傅賜福，李濤,2，劉仕潮，高義，董劍希,2

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081）

1 引言

風(fēng)暴潮是指由于強烈的大氣擾動，如風(fēng)暴或氣壓驟變導(dǎo)致的海平面異常升高或降低的現(xiàn)象[1]。在我國，由熱帶氣旋引發(fā)的風(fēng)暴潮災(zāi)害十分頻繁，對沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟產(chǎn)生重大不利影響[2]。以2019年為例，我國各類海洋災(zāi)害共造成直接經(jīng)濟損失117.03億元，死亡（含失蹤）22人，其中，風(fēng)暴潮災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失116.38億元，占總直接經(jīng)濟損失的99%。從單次海洋災(zāi)害來看，造成直接經(jīng)濟損失最嚴(yán)重的是1909號臺風(fēng)“利奇馬”風(fēng)暴潮災(zāi)害，直接經(jīng)濟損失102.88億元[3]。由此可見，重大、特大風(fēng)暴潮過程往往會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此，做好重大、特大風(fēng)暴潮過程的預(yù)警及減災(zāi)工作意義重大。

渤海位于中緯度地區(qū)，包括遼東灣、渤海灣和萊州灣，地形總體呈東北—西南走向，平均水深約18 m，歷史上曾多次發(fā)生風(fēng)暴潮災(zāi)害[4]。渤海灣風(fēng)暴潮的發(fā)生頻率最高且災(zāi)害強度最大，1909號臺風(fēng)“利奇馬”在渤海灣引發(fā)的風(fēng)暴潮就是一個典型案例。國內(nèi)不少學(xué)者對1909號臺風(fēng)“利奇馬”開展了分析研究，王麗娟等[5]利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）和浙江省常規(guī)氣象站的觀測數(shù)據(jù)分析了1909號臺風(fēng)“利奇馬”影響浙江期間的大風(fēng)分布特征及其成因；王毅等[6]利用浮標(biāo)資料對臺風(fēng)“利奇馬”影響期間浙江沿海風(fēng)浪特征及其關(guān)系進行了分析，并與歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Mediumrange Weather Forecasts，ECMWF）的模式預(yù)報與實況進行了對比，基于模式預(yù)報分析了海浪的空間結(jié)構(gòu)。另外，無人機遙感調(diào)查作為近些年的新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國土、農(nóng)業(yè)和氣象研究等方面，它具有以下獨特優(yōu)勢：（1）操作簡單，飛行準(zhǔn)備時間短，飛行高度低；（2）對調(diào)查區(qū)的環(huán)境條件要求較低，購置費用和維護成本較低；（3）可獲取超高分辨率數(shù)字影像及定位數(shù)據(jù)，產(chǎn)品精度高。國內(nèi)學(xué)者利用無人機技術(shù)開展了諸多研究，高偉等[7]通過無人機和灘面高程監(jiān)測等技術(shù)方法，獲取了1909號臺風(fēng)“利奇馬”過境山東省海陽市前后的海灘監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了臺風(fēng)前后海灘整體形態(tài)和剖面沖淤的變化，探討了海灘演化對臺風(fēng)的響應(yīng)規(guī)律。在利用無人機遙感和航拍開展風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查方面，國內(nèi)不少學(xué)者也取得了豐富的成果。王衍等[8]以1409號臺風(fēng)“威馬遜”登陸后對海南文昌翁田和鋪前的海岸帶破壞情況調(diào)查監(jiān)測過程為依據(jù)，介紹了無人機遙感的組成和優(yōu)勢，以及無人機遙感數(shù)據(jù)的獲取和處理的監(jiān)測過程；孫玉超等[9]利用無人機遙感獲取臺風(fēng)“蘇力”登陸點附近的高分辨率遙感影像，提取了研究區(qū)域典型風(fēng)暴潮承災(zāi)體的災(zāi)害損失信息并對其進行統(tǒng)計分析；賈寧等[10]利用高分辨率遙感圖像，綜合采用查找淹沒痕跡、查找漂浮物聚集位置和現(xiàn)場詢問3種方法，確定了臺風(fēng)“瑪莉亞”引發(fā)的風(fēng)暴潮漫灘范圍。

