2009年两次灾害性风暴潮成因及对比分析

2011-12-13赵金霞徐灵芝天津滨海新区气象预警中心天津300457

天津科技 2011年3期

关键词：渤海湾风暴潮潮位

赵金霞徐灵芝（天津滨海新区气象预警中心天津300457）

范苏丹（南京信息工程大学南京210044）

2009年两次灾害性风暴潮成因及对比分析

赵金霞徐灵芝（天津滨海新区气象预警中心天津300457）

范苏丹（南京信息工程大学南京210044）

2009年天津港发生两次灾害性风暴潮天气过程，应用MICAPES资料、自动气象站资料、NCEP再分析资料及天津海洋局潮位资料，对两次过程的天气系统进行了分析，得到风暴潮成因及增水的不同特征，对未来天气预测有指导意义。

风暴潮成因增水特征对比分析

渤海海域大部分被陆地包围，只有东侧一个100 km宽的出口与黄海相连，形如一个斜放着的一个椭圆，平均水深约18 m，是一个半封闭型的浅海。它的地形地貌和地理位置造成了一年四季均有风暴潮发生。统计结果表明，[1]在50年所有影响渤海湾的风暴潮或者强增水个例中，冷锋型占了65.3%，台风型占22.7%，最少的是强孤立气旋型，仅占12%。无论哪一种天气系统影响，其直接作用结果都是产生向岸大风导致风暴增水。一般来说，形成风暴潮有2个条件：第一，逢农历初一、十五的天文大潮，它是形成风暴潮的主体；第二，持续强劲的向岸大风是风暴增水的主要强迫力。[2-5]2009年两次灾害性风暴潮的产生，一是受温带气旋入海影响造成渤海海峡偏东大风，二是冷空气以回流形式南下入侵渤海产生东北大风，当天文大潮与持续的向岸大风遭遇时，风应力增水作用导致风暴潮发生。风暴潮是由于强烈的大气扰动所伴随的强风和气压骤变所导致的海面异常升降的现象，[6-8]往往造成巨大灾难。滨海新区位于渤海湾湾顶，是风暴潮灾害的多发区和严重区。[9]渤海严重的风暴潮灾害引起了众多学者的重视，刘凤树等[10]对黄河口区风暴潮及其影响与预防对策进行了研究，胡欣等[11]对渤海湾风暴潮天气系统及风场结构进行了分析，于恩洪等[12]对渤海湾风暴潮进行了统计分析，李艳芸[13]建立了渤海天文潮的预报模型，包澄澜[14]分析了厄尔尼诺与风暴潮的关系。随着沿海经济的快速发展和对外贸易的增加，海上航行和岸边仓储安全变得尤为重要，因此找出风暴潮的发生规律和特征对风暴潮准确预报有重要的作用。

1 资料与方法

文中所用资料包括MICAPS系统天气图、NCEP再分析资料，渤海湾埕北A平台国家基本站（站号54646，位置118°25′E，38°27′N）的风向风速、海平面气压观测资料，国家基本站天津塘沽站（站号 54623，位置 117°43′E，39°03′N）的风向风速、气压观测资料，国家海洋观测基本站天津塘沽海洋站的每5 min潮位观测资料。

天津港目前的防潮标准警戒水位为490 cm，以往以470 cm作为标准是由于沿海地区如天津港客运码头及港口的一些企业单位地处低洼，潮位达470 cm时已经造成淹泡，并且在风暴潮出现同时一般伴有大风和大浪，也会造成一定灾害，本文将潮位达到警戒水位490 cm为风暴潮标准。风暴潮的强弱通常由增水来表示，即将实测潮位与计算所得天文潮位之差作为风暴增水。

