中国沿海40年台风风暴潮特征研究

付翔，梁森栋，郭洪琳，李明杰，叶琳

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.国家海洋环境预报中心自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，北京 100081）

0 引言

风暴潮是指局部水体受到强烈的大气扰动（如强风或气压骤变）而出现的水面异常升高（降低）的现象，也称风暴增水（减水）[1-2]，其大小不仅和大气的外力强度有关，还和沿岸地形以及水深等因素密切相关。根据诱发风暴潮的天气系统特征，通常可将风暴潮分为热带气旋风暴潮和温带气旋风暴潮两大类，另外还有寒潮大风引起的风暴潮，这在我国渤黄海海域较为常见。风暴潮叠加天文潮以及受到传到近岸的风浪、涌浪的非线性拥水作用会引起沿岸涨水，当总水位达到或超过一定阈值（即警戒潮位）时，沿岸出现险情，会造成一定的灾害损失，称之为风暴潮灾害[2-4]。风暴潮灾害是我国最主要的海洋灾害之一，特别是热带气旋风暴潮（在我国常被称为台风风暴潮）灾害。自1989年有统计数据以来，风暴潮（含近岸浪）灾害造成的直接经济损失占全部海洋灾害直接经济损失的90%以上，而严重的台风风暴潮灾害几乎每年都会发生[5]。

风暴潮致灾危险性体现在风暴潮的强度和频率以及叠加浪、涌的非线性拥水作用和天文潮后引起的高潮位[6-7]上。在气候变化的大背景下，海平面上升[8-9]和台风强度的增加[10-12]会使得风暴潮强度增强，高潮位更高，势必加剧风暴潮灾害[13-16]。国内外学者对历史极值水位的长期变化研究发现，全球大部分验潮站包括中国沿海部分验潮站的极值水位呈增加趋势，大多数验潮站的这种变化显示由海平面变化引起[17-20]，但也有一些地区的变化与海平面变化不一致[21]，如厦门和香港的极值水位增加速率远高于海平面上升速率[19]，美国东西海岸的Astoria站、San Francisco站和Portland站在去除海平面影响后表现出显著的上升趋势，而Mayport 站夏季则表现出显著的负趋势[22]。与海平面变化无关的极值变化中还呈现显著的多年代际波动[22]。短期的极端水位受气候因子影响波动强烈，比长期海平面上升趋势大一个数量级，且随时间的变化而变化[20,23]。一些站的极值水位变化由风暴增水主导，而另一些站则由潮汐变化主导[21,23]，因此，评估极端水位变化重要主导原因之一的风暴增水变化趋势，是研究沿海地区气候变化响应趋势的重要内容。FENG 等[18]指出中国沿海极端水位事件主要由台风引发。因此本文统计分析我国沿海40 年的台风风暴潮的时空分布特征，为气候变化和风暴潮灾害风险研究提供基础依据。

1 分析方法及数据来源

本文基于“近海海洋综合调查与评价专项”积累的资料数据，并结合近十年我国沿海验潮站的实测水位数据，选用台风风暴潮过程中最高潮位值和最大增水值为统计指标，同时比对各站的警戒潮位值，从发生频次的时间变化和空间分布两个方面分析我国沿海台风风暴潮特征。

当前国际研究中，多用潮汐余水位（Non-Tidal Residual，NTR）表示风暴潮增水，即总水位减去天文潮水位，天文潮水位可通过调和分析即根据通用潮高计算公式获得。根据风暴潮等级划分标准[24]，定义台风登陆我国或近海转向并造成沿岸任一站出现大于50 cm 增水的过程为一次台风风暴潮过程。采用验潮站逐时增水数据，每次过程取各站最大增水值进行统计。综合郭洪寿[25]推荐和国标中的风暴潮强度等级[24]划分标准，选取1 m和2 m为增水分段统计指标。过程中任一站最大增水值大于1 m 定义为一次显著的风暴潮，大于2 m 定义为大风暴潮或强风暴潮，小于1 m 为一般或小风暴潮。用于比对的警戒潮位值为各站现行的黄色警戒潮位，现行警戒潮位启用之前的统计时间段采用基于《警戒潮位核定方法（GB/T17839—1999）》核定的各站警戒潮位值。当过程中任一站出现的最高潮位超过该站比对的警戒潮位值则记为一次超警戒潮位过程（简称超警过程，下同）。

