徐紅印,高郭平,姚辰陽,鄧創(chuàng)武,李 化

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 201306;3.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

隨著氣候變化加劇,全球自然災(zāi)害總數(shù)在21世紀(jì)前20年大幅攀升,特別是氣候相關(guān)災(zāi)害數(shù)量出現(xiàn)快速增長,對(duì)全球造成高達(dá)2.97萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。全球與氣候相關(guān)的自然災(zāi)害在1980—1999年發(fā)生了3 656起,在2000—2019年已經(jīng)增加到6 681起,呈顯著增長趨勢。2000—2019年臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))、龍卷風(fēng)和風(fēng)暴潮等風(fēng)暴災(zāi)害的發(fā)生從1 457次增加到2 043次,導(dǎo)致近20萬人死亡,成為第二大致命災(zāi)害。隨著全球氣候持續(xù)變暖[2],熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)發(fā)生頻數(shù)及其強(qiáng)度可能增加[3-7],4～5類的TC(按照薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級(jí)劃分)在每年生成的TC中所占的比例也在增加[4],TC災(zāi)害帶來的影響更加嚴(yán)重。

東海作為西太平洋的邊緣海,擁有豐富的漁業(yè)資源,蘊(yùn)藏著石油、天然氣等礦產(chǎn)資源。東海沿岸城市密布、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、重要海洋工程設(shè)施眾多[8],是我國重要的航運(yùn)通道,海上航線密布[9]。東海也是TC活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域,TC風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重威脅海上作業(yè)和沿海活動(dòng)的安全,因風(fēng)災(zāi)造成損失不斷加劇,極端TC災(zāi)害對(duì)東海及沿岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著巨大的影響,如2019年登陸的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”,共造成1 402.4萬人受災(zāi),57人死亡,14人失蹤,209.7萬人緊急轉(zhuǎn)移安置[10],直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到537.2億元[11]。

TC致災(zāi)因子主要包括大風(fēng)、降雨以及其引起的風(fēng)暴潮等。關(guān)于TC災(zāi)害,已有研究揭示了其隨時(shí)間變化,包括年際變化、年代際變化以及登陸地點(diǎn)變化等多個(gè)方面[12-21]。量化TC災(zāi)害大小及風(fēng)險(xiǎn)高低,既需要綜合考慮TC的致災(zāi)因子,又需要對(duì)這些致災(zāi)因子進(jìn)行逐一詳細(xì)地研究。Lin等[22]指出,與傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不同,可靠的TC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不能僅依賴于有限的歷史TC記錄,相反,它需要一種新的基于物理的方法,應(yīng)包含有關(guān)當(dāng)前和未來氣候預(yù)測以及災(zāi)害暴露和承載體脆弱性的信息。Murnane和Elsner[23]研究了颶風(fēng)在美國造成的經(jīng)濟(jì)損失與颶風(fēng)最大風(fēng)速之間的關(guān)系并得出結(jié)論:經(jīng)濟(jì)損失與颶風(fēng)最大風(fēng)速呈指數(shù)關(guān)系,且經(jīng)濟(jì)損失隨著風(fēng)速的增加以5%/(m/s)的速率增加。Wang和Rosowsky[24]通過構(gòu)造TC最大風(fēng)速(vm)及TC大小(Rm)的聯(lián)合分布,分析了德克薩斯州遭受TC災(zāi)害的嚴(yán)重程度。Zhang等[25]通過構(gòu)建TC經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場,研究了沿海港口運(yùn)行受TC風(fēng)災(zāi)影響的情況。

目前,對(duì)東海及其鄰近海區(qū)的TC風(fēng)速、風(fēng)災(zāi)的整體時(shí)、空分布情況尚缺乏了解。探討東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)速的時(shí)、空分布情況,對(duì)于了解TC風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),采取相應(yīng)的防護(hù)措施,并保證海上作業(yè)和沿海的活動(dòng)具有重要的意義。本文選取1980—2019年影響東海及其鄰近海區(qū)的587個(gè)TC過程,首先分析TC的路徑特征及其年際變化;然后,利用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場模型對(duì)各個(gè)TC過程進(jìn)行分析和計(jì)算,獲得TC期間的風(fēng)場及風(fēng)速數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析TC風(fēng)速及其發(fā)生累計(jì)時(shí)間的時(shí)、空分布特征;最后,依據(jù)Saffir Simpson Scale指數(shù)方法將風(fēng)速及其累積時(shí)間進(jìn)行整合,構(gòu)建風(fēng)災(zāi)指數(shù)PDI(Potential Disaster Index),并探討TC風(fēng)災(zāi)的空間分布,為進(jìn)一步研究具體海上目標(biāo)遭受TC風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)大小奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 TC數(shù)據(jù)及其來源