天津港发生的风暴潮有明显的季节特点，8～11月为高发期，2月和4月出现大于520 cm的风暴潮为历史罕见。2009年2月13日05：40时受温带气旋影响，天津港发生了潮高达528 cm的严重风暴朝，天津港客运码头、船闸上水达60 cm，交通全部中断。天津港一公司、二公司码头部分地段上水，水深30 cm左右。气象局预警后及时启动了应急预案，5部大型设备从低洼地段转移到高处；仓库门进行了封堵，库内几万吨大豆、粮食等没有被淹泡损失。2009年4月15日，受强冷空气和低压倒槽共同的影响，渤海湾及莱州湾发生了较严重的风暴潮和海浪灾害，渤海、黄海北部形成4～5 m的巨浪区，遭受很大的经济损失和人员伤亡，其中天津市大港区37名遇险人员有22人获救，3人遇难，6人失踪；河北省沧州市沉没损毁船只6艘、损毁港口码头、堤坝和养殖设施等直接经济损失7 000多万元；山东省潍坊市共救助人员108人，受伤40人，失踪1人，沉船4艘，损毁港口码头、养殖设施、防浪堤等造成直接经济损失2 000多万元。本文通过分析2009年两次风暴潮异常增水过程，以期为风暴潮的预报积累经验，为防灾减灾提供基础资料依据。

2 风暴潮成因

2.1 天气形势分析

2009年2月13日风暴潮过程由温带气旋所致。2月12日20：00时（图略），500 hPa亚洲北部为宽广的低压槽区，在西南地区南支槽发展明显。700 hPa在河套以东至长江上游有一高空槽，温度场明显落后于高度场，锋区交角接近80°，冷空气向东南冲下，促使南支槽深厚发展。850 hPa在东北-华北-西南有3个闭合低压中心，南支槽前西南气流强盛，低空急流风速达22 m/s，渤海西岸有一闭合低压中心，中心风速达18 m/s，40°N以南为暖舌控制区。地面图上气旋范围较大，呈东北-西南向，有两个中心，北部中心位于山东半岛附近，中心强度992 hPa。可见这一中纬度气旋发展成为深厚的温带气旋。13日02：00时气旋经山东半岛北部入海，此时陆地站城山头气压992.9 hPa，气旋中心位于海上（图1a）。此后气旋中心向东北方向移动，经北黄海登陆朝鲜半岛，逐渐远离渤海湾。

2009年4月15日风暴潮过程是东北强冷空气南下引起的，4月14日20：00时（图略），500 hPa在黑龙江以北有一冷低涡，最低气温达-45℃，700 hPa和850 hPa有低涡配合，从低涡延伸出的横槽经北京到达河套；锋区呈东西走向到达40°N；850 hPa高度上锋区两侧温差大于20℃。地面图呈北高南低的形势，贝湖冷高压受西南倒槽的阻挡向东北移动，东西向的冷锋到达渤海北部，15日02时南压到渤海中部，黄河下游至渤海湾为低压倒槽控制（图1b），08时冷空气爆发性南压快速移过山东半岛。

2.2 风场分析

2月13日02时在1 000 hpa高度场和风场风（图1a）上，渤海处在气旋的第二象限，黄海南部的风指向黄海北部，黄海北部则通过渤海海峡指向渤海湾西岸，而渤海为一致的东北风，中部最大风速达20 m/s。渤海湾海面54646站12日的风向转变是08～14～20时为SE－E－NE，风速维持在9.0 m/s左右，23时东北风突然增大到16.1 m/s，13日02时极大风速达21.8 m/s，10时风速减小到8.0 m/s，东北风维持到14时。陆地54623站风速从始至终非常小，没有超过5 m/s，原因是受海上气旋影响，气旋从山东半岛入海后发展加强，气压梯度增大，梯度风随之加大。海上观测站位置较陆地站偏东南，相对气旋的位置较近，风暴潮是在海上54623站持续7 h东北大风后与高潮位叠加产生的。不论是海上站还是陆地站，向岸的风向都有利于风暴增水。由于气旋入海的作用，导致渤海海峡和黄海北部偏东到东北风，涌浪通过渤海海峡涌进渤海湾造成海水堆积，导致风暴潮发生。因此对于风暴潮的预报，预报海上大风不仅局限于渤海，黄海北部及渤海海峡的风况同样重要。

