长江口台风影响能力研究

2021-02-04周才扬，殷成团，章卫胜，张金善

人民长江 2021年1期

周才扬，殷成团，章卫胜，张金善

(1.长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136； 2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

近年来，强台风和超强台风登陆我国的频数明显增多[1]，其诱发的风暴潮在河口海岸地区造成了巨大的经济损失。2017年台风“天鸽”在珠海登陆，最大风速达45 m/s，中心气压950 hPa，造成最大增水2.79 m，直接经济损失51.54亿元[2]；2018年“山竹”在广东省台山市登陆，最大风速达48 m/s，中心气压955 hPa，造成最大增水3.39 m，直接经济损失24.57亿元[3]；2019年台风“利奇马”横扫我国南北沿海地区，带来大范围降雨，直接经济损失超过500亿元。长江口作为我国第一大河口屡受台风暴潮袭扰，造成严重经济损失。近70 a共计160场台风影响长江口地区，年均2.3场，而2018年台风数多达6.0场。

以往对热带气旋活动变化趋势的研究多集中在台风频数及登陆频数[4-6]，台风对区域的影响程度与台风强度、距离、最大风速半径、持续时间及登陆位置等密切相关，频数只能反映热带气旋对近岸影响能力的一部分，综合评价仍需其他指标予以补充。Emanuel采用气旋能量指数PDI(Power Dissipation Index)研究了西太平洋热带气旋与海表温度的相关关系[7]，Bell等采用热带气旋累计能量ACE(Accumulated Cyclone Energy)统计分析了1950～1999年热带风暴和飓风逐季变化特征[8]，Yu等在2009年将热带气旋累积能力进行了改进(the Revised Accumulated Cyclone Energy Index)[9]，Lin等采用热带气旋潜在影响指数PI(the Potential Intensity Index)建立了热带气旋和海表温度、拖曳力等变量之间的联系[10]，Haig等采用气旋活动指数(Cyclone Activity Indices)对热带气旋活动特征变化进行了评估[11]。上述指标从台风内部主要构造特征参数对台风影响能力进行了刻画，其描述对象为大范围区域如大洋乃至全球。而台风在小范围地区影响能力评估指标尚不多见。影响长江口的热带气旋活动特征尚不明晰，本文旨在从风暴潮防灾减灾的角度对影响该地区的台风活动特征进行长周期统计研究。

1 长江口台风影响圆假定

目前，评价热带气旋对小区域的影响能力尚无较好的指标。本文根据以往对风暴潮的模拟研究和7级风圈半径大小，提出了长江口台风影响圆假定。即假定以长江口概化点(122°E，31.5°N)为中心，8倍最大风速半径Rmax为半径(约400 km)的圆形区域为长江口台风影响圆。当台风路径与长江口台风影响圆相交或相切时，则认为该台风对长江口造成影响。影响长江口的台风路径概况及长江口台风影响圆如图1所示，图中灰色线为未对长江口造成影响的台风路径。

图1 1949～2018年影响长江口的台风路径Fig.1 Tracks of typhoons affecting the Yangtze River Estuary from 1949 to 2018

2 长江口台风影响能力分析

2.1 长江口台风影响频数分析

基于最近70 a来(1949～2018年)的热带气旋最佳路径资料，本节从统计学角度对影响我国各类热带气旋尤其是近10 a的变化规律进行分析。1949～2018年影响长江口地区台风共计160.0场，平均每年登陆2.3场，占西太平洋海区发生台风数的8.92%。影响长江口台风按路径的不同可分为两大类，第一类为“登陆北上型”台风，共计92场，占总数的57.86%；第二类为“外海活动北上型”台风，占总数的42.14%。“登陆北上型”台风中登陆点离长江口较近的“长江口直接登陆型台风”危害最大，按其风向变化过程又可分为长江口南侧登陆(87%)和北侧登陆(13%)两类。还有少数奇怪路径的台风，因数量较少本文不做分析。