本文TC數(shù)據(jù)選自中國氣象局(China Meteorological Administration,CMA)發(fā)布的TC最佳路徑數(shù)據(jù)集[26]。該數(shù)據(jù)集提供了1949年至今發(fā)生在西北太平洋的TC信息,包括每6 h TC中心位置(經(jīng)度和緯度),最大持續(xù)風(fēng)(Maximum Sustained Wind,MSW)和中心最低海平面氣壓(Minimum Sea Level Pressure,MSLP)等信息。自2017年起,對(duì)于登陸的TC,其登陸前24 h內(nèi),數(shù)據(jù)時(shí)間間隔縮短為3 h。該數(shù)據(jù)集中,MSW為2 min平均風(fēng)速,MSLP是根據(jù)衛(wèi)星云圖通過云模式分析估算強(qiáng)度(Current Intensity,CI)[27],結(jié)合風(fēng)壓關(guān)系(Wind-Pressure Relationship,WPR)獲得[28]。該數(shù)據(jù)集是中國近海區(qū)域最為準(zhǔn)確和完整的TC數(shù)據(jù)集[29],本文選取1980—2019年間TC中心到達(dá)東海區(qū)域的587個(gè)TC過程進(jìn)行分析研究。

1.2 TC風(fēng)場數(shù)據(jù)構(gòu)建

依據(jù)歷史TC最佳路徑數(shù)據(jù)集參數(shù),選用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場模型,計(jì)算量較低,且精度基本可以滿足工程實(shí)踐和風(fēng)災(zāi)研究要求[30]。

1.2.1 經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場模型

TC風(fēng)場主要分為兩部分:一是與TC本身有關(guān)的軸對(duì)稱風(fēng)場,二是TC移行風(fēng)場。根據(jù)某個(gè)氣壓場模式計(jì)算TC的中心對(duì)稱梯度風(fēng)風(fēng)場,然后疊加TC中心移動(dòng)的移行風(fēng)場[22,25],即:

式中,vtot為整體風(fēng)速,vmov為移動(dòng)風(fēng)速,vrot為梯度風(fēng)速。其中,計(jì)算移動(dòng)風(fēng)速的常見模型有Jelesnianski[31]和Uneo[32]等模型,計(jì)算梯度風(fēng)速的常見模型有Jelesnianski[31]和Holland[33]等模型。Wang等[34]比較了Holland[33]、Jelesnianski[31]、Emanuel[35]以及Emanuel和Rotunn[36]型的TC風(fēng)場模型,認(rèn)為Holland[33]模型可以很好地模擬TC風(fēng)場,且最大風(fēng)速vm和風(fēng)廓線參數(shù)B在數(shù)學(xué)形式上獨(dú)立,便于簡化計(jì)算。本文采用Wang等[34]的模型參數(shù)方案構(gòu)建東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)場。

Holland[33]修改了Schloemer[37]提出的與壓力有關(guān)的風(fēng)廓線模型,并引入了TC的參數(shù)梯度風(fēng)場,該參數(shù)已成為許多與TC有關(guān)的研究中使用最廣泛的梯度風(fēng)模型[38-41]。由于vm已存儲(chǔ)在最佳路徑數(shù)據(jù)集中,不再由風(fēng)廓線的形狀參數(shù)B確定,其計(jì)算式如下:

式中:r為半徑,即點(diǎn)到氣旋中心的距離;ρa(bǔ)為空氣密度(1.15 kg/m3);Rm為最大風(fēng)速半徑;pn為環(huán)境氣壓(1 013.13 hPa);pc為中心氣壓,x為系數(shù),取為0.5;γ為調(diào)整參數(shù),設(shè)為1;參數(shù)B為風(fēng)廓線形狀參數(shù),取值為1.0～2.5[38,42]。

TC的運(yùn)動(dòng)主要受TC附近自由對(duì)流層中背景風(fēng)的平流作用影響,表面摩擦使表面背景風(fēng)在大小和方向上偏離對(duì)流層自由風(fēng)。有些研究[39,43-44]雖然假設(shè)表面背景風(fēng)在方向上與TC平移方向大致相等,但風(fēng)速由于受各種因子的影響而量值偏低。在許多研究中,TC移動(dòng)的最大速度被添加到TC風(fēng)場中,卻忽略了對(duì)流層自由風(fēng)和表面背景風(fēng)之間的速度差[45-46]。繼Miyazaki[47]后,由TC移動(dòng)引起的移動(dòng)風(fēng)速vmov被添加到風(fēng)場中,其方向與移動(dòng)風(fēng)速方向vf相同,表達(dá)式如下:

