng)數(shù)據(jù)來自海上浮標(biāo); 實(shí)測潮位數(shù)據(jù)來自沿岸驗(yàn)潮站, 具體位置見圖2。實(shí)測風(fēng)數(shù)據(jù)是符合觀測標(biāo)準(zhǔn)的10m風(fēng)數(shù)據(jù), 時(shí)間分辨率是1h; 實(shí)測潮位數(shù)據(jù)均是驗(yàn)潮井中壓力浮球式觀測的數(shù)據(jù), 時(shí)間分辨率是1h。由于實(shí)測潮位數(shù)據(jù)是包括天文潮的綜合潮位數(shù)據(jù), 因此計(jì)算風(fēng)暴增水時(shí), 必須將天文潮從綜合潮位中分離出去, 其中本文使用的天文潮是利用多年實(shí)測數(shù)據(jù)調(diào)和分析獲得調(diào)和常數(shù)進(jìn)行預(yù)測的。

圖2 渤、黃海沿岸驗(yàn)潮站和浮標(biāo)位置分布圖

注： 等值線表示水深

2 模式簡介、設(shè)置及驗(yàn)證

FVCOM(An Unstructured Grid, Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式是由美國麻省大學(xué)和美國伍茲霍爾海洋研究所(UMASS-D/WHOI), 于2000年建立的水平非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋環(huán)流與生態(tài)模型(Chen, 2003)。2006年由UMASS-D/WHOI模式開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善。此模型綜合了現(xiàn)有海洋有限差分和有限元模型的優(yōu)點(diǎn), 解決了數(shù)值計(jì)算中淺海岸界擬合和質(zhì)量守恒及計(jì)算有效性等問題, 目前被廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮研究(馮興如等, 2010)。

模式采用三角網(wǎng)格, 其中格點(diǎn)數(shù)89541個(gè), 從模擬外圍向渤海沿岸逐漸加密, 最小分辨率約100m(圖1)。模式時(shí)間分辨率是外模態(tài)為1.5s, 內(nèi)模態(tài)為15s。模式水深和岸線是以etopo1(http://www. ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)為基礎(chǔ), 在北海區(qū)(約33°N以北區(qū)域)沿岸按照1︰50000的電子海圖進(jìn)行修正。輸入風(fēng)場是在臺(tái)風(fēng)中心附近以DUAL(Dual-Exponential Wind Profile)模型風(fēng)場(Willoughby, 2006)為主, 在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域, 利用歐洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)再分析風(fēng)場(http://apdrc. soest.hawaii.edu/)進(jìn)行修正(公式見表1)(聞斌等,2008)。風(fēng)拖曳系數(shù)是由與風(fēng)速成分段函數(shù)關(guān)系的公式計(jì)算的(Powell, 2003), 具體公式見表1。溫度和鹽度設(shè)置為固定值, 即取渤海8月近似均值18°C和35。開邊界輸入是0。

表1 DUAL模型風(fēng)場、疊加公式和拖曳系數(shù)

Tab.1 The DUAL model wind formula, combined formula and drag coefficient

利用FVCOM對(duì)1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”和1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”引起的風(fēng)暴潮進(jìn)行模擬。通過與實(shí)測驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 兩者變化趨勢相同(圖3), 且極值大小基本一致, 極值相對(duì)誤差除濰坊港驗(yàn)潮站(25%)外, 其余渤海沿岸驗(yàn)潮站均在20%以內(nèi)。出現(xiàn)偏差可能原因是臺(tái)風(fēng)北上變性, 強(qiáng)度減弱, 風(fēng)場輪廓不規(guī)則, 導(dǎo)致模型風(fēng)場很難完全準(zhǔn)確刻畫實(shí)際風(fēng)場。綜上對(duì)比結(jié)果說明數(shù)值模式設(shè)置比較合理, 能夠適合渤、黃海區(qū)域的風(fēng)暴潮模擬。

3 實(shí)測對(duì)比和理想試驗(yàn)

