“20110901”温带风暴潮过程天气形势分析及数值预报研究

刘秋兴，于海鹏，傅赐福，王培涛，赵联大，吴少华

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

“20110901”温带风暴潮过程天气形势分析及数值预报研究

刘秋兴，于海鹏，傅赐福，王培涛，赵联大，吴少华

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

对2011年9月1日在渤海发生的一次较强温带风暴潮过程的成因及发展情况进行了深入的研究，并对此次温带风暴潮的预报情况进行了较为详细的数值研究分析和总结。从数值预报的结果来看，两套温带风暴潮数值预报模式都表现出较好的预报能力，特别是对于此类移动速度较为稳定的温带系统，预报时效可以延长到24 h左右。通过总结近10年来我国渤海典型温带风暴潮过程的致灾特点发现:冷空气和低压配合对渤海特别是渤海湾产生的温带风暴潮灾害性影响不容小觑，夏半年时更要注意中尺度对流天气叠加在气旋天气系统上对灾害的放大作用。

温带风暴潮；数值计算；非结构三角网格

1 引言

在西北太平洋沿岸国家中，我国是最容易遭受温带风暴潮灾害袭击的国家，而渤海又是我国温带风暴潮灾害的重灾区[1-2]。进入21世纪以来，渤海发生了多次严重的温带风暴潮过程[3-5]，包括“20031011”温带风暴潮过程[6]、“20070303”温带风暴潮过程和“20090415”温带风暴潮过程[7]等。单纯冷空气或低压引起的灾害性风暴潮过程很少，纵观10年来我国渤海发生的较为严重的温带风暴潮过程，均是冷空气和低压配合引起的这一类温带系统，“20110901”温带风暴潮过程也是如此。受冷空气和低压的共同影响，2011年9月1日上午，渤海湾、莱州湾沿海出现了一次较强的温带风暴潮过程。河北黄骅潮位站出现了550 cm（超过当地警戒潮位70 cm）的高潮位，为该站有观测记录以来的历史第四大高潮位。天津塘沽潮位站潮位站出现了517cm（超过当地警戒潮位27 cm）的高潮位。尽管预报部门提前及时做出预警，有效地减小了损失，但此次风暴潮过程仍然导致了渤海湾部分堤段被冲毁、虾池被淹、渔船搁浅等损失。据不完全统计，仅河北、天津两地因本次风暴潮灾害造成的直接经济损失就高达近2亿元。

2 天气形势分析

本次温带风暴潮的天气系统直接诱因是典型的冷空气和低压在渤海配合产生的东北大风。从500 hPa高空天气图（见图1）上可以看到，8月31日08时有浅槽在贝加尔湖以东中蒙边界处生成并逐渐东移，于31日夜间扫过东北及渤海北部地区，形成此次大风天气的高空环流背景。

从850 hPa高空图（见图2）上可以看到，31日20时，渤海西部受到华北东伸的暖脊控制，东北地区是一个冷涡，冷涡槽后的锋区和冷平流已经控制东北地区。31日白天和上半夜渤海地区受暖湿气团控制，累积计了大量不稳定能量。至9月1日08时，锋区南移跨过渤海抵达山东半岛。

从地面图（见图3a）上可以看到，31日20时渤海西部位于高压后部弱低压控制吹弱的南-东南风有利于不稳定能量的累积。另外从距渤海西部最近的探空站北京31日20时的探空资料（见图4）看，有中等强度不稳定能量累积，cape（对流有效位能）值也达到1660，沿海地区由于空气的湿度大、不稳定能量只会更高。9月1日02时，地面冷锋抵达渤海湾地区（见图3b），引发了强烈的对流天气。05—08时，系统在渤海湾地区进一步发展并加强到鼎盛阶段,范围进一步扩大（见图3c、3d）。

图1 31日08时500 hPa高空天气图（引自韩国气象厅） 图2 31日20时850 hPa高空天气图（引自韩国气象厅）

图3 地面天气图（引自韩国气象厅）

从9月1日02时天津站的多普勒雷达测到的组合反射率图（见图5）上看，天津附近及渤海西部地区有50 dBz以上的强回波区。

图4 温度对数压力图

图5 多普勒雷达组合反射率图

同时，在平均径向速度多普勒雷达图（见图6）上，出现了27 m/s以上的东-东北向强风速区域，说明03时天津附近的近地面层出现了很强的东-东北向对流强风。

从连续的红外增强云图上看，9月1日01时对流云团开始在近海陆地上形成，02时移到天津一代沿海并强烈发展，03时进一步增强，04时范围扩大并开始东移，中心强度开始减弱，见图7。