風(fēng)場可由梯度風(fēng)vrot和移動(dòng)風(fēng)速vmov合成,即:

式中:c1和c2為衰減因子,其中c1取值為0.85;θ為氣旋平移方向與正北方向的夾角;α為流入角。Lin等[39]通過觀測分析,發(fā)現(xiàn)在空間變化相對(duì)較小的情況下,表面背景風(fēng)比TC平移速度小,約為TC平移速度的55%,方向?yàn)檠豑C平移方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)約20°方向,故c2取為0.55,α取為20°。合成風(fēng)速會(huì)放大過渡方向右側(cè)的風(fēng)速,部分解釋了風(fēng)場的不對(duì)稱性。

由于采用Holland[33]模型構(gòu)建的風(fēng)場與實(shí)際觀測的風(fēng)場存在差異,Wang等[34]利用觀測數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)廓線形狀進(jìn)行了進(jìn)一步擬合和調(diào)整,使用分段對(duì)數(shù)B來控制風(fēng)速的徑向變化率,分別為臺(tái)風(fēng)眼壁附近的風(fēng)速急劇衰減區(qū)域、過渡區(qū)域和風(fēng)速平穩(wěn)變化區(qū)域,其計(jì)算式為:

根據(jù)風(fēng)速衰減的變化率選擇rnear和rfar的節(jié)點(diǎn),Wang等[34]給出了更詳細(xì)的分析和驗(yàn)證。對(duì)于時(shí)間變化較小的TC事件,Wang等[34]利用觀測值調(diào)整風(fēng)廓線的方法以較低的計(jì)算成本很好地改善了氣旋風(fēng)的模擬性能。由于TC是一種突發(fā)性天氣系統(tǒng),一般持續(xù)10 d左右,數(shù)據(jù)在時(shí)間上并不連續(xù),所以需要進(jìn)行插值處理。對(duì)于587個(gè)TC過程,構(gòu)建的風(fēng)場數(shù)據(jù)插值為1 h間隔,每個(gè)空間格點(diǎn)累計(jì)獲得103 345個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.3 TC風(fēng)災(zāi)指數(shù)構(gòu)建

TC風(fēng)災(zāi)大小不僅與TC強(qiáng)度(風(fēng)速)有關(guān),還與TC風(fēng)速持續(xù)時(shí)間有關(guān)。為了更加有效地探討東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)災(zāi)的空間分布,引入Simpson風(fēng)災(zāi)指數(shù)[48],將風(fēng)速及其累計(jì)時(shí)間進(jìn)行整合。Simpson風(fēng)災(zāi)指數(shù)計(jì)算式為:

式中:PI為風(fēng)災(zāi)累加指數(shù);n為每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)總數(shù)(n=103 345);I i為風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)災(zāi)指數(shù),i=1,2,…,n。依據(jù)式(7),最終可獲得東海及其鄰近海區(qū)各個(gè)空間格點(diǎn)的PI。為了體現(xiàn)東海及其鄰近海區(qū)相對(duì)風(fēng)災(zāi)大小的空間分布,參照自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)劃分規(guī)則[49],將PI分為5個(gè)等級(jí)(表1)。當(dāng)PI超過600時(shí),設(shè)定該區(qū)域的風(fēng)災(zāi)等級(jí)為“高”。

表1 風(fēng)災(zāi)指數(shù)與等級(jí)Table 1 Levels of wind disaster and wind index

2 結(jié)果分析

2.1 東海及其鄰近海區(qū)TC年際變化特征及路徑分布

1980—2019年影響東海及其鄰近海區(qū)的TC過程共有587個(gè),路徑分布如圖1所示。依據(jù)TC等級(jí)劃分規(guī)則(表2),登陸的TC等級(jí)以熱帶風(fēng)暴(Tropical Storm,TS)和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(Severe Tropical Storm,STS)為主。登陸的TC強(qiáng)度在27°N附近最大,并向南北兩側(cè)逐漸遞減。登陸后的TC強(qiáng)度明顯衰弱,主要以熱帶低壓(Tropical Depression,TD)和TS為主。

圖1 1980—2019年影響東海及其鄰近海區(qū)TC路徑(共計(jì)587個(gè))Fig.1 Tracks of TC that affected the ECS and its adjacent sea areas from 1980 to 2019(587 in total)

表2 TC等級(jí)劃分[50]Table 2 Category of TC[50]