3.1 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

渤、黃海區(qū)驗(yàn)潮站和浮標(biāo)數(shù)據(jù)變化曲線顯示(圖3, 4): 在1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”和1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”影響期間, 當(dāng)山東半島南部風(fēng)速較大且風(fēng)向以偏東風(fēng)為主, 而渤海區(qū)域風(fēng)速較小時(shí), 渤海沿岸驗(yàn)潮站出現(xiàn)較大風(fēng)暴增水極值。8月17—18日, 山東半島南部的黃海區(qū)域風(fēng)速較大, 風(fēng)向是偏東風(fēng)(圖4, QF103), 而渤海區(qū)域風(fēng)速較小時(shí)(圖4, QF104), 渤海沿岸風(fēng)暴潮均出現(xiàn)50cm左右增水(圖3)。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因可能是受8月15—17日臺(tái)風(fēng)“摩羯”引起風(fēng)暴潮二次振蕩影響, 但在山東半島北部(圖3, 芝罘島驗(yàn)潮站), 8月17—19日的風(fēng)暴增水極值明顯大于8月13—15日風(fēng)暴增水極值, 這與二次振蕩形成風(fēng)暴增水極值通常小于等于初次風(fēng)暴增水極值的事實(shí)不符。綜上說明, 8月17—18日渤海沿岸風(fēng)暴增水不僅是回振引起的, 還可能受到黃、東海天氣系統(tǒng)影響, 出現(xiàn)海水涌入渤海形成的風(fēng)暴潮現(xiàn)象。

圖3 模擬與實(shí)測風(fēng)暴增水對(duì)比曲線圖

注： 實(shí)線部分表示臺(tái)風(fēng)作用于渤海時(shí), 風(fēng)暴增水隨時(shí)間變化

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)資料和數(shù)值結(jié)果, 推演出兩個(gè)臺(tái)風(fēng)引起渤海風(fēng)暴潮演變過程: 8月12—14日, 1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”登陸北上, 在黃、東海區(qū)產(chǎn)生東南風(fēng), 形成表面重力波(尹麗萍等, 2018), 其能量向東北方向傳播, 一部分遇到山東半島南部, 形成風(fēng)暴增水, 另一部分傳入渤海, 同時(shí)與灌入渤海的黃、東海水的配合, 形成風(fēng)暴增水。8月15—16日, 1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”作用于渤海(圖4), 形成局地風(fēng)暴增水(圖3)。8月17日臺(tái)風(fēng)“摩羯”作用逐漸消失, 局地風(fēng)減弱, 此時(shí)渤海表面重力波和渤海海水應(yīng)傳出渤海, 但由于同時(shí)間(8月15—18日)1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”, 在黃、東海區(qū)產(chǎn)生偏東風(fēng), 形成新的表面重力波, 再次傳入渤海, 阻止因1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”作用消失后表面重力波的能量和渤海海水傳出渤海, 且1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”中心位置更偏北, 形成表面重力波向北傳播時(shí), 能量耗散較少, 形成風(fēng)暴增水更大(圖3, 8月17—18日)。8月19—20日, 1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”作用于渤海, 局地風(fēng)與傳入的表面重力波共同作用形成風(fēng)暴增水。8月21日, 1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”作用逐漸消失, 表面重力波能量和海水傳出渤海, 在山東半島南部形成二次增水。

圖4 浮標(biāo)觀測風(fēng)隨時(shí)間變化曲線

注： 紅色部分表示臺(tái)風(fēng)作用于渤海時(shí), 浮標(biāo)測量風(fēng)隨時(shí)間變化

由于黃、東海天氣系統(tǒng)不直接作用于渤海, 所以其引起渤海風(fēng)暴潮通常具有一定的隱蔽性, 這給研究和預(yù)報(bào)帶來一定困難。為進(jìn)一步研究黃、東海天氣系統(tǒng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響, 利用數(shù)值模式模擬和設(shè)計(jì)理想試驗(yàn)進(jìn)行探索是有必要的。