图6 平均径向速度多普勒雷达图

图7 9月1日红外增强云图（引自台湾（中央）气象局）

图8 塘沽潮位站风速风向图

图9 黄骅潮位站风速风向图

结合塘沽和黄骅海洋站的风速风向实况可以看到（见图8、9），塘沽站02时风速达到7级风的强度（03时阵风9级）并一直维持至07时前后，风向以东北偏东风为主；黄骅站03时开始出现7级以上大风，也维持了3 h左右，特别是在04时后更观测到了10级（26.8 m/s）的阵风，风向以东北风为主。08时以后，两站风速逐渐减小到5级以下，此次过程对渤海湾的大风影响逐渐减弱至消失。

3 温带风暴潮过程实况

“20110901”温带风暴潮过程从9月1日凌晨开始影响我国的渤海湾，下午影响山东莱州湾沿海，沿岸各潮位站均观测到了不同程度的风暴增水，影响严重岸段为渤海湾，沿岸多个潮位站出现了超过当地警戒潮位的高潮位。渤海湾内天津塘沽站和河北黄骅站从1日02时前后开始出现明显增水，分别于07、06时前后增水达到最大，塘沽站整个过程逐时最大风暴增水110 cm，黄骅站过程逐时最大风暴增水123 cm，由于增水主振过程适逢渤海湾沿岸当日凌晨天文高潮位时段，因此沿岸塘沽站于1日04时58分出现了517 cm过程最高潮位，超过当地警戒潮位27 cm。河北省黄骅站于1日05时20分出现了550 cm的过程最高潮位，超过当地警戒潮位70 cm。山东潍坊站整个过程逐时最大风暴增水124 cm，最高潮位311 cm，由于最大增水未叠加到该站的天文高潮阶段，故该站未出现超过当地警戒潮位的高潮位。渤海湾、莱州湾沿岸各站潮位和增水见表1。

4 温带风暴潮过程的数值预报研究

国家海洋环境预报中心目前运行两套业务化温带风暴潮数值预报模式，每天定时两次对外发布温带风暴潮数值预报产品。温带风暴潮数值预报中强迫场采用国家海洋环境预报中心风场组提供的分辨率为0.1º×0.1º的MM5业务化数值预报产品的逐时分析风场和气压场作为海表面的气象强迫场资料，模式计算区域包括北黄海和渤海，水深采用分辨率为2'×2'的数据，三角网格中节点水深数据采用反距离插值法获取。在重点区域近海采用专项调查得到的水深资料。岸线为国家测绘局1997—2001年的海岸线资料进行订正之后的海岸线数据，比例尺为1:250000，并根据目前的最新变化情况进行了适当的调整。

表1 “20110901”温带风暴潮过程最大增水和最高潮位

图10 塘沽站逐次预报与实测潮位过程曲线对比图 图11 黄骅站逐次预报与实测潮位过程曲线对比图

图12 塘沽站逐次精细化预报与实测图13 黄骅站逐次精细化预报与实测潮位过程曲线对比图 潮位过程曲线对比图

对于“20110901”次温带风暴潮过程，采用了两套不同温带风暴潮数值预报模式分别进行了4次预报（第一次预报时间为2011年8月30日08时，第二次预报时间为8月30日14时，第三次预报时间为8月31日08时，第四次预报时间为8月31日14时），预报时效在12—48 h之间。

4.1 业务化温带风暴潮数值预报模式1（CES）

该模式计算区域覆盖整个中国近海，空间分辨率为6'，采用半隐式差分格式，有效地提高了计算效率，自从2004年开始业务化运行以来，对影响渤海的三类主要温带天气系统（冷锋配合低压、冷锋类和强孤立气旋）引起的温带风暴潮过程有较为良好的预报结果。文中采用此模式对本次风暴潮过程中超过当地警戒潮位的塘沽和黄骅两站进行了数值预报情况检验。从历次预报情况来看，随着时间的推移，塘沽和黄骅两站均表现出后一次预报的准确程度明显比前一次要强，特别是前三次预报情况更是如此。第三次和第四次预报的时效在12—24 h之间，其预报结果已经相差不大，与实测值非常吻合（见图10—11）。