40 a間影響東海及其鄰近海區(qū)的TC年和月統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)顯示,平均每年有14.7個(gè)TC過程影響該區(qū)域,其中1994年影響該區(qū)域的TC過程最多,達(dá)到24個(gè),而1983年、1998年和2010年影響該區(qū)域的TC過程最少,僅有7個(gè)。對(duì)1980—2019年的影響該區(qū)域的TC頻數(shù)進(jìn)行10 a平均,結(jié)果表明:TC頻數(shù)有明顯的年代際變化,1980—1989年間影響該區(qū)域的TC頻數(shù)明顯增加,到1990—2009年,頻數(shù)略有下降,進(jìn)入2010年,發(fā)生頻數(shù)又呈現(xiàn)上升的趨勢(圖2a)。40 a間發(fā)生TC的頻數(shù)的逐月分布如圖2b所示,可見影響該區(qū)域的TC多發(fā)生在4月至12月,其中7月至10月TC活動(dòng)較為頻繁,4個(gè)月發(fā)生TC的頻數(shù)總和占全年總數(shù)的80.44%;8月TC活動(dòng)最頻繁,發(fā)生TC共155個(gè),約占總數(shù)的26.36%。極端情況下,1月和3月也可能會(huì)有TC發(fā)生。

圖2 1980—2019年影響東海及其鄰近海區(qū)的TC統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Occurrence of TC in each calendar month that affected the ECS and its adjacent sea areas from 1980 to 2019

對(duì)影響中國東海及其鄰近海區(qū)的TC的初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2010年以來,TC活動(dòng)數(shù)量多于上個(gè)10 a,有更活躍的趨勢。隨著近年來全球氣候變化的加劇,TC強(qiáng)度略有增加[51-52],這無疑會(huì)加劇TC的災(zāi)害影響,所以,東海及其鄰近海區(qū)TC的風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)更值得重視。

2.2 東海及其鄰近海區(qū)TC最大風(fēng)速空間分布

1980—2019年東海及其鄰近海區(qū)TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速空間分布結(jié)果(圖3)顯示,最大風(fēng)速的空間分布存在明顯的區(qū)域差異,東海及其鄰近海區(qū)大部分海域受熱帶氣旋影響,都會(huì)出現(xiàn)超過30 m/s的最大風(fēng)速,達(dá)到Super TY級(jí)別的風(fēng)速均位于27°N及其以南海域。在30°N及其以北海域以及臺(tái)灣海峽海域內(nèi)出現(xiàn)的最大風(fēng)速相對(duì)較小,強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。

圖3 1980—2019年東海及其鄰近海區(qū)TC過程中最大風(fēng)速(m·s-1)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the maximum wind speed(m·s-1)during the TC process in the ECS and its adjacent sea areas from 1980 to 2019

近岸海域最大風(fēng)速低于外海。在22°～25°N范圍內(nèi),臺(tái)灣島以西海域最大風(fēng)速介于26.2～49.1 m/s,而以東海域最大風(fēng)速介于44.4～56.4 m/s,以西海域最大風(fēng)速明顯低于以東海域,以西海域的風(fēng)災(zāi)影響強(qiáng)度在STS、TY、STY級(jí)別,而以東海域都經(jīng)歷過STY和Super TY級(jí)別的風(fēng)災(zāi)影響。在26°～32°N范圍內(nèi),近海沿岸最大風(fēng)速略低于外海。

從南到北,最大風(fēng)速在近海沿岸與外海展現(xiàn)出不同的變化特征。其中外海最大風(fēng)速從南到北大體上依次遞減,風(fēng)速從Super TY級(jí)別遞減到STS級(jí)別;近海沿岸最大風(fēng)速在寧德沿海至溫州沿海附近海域到達(dá)STY級(jí)別,然后向南北兩側(cè)海域遞減到STS級(jí)別。

最大風(fēng)速的這種空間分布特征,一是與生成源地、海域條件緊密相關(guān)的TC發(fā)展過程有關(guān),二是受地形等影響所形成。TC生成后,在向東海及其鄰近海區(qū)移動(dòng)的過程中,由于下墊面海洋環(huán)境條件的影響會(huì)導(dǎo)致TC能量的耗散或增強(qiáng),總體而言,向北臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱,也導(dǎo)致了最大風(fēng)速從南到北依次遞減的分布特征。此外,由于臺(tái)灣島高大山脈地形的遮擋,在臺(tái)風(fēng)影響下臺(tái)灣海峽中部的最大風(fēng)速顯著低于周圍海域。