針對1909號臺風(fēng)“利奇馬”，眾多學(xué)者僅對其開展了風(fēng)、浪特征研究，對其北上影響渤海產(chǎn)生的嚴(yán)重風(fēng)暴潮卻少有提及。另外，上述學(xué)者主要利用無人機開展臺風(fēng)登陸對海岸帶的影響，在災(zāi)害調(diào)查方面主要利用高分辨率遙感影像，而利用無人機開展災(zāi)害調(diào)查定量統(tǒng)計的卻很少。本文在借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，以1909號臺風(fēng)“利奇馬”在渤海灣引發(fā)的風(fēng)暴潮特征為切入點，充分利用無人機航拍技術(shù)開展渤海灣南岸的山東省東營市新戶鎮(zhèn)沿岸風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查，定量分析此次風(fēng)暴潮對于東營市近岸堤防和海水養(yǎng)殖區(qū)的破壞程度。

2 臺風(fēng)“利奇馬”引發(fā)的渤海灣風(fēng)暴潮特征分析

2.1 臺風(fēng)“利奇馬”引發(fā)渤海灣風(fēng)暴潮及災(zāi)害情況

2019年8月10日01時45分（北京時，下同）前后，超強臺風(fēng)“利奇馬”在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海首次登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力16級；登陸后，臺風(fēng)“利奇馬”繼續(xù)北上，11日12時前后，臺風(fēng)“利奇馬”穿過江蘇進入黃海海域，并于11日20時50分前后在山東省青島市黃島區(qū)沿海第二次登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力9級。臺風(fēng)“利奇馬”的路徑及文中所涉及站點分布見圖1。

圖1 1909號臺風(fēng)“利奇馬”路徑及涉及站點分布

受“利奇馬”臺風(fēng)風(fēng)暴潮和近岸浪的共同影響，福建以北—遼寧8個省市沿海共有22個潮位站實測最大風(fēng)暴增水超過1 m，5個潮位站實測最大風(fēng)暴增水超過2 m，最大增水出現(xiàn)在浙江省海門潮位站（3.12 m）。渤海灣是此次風(fēng)暴潮過程的重災(zāi)區(qū)，6個潮位站最大增水均超過1 m，最大增水出現(xiàn)在河北黃驊潮位站（2.33 m），其中河北京唐港、曹妃甸、黃驊和山東黃河海港等4個潮位站實測最高潮位達到當(dāng)?shù)丶t色警戒潮位。渤海灣各站潮位曲線見圖2。

臺風(fēng)“利奇馬”共造成以上8省市直接經(jīng)濟損失合計102.88億元，其中，臺風(fēng)登陸地浙江省的直接經(jīng)濟損失76.22億元[3]。受臺風(fēng)北上影響的渤海灣（包括河北唐山市、滄州市、天津市、山東濱州市和東營市）直接經(jīng)濟損失22.22億元，其中，位于渤海灣南岸的山東濱州和東營兩市的直接經(jīng)濟損失達19.91億元[11]，占此次渤海灣風(fēng)暴潮災(zāi)害直接損失的89.6%，可見，渤海灣南岸為此次風(fēng)暴潮災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。

2.2 “利奇馬”引發(fā)渤海灣風(fēng)暴潮特征分析

首先，分析臺風(fēng)“利奇馬”影響期間的氣象狀況和渤海灣各站風(fēng)暴潮情況，圖3為渤海灣各浮標(biāo)和沿岸站風(fēng)力時間序列。綜合圖1的臺風(fēng)路徑、圖2的各站潮位曲線和圖3各站風(fēng)力時間序列分析，結(jié)果如下：

圖2 1909號臺風(fēng)“利奇馬”影響期間渤海灣各站潮位曲線和超警戒情況

圖3 1909臺風(fēng)“利奇馬”影響期間渤海灣浮標(biāo)和沿岸站風(fēng)力時間序列

11日凌晨—上午，臺風(fēng)“利奇馬”在江蘇南部境內(nèi)北上，受其外圍環(huán)流的影響，渤海灣各站觀測到7級左右的東-東北風(fēng)和0.2～0.6 m的風(fēng)暴增水；此時段各站處于當(dāng)日天文低潮，各站總潮位未超過警戒值。

