南通沿海台风风暴潮分析及其经验预报初探

高清清，曹兵，高鑫鑫，徐常三

(国家海洋局南通海洋环境监测中心站，江苏南通226005)

1 引言

风暴潮是来自海上的一种海洋灾害，是指由强烈大气扰动如热带气旋、温带气旋等天气系统所带来的海面异常升降的现象。如果风暴潮恰好与天文高潮相遇尤其是与天文大潮期间的高潮叠加，水位骤涨，将对沿海地区造成严重的财产损失，甚至对人身安全带来严重威胁。因此，风暴潮的预测与分析一直是相关领域研究人员的重要工作之一。按照产生风暴潮现象的大气扰动特征，将风暴潮分为由热带气旋和温带气旋及寒潮大风造成的两大类，前者称为台风风暴潮，后者统称为温带风暴潮[1-2]。对于风暴潮的研究早在20世纪20年代就已经开展，至目前已经取得了较多的成果[3-8]。

风暴潮预报方法分为两大类：一种是经验预报方法；另一种是数值预报方法。前者包括预报员的主观经验和经验统计预报方法，后者包括诺模图方法和数值模式预报方法[9]。叶凤娟等[10]研究了单站资料在风暴潮预报中的应用，并指出单站资料可补充数值预报的不足，但也有一定的局限，与其他方法配合使用，才能更好地发挥其作用。曾德美[11]分析了青岛港风暴潮概况，并求取了青岛港极值增减水的预报公式。谢亚力，黄世昌[12]将动力线性模型应用于钱塘江河口台风风暴潮经验预报中，通过合理选取预报量及预报因子，建立经验预报方程，取得较好的效果。

随着计算机的发展和观测技术的进步，风暴潮的数值预报方法发展迅速。20世纪80年代以来，我国的风暴潮数值模拟取得了很大的进展和应用。在之后的风暴潮研究工作中，大量的研究者将风暴潮的数值预报作为风暴潮的重要研究方向之一。朱建荣等[13]基于原正交ECOM模式，改进为非正交曲线坐标系，应用于长江河口、杭州湾及邻近海区，改进后的模式可更好地应用于河口海岸的研究中。端义宏等[14]利用三维河口、海岸模式（ECOMSi）建立了一个适用于长江口区风暴潮的数值预报模式。

江苏南通位于江苏省东南部，居长江入海口北岸，濒江临海。该地区基本的气候特点是气候温和，日照充分，四季分明，无霜期较长，海洋性气候显著。由于其独特的地理位置，常受到西风带、副热带等天气系统影响，气象和气象诱发灾害时有发生，其中主要的灾害之一就是风暴潮灾害。南通几乎每年夏秋季节都要受到台风影响，而由台风引起的风暴潮灾害更是得到了南通市各级相关部门的极大关注。

本文选取南通沿海吕泗站的水文气象资料，分析台风影响期间，该站的风暴增水特征，并对该站台风风暴潮经验预报公式进行初步探讨，以期应用于南通沿海台风风暴潮预报业务工作中，更好地开展风暴潮预报工作。

2 资料的选取

2000—2011年CMA-STI热带气旋最佳路径数据集；2000—2011年吕泗站实测潮位资料，天文潮资料；吕泗站地面气象观测资料中的风速、风向、气压等。

3 影响南通沿海的热带气旋

3.1 基本概况

根据2000—2011年热带气旋资料，共有13 个热带气旋影响或者外围影响南通沿海（见表1），近十年间没有直接登陆南通的热带气旋。

从表1 中还可看出，热带气旋影响南通沿海多发生在7、8、9三个月份，6月、10月份也有出现。且近十年间，每年一般最多有2 个热带气旋影响南通沿海。

3.2 热带气旋分类

根据热带气旋的登陆情况以及移动路径，对上述进入南通或者影响南通的13 个热带气旋进行分类，共得两大类，分别为不在我国登陆的（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型）以及在江浙一带登陆的（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型），见表2及图1—6。

4 风暴潮分析及预报

4.1 各类热带气旋风暴潮概况

表3列出了热带气旋影响期间吕泗站的最大增水值以及影响时间段，可以看出，在浙江一带登陆后由内陆北上进入江苏的热带气旋对南通沿海造成的风暴增水较其他类别的热带气旋造成的增水要小。

结合图1—6，发现Ⅰ型和Ⅱ型热带气旋路径较为相似，对南通沿海造成的风暴增水也较为接近，除了1007 圆规以及1105 米雷造成的影响不大，较严重的风暴潮基本上在125 cm 以上。而Ⅳ型和Ⅴ型这两种台风路径，虽然出海位置不同，但是差别并不明显，且这两种类型的台风造成的增水幅度较为接近，基本在50—90 cm。因此，将以上六种路径的热带气旋分为四类，分别为：第一类南通外海北上；第二类浙江外海转向；第三类内陆北上进入江苏并从江苏沿海出海；第四类在浙江一带登陆后未在内陆北上，很快又转出海。

表1 2000—2011年影响或者外围影响南通沿海的热带气旋

表2 热带气旋路径分类

图1 Ⅰ型.北上右转向

图2 Ⅱ型.外海北上

图3 Ⅲ型.浙江外海转向

图4 Ⅳ型.登陆后进入江苏，苏北出海

图5 Ⅴ型.登陆后进入江苏，苏南出海

图6 Ⅵ型.登陆后不在内陆北上，再转入海上

表3 台风风暴潮要素

表4 第一类热带气旋影响期间，吕泗站风暴潮情况

4.2 各类台风风暴潮分析及预报公式

4.2.1 第一类南通外海北上

表4列出了南通外海北上的热带气旋引起的风暴增水情况，可以看出，此类热带气旋影响期间，吕泗站的风向前期均为东北东，随着台风进一步北上，风向转为偏北或者西北西至偏北，最大增水出现时刻与最低气压出现的时刻较为接近。

