基于大数据的影响浙江海堤安全的台风相关特征分析

叶 舟，徐 贝

(浙江海洋大学，浙江舟山 316022)

浙江地形呈现为东北低，西南高。沿海地区地势较低，杭嘉湖平原地区高程在1.6～2.2 m，东南沿海腹地2～3 m(1985 年国家高程基准)，沿海地区高程普遍低于历史风暴高潮位1.5 m 以上[1]，因此明清时期就出现各种形式的海堤。浙江属于典型的亚热带季风气候，每年平均有4～5 个台风影响浙江，对沿海城市和海堤构成极大威胁，表1 为部分台风造成海堤损毁情况。

表1 部分台风造成海堤损毁情况Tab.1 Damages to seawalls caused by some typhoons

不少学者从多角度对台风进行研究。对台风影响下的地区风险评估，周小梅等[2]采用了层次分析法对沿海一带的台风灾害进行风险评估方法研究；唐丽丽[3]采用GIS 技术进行了台风灾害灾情及风险的评估研究；石蓉蓉等[4]以1949-2007 年台风数据作为样本分析提出台风灾前评估依据和方法；卢美[5]利用数值模拟技术开展了浙江海堤台风暴潮灾害风险评估。台风发展趋势研究，GAO Xuejie,et al[6]利用RegCM2/CN(60 km)分析得出中国南海台风增加的趋势和规律情况；STOWASSER,et al[7]利用IPRC(30 km)模型发现中国南海台风数增加，且台风风速强度增加；赵宗慈等[8]认为西北太平洋台风数可能减少，但台风风速及降水可能增强；周冲[9]利用R/S 方法、滑动平均法对近58 年影响中国的台风频数、强度和年强度极值分析发现3 者都有增加的趋势。以历史数据作为依据对台风规律研究的，伍俊杰等[10]利用大数据分析技术算法对1945-2015 年广东省台风规律进行分析研究；宿海良等[11]利用中国台风数据网资料对1949-2018 年登陆中国台风进行统计分析其主要特征及灾害成因；牛海燕[12]从台风暴雨、大风、风暴潮3 个方面，利用大数据对中国沿海地区的台风灾害风险研究。台风风暴潮对海堤影响研究的，徐有成等[13]对海堤所面临的风暴潮位及风浪情况进行计算，分析在潮浪作用下海堤淹没情况及安全性分析；谢长飞[14]对12 条设计台风路径下最大可能台风增水过程进行了数值试验。一些学者还专门对浙江一带海堤在台风作用下的损毁情况进行了分析研究，吴伟军[15]以“5612”台风作为典型强台风分析了在5 条不同登陆线路下浙江现存海堤的稳定性；王晓红[16]分析浙江海堤在强台风的情况下的损毁情况，阐述了登陆浙江的台风空间特性及季节性分布情况；黄世昌[1]分析了浙江沿海在超强台风作用下引发的风暴潮位、台风浪和海堤的防浪特性。前述学者对台风影响的研究取得了一定的成果，本文在吸收前人研究成果的基础上，直接从相关因子分析影响海堤安全的台风特征，以期为海堤在台风作用下破坏机理研究提供理论依据。

1 研究方法和评价标准

1.1 研究方法

本文热带气旋包括热带低压，对热带气旋统称为台风。考虑数据有效性研究时间跨度选择1958-2019年。利用Arcgis、Python、Excel 等软件采用数据聚类分析、相似匹配、统计描述等方法分析1958-2019 年对浙江影响的台风。并通过大量的实地调研、文献调研，就台风发生源地、路径，年际、月际变化，风、雨、潮进行分析影响浙江海堤安全的台风特征。台风相关数据分析过程及方法[17-18]见图1。中国地面气候资料日值数据集在浙江省的站点空间上分布及浙江省地形见图2。

图1 台风源数据主要分析过程Fig.1 Main analysis process of typhoon source data

图2 研究区地形及对应测量站点位置Fig.2 Terrain of the study area and the location of corresponding measurement stations