台风数据来自中国气象局《台风年鉴》（1980—1988）和《热带气旋年鉴》（1989—2017）以及中国气象局热带气旋资料中心最佳路径数据集（2018—2019）[26]（网址：http://tcdata.typhoon.org.cn）。

2 40年台风风暴潮事件及增水概况

统计整理了1980—2019 年影响我国沿海的台风风暴潮过程。40 年间共发生台风风暴潮418 次，其中1/4 是由未登陆台风所引起。年平均发生次数为10.45 次，最多为1989 年的16 次，最少为6 次，年发生频率最高次数（即高频发生次数）为9 次（见图1a）。增水1 m 以上（含1 m）过程264 次，年平均为6.6 次，最多为1989 年的12 次，高频发生次数为7 次（见图1b）。增水2 m 以上（含2 m）的大过程59 次，占总数的14.1%，年平均为1.5 次，最多为4 次，高频发生次数为1次（图略）。

图1 台风风暴潮发生次数频率直方图及概率密度Fig1 Frequency histogram and probability density function of tropical storm surges

与1949—1990 年的统计数据相比[27]，增水1 m以上的过程数变化不大（1949—1990 年为259 次），增水2 m 以上的过程数增加了28%（1949—1990 年为46 次）。在增水2 m 以上的过程中，有近1/3（17次）出现在雷州半岛东岸，是出现最多的区域，其次为浙南闽北地区，约占1/5；有4 次过程是由未登陆台风所引起，占总数的6.8%，均出现在东海海域，2次出现在杭州湾，1 次出现在台湾海峡南部，1 次出现在江苏沿海。

1980—2019 年全国沿海台风风暴潮年增水极值范围出现最多的为2.0～2.5 m（见图2），其次为3.0～3.5 m。这其中有5 年的年极值增水由未登陆台风所引起，同样均出现在东海海域。广东南渡站为我国有验潮记录以来风暴增水最大值的发生地[28]，在40 年间贡献了17.5%的全国增水年极值。

图2 台风风暴潮年极值频率直方图Fig.2 Frequency histogram of annual extreme tropical storm surges

3 台风风暴潮时间变化特征

3.1 年际和年代际变化

从年际变化看（见图3），20 世纪80 年代末和2010 年前后是我国台风风暴潮高发期，20 世纪90年代中后期为低发期，期间5 a滑动平均值持续高于和低于40 年的均值；其中1985—1990 年的高值期和1992—1998年、1996—1999年的低值期满足显著性为0.1 的Wilcoxon 秩和检验。增水1 m 以上和超警戒潮位的过程在20 世纪80 年代末—90 年代初也出现高发期，其中增水1 m 以上过程次数在1989—1995年处于高值期，超警过程次数在1989—1993年的高值期满足显著性为0.1 的Wilcoxon 秩和检验。增水2 m 以上的大过程发生次数在近10 年明显增多，2011—2019 年的高值期满足显著性为0.05 的Wilcoxon 秩和检验。我国沿海潮位站建设成效卓著，站点从2005 年的50 多个激增到2019 年的120多个，排查2 m 以上过程中增水达到2 m 的测站，每个过程均包含有40年以上历史的长期站，因此可排除是由于测站密度增加才捕捉到更多大增水过程的原因。从年代际变化看，总的台风风暴潮过程在20 世纪80 年代最多，年均达到11.3 次，1 m 以上的显著增水过程在近10 年最少，但增水2 m 以上的大过程在近10 年最多。从累积百分比看（见图4），20世纪90 年代中前期增水1 m 以上的过程占比较高，而2006—2011 年间增水1 m 以下的一般过程占比较高。增水大于2 m 的过程由前3 个10 a 的年均约1.3 次增加到最后10 a的年均约2次，而1 m以上风暴潮过程每10 a均为6～7次，变化不大。最近10 a增水大于2 m和小于1 m的风暴潮过程次数占比都明显增加，说明台风风暴潮有向强弱两级分化的态势。