2.2.1 強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間的空間分布

TC風(fēng)災(zāi)大小不僅與最大風(fēng)速存在著密切的關(guān)系,還與大風(fēng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。Emanuel[51]通過對(duì)v3m在時(shí)間上進(jìn)行積分,構(gòu)造了TC能量耗散指數(shù)(Power Dissipation Index,PDI)。Zhang等[25]研究TC風(fēng)速大小對(duì)港口正常運(yùn)行造成的災(zāi)害損失影響時(shí),也考慮了風(fēng)速大小(強(qiáng)風(fēng),風(fēng)速≥10.8 m/s)以及強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間(≥24 h)。為進(jìn)一步了解風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),分析了東海及其鄰近海區(qū)出現(xiàn)TC風(fēng)速≥10.8 m/s(風(fēng)力6級(jí)以上)的強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間及其空間分布。

東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)速達(dá)到強(qiáng)風(fēng)等級(jí)的累積時(shí)間的空間分布結(jié)果如圖4所示。強(qiáng)風(fēng)發(fā)生累積時(shí)間的空間分布存在明顯的區(qū)域差異,從(128°E,24°N)到(122°E,32°N),累積時(shí)間從4 000多h下降到400多h,靠近沿海和登陸的TC數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外海,這種趨勢與TC生成源地、發(fā)展過程以及大氣背景環(huán)流和海洋下墊面條件有關(guān),TC在(110°～160°E,5°～25°N)區(qū)域生成,在向東海及其鄰近海區(qū)移動(dòng)過程中,大部分轉(zhuǎn)向,不直接影響近岸海域,一部分到達(dá)近岸海域,甚至登陸,遠(yuǎn)離近岸海域的TC,在統(tǒng)計(jì)區(qū)域的風(fēng)速會(huì)隨經(jīng)度增加而逐步減小,直至低于強(qiáng)風(fēng)等級(jí),實(shí)際統(tǒng)計(jì)得到的累積影響時(shí)間也小于外海。

圖4 1980—2019年東海及其鄰近海區(qū)TC過程中出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)(風(fēng)速≥10.8 m·s-1)的累積時(shí)間分布Fig.4 Cumulative time of strong breeze(wind speed greater than 10.8 m·s-1)during the TC process in the ECS and its adjacent sea areas from 1980 to 2019

在22°～24°N范圍內(nèi),臺(tái)灣島以西海域強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間基本低于2 000 h,而在以東海域,累積時(shí)間均超過2 000 h,且隨著經(jīng)度的增加而增加。在26°～32°N范圍內(nèi),近海沿岸累積時(shí)間低于外海,且隨著經(jīng)度的增加而增加,強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間低于4 000 h。

從南向北,出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間在近海沿岸與外海呈現(xiàn)出不同的變化特征,其中外海累積時(shí)間從南到北大體上依次遞減,累積時(shí)間從3 000多h依次遞減到500多h,近海沿岸累積時(shí)間在26°～27°N范圍內(nèi)能達(dá)到1 600多h,然后向南北兩側(cè)海域依次遞減,向北遞減到480多h,向南遞減到700多h。

2.3 東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)速隨時(shí)間變化分析

近海,特別是沿岸海區(qū),是生產(chǎn)活動(dòng)的頻繁區(qū)域,風(fēng)速大小對(duì)其生產(chǎn)活動(dòng)影響極大。為進(jìn)一步了解東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)速的逐年變化規(guī)律,選取了9個(gè)站位點(diǎn)的TC風(fēng)速進(jìn)行分析。其中,5個(gè)近海站位點(diǎn)分別位于:福建莆田和寧德沿海,對(duì)應(yīng)位置為(119°E,25°N)和(120°E,26°30′N);浙江溫州和舟山沿海,對(duì)應(yīng)位置為(121°E,28°N)和(122°E,30°N);長江口海域,位置為(122°E,32°N)。TC對(duì)于海上船舶航行等海上活動(dòng)安全存在重要威脅,因而,也選取了外海的4個(gè)站位點(diǎn),沿東海地理中線125°E,從南向北依次為E1、E2、E3和E4,對(duì)應(yīng)的緯度依次為26°N、28°N、30°N和32°N。

2.3.1 各代表站位的風(fēng)速年際變化

受TC過程影響,在站位點(diǎn)附近出現(xiàn)的最大風(fēng)速的年際變化結(jié)果如圖5所示,可以看出,各站位點(diǎn)每年出現(xiàn)的最大風(fēng)速差異較大。近海TC風(fēng)速在溫州沿海(28°N)達(dá)到最大,外海TC風(fēng)速在E3(125°E,26°N)點(diǎn)達(dá)到最大,近海與外海最大風(fēng)速出現(xiàn)地點(diǎn)存在明顯差異,這種差異可能主要由臺(tái)灣島高大山脈地形的遮擋所致。