11日中午—傍晚，臺風(fēng)“利奇馬”北上進入黃海，受到臺風(fēng)外圍持續(xù)影響，渤海灣各站風(fēng)力不斷增強，普遍觀測到7—8級的東北風(fēng)和0.5～1.2 m的風(fēng)暴增水；此時段各站處于當(dāng)日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當(dāng)?shù)厮{色警戒值，總體上各站潮位呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

11日夜間—12日清晨，臺風(fēng)“利奇馬”二次登陸山東青島后往北偏西方向移動至萊州灣底，渤海灣開始受到臺風(fēng)本體的影響，各站均觀測到此次過程的最大風(fēng)速和最大增水，包括8—10級的東北風(fēng)和1.1～2.3 m的風(fēng)暴增水；此時段各站處于當(dāng)日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當(dāng)?shù)丶t色警戒值，達到了此次過程的潮位最高值。

12日上午—中午，臺風(fēng)“利奇馬”在萊州灣底徘徊，移速變慢，渤海灣各站風(fēng)向由東北轉(zhuǎn)為東-東南，觀測風(fēng)力減弱到6級左右，各站觀測到0.8～1.8 m的風(fēng)暴增水且呈現(xiàn)震蕩向下的趨勢；此時段各站處于當(dāng)日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當(dāng)?shù)厮{色警戒值，總體上各站潮位呈現(xiàn)明顯下降趨勢。

12日下午—13日清晨，臺風(fēng)“利奇馬”在萊州灣底徘徊少動，強度逐漸減弱，渤海灣各站觀測風(fēng)力逐漸減弱到6級以下，除了位于臺風(fēng)北側(cè)的渤中浮標(biāo)依然維持東南風(fēng)，其他各站的風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北；各站觀測到0.4～1.0 m的風(fēng)暴增水，增水呈現(xiàn)明顯余震特征，各站總潮位未超過警戒值且呈繼續(xù)下降趨勢。

13日白天，臺風(fēng)“利奇馬”減弱為熱帶低壓，受其殘余環(huán)流的影響，各站依然觀測到5—6級的東北風(fēng)，風(fēng)暴增水基本小于0.5 m且呈現(xiàn)震蕩減小的趨勢；各站總潮位基本恢復(fù)正常，此次臺風(fēng)過程的影響基本結(jié)束。

下面，我們分析臺風(fēng)“利奇馬”引發(fā)渤海灣重大風(fēng)暴潮的成因。歷史上，影響渤海的臺風(fēng)路徑主要分3種類型（見圖4）：

圖4 影響渤海常見的3種臺風(fēng)路徑示意圖

類型一：臺風(fēng)在我國東部沿海近海北上進入黃海，登陸遼東半島東部或朝鮮半島沿海（例如1009號臺風(fēng)“梅花”和1105號臺風(fēng)“米雷”）。在該類型臺風(fēng)的影響下，渤海灣沿岸主要受臺風(fēng)外圍影響，最大風(fēng)暴增水在1.2 m左右，風(fēng)暴增水普遍不大且維持時間短（12～18 h），不易形成風(fēng)暴潮災(zāi)害。

類型二：臺風(fēng)在我國東部沿海登陸后北上，在山東半島以較快速度轉(zhuǎn)向東北方向移動，而后登陸遼東半島（例如8509號臺風(fēng)“瑪美”和9216號臺風(fēng)“寶莉”）。該類型臺風(fēng)移速較快，渤海灣沿岸主要受臺風(fēng)本體和外圍的共同影響，最大風(fēng)暴增水在1.8 m左右，風(fēng)暴增水較大但維持時間較短（12～24 h），易形成風(fēng)暴潮災(zāi)害；

類型三：臺風(fēng)在我國東部沿海登陸后深入內(nèi)陸北上，而后從渤海灣和萊州灣沿岸進入渤海（例如9711號臺風(fēng)“溫妮”和1210號臺風(fēng)“達維”）。該類型臺風(fēng)在進入渤海之前移速較慢，渤海灣沿岸先后受臺風(fēng)外圍和本體影響，最大風(fēng)暴增水在2.4 m左右，風(fēng)暴增水大且維持時間較長（18～30 h），極易形成重大風(fēng)暴潮災(zāi)害。