3.2 理想試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定黃、東海天氣系統(tǒng)在渤海沿岸引起風(fēng)暴潮現(xiàn)象, 探索位于黃、東海區(qū)域的不同風(fēng)向和不同天氣系統(tǒng)對(duì)渤海沿岸風(fēng)暴潮的影響, 設(shè)計(jì)理想場景: 在37°N以南區(qū)域輸入固定風(fēng)速(20m/s)的恒定風(fēng), 37°N以北區(qū)域輸入風(fēng)速為0, 其中固定風(fēng)速取值是根據(jù)兩次臺(tái)風(fēng)到達(dá)黃、東海區(qū)域和渤海區(qū)域中心附近最大風(fēng)力(8級(jí))確定的。

3.2.1 黃、東海不同風(fēng)向的風(fēng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響 以理想場景為基礎(chǔ), 通過改變風(fēng)向, 設(shè)計(jì)理想試驗(yàn)。具體是在黃、東海區(qū)域設(shè)定東、南、西、北以及東南、東北、西南和西北8個(gè)固定風(fēng)向的理想輸入場, 利用FVCOM模式模擬72h, 研究不同風(fēng)向理想場景對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響。

通過對(duì)比不同驗(yàn)潮站的相同風(fēng)向理想試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn), 渤海區(qū)域各驗(yàn)潮站風(fēng)暴增水曲線變化趨勢較為一致, 只是變化幅度略有不同。因此可以利用黃河海港驗(yàn)潮站風(fēng)暴增水隨時(shí)間變化(圖5)代表渤海沿岸風(fēng)暴增水變化。圖5顯示, 位于黃、東海區(qū)域的風(fēng)是東南風(fēng)時(shí), 引起的渤海沿岸風(fēng)暴增水極值最大, 其次是東風(fēng), 而對(duì)應(yīng)的黃、東海區(qū)域出現(xiàn)恒定西北風(fēng)或西風(fēng)時(shí), 渤海沿岸出現(xiàn)風(fēng)暴減水極值最大。圖6是理想試驗(yàn)30h的風(fēng)暴增水空間分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)位于黃、東海區(qū)域的恒定風(fēng)向理想試驗(yàn)引起渤海沿岸風(fēng)暴潮變化呈現(xiàn)全海域整體變化趨勢, 這與局地東北風(fēng)引起渤海沿岸風(fēng)暴潮空間分布(通常渤海灣和萊州灣附近區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)暴增水, 遼東灣附近出現(xiàn)風(fēng)暴減水)不同。

圖5 不同風(fēng)向理想試驗(yàn)(黃河海港)的風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化曲線

圖6 不同風(fēng)向理想試驗(yàn)30h風(fēng)暴潮空間分布圖

3.2.2 黃、東海不同類型天氣系統(tǒng)對(duì)渤海沿岸風(fēng)暴潮影響 為了更貼近于實(shí)際, 根據(jù)影響黃、東海的天氣系統(tǒng)——入海氣旋型和登陸北上臺(tái)風(fēng)型兩類天氣系統(tǒng)的風(fēng)向變化, 結(jié)合理想場景的風(fēng)速設(shè)置, 設(shè)計(jì)理想試驗(yàn), 探索位于黃、東海區(qū)域的不同風(fēng)向持續(xù)時(shí)間對(duì)渤海沿岸風(fēng)暴潮影響。

入海氣旋型天氣系統(tǒng)通常是由江淮氣旋(是指發(fā)生在長江中下游和淮河流域的鋒面氣旋)進(jìn)入黃、東海后影響渤海區(qū)域, 所以在黃、東海區(qū)域首先出現(xiàn)東南風(fēng), 然后轉(zhuǎn)東風(fēng), 最后轉(zhuǎn)為東北風(fēng)(圖7)。登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)是類似于1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”路徑的天氣系統(tǒng), 臺(tái)風(fēng)從西北太平洋或我國沿海向江浙一帶方向行進(jìn), 登陸后轉(zhuǎn)向北上, 所以在黃、東海區(qū)域首先出現(xiàn)東北風(fēng), 然后轉(zhuǎn)為東風(fēng), 最后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)(圖7)。