圖5 1980—2019年每年TC過程出現(xiàn)的最大風(fēng)速的年際變化Fig.5 Interannual variation of maximum wind speed during the TC process from 1980 to 2019

為了更清晰地展示各站位點(diǎn)風(fēng)速的年代際變化,對(duì)各站位點(diǎn)每10 a間及40 a間每年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速進(jìn)行平均并統(tǒng)計(jì),結(jié)果(表3)表明,近海海域40 a的最大風(fēng)速平均值最大值出現(xiàn)在溫州沿海(28°N),風(fēng)速為20.9 m/s,最小值出現(xiàn)在長江口沿海(32°N),風(fēng)速為14.8 m/s,外海40 a的平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在E1(26°N),風(fēng)速為30.3 m/s,最小值出現(xiàn)在E4(32°N),風(fēng)速為19.9 m/s。近海沿岸40 a的最大風(fēng)速平均要低于相應(yīng)緯度的外海風(fēng)速。

表3 每年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速10 a及40 a平均結(jié)果Table 3 Ten-year average statistics of maximum wind speed during TC process m·s-1

由1980—2019年東海及其鄰近海區(qū)每年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速的10 a平均變化結(jié)果(圖6)可知,最大風(fēng)速每10 a的平均值分別為21.0、16.8、22.5、24.4 m/s。在2000年以前,最大風(fēng)速平均值并無明顯遞增的趨勢,而2000年以后,最大風(fēng)速平均值呈現(xiàn)明顯遞增趨勢:2000—2009年相對(duì)于1990—1999年的最大風(fēng)速平均值增加了約5.7 m/s,2010—2019年相對(duì)于2000—2009年最大風(fēng)速平均值增加了約1.9 m/s。2000年以后,TC最大風(fēng)速平均值每10 a的增速約為1.6 m/s。Kuntson等[52]對(duì)熱帶氣旋和氣候變化的評(píng)估結(jié)果表明:自20世紀(jì)80年代初以來,TC的全球平均強(qiáng)度增加,且近幾十年來,達(dá)到4級(jí)和5級(jí)強(qiáng)度(按照薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級(jí)劃分)的熱帶氣旋的全球比例有所增加。Park等[53]研究表明,1977—2010年西北太平洋TC生命期中TC最大強(qiáng)度的位置更靠近東亞,導(dǎo)致在中國東部、韓國和日本登陸的TC強(qiáng)度增加。此外,Kossin等[54]研究表明,TC路徑正在從南海向東海轉(zhuǎn)移。但這種年代際變化的具體原因及其理論依據(jù)仍需要進(jìn)一步詳細(xì)的研究與驗(yàn)證。

圖6 1980-2019年東海每年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速的10 a平均變化Fig.6 Variation of the ten-year average of maximum wind speed during TC process from 1980 to 2019 in the ECS

2.3.2 各代表站位強(qiáng)風(fēng)發(fā)生累計(jì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

對(duì)各站位點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示,可以看出,近岸強(qiáng)風(fēng)事件在寧德沿海(26°N)最為頻繁,累積時(shí)間達(dá)1 472 h;外海強(qiáng)風(fēng)事件多發(fā)生在E1(26°N),臺(tái)風(fēng)影響下達(dá)到強(qiáng)風(fēng)的累計(jì)時(shí)間達(dá)3 506 h,二者均出現(xiàn)在26°N附近海域。

表4 各代表點(diǎn)強(qiáng)風(fēng)(風(fēng)速≥10.8 m·s-1)發(fā)生累積時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 4 Cumulative time of strong breeze(wind speed greater than 10.8 m·s-1)

續(xù)表

為了更加詳細(xì)地了解各站位點(diǎn)強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間分布情況,依據(jù)TC等級(jí)劃分(表2)對(duì)各站位點(diǎn)的發(fā)生強(qiáng)風(fēng)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表4和圖7所示?？傮w而言,TC等級(jí)越高,TC發(fā)生的幾率越小,記錄到強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間也越少。各等級(jí)TC累積時(shí)間的最大值大致出現(xiàn)在26°N附近海域。另外,在溫州沿海海域出現(xiàn)風(fēng)速達(dá)到STY級(jí)別也是較為普遍的。

圖7 各類風(fēng)速累積時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of cumulative time of various wind speeds

2.3.3 最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)間

TC發(fā)生的時(shí)間不確定,而不同時(shí)期發(fā)生的TC對(duì)近岸的生產(chǎn)生活造成的影響差異很大,故了解TC發(fā)生的時(shí)間,有利于近海生產(chǎn)生活及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整,以更好地應(yīng)對(duì)TC的影響,如近海養(yǎng)殖漁業(yè)在TC來臨之前要采取措施,做好防TC準(zhǔn)備工作,甚至可以結(jié)合養(yǎng)殖設(shè)施的抗風(fēng)能力及時(shí)地收獲水產(chǎn)品,以最大限度地降低因TC影響而造成的損失。為此,進(jìn)一步分析了TC影響下強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間,這對(duì)于近海海域的生產(chǎn)生活有著重要意義。