很顯然，臺風(fēng)“利奇馬”路徑整體與類型二相似，兩者在臺風(fēng)進入山東前路徑幾乎一致，但在臺風(fēng)進入山東后卻存在明顯區(qū)別。類型二臺風(fēng)在山東半島以較快移速（25～30 km/h）向東北方向移動并進入遼東半島，未進入渤海，而臺風(fēng)“利奇馬”在8月11日21時二次登陸青島—13日08時從萊州灣附近減弱為熱帶低壓，即在進入山東半島后有一段時間明顯西折并在萊州灣底徘徊近30 h（移動速度約5 km/h），這是以上3種常見臺風(fēng)路徑類型所不具有的移速特征。這造成了11日—13日上午時間段內(nèi)，渤海海峽的風(fēng)向基本保持偏東-東南風(fēng)，也就意味著受到臺風(fēng)“利奇馬”外圍和本體影響，從黃海進入渤海的風(fēng)暴潮在這個時間段無法流回黃海；而在臺風(fēng)“利奇馬”最靠近渤海灣的12日凌晨前后出現(xiàn)了本次過程的極值，即各站出現(xiàn)了9級以上的東北風(fēng)和1.3～2.3 m的最大風(fēng)暴增水。因此，我們可以看到，渤海灣各站在11日—13日上午這個時間段的風(fēng)暴增水呈現(xiàn)出初震（11日白天，風(fēng)暴增水0.2～1.2 m）、主震（11日夜間—12日上午，風(fēng)暴增水1.0～2.3 m）和余震（12日中午—13日上午，風(fēng)暴增水0.2～1.0 m）的完整特征。各站過程風(fēng)暴增水超過1 m的持續(xù)時間普遍超過18 h，其中，位于渤海灣西南岸的黃驊潮位站的持續(xù)時間更是達到28 h。由于渤海灣的天文潮為不正規(guī)半日潮，這種風(fēng)暴潮強度疊加天文高潮會使總潮位超過紅色警戒值，從而引發(fā)嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害。

綜上所述，臺風(fēng)“利奇馬”在進入山東半島后路徑出現(xiàn)的明顯西折和在萊州灣底30 h的徘徊少動導(dǎo)致渤海海峽持續(xù)東-東南風(fēng)和渤海灣8級以上東北風(fēng)，是引發(fā)此次渤海灣重大風(fēng)暴潮災(zāi)害的原因。

3 無人機災(zāi)害調(diào)查

上節(jié)闡述和分析了臺風(fēng)“利奇馬”在渤海灣沿海產(chǎn)生的風(fēng)暴潮情況、災(zāi)害損失和特征，表明渤海灣南岸的風(fēng)暴增水和災(zāi)害損失最大，因此，客觀準(zhǔn)確掌握渤海灣南岸風(fēng)暴潮災(zāi)害情況顯得十分重要。本節(jié)將闡述運用無人機航拍技術(shù)開展山東東營市沿岸災(zāi)害調(diào)查及統(tǒng)計。

3.1 無人機航拍的基礎(chǔ)準(zhǔn)備

國內(nèi)不少學(xué)者對無人機航拍系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹[7-10]。在東營市海洋發(fā)展和漁業(yè)局與東營市海洋預(yù)報臺的前期摸底和大力配合下，本文選取了東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿岸作為此次無人機航拍災(zāi)害調(diào)查的研究區(qū)域。東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿岸為粉砂淤泥質(zhì)海岸，沿岸以海水養(yǎng)殖為主，魚蝦養(yǎng)殖塘外圍建有斜坡式海堤，海堤外立面用石塊砌成。

本次無人機航拍任務(wù)使用1套固定翼無人機、1套RTK設(shè)備和1套地面站。固定翼無人機選用手拋起飛的ZW-FM-180A0，搭配SONY a6000相機和H32 GPS測繪儀，主要用于獲取正射影像。航拍地點是東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿海養(yǎng)殖魚塘，航拍時間是2019年8月14日，航拍面積約33.3 km2；航拍范圍的東南西北經(jīng)緯度分別為（118°20'23.45"E，38°6'51.44"N）、（118°29'11.10"E，38°6'55.24"N）、（118°28'42.93"E，38°4'40.60"N）和（118°20'16.73"E，38°5'10.71"N）；起飛重量和任務(wù)載荷分別為7 kg和1 kg，測控半徑為7 km，抗風(fēng)能力為4級；拍攝有效項素2 400萬，正射影像分辨率為0.1 m。同時，獲取臺風(fēng)“利奇馬”登陸前東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)的高分衛(wèi)星影像（GF-2衛(wèi)星影像，分辨率0.8 m，影像時間為2019年6月22日），用于無人機航拍的正射影像的對比分析。