图2为1949～2018年长江口及全国台风生成时间分布图。由图2可以看出：不同于全国统计情况，影响长江口的台风只发生在汛期，即每年的5～11月份；其中7～8月份最多，占台风总数的64.8%，同时7～8月份也是我国中东部地区雨量比较集中的月份，暴雨和上游洪水加剧了长江口河口风暴增水过程。从生成日方面看(饼图)，台风产生的时间为中旬(39%)>下旬(32%)>上旬(28%)，月内差别较小。

图2 1949～2018年影响中国台风生成时间分布Fig.2 Formation time of typhoons affecting China from 1949 to 2018

2.2 长江口气旋活动强度指数分析

为量化台风给长江口造成影响，采用热带气旋活跃指数(Cyclone Activity Index)、区域累计气旋能量(Regional Accumulated Cyclone Energy)、年影响台风最大风速Vmax和年影响台风频数C四个指标对长江口的气旋影响强度进行综合评估。

Cyclone Activity Index(CAI)是Haig[11]等基于NOAA和其他气象专家对气旋强度和尺度研究进行改进，提出的一个新的气旋活动指数。CAI从风暴数量、强度、大小和寿命等方面描述了年均台风破坏性大小。其公式为

(1)

当台风距长江口尚远如仍在西太平洋面活动时，除从大洋传到近岸的先兆波外，台风气旋对近岸水体影响很小。为描述长江口地区台风破坏能力影响能力，本节基于长江口台风影响圆假定定义一个新的指标——区域累积气旋能量(Regional Accumulated Cyclone Energy，RACE)。该指标认为只有台风眼进入长江口影响圆范围内的台风，才会在河口地区造成较为严重的灾害，此类台风路径在影响圆内的部分便被计入RACE指标。同时，RACE在风速权重方面的考虑取了平方，更贴合能量的概念，其公式为

(2)

式中：i为每年进入长江口台风影响圆内台风路径点数；V为最大风速半径处风速，m/s；di为第i个路径点到长江口的距离，km。

台风是一类中尺度天气事件，其范围远远大于河口等研究区域。CAI和RACE都是评估小研究区域的指标，但是其侧重点不同。CAI空间计算范围是西太平洋所有发生的热带气旋，时间计算范围是热带气旋从生成到消亡的整个生命周期。其侧重点在于气旋对区域的影响能力。但有些台风距离目标地区较远，风速不大，却依然被计如参数计算范围。而指标RACE基于“长江口台风影响圆”假设提出，更强调研究地区的台风能量及灾害。2个指标各有侧重，计算结果可作相互补充。

年影响台风最大风速Vmax为长江口影响圆内出现过的年海表最大风速，单位m/s，这个指标主要是对台风强度进行刻画，尤其是强台风和超强台风。年影响台风频数C为长江口台风影响圆内出现过的台风个数，主要从年台风频数方面进行描述。

从气旋活动指数(CAI)看，近70 a热带气旋按其活跃度可分为两部分：第一部分1949～1985年，CAI指数在平均线上下波动剧烈，表明热带气旋影响能力极不稳定，处于活跃期；第二部分1986～2018年，除2015年外，其余CAI指数在平均线以下小幅波动，表明该阶段内热带气旋对长江口地区的影响能力较为稳定。

区域累积气旋能量(RACE)结果表明，长江口的台风影响年际变化较大。1976～1991年的5 a移动平均值(虚线)均超过多年平均，表明这15 a中气旋影响能力较强；1991～2018年气旋影响能力较为稳定，仅部分年份大于均值。

年影响台风最大风速Vmax历史最值达到84 m/s(5 907超强台风Sarah )。2010年之后最大风速都一般在50 m/s左右，稍高于平均，但未出现异常值。从本文指标来看，近年登陆我国的强台风和超强台风虽然有所增多[1]，但是因为距离长江口较远，影响有限。年影响台风频数C没有比较明显的长期规律，从短期角度看，自2009年之后一直高于历年平均值，且保持上升趋势，并在2018年达到历史极值6场。

CAI，RACE和Vmax三个指标的5 a滑动平均线均表明：近30 a来台风对长江口的影响程度并不算高(略低于均值)，但自2009年之后长江口台风影响能力一直保持增长趋势，且近年台风影响频数较大(见图3)。