4月15日02时在1 000 hpa高度场和风场风（图1b）上，渤海北部和中部东北风逐渐增大到20.0 m/s，由于渤海湾受低压倒槽的影响吹偏东风，此时渤海湾海面54646站东风瞬时风速由5.8 m/s突然增达到17.0 m/s，05时东风瞬时风速达到27.6 m/s，到10时转东北风13.9 m/s。陆地54623站风向、风速与海面站配合很好，02时东风增大至11.3 m/s，05时极大风速达到21.4 m/s，10时转为东北风6.7 m/s。由于冷空气爆发性南下，在渤海湾出现偏东大风3.5 h后与高潮位叠加产生强风暴潮。因此偏东大风的持续时间与高潮位是否叠加是风暴潮出现的关键。

2.3 散度场分析

散度是衡量速度场辐合、辐散强度的物理量。图2a是沿122°E做的剖面图，从图中可以看出，底层最大辐合中心在39°N，即渤海海峡附近为-70×10-6s-1；大气的斜压性很强，从低纬到高纬无辐散层逐渐升高，说明北部的低层有冷空气南下，抬升作用加剧了气旋的发展。最大辐散中心在41°N、420 hPa上为50×10-6s-1；在122°E上，大气层结在39°N的低层强烈辐合上升，在41°N的高层出现强辐散下沉，使气旋快速加强，从而导致梯度风加大.

图1（a） 2月13日02时1 000 hPa高度场和风场

图1（b） 4月15日02时1 000 hPa高度场和风场

图2b是沿120°E做的剖面图，从图中可以看出，底层最大辐合中心在38°N，即渤海南部附近为-70×10-6s-1；在底层41°N附近有一个辐散中心30×10-6s-1，说明渤海北部海面已有很强的下沉气流；南部强辐合上升，北部强下沉辐散，导致冷空气爆发性南下。

图2（b） 4月15日02时散度垂直剖面图

2.4 位温和温度平流分析

位温是表征空气热状态的干过程物理量，因此采用位温和温度平流来探讨风暴潮发生时冷空气强度，对大风的预测有很好的指示作用。

图3和图4是沿120°E做的剖面图位温及温度平流剖面图，从图3（a）可以看出，北面的冷空气已经到达36°N，其中700 hPa的高度上暖气团较强，达到324 K；冷气团前的等位温线较密集，在38°N附近960 hPa以上坡度明显减小，说明暖气团势力强大，气旋在发展。从温度平流图3（b）看，强冷平流到达39°N附近，-50×10-5K/S冷中心接近底层，说明强冷空气已达渤海中部，暖气团受到抬升后，气旋在加强，梯度风将加大。

图3（a） 2月13日02时位温垂直剖面图

图3（b） 2月13日02时温度平流垂直剖面图

从图4（a）可以看出，北面的冷空气已经到达38°N，相邻的暖气团强度达320 K，冷气团前的等位温线非常密集，在38°N～40°N附近850 hPa以下等位温线呈垂直排列，说明下沉冷空气强，积聚层厚；从温度平流看图4（b），-50×10-5K/S强冷平流在39°N附近到达底层，在其上920 hPa的高度上有一个-80×10-5K/S的冷中心，说明冷空气在近地层爆发南下，移速很快，已到达渤海中部。

图4（a） 4月15日02时位温垂直剖面图

2.5 1 000 hPa高度上6小时变高分析

图4（b） 4月15日02时温度平流垂直剖面图

图5（a） 2月13日02～08时变高场

变高反映了系统的强弱和移动速度快慢，从图5（a）6小时变高场可以看出，渤海以南为正变高，中心达8 hPa，朝鲜及其以东为负变高，中心达-8 hPa；零变高即锋区在山东半岛东部，气旋以东移为主，气旋中心前部为东南风，后部为东北风；由于气旋的发展加强，移速慢，渤海湾及莱州湾长时间维持正变高。从图5（b）可以看出6小时变高场在渤海及其以西为正变高，中心达18 hPa；山东半岛以南为零变高，说明冷空气在渤海湾及莱州湾有强烈的积聚，强冷空气在南压过程中西南倒槽逐渐减弱、填塞。