1.2 台风选择评价标准

台风影响的评价标准，本文以1 个台风来临时浙江省内23 个测站中，有1 个测站的最大风速≥11 m·s-1(6 级)或者过程降水量≥10 mm，两者达到一项即为影响[7,19]。由于台风的发生时间、活动路径、风、雨、潮影响程度不同，因此以此标准选择台风存在数据偏大的可能。当台风影响程度由风雨的大小来表征时，按其影响程度分为3 类：Ⅲ类，轻度影响，风力6～8 级或过程雨量50～100 mm；Ⅱ类，中度影响，风力9～11 级或过程雨量100～250 mm；Ⅰ类，严重影响，风力≥12 级或过程雨量≥250 mm 以上。统计分析1958-2019 年间受影响的台风为244 个，Ⅲ类121 个，占49.59%；Ⅱ类89 个，占36.48%，Ⅰ类34 个，占13.93%。

1.3 影响海堤安全因子选择

影响海堤安全的因子主要有大浪、暴雨、高潮等，因此这里主要选择狂风、暴雨、风暴潮三个影响因子。一是考虑风生浪的关系，因此浪对海堤的影响可以认为主要是风的作用。在狂风的作用下，海面上容易形成巨浪，台风期间的巨浪能量集中，巨浪拍打海岸带动海底的泥沙冲刷，对海堤安全稳定冲击较大。二是台风在浙江登陆后一般过境时间为1 d 左右，而过程降雨的持续时间较长，一般为2～3 d，甚至还有更长的如Haikui(1211)最长记录达7 d[20]。持续性暴雨容易导致洪涝灾害，使各地水位超过警戒值，又因台风期间外海水位较高外排困难，在河口地区进一步增加水位，形成沿海海堤处于最不利情况。三是风暴潮是指由于气压变化或强风等影响，带来海平面异常降低和升高的现象。当台风暴潮与天文大潮相遇，出现异常高潮位可能性极大，因此风暴潮灾害也是影响海堤安全的主要因素。

2 台风特征分析

2.1 台风源地特征

影响浙江省沿海的台风的源地，主要有3 种。一是菲律宾以东洋面和关岛附近生成的台风(8°N-20°N，120°E-150°E)，该源地发生的台风约占62.5%，这种台风由于沿途过程长，在海上能吸纳足够能量，往往雨大风大，对海堤破坏力较强。二是菲律宾以西附近洋面(南海)生成的台风(15°N-22°N，113°E-120°E)，约占30%。三是台湾岛以东和冲绳附近生成的近海台风，该源地生成的台风较少，约占7.5%，但因其具有突发性特点，往往会造成较大破坏。图3 为3 种不同源地台风分布规律。

图3 3 种不同源地台风分布Fig.3 Distribution of typhoons in three different sources

浙江登陆的近海台风，由于过程短，气压在1 000 hPa 左右，从形成到登陆一般只有1～2 d，具有突发性，容易造成海堤严重破坏和人员伤亡。这里选取从生成到登陆时间最短且给浙江带来严重灾害损失的5个台风Ora(7504)、Nameless(8108)、Bill(8807)、Haima(0421)、Hagupit(2004)进行分析，如图4，分析发现5 个台风中有4 个台风是在温州登陆且3 个是在乐清湾口处登陆。Bill(8807)在象山登陆，这个台风从生成到登陆不足24 h，登陆后一直在浙江境内行走直到消亡，给沿海安全带来巨大的挑战。

图4 近海生成的5 个台风路径Fig.4 Five typhoon tracks generated offshore

2.2 台风移动轨迹特征

从移动轨迹对台风分类，一般分为登陆型(A 型)68%和海上消亡型(B 型)32%，其中登陆型台风又可分为浙江登陆型(A1 型)、福建登陆型(A2 型)和其他登陆型(A3 型)；海上消亡型分成125°E 以西，25°N 以北转向(B1 型)、125°E 以东转向(B2 型)、125°E 以西，25°N 以南转向(B3 型)，路径走向示意图如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)。分析发现B 型北上转折点集中在28°N-30°N，A2、A3 型登陆面较广，对浙江影响主要是风雨。对海堤影响大的是A1 型，A1 型台风主要有如表2 所示的几个集中登陆点，其中温州苍南登陆最多，台州玉环、温岭及宁波象山也是登陆集中地。这四地都处于湾口一带，地形平缓。

图5 (a)影响浙江台风路径示意图(b)浙江省登陆台风路径分布(c)福建省登陆台风路径分布(d)海上消亡型台风路径分布Fig.5 (a)Schematic diagram of the path of the typhoon affecting Zhejiang (b)Track distribution of landing typhoon in Zhejiang Province (c)Track distribution of landing typhoon in Fujian Province (d)Track distribution of vanishing typhoons at sea