由于位于黃、東海區(qū)域的天氣系統(tǒng)引起渤海沿岸風(fēng)暴潮變化是全海域變化, 只是增水幅度略有不同, 因此選擇黃河海港(HHG)驗(yàn)潮站風(fēng)暴潮變化代表渤海沿岸風(fēng)暴潮變化。

圖7 入海氣旋和登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)示意圖

注： 虛線表示氣壓等值線(單位: P); 黑色實(shí)線表示入海氣旋型天氣系統(tǒng)中心氣壓大致移動(dòng)路徑; 紅色實(shí)線表示登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)中心氣壓大致移動(dòng)路徑

(1) 入海氣旋型理想試驗(yàn)

根據(jù)入海氣旋型天氣系統(tǒng)在黃、東海區(qū)域風(fēng)向變化順序, 結(jié)合理想場景風(fēng)速設(shè)置, 通過改變氣旋行進(jìn)速度, 即不同風(fēng)向持續(xù)時(shí)間, 設(shè)計(jì)理想試驗(yàn), 具體風(fēng)向持續(xù)時(shí)間見表2。

第一組試驗(yàn)是研究位于黃、東海區(qū)域的東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間與渤海風(fēng)暴潮關(guān)系。通過改變東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間設(shè)計(jì)的理想試驗(yàn), 即第一個(gè)試驗(yàn)是東南風(fēng)持續(xù)12h, 然后轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)24h, 最后轉(zhuǎn)東北風(fēng)36h, 共模擬72h, 其他試驗(yàn)類推, 共設(shè)計(jì)6個(gè)試驗(yàn)(見表2)。第二、三組試驗(yàn)是研究入海氣旋型天氣系統(tǒng), 轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)渤海風(fēng)暴增水影響, 即由東南風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)后, 東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)渤海增水影響, 其中第二組是試驗(yàn)東南風(fēng)持續(xù)12h后轉(zhuǎn)東風(fēng), 此時(shí)東南風(fēng)還未使渤海風(fēng)暴增水出現(xiàn)極值時(shí)轉(zhuǎn)風(fēng), 而第三組試驗(yàn)是東南風(fēng)持續(xù)24h, 此時(shí)東南風(fēng)已使渤海風(fēng)暴增水出現(xiàn)極值后轉(zhuǎn)風(fēng), 研究轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴潮的影響, 具體設(shè)計(jì)見表2。

表2 入海氣旋型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)

Tab.2 Ideal test on the weather system of cyclone to the sea

從第一組理想試驗(yàn)(圖8)模擬曲線可以看出, 當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)24h, 渤海風(fēng)暴增水極值最大。持續(xù)時(shí)間繼續(xù)增加, 不改變風(fēng)暴增水極值, 只改變風(fēng)暴增水二次極值出現(xiàn)時(shí)間。風(fēng)暴增水約30h出現(xiàn)極值。

從第二組理想試驗(yàn)(圖8)可以看出, 當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)12h后轉(zhuǎn)東風(fēng), 東風(fēng)持續(xù)12h, 風(fēng)暴增水極值達(dá)到最大, 此時(shí)風(fēng)暴增水極值小于東南風(fēng)持續(xù)24h形成風(fēng)暴增水極值。東風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長, 風(fēng)暴增水二次極值越大。除了東風(fēng)持續(xù)6h(第一個(gè)試驗(yàn)), 風(fēng)暴增水極值出現(xiàn)時(shí)間較早外, 其余風(fēng)暴增水極值均出現(xiàn)在28h左右。

第三組理想試驗(yàn)結(jié)果(圖8)顯示: 當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)24h后, 渤海風(fēng)暴增水就已出現(xiàn)極值, 與轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間無關(guān), 轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間僅影響二次風(fēng)暴增水極值高度和出現(xiàn)時(shí)間。風(fēng)暴增水均在30h左右出現(xiàn)極值, 與第一組試驗(yàn)結(jié)果相同。與第二組試驗(yàn)不同的是, 東風(fēng)持續(xù)時(shí)間變化引起二次振蕩增水幅度明顯低于首次增水。

(2) 登陸北上臺(tái)風(fēng)型理想試驗(yàn)