1980—2019年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速(40 a間每年TC過程中出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)的最大風(fēng)速)發(fā)生時(shí)間,如表5所示。近海最大風(fēng)速最早發(fā)生在2004年8月8日,位于長江口沿海,風(fēng)速為32.9 m/s;最晚發(fā)生在2016年9月15日,位于莆田沿海,風(fēng)速為34.6 m/s。近岸最大風(fēng)速發(fā)生的時(shí)間均在2 000年以后,且基本發(fā)生在7月中旬至9月中旬。外海最大風(fēng)速最早發(fā)生在1983年9月26日,位于E2,風(fēng)速為46.3 m/s;最晚發(fā)生在2019年9月6日,位于E3和E4,風(fēng)速分別為40.4和40.5 m/s。外海最大風(fēng)速發(fā)生時(shí)間多在8月至9月。

表5 各點(diǎn)1980—2019年TC過程中出現(xiàn)的最大風(fēng)速及發(fā)生時(shí)間Table 5 Occurrence time and magnitude of maximum wind speed during TC process from 1980 to 2019

2.4 東海及其鄰近海區(qū)風(fēng)災(zāi)等級(jí)空間分布

利用最大風(fēng)速及強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間表征東海風(fēng)災(zāi)的分布情況有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。例如,近海沿岸40 a的平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在溫州沿海(28°N),而強(qiáng)風(fēng)發(fā)生累積時(shí)間最大值出現(xiàn)在寧德沿海(26°N)。為了進(jìn)一步了解東海及其鄰近海區(qū)風(fēng)災(zāi)等級(jí)空間分布特征,本文引入Simpson風(fēng)災(zāi)指數(shù)[48],將最大風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間二者結(jié)合,進(jìn)而構(gòu)造風(fēng)災(zāi)指數(shù)PI,以探究東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)災(zāi)等級(jí)的空間分布情況。

1980—2019年東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)災(zāi)等級(jí)空間分布結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?風(fēng)災(zāi)等級(jí)的空間分布存在明顯的區(qū)域差異。(123°～129°E,22°～27°N)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較高,風(fēng)災(zāi)級(jí)別均位于“中等”級(jí)別以上。其他區(qū)域風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較低。

圖8 東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)災(zāi)等級(jí)分布Fig.8 Spatial distribution of the levels of TC wind disaster in the ECS and its adjacent sea areas

近海風(fēng)災(zāi)等級(jí)明顯低于外海,其中在22°～25°N范圍內(nèi),臺(tái)灣島以西海域內(nèi)的風(fēng)災(zāi)等級(jí)處于“低”、“較低”級(jí)別,而臺(tái)灣島以東海域的風(fēng)災(zāi)等級(jí)處于“較低”、“中等”、“較高”、“高”級(jí)別。風(fēng)災(zāi)等級(jí)達(dá)到“高”級(jí)別的分布區(qū)域均位于(123°～125°E,22°～23°N)內(nèi)。

從南到北,風(fēng)災(zāi)等級(jí)空間分布在近海與外海呈現(xiàn)出不同的變化特征,其中外海風(fēng)災(zāi)等級(jí)從南到北大體上依次遞減,風(fēng)災(zāi)級(jí)別從“高”級(jí)別遞減到“低”級(jí)別。近海寧德沿海至溫州沿海的風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較高。

鑒于近海寧德沿海至溫州沿海風(fēng)災(zāi)相對(duì)嚴(yán)重,另據(jù)浙江省自然資源廳發(fā)布的《2019年浙江省海洋災(zāi)害公報(bào)》①浙江省自然資源廳.2019年浙江省海洋災(zāi)害公報(bào).杭州.2020.,浙江省海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失整體呈現(xiàn)遞增的趨勢,2019年的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)87億元,這主要是由在浙江省溫嶺市登陸的09號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”所致。但需要注意的是,僅從歷史熱帶氣旋災(zāi)害損失推測未來災(zāi)害趨勢仍存在一定的不確定性。