表2 浙江登陆台风主要登陆带分布Tab.2 Distribution of main landing zones of typhoons in Zhejiang

除台风移动轨迹外，移动速度也影响到灾害的程度，一般来说移动速度越慢、滞留时间就越长，造成灾害更严重。还有周围天气系统的影响(如冷空气、东风波、西风槽等)，有时也会使台风增强而加重灾害。

2.3 台风的狂风特征

影响浙江的台风中，大部分主风向范围在SE-SSE，最大风速可达到60～70 m·s-1。由于每个台风影响程度的不同，这里以最大风力为统计依据对244 个台风频次统计见表3。

表3 6 级及以上风力的台风频次Tab.3 Typhoon frequency of wind force of level 6 and above

由于台风沿路径呈逆时针旋转，台风路径右侧的风速会因为移动速度的叠加较左侧大，导致台风风圈的右侧海面的波浪比左侧大。如Fitow(1323)由于Danas(1324)及外围冷空气共同作用，使浙江沿海海面大风持续87 h，沿海地区持续62 h[21]，苍南石屏山出现最大平均风速59.7 m·s-1，最大瞬时风速达76.1 m·s-1，打破了浙江省大风速历史记录。造成浙江沿海防波堤损毁4.01 km，海堤、护岸损毁5.87 km[22]。

台风带来的狂风，一般距台风中心13～16 km 处风速最大。A1 型路径影响最严重，A2 型、B1 型、B3 型路径影响次之，B2 型、A3 型路径对浙江的影响最小。选取台风最大风速等级在12 级及以上的23 个台风分析，有8 个台风是海上消亡型台风，且这8 个台风海上转向点都集中在杭州湾口一带，其余15 个台风均为浙江省登陆台风，台风路径见图6(a)。其中16 级以上风力的台风Tilda(6126)、Judy(7910)、Vera(8615)、Hope(8909)、Abe(9015)、Rananim(0414)、Khanun(0515)、Haikui(1211)、Lekima(1909)发现9 个强台风时间分布主要在8 月中旬以后，此时海上能量供给充足，有5 个台风一直北上，近40°N 处才消亡；极端风力出现在浙江南部沿海，上述9 个台风中海上消亡型占22.2%，象山登陆占22.2%，温岭登陆33%，因此象山和温岭的海堤在台风期易出险。

图6 (a)大风速台风路径范围(b)强降雨台风路径范围(c)强风暴潮台风路径(d)Winnie 路径走向Fig.6 (a)Track range of high wind speed typhoon (b)Track range of heavy rainfall typhoon (c)Track of strong storm surge typhoon(d)Winnie path direction

2.4 台风的暴雨特征

台风是一个非对称的强降雨系统，中心路径两侧数百公里范围内都可产生降雨且台风路径右前方降雨量更大[23]。如2013 年10 月7 日Fitow(1323)在福建省福鼎市登陆，此时位于台风路径右前方300 km 的浙江余姚市形成强降雨(上王岗降雨达718 mm、梁辉达715 mm)[24]。由于浙江省山地丘陵约占70.4%[25]，在台风环流影响期间地面盛行偏东风，故台风暴雨落区主要在东部山区的东侧[26]。

为分析台风强降雨规律，选取台风影响期间沿海雨量站只要有一个站点的过程降雨量超过350 mm的台风进行分析，共有6 个台风见表4，并绘制台风路径走向图，见图6(b)。从路径上分析其6 个台风路径走向较相似，以西偏北约30°方向平行前进，转折性较小。这些台风登陆地多在福建，而温州瑞安、洞头降雨量最集中，最易形成洪涝灾害。而Gloria(6312)对约400 km 外的平湖形成较大过程降雨量的原因主要是该台风影响时间长，且登陆后又回到浙江沿海，使得9 月13 日该台风日降雨达到218.2 mm，出现该现象也与台风眼壁和外围强辐合倒槽影响有关。Mitag(1918)使得定海形成强降雨的原因是该台风与高空冷槽结合，形成了一条从浙江到韩国的降水带。从时间上发现降雨量大的台风主要集中在7 月中旬以后，以8、9、10 月份为主，分析其原因认为在7 月中上旬，浙江省刚出梅，在副热带高压的控制下，盛行下沉气流。此时台风靠近，会削弱台风，不会形成明显的强降雨[27]，因此7 月的台风对浙江省的影响一般是风大雨小。