3.2 航拍影像分析及堤防損毀統(tǒng)計

基于上述工作，共啟動兩個無人機架次開展了東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿海航拍，獲得正射影像、高清視頻和空中全景等高清影像和視頻資料后，開展航拍影像對比分析和專題圖制作，同時開展現(xiàn)場風(fēng)暴潮災(zāi)害調(diào)查。

受臺風(fēng)“利奇馬”影響，東營河口區(qū)沿海多條養(yǎng)殖魚塘道路損毀，靠人力和汽車的現(xiàn)場調(diào)查受到客觀條件的極大約束，從這方面來說，無人機航拍災(zāi)害調(diào)查有著明顯優(yōu)勢，現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查和無人機航拍災(zāi)害調(diào)查可以做到優(yōu)勢互補。從現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查來看（見圖5a），養(yǎng)殖魚塘外圍海堤受到風(fēng)暴潮的沖擊損毀嚴(yán)重，高近2 m的海堤幾乎被夷為平地，海堤外立面的絕大部分砌石塊散落在海堤附近，內(nèi)部的夯土也被風(fēng)暴潮沖刷到海里。此外，通過受災(zāi)前的高分辨率衛(wèi)星影像和受災(zāi)后的無人機航拍正射影像的對比，可以更加清晰地掌握沿海養(yǎng)殖魚塘和堤防損毀情況。養(yǎng)殖魚塘外圍海堤被風(fēng)暴潮幾乎完全沖垮（見圖6），無法保護臨近的養(yǎng)殖魚塘；養(yǎng)殖魚塘內(nèi)的海水顏色由受災(zāi)前的綠色變成受災(zāi)后的黃褐色，這顯然是風(fēng)暴潮沖垮海堤后將海水的泥沙輸送到養(yǎng)殖魚塘內(nèi)。

圖5 東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿岸養(yǎng)殖魚塘和外圍堤防毀損圖像

圖6 東營河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿岸養(yǎng)殖魚塘和外圍堤防高清衛(wèi)星影像對比

對無人機航拍正射影像的養(yǎng)殖魚塘和堤防損毀情況進行分析統(tǒng)計（見圖5b）：本次航拍的堤防全長15.8 km，共發(fā)現(xiàn)決堤10處，嚴(yán)重?fù)p毀6處，斷橋1處，經(jīng)統(tǒng)計損毀約11.7 km，約占航拍堤防的74%；本次航拍面積約33.3 km2，其中，養(yǎng)殖魚塘面積約20.7 km2，損毀養(yǎng)殖魚塘面積3.3 km2，約占養(yǎng)殖魚塘面積的16%。

4 結(jié)論

（1）本文闡述了1909號臺風(fēng)“利奇馬”在渤海引發(fā)的風(fēng)暴潮和災(zāi)害損失，統(tǒng)計表明，渤海灣南岸為此次風(fēng)暴潮災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)。

（2）歸納總結(jié)了影響渤海的3種臺風(fēng)路徑類型，詳細(xì)分析了臺風(fēng)“利奇馬”在渤海灣引發(fā)的風(fēng)暴潮特征。分析表明，臺風(fēng)“利奇馬”在進入山東半島后路徑出現(xiàn)的明顯西折和在萊州灣底30 h的徘徊少動導(dǎo)致的渤海海峽持續(xù)長時間的東-東南風(fēng)和渤海灣8級以上東北風(fēng)，是引發(fā)此次重大風(fēng)暴潮災(zāi)害的原因。

（3）選取受災(zāi)較重的東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)沿岸作為無人機災(zāi)害調(diào)查航拍區(qū)域開展高分辨率影像對比分析，定量統(tǒng)計了航拍區(qū)域內(nèi)堤防和養(yǎng)殖魚塘災(zāi)害情況：本次航拍的堤防全長15.8 km，損毀約11.7 km，約占航拍堤防的74%；本次航拍的養(yǎng)殖魚塘面積約20.7 km2，損毀養(yǎng)殖魚塘面積3.3 km2，約占養(yǎng)殖魚塘面積的16%。