TC災(zāi)害造成的損失越來越嚴(yán)重,及時(shí)獲取有效的TC災(zāi)害損失信息,對(duì)于災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、資源分配至關(guān)重要,同時(shí)也能促進(jìn)有關(guān)災(zāi)害指數(shù)研究的發(fā)展[55]。依據(jù)Simpson理論構(gòu)建的風(fēng)災(zāi)指數(shù),在一定程度上反映了TC風(fēng)災(zāi)等級(jí),但構(gòu)建的風(fēng)災(zāi)指數(shù)僅適用于海上,這主要是由于在構(gòu)建TC風(fēng)場時(shí)并未考慮地形的影響,故而對(duì)于登陸后的TC風(fēng)災(zāi)可能存在較大差異。此外,對(duì)于完整的TC災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,不僅要考慮風(fēng)災(zāi)的影響,還需要考慮海浪、風(fēng)暴潮及極端降雨等災(zāi)害的影響。

3 結(jié) 論

本文選取了1980—2019年間影響東海及其鄰近海區(qū)的587個(gè)TC過程,利用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場構(gòu)建了東海的TC風(fēng)場,對(duì)最大風(fēng)速、強(qiáng)風(fēng)的累積時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并探究了東海及其鄰近海區(qū)TC風(fēng)災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的空間分布,得出主要結(jié)論:

1)1980—2019年間,平均每年約有14.7個(gè)TC過程影響東海及其鄰近海區(qū),8月TC活動(dòng)最為頻繁,約占TC總數(shù)的26.36%。TC活動(dòng)有一定的年代際變化特征,進(jìn)入2010年,TC活動(dòng)有所增加。

2)東海及其鄰近海區(qū)大部分海域受熱帶氣旋影響,都會(huì)出現(xiàn)最大風(fēng)速超過30 m/s的現(xiàn)象,近海沿岸最大風(fēng)速低于外海,其中臺(tái)灣島以西海域最大風(fēng)速要明顯低于其以東海域,這主要與臺(tái)灣島高大山脈地形的遮擋有關(guān)。外海最大風(fēng)速從南到北大體上依次遞減,風(fēng)速從Super TY級(jí)別遞減到STS級(jí)別;近海最大風(fēng)速在寧德沿海至溫州沿海附近海域到達(dá)STY級(jí)別,然后向南北兩側(cè)海域遞減到STS級(jí)別。

3)東海及其鄰近海區(qū)強(qiáng)風(fēng)累積時(shí)間的空間分布存在明顯的區(qū)域差異,近海累積時(shí)間低于外海,臺(tái)灣島以西海域累積時(shí)間基本低于2 000 h,而在以東海域,累積時(shí)間均超過2 000 h,且隨著經(jīng)度的增加而增加。外海累積時(shí)間從南到北大體上依次遞減,累積時(shí)間從3 000多h依次遞減到500多h。近海累積時(shí)間在26°～27°N范圍內(nèi)能達(dá)到1 600多h,然后向南北兩側(cè)海域依次遞減,向北遞減到480多h,向南遞減到700多h。

4)東海及其鄰近海區(qū)的近海海域最大風(fēng)速基本發(fā)生在7月中旬至9月中旬,外海海域最大風(fēng)速多發(fā)生在8月至9月。

5)(123°～128°E,22°～27°N)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較高,風(fēng)災(zāi)級(jí)別均位于“中等”級(jí)別以上。其他區(qū)域風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較低。風(fēng)災(zāi)等級(jí)達(dá)到“高”級(jí)別均位于(123°～125°E,22°～23°N)區(qū)域內(nèi)。外海風(fēng)災(zāi)等級(jí)從南到北大體上依次遞減,近海沿岸寧德沿海至溫州沿海的風(fēng)災(zāi)等級(jí)相對(duì)較高。

東海及其鄰近海區(qū)每年受多次不同強(qiáng)度的TC活動(dòng)影響,TC災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。東海近海TC風(fēng)災(zāi)較為嚴(yán)重區(qū)域位于寧德沿海至溫州沿海,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的TC風(fēng)災(zāi)研究,提高預(yù)報(bào)預(yù)測能力和抗災(zāi)能力。通過分析各地區(qū)TC風(fēng)速的回歸周期和風(fēng)險(xiǎn),建立相應(yīng)的防風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),結(jié)合受災(zāi)物體在實(shí)際TC災(zāi)害中的受災(zāi)情況,研究具體受災(zāi)物體的受災(zāi)特點(diǎn),對(duì)改進(jìn)和提高防災(zāi)都非常必要。近海TC最大風(fēng)速出現(xiàn)在每年7月中旬至9月中旬,對(duì)于沿海涉海的生產(chǎn)活動(dòng),在進(jìn)入7月中旬后,應(yīng)特別注意TC活動(dòng),采取相應(yīng)有效的TC應(yīng)對(duì)措施,降低災(zāi)害損失和影響。