按照登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)在黃、東海區(qū)域的風(fēng)向變化順序, 結(jié)合理想場景風(fēng)速設(shè)置, 通過改變臺(tái)風(fēng)行進(jìn)速度, 即不同風(fēng)向持續(xù)時(shí)間變化, 設(shè)計(jì)理想試驗(yàn)。理想試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與入海氣旋型理想試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路相同, 其中第一組試驗(yàn)是研究位于黃、東海區(qū)域的東北風(fēng)持續(xù)時(shí)間與渤海風(fēng)暴潮關(guān)系, 第二、三組試驗(yàn)研究由東北風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng)后, 東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響(表3)。

第一組試驗(yàn)結(jié)果(圖9)顯示, 在黃、東海區(qū)域東北風(fēng)持續(xù)時(shí)間越短, 渤海風(fēng)暴增水極值越大且出現(xiàn)時(shí)間越早?？赡茉蚴菛|北風(fēng)持續(xù)時(shí)間越短, 轉(zhuǎn)東風(fēng)和東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長, 表面重力波能量傳播方向偏北時(shí)間越長, 更易傳入渤海, 形成風(fēng)暴增水。風(fēng)暴增水極值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)風(fēng)后23h左右。東北風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴增水二次極值大小影響不大。

圖8 入海氣旋型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)中黃河海港(HHG)驗(yàn)潮站風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化曲線

第二組理想試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖9), 黃、東海區(qū)域東風(fēng)持續(xù)時(shí)間越短, 渤海沿岸風(fēng)暴增水極值越大?？赡茉蚴菛|北風(fēng)和東風(fēng)時(shí)間越短, 剩下東南風(fēng)時(shí)間越長, 更容易將黃、東海海水及能量傳入渤海, 形成風(fēng)暴潮。同時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)1(東風(fēng)持續(xù)6h)和試驗(yàn)2(東風(fēng)持續(xù)12h)引起渤海風(fēng)暴增水極值比單純東南風(fēng)(圖5)引起風(fēng)暴增水極值大?？赡艿脑蚴窃诘诙M試驗(yàn)中的東南風(fēng)引起風(fēng)暴增水與開始東北風(fēng)引起風(fēng)暴減水形成的海水振蕩引起回升的潮位進(jìn)行疊加, 使得總體風(fēng)暴增水極值更大。風(fēng)暴增水極值均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)東風(fēng)后23h左右。

從第三組理想試驗(yàn)結(jié)果(圖9)顯示, 東風(fēng)時(shí)間越短, 出現(xiàn)風(fēng)暴增水極值越大, 這與東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)后, 東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。風(fēng)暴增水極值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)東風(fēng)后約23h, 與第二組試驗(yàn)結(jié)論相同。從第二組和第三組試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間影響二次風(fēng)暴增水極值大小及出現(xiàn)時(shí)間。

表3 登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)

Tab.3 Ideal test for the weather system of northward typhoon after landing

4 結(jié)論

分析渤、黃海區(qū)驗(yàn)潮站和浮標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù), 結(jié)果表明: 在1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”和1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”影響期間, 當(dāng)黃、東海區(qū)域以偏東風(fēng)為主且風(fēng)速較大, 渤海區(qū)域風(fēng)速較小時(shí), 渤海沿岸驗(yàn)潮站出現(xiàn)較大的風(fēng)暴潮現(xiàn)象, 其原因是位于黃、東海區(qū)域的天氣系統(tǒng)促使黃、東海水及能量傳入渤海, 引起渤海沿岸的風(fēng)

暴潮。

通過定義理想場景風(fēng)速設(shè)置和改變風(fēng)向, 設(shè)計(jì)理想試驗(yàn), 并利用FVCOM進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示位于黃、東海區(qū)域的東南向風(fēng)引起的渤海沿岸風(fēng)暴增水極值最大, 其次是東風(fēng), 且渤海沿岸風(fēng)暴潮空間呈現(xiàn)整體一致變化趨勢, 這與局地風(fēng)引起風(fēng)暴潮空間分布不同。

圖9 登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)中黃河海港驗(yàn)潮站風(fēng)暴潮隨時(shí)間變化曲線