图5（b） 4月15日02～08时变高场

3 风暴潮增水特征

2月13日风暴潮的产生，从风暴潮过程潮位曲线看（图6），12日13：40时开始出现大于100 cm的增水，到13日03：20时达到增水最大值204 cm，超200 cm的增水持续了3.5 h。05:40时天津港发生了潮高达528 cm的严重风暴朝，实况潮位超过警戒水位38 cm。增水峰值出现在最高潮位期之前，超过100 cm的增水持续了16 h。但在潮位回落的过程中维持100 cm的较高增水持续8 h；高增水持续时间如此之长在统计中少见。原因是气旋强烈的偏东风由黄海经渤海海峡时，风应力带动外海海水涌入渤海，冲向渤海西岸，当一个前进潮波传入海湾时为入射波，到达渤海湾由于湾顶岸壁的全反射就产生了一个反射波，这两个波叠加而成的驻波构成了渤海湾的潮波，而各时刻的潮流，可看作入射潮波和反射潮波叠加而成。此次过程海岸风速虽小，但外海风速大导致海水大量涌入，使渤海湾水位急剧增高。当潮位回落时由于气旋中心气压低，周围大气辐合上升的抽吸作用使黄海北部海面水位增高，加之渤海海峡通道狭窄，宽度仅为100多km，东退的海水不能迅速地流出渤海，因此风暴潮发生前后渤海湾维持较高的增水。

图6 2009年2月12日12：00时～13日12：00时实测潮位（点线）、增水曲线（实线）及警戒水位（虚线）情况（单位∶m）

4月15日风暴潮的产生是受强冷空气和低压倒槽共同影响，增水特点是水位上升迅速，03：10开始出现大于100 cm的增水，持续3个多小时后，06：50时就发生最高潮位达523 cm的严重风暴朝；最大增水值出现在高潮位之后，9：00时最大增水198 cm；这是因为强冷空气从东北以回流的形式爆发性南下，渤海湾及沿岸偏东风迅速增大，风大浪高使海岸增水迅猛，与当日天文高潮位相遇时就引发灾害性风暴潮。由于增水的滞后性，54646站大于17.2 m/s强风持续到9：00时，岸边出现了增水最大值；11时风力的减小到9.7 m/s以下，14：00时以后增水小于100 cm。这类冷空气配合低压倒槽，系统移速快、强度强、影响时间短、范围小，准确的预报难度大。在大风、巨浪共同影响下，渤海湾和莱州湾沿岸发生了较严重风暴潮和海浪灾害。

4 风暴潮灾害的成因

通常天文大潮、风暴增水与巨浪三者叠加是造成灾害的主要原因。统计表明，[11]渤海湾天文大潮要比理论上的朔（农历初一）和望（农历十五）日延后2～3天，2009年2月13日为农历十九，而4月15日为农历二十，这两次风暴潮过程介于两次天文高潮日之间，显然不是天文大潮日。但天津港属半日潮，[15]在每个太阴日（约24时50分）内可有两次高潮和两次低潮，天文高潮一般出现在凌晨5时±3 h期间和下午17时±3 h期间。第一次过程影响系统为二月份很少出现的温带气旋，天文高潮位非常低，为335 cm，较警戒水位相差155 cm，通常情况下很难产生风暴潮。但受气旋入海影响，气旋顶部强烈的偏东风由黄海经渤海海峡时，风应力带动外海海水涌入渤海，虽然陆地风速在风暴潮过程前后始终没有超过5 m/s，但海上风速大，起风时间早，由于风应力增水的贡献，造成了渤海湾长时间较高的增水；当高增水与当日高潮位叠加时，就出现了灾害性暴潮。风暴潮发生时由于岸边风速小，对港口作业及码头停泊的船只影响不大，但对岸边仓储，海上航行，交通等还是有很大的潜在危险，应该引起高度重视。第二次过程出现在强冷空气影响下，天文高潮位较低，为352 cm，较警戒水位相差148 cm，但渤海湾海面出现大于17.0 m/s的大风3个多小时，高增水与当日高潮位叠加，海岸就出现风暴潮。由于风暴潮发生时，狂风推动巨浪扑向岸，在向岸浪冲击和爬坡效应的共同影响下，防潮堤、防潮闸等建筑物及停泊的船只严重损坏，大风也使海上船只、码头大型装卸设备及仓储等遭受损害，从而使灾害损失加重。由于这次强冷空气南下速度快，爆发力强，持续时间短，很容易漏报，因此在春季强冷空气影响渤海时应该给予密切关注。