选择表4 中前四个热带气旋作为研究分析对象，1109梅花过程用以对计算结果的检验。选取吕泗站增水值为预报量，台风过程该站最低气压与该月多年平均气压差、该站风速、风向以及台风中心距该站距离为预报因子。分别将台风影响过程的增水△H 与气压差△P、台风中心距吕泗站的直线距离L、风速V 、风向θ 之间做相关分析，发现风暴增水△H 与上述物理量之间的相关性较好（通过95%信度检验）。

采用回归分析方法，计算过程中发现L 对整个回归方程的贡献不大，因此得出最大增水△Hmax的预报方程为：

式（1）中：△P 为过程最低气压与该月多年平均气压之差的绝对值，单位hPa；Vmax、θ 分别为最大平均风速以及对应风向；以下同。

对1109梅花影响期间的增水值与气压差、台风中心距吕泗站的直线距离、风速分别进行相关分析，发现在该站风向转为西北向之前，相关性均很好，通过了99%信度检验。将梅花影响期间吕泗站测得的最低气压、最大平均风速以及对应风向代入上式，计算得最大增水为152 cm，比实际最大增水值（139 cm）仅高出14 cm，误差较小。

表5 第二类热带气旋影响期间，吕泗站风暴潮情况

4.2.2 第二类浙江外海转向

表5 给出了浙江外海转向的0014 台风桑美引起的风暴增水情况。

根据其路径，0014桑美于9月14日18时起转为东北向，且移动速度明显加快，随后强度逐渐减弱。吕泗站最大增水发生在其转向前8 小时左右。吕泗站增水△H 与气压差△P、距离L、风速V 、风向θ 分别进行相关分析，但是得到的相关性均不高，同时由于数据序列较少，回归分析效果亦不明显。

图7 0014桑美影响期间吕泗站增水曲线

图7 给出了“桑美”影响期间吕泗站增水曲线。可以看出，吕泗站增水过程有明显的半日周期波动；天文潮和风暴潮耦合作用[15]较强，周期内增水最大值一般发生在天文高潮前3—4 h，因此建立此类台风暴潮与其他物理量之间的相互关系还需进一步深入探讨，将在以后的工作中开展这方面的研究。

4.2.3 第三类内陆北上进入江苏并从江苏沿海出海

表6 为第三类热带气旋引起的风暴增水情况。可以看出，此类热带气旋引起的最大增水均出现在登陆之后。

选择表6 中0509 麦莎、0515 卡努、0807 海鸥和0908莫拉克这四个台风过程为分析对象，0713韦帕用以检验计算的结果。

采用相关分析以及回归分析方法，计算发现L对整个回归方程的贡献不大，因此在公式中未列出这一因子，第三类热带气旋增水极值预报公式如下：

根据式（2）计算0713 韦帕引起的最大增水△Hmax=82 cm，实际最大增水为78 cm，结果较为理想。

4.2.4 第四类在浙江一带登陆后未在内陆北上，很快又转出海

表6 第三类热带气旋影响期间，吕泗站风暴潮情况

表7 第四类热带气旋影响期间，吕泗站风暴潮情况

表7为登陆后又转入海上的热带气旋所引起的风暴增水情况。此类热带气旋影响过程中，吕泗风向基本为东北向，平均风暴增水较其他类型的热带气旋大。

分析结果显示，增水△H 与测站风速V12、台风中心到吕泗站的距离L 相关性均较好。回归分析得到增水极值预报形式为（3）式，由于此类台风个例较少，故有待进一步对其进行验证。

式（3）中，V12为前12小时风速。

5 小结和讨论

综上分析，近十年影响南通沿海的台风路径可分为四类，分别为：南通外海北上；浙江外海转向；内陆北上进入江苏并从江苏沿海出海；在浙江一带登陆后未在内陆北上，很快又转出海。台风暴潮由于不同台风路径其变化亦有所差异。登陆后由内陆进入江苏的热带气旋对南通沿海造成的风暴增水较其他类别的热带气旋造成的增水要小。

利用吕泗站水文气象资料，分析了各类台风暴潮的特征，在此基础上，运用相关分析、回归分析等方法探讨了风暴潮极值预报公式，得出第一类、第三类和第四类的台风暴潮极值公式，其中第一类和第三类风暴潮极值公式经验证后，效果较好；第四类台风暴潮公式由于个例有限，需要进一步加以验证；结果还发现，第二类浙江外海转向的台风对吕泗带来的风暴增水具有显著的半日振荡周期，研究需考虑风暴潮与天文潮的耦合作用。

台风暴潮的过程值、极值与台风结构、路径、强度、大陆架形态和台风移动速度等物理量均有关。这些因子综合作用于海水上，如何在预报中体现出来是较为困难的。本研究仅根据台风路径来分类讨论，建立了相应风暴增水极值预报方程。由于台站资料的连续性不够，本次研究工作中统计样本总体偏少，在今后的工作中将把时间范围扩大至30年，继续改进预报方程，从而更好地做好台风暴潮预报工作。此外，对风暴增水极值出现时刻的预报、风暴潮与天文潮的耦合作用也将在后续的工作中进一步讨论。

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