入海氣旋型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)結(jié)果顯示: 當(dāng)位于黃、東海區(qū)域的東南風(fēng)持續(xù)24h時(shí), 渤海沿岸風(fēng)暴增水極值最大, 東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴增水二次極值大小無影響。當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)超過24h, 再轉(zhuǎn)東風(fēng), 東風(fēng)持續(xù)時(shí)間長短對(duì)風(fēng)暴增水極值無影響, 只與風(fēng)暴增水二次極值大小和出現(xiàn)時(shí)間有關(guān)。當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)時(shí)間不足24h, 轉(zhuǎn)東風(fēng), 東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴增水極值大小和二次振蕩增水均有影響, 且風(fēng)暴增水極值小于東南風(fēng)持續(xù)24h引起的風(fēng)暴增水極值。

登陸北上臺(tái)風(fēng)型天氣系統(tǒng)理想試驗(yàn)結(jié)果顯示: 位于黃、東海區(qū)域的東北風(fēng)持續(xù)時(shí)間越短, 引起渤海沿岸風(fēng)暴增水極值越大且達(dá)到極值的時(shí)間越早, 東北風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴增水二次極值大小沒有影響。轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間越短, 引起風(fēng)暴增水極值越大, 且大于單獨(dú)東南風(fēng)引起渤海沿岸風(fēng)暴增水極值。風(fēng)暴增水最大值均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)東風(fēng)后約23h。轉(zhuǎn)東風(fēng)持續(xù)時(shí)間對(duì)風(fēng)暴增水二次極值大小和出現(xiàn)時(shí)間均有影響。

通過實(shí)測分析和理想試驗(yàn), 初步明確了位于黃、東海區(qū)域的不同天氣系統(tǒng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮影響。獲得結(jié)論一方面有助于風(fēng)暴潮機(jī)理研究, 另一方面對(duì)提高災(zāi)害預(yù)警報(bào)準(zhǔn)確度和減少風(fēng)暴潮造成災(zāi)害損失, 具有重要意義。

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STORM SURGE IN THE BOHAI SEA AFFECTED BY THE YELLOW SEA AND EAST CHINA SEA WEATHER SYSTEMS

LI Jian1, 2, 3, 4, HOU Yi-Jun1, 2, 5①, MO Dong-Xue1, 2, LIU Qing-Rong4

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. North China Sea Marine Forecasting center of State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 5. Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China)

The coast of the Bohai Sea is a region of frequent storm surges. Previous studies focused on the impact of storm surge in the Bohai Sea caused by local wind, but often ignored the influence of the winds in the Yellow Sea and East China Sea. To study the influence, the measured data of the storm surges caused by TY1814 “Yagi” and TY1818 “Rumiba” and designed ideal tests using the FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model) were compared. The weather observation data and this analysis show that a large storm surge along the Bohai Sea would occur when winds are large in the Yellow Sea but small in the Bohai Sea. By setting the ideal test of zero wind speed in the Bohai Sea and constant wind speed in the Yellow Sea and East China Sea, the influence of different wind directions on the storm surge was explored. It was found that the maximum storm surge in the Bohai Sea caused by the southeast wind in the Yellow Sea and East China Sea. Meanwhile, by setting the ideal test for reference changing wind directions of cyclone to the sea and northward typhoon after landing. It was found that when the wind direction of the Yellow Sea and the East China Sea is southeast, the storm along the Bohai Sea coast would appear. The results provide a theoretical basis for the prediction of storm surge in the Bohai Sea and disaster prevention and mitigation. The findings can effectively reduce the phenomenon of underreporting in early warning and emergency and reduce coastal economic losses.

Bohai Sea; storm surge; ideal test; cyclone to the sea; northward typhoon after landing

* NFSC-山東省聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目, U1706216號(hào)；北海分局海洋科技項(xiàng)目，201903號(hào)。李 健, 博士研究生, E-mail: ylijian7@126.com

侯一筠, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: yjhou@qdio.ac.cn

2019-09-02,

2019-12-12

O141.4; P444

10.11693/hyhz20190900164