5 小结

2009年发生的两次强风暴潮均在非大潮日，第一次是温带气旋北上入海，渤海海峡及黄海北部维持偏东大风，风应力带动外海海水涌入渤海，使渤海湾长时间维持较高的增水，超过100 cm的增水持续了16 h后出现528 cm大潮。第二次是东北冷空气以回流的形式爆发性南下，使沿岸快速增水，渤海湾大于17 m/s偏东大风持续3.5 h后出现523 cm大潮。因此害性风暴潮是在高增水与高潮位叠加时产生。

冬季温带气旋入海引起渤海湾如此高的增水（最大增水204 cm）为历史罕见。后期增水回落缓慢，体现了气旋增水特点。散度场中低层强辐合与高层辐散增大，说明气旋入海后加强，冷平流锲入式抬升使气旋快速发展，梯度风迅速增大。-50×10-5K/S冷平流强度、-70×10-6s-1辐合上升强度和变压强度都显示气旋入海后的加强。

冷空气以回流的形式爆发性南下，在狂风巨浪的推动下，3个多小时产生198 cm的增水在统计中少见。温度场中位温梯度大，低层呈垂直形式分布，-80×10-5K/S冷平流中心和6 h 18 hPa的正变压，对冷空气强度和移速有很好的指示意义。

第一次风暴潮发生时由于岸边风速小，容易造成漏报。第二次风暴潮发生时冷空气南下速度快，爆发力强，持续时间短，对其产生的灾害性程度容易预报偏低，这两种情况在今后预报和服务中应该给予高度重视。■

[1]王万筠，殷海涛，赵玉洁，近50年滨海新区风暴潮及强增水个例分析[J]．天津航海，2007，（2）：66-69.

[2]胡欣，景华，王福侠，等.渤海湾一次风暴潮的天气成因分析[J].气象科技，2005，33（3）：235-239.

[3]刘学萍，邹积庆，李洪业，等.烟台港风暴潮灾害及其预报[J].气象，1997（5）：47-50.

[4]李云川，张迎新，王福侠，等.2003年10月风暴潮的形成及数值模拟分析[J].气象，2005（11）：15-18.

[5]郑丽娜，靳军.温带气旋诱发渤海湾风暴潮成因分析[C].中国气象学会2007年年会天气预报预警和影响评估技术分会场论文集，2007.

[6]沙文钰，杨支中，冯芒，等.风暴潮、浪数值预报[M].北京：海洋出版社，2004.

[7]冯士筰.风暴潮导论[M].北京：科学出版社，1982.

[8]冯士筰.风暴潮的研究进展[J].世界科技研究与发展，1998，20（4）:44-47.

[9]吴少华，王喜年，戴明瑞，等，渤海风暴潮概况及温带风暴潮数值模拟[J]．海洋学报，2002，3（24）：28-34.

[10]刘凤树，丁文兰，银铜，等，黄河口区风暴潮及其影响与预防对策的研究[J]．海洋科学集刊，1994，（35）：45-71.