4.2 业务化温带风暴潮数值预报模式2（ADCIRC）

该模式采用目前国际上通用的基于非结构网格技术的ADCIRC模式，其可以精细刻画沿岸地形、水深变化趋势，准确表达风暴潮在河口、港湾内的传播信息。其中开边界为江苏南通到朝鲜半岛最南端的连线，开边界处网格分辨率约为18 km，东海和黄海部分陆地边界网格分辨率约为3—5 km；在渤海靠近岸地区，分辨率逐渐提高，网格相对密集，网格分辨率约700 m左右。该套网格的计算区域包括了80678个三角形单元，共计41324个节点。由于计算区域小，尽管网格分辨率较前一套模式有着显著的提高，但仍表现出了较快的运算能力，三天数值预报的计算时间在15 min左右，完全可以满足业务化预报的需求，特别是在预报能力上更是反映出其特有的优越性，其第二次预报的能力明显强于预报模式1（CES），而第三次和第四次预报情况，两套模式没有明显的区别（见图11—12），均非常接近于实测值。

由于该次温带系统移动速度和强度均较为稳定，温带风暴潮过程发生前的24 h，数值预报的风场已经准确地计算出了此次过程的移动速度和强度，是本次风暴潮数值预报能够提前准确的做出预报的一个重要前提。

5 结论

（1）单纯冷空气的角度来说，9月1日的过程只是一次较弱的过程，但是由于触发了强烈的对流使得初期风速增强很快，强对流过程是触发此次风暴潮灾害的重要因子；同时强对流大风风向和冷空气风向基本重叠都是东-东北向，强对流的能量释放使得其后的冷空气大风得到加强，更有利于局地较大风暴潮过程的发生；

（2）结合以往历史统计资料及预报实践，渤海湾及莱州湾产生较大风暴潮灾害的天气系统多数是冷空气和气旋配合型的，此次过程也不例外，特别是夏半年时更要注意中尺度对流天气叠加在气旋天气系统上对灾害的放大作用，而每年7、8、9月份渤海湾高潮位是一年中最高的时期,因此要加强对此类天气系统的监视，不失时机的发布风暴潮预警报；

（3）两套温带风暴潮数值预报系统自8月30日上午就开始对本次风暴潮过程做出预报，特别是31日的两次预报情况与观测结果十分吻合，可见温带风暴潮数值预报系统对此类强度较强而且移动速度稳定的天气过程的增水过程描述准确，为温带风暴潮的预报预警提供了非常重要的参考。

[1]王喜年.关于温带风暴潮[J].海洋预报,2005,22:17-23.

[2]叶琳,于福江.我国风暴潮灾的长期变化与预测[J].海洋预报,2002,19（1）:89-96.

[3]于福江,王喜年.影响连云港的几次显著温带风暴潮过程分析及其数值模拟[J].海洋预报,2002,19（1）:112-122.

[4]于福江,王喜年,宋珊,等.渤海“9216”特大风暴潮过程的数值模拟[J].海洋预报,2000,17（4）:9-15.

[5]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,2002,24（3）:28-34.

[6]张志悦.沧州沿海“1011”特大温带风暴潮过程的灾情成因分析[J].海洋预报,2004,21（2）:74-77.

[7]王培涛,董剑希,赵联大,等.黄渤海精细化温带风暴潮数值预报模式研究及应用[J].海洋预报,2010,27（4）:1-7.

Weather situation analysis and numerical prediction of the“20110901”extratropical storm surge

LIU Qiu-xing， YU Hai-peng， FU Ci-fu，WANG Pei-tao， ZHAO Lian-da，WU Shao-hua

(National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China)

The paper makes a case study to the typical“20110901”extratropical storm surge occurred in the Bohai Sea.Based on two different storm surge forecast models,both of them show a good ability to forecast the development of the extratropical storm surge.Meanwhile,for those weather systems moving at a stable speed,the effective forecasting lengths of time intervals could be extended to 24 hours.According to the analysis of the characteristics of extratropical storm surge during the last ten years in the Bohai Sea,it is found that the combination of cold air and low pressure could generate a disastrous storm surge most possibly in the Bohai bay.Especially in late summer,the effect of disaster could be intensified due to the mesoscale convective band superimposed on the cyclonic scale weather system.

extratropical storm surge；numerical calculation；unstructured triangular mesh

P458

A

1003-0239（2012）02-0001-07

2011-12-09

海洋局公益性项目“天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范”（200805018）

刘秋兴(1982-)，男，助理研究员，主要从事风暴潮灾害的预报和研究工作。E-mail：lqx@nmefc.gov.com