表4 过程降水量大于350mm 的台风Tab.4 Processes of typhoons with precipitation greater than 350 mm

2.5 台风的风暴潮特征

风暴潮大小程度取决于海岸岸线形状、海底地形、台风是否与天文大潮相遇，其中与天文大潮相遇是影响风暴潮最主要因素，本文选取强台风与天文大潮相遇的相关台风分析，其中Jean(7410)、Trix(7805)、Mindule (0407) 虽然与天文大潮相遇但未发生较大的海堤破坏，引起海堤损失较严重的台风有Wanda(5612)、Mary(7413)、Vera(8923)、Polly(9216)、Fred(9417)、Winnie(9711)、Rananim(0414)、Saomai(0608)，路径见图6(c)，利用浙江省23 个潮位站点数据分析强风暴潮台风特征。发现温州鳌江站、瑞安站、洞头站、龙湾站出现超警戒潮位次数最多，平均40 次；其次是台州坎门站、石塘站、健跳站、海门站，平均26 次；杭州湾以北乍浦站、澉浦站为13 次；杭州湾以南曹娥江口站，宁波石浦站、镇海站，舟山定海站、岱山站，平均5～10次。

Winnie(9711)是浙江省历年台风风暴潮灾害最严重，海堤损坏最严重的一个台风，(台风路径走向如图6(d))该台风使得各地都产生较大增水，从福建北部沿海到渤海湾沿海一带都出现了超警戒水位，平均增水1.24 m，浙江健跳站增水最大为2.61 m(浙江省的潮位站点分布及Winnie 的潮位情况如图7)。该台风使得浙江省内海堤损毁严重，沿海平原地区洪水泛滥。据不完全统计浙江省内损毁海堤堤防776 km，堤防决口13 894 处，直接经济损失193 亿元[28]。

图7 (a)Winnie 期间浙江较大风暴增水站点分布(b)Winnie 期间浙江潮位情况Fig.7 (a)Distribution of Zhejiang's major storm water-increasing sites during the Winnie period(b)Tide level in Zhejiang during Winnie period

2.6 台风的年际、月际变化特征

影响海堤安全的台风历年分布见图8，分析发现台风影响3～5 个的年份居多。影响最多的年份为1966 年，这年台风影响个数高达8 个。这种高频率台风影响的年份，发现在其后一年台风影响个数都出现了急剧下降，一般只有2～3 个。台风影响个数只有1～2 个的年份，如1988、1993、2012 年，在其后一年台风影响个数出现了陡升，一般会达到7 个左右。因此，认为当某一年的台风影响个数较极端时，在未来的1～2年内台风影响个数会出现骤降或陡升。

图8 历年影响频次Fig.8 Impact frequency over the years

表5 为累年各月对浙江海堤影响的台风次数。该表数据反映，7-9 月份是台风活动盛期，尤其以8 月份最多，占累年总数的35.23%；6 月和10 月台风数量不多，仅为8 月份影响总数的20%左右；5 月份和11月份除个别年份外，台风基本不会对浙江产生影响。整体影响态势为以8 月为中心呈正态分布。

表5 累年各月影响分布频次Tab.5 The distribution frequency of influences over the years and months

3 结语

一般台风对海堤安全的影响往往是风、雨、潮等因子综合作用的结果，特别是狂风、暴雨、高潮位三碰头的作用。本文利用大数据对1958-2019 年期间影响浙江海堤的台风进行了统计分析，并从源地、路径、风、雨、潮几方面分析台风特征，初步得出以下结论：(1)从台风年际、月际变化趋势分析发现影响浙江海堤安全的台风密度上在增大，强度也越来越强。(2)近海岸发生的台风具有突发性，虽然强度不大，但由于思想准备不足，防护措施不到位，因此对海堤会构成较大威胁。(3)台风易于在湾口和地形低洼处登陆，在苍南登陆最多，台州玉环、温岭及宁波象山也是登陆集中地。(4)风速等级在16 级以上的超强台风，在温州温岭一带登陆的频率为33.3%。(5)福建登陆的台风造成温州瑞安一带台风暴雨最严重，沿海易出现严重洪涝灾害。(6)当天文大潮与强台风相遇时海堤最易出险，温州市发生超警戒潮位次数最多。对台风的相关因子研究台风特征和规律，有利于预报未来台风的风险程度等级，促进做好沿海海堤安全防御工作。