图3 台风风暴潮发生次数变化Fig.3 Changes in number of tropical storm surges

图4 增水次数累积百分比变化Fig.4 Changes in cumulative percentage of tropical storm surge

3.2 趋势和周期分析

Mann-Kendall 趋势检验未检测出4 类台风风暴潮40 年发生次数的显著变化趋势。一元线性回归显示（见图5），总的台风风暴潮发生次数及增水1 m以上的台风风暴潮次数在1980—2019 年间呈减少趋势，倾向率分别为-0.31次/10 a和-0.33次/10 a，但并未通过显著性检验；增水2 m 以上的台风风暴潮次数呈增加趋势，倾向率为0.26 次/10 a，通过显著性水平为0.1的F检验；超警过程基本无显著变化。

图5 台风风暴潮发生趋势Fig.5 Trends of tropical storm surges

Mann-Kendall 检验显示，全国沿海台风风暴潮增水年极值在1980—2019年间整体呈上升趋势，自2002 年后为持续上升趋势（其UF 统计量自2002年后均为正值，见图6），最后5 a 的上升趋势满足显著性水平为0.1 的Z检验。年增水极值的一元线性回归也显示整体呈上升趋势（见图7），倾向率为14.25 cm/10 a，但并未通过显著性检验。增水极值的年际距平也由前30 年的平均负距平转为后10 年的平均正距平。

图6 年增水极值的Mann-Kendall统计量Fig.6 Mann-Kendall statistic of annual extreme tropical storm surge

图7 年增水极值的距平序列和变化趋势Fig.7 Time series and trends of annual extreme tropical storm surges

对风暴潮发生次数进行Morlet 复小波分解，方差图显示（见图8）总的台风风暴潮发生次数有28 a、15 a和6 a的周期，与影响中国沿海的热带气旋综合强度频数指标的变化周期一致[29]；2 m 以上的大风暴潮次数有16～17 a 的显著周期，对应经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）第四本征模函数（Intrinsic Mode Function 4，IMF4）的波动周期（见图9）。从小波系数实部等值线图可看出（见图10），2000 年后该周期的波动强度明显增大，与EMD 分解的第二本征模函数（IMF2）和第三本征模函数（IMF3）也在2000 年后振幅加大一致（见图9），说明2 m 以上大台风风暴潮发生次数不仅总量增加（见图5 中一元线性回归结果和图9 中EMD 分解的残差项），其波动幅度也有所增加，发生次数有极端化的态势。

图8 风暴潮发生次数的小波方差图Fig.8 Wavelet variance of tropical storm surges

图9 2 m以上台风风暴潮时间序列的经验模态分解Fig.9 Empirical Mode Decomposition of tropical storm surges with maximum residual value exceeding 2 meters

图10 2 m以上台风风暴潮时间序列的小波系数实部等值线图Fig.10 The real part distribution of wavelet coefficients of tropical storm surges with maximum residual value exceeding 2 meters

3.3 月际变化

从月际变化看，增水1 m 以上的台风风暴潮最早发生在4 月，而增水2 m 以上的台风风暴潮最早发生在6 月，40 年间分别都仅发生过一次。自6 月起，台风风暴潮过程数明显增加，7—10 月为多发期，也是超警台风风暴潮（风暴潮灾）的多发期，其中9月最多，增水1 m以上和超警过程分别占全年总数的29%和33%，即平均每年有近2 次增水1 m 以上的台风风暴潮和1.5 次超警戒的台风风暴潮发生在9 月；2 m 以上的大风暴潮8 月最多。这说明风暴潮灾并不取决于风暴潮的大小，天文大潮对风暴潮灾的发生起着不可忽视的作用[30]，天文高潮位叠加普通的风暴潮即能引起超警戒的风暴潮灾，而9 月正是我国渤海、黄海和东海潮位普遍最高的时期。

4 空间特征分析

4.1 潮位站及极值分布

筛选建站时间较长、数据较为完整、位置分布合理、能代表一定范围内风暴潮特点的39 个测站（见图12），统计分析40年间中国沿海台风风暴潮的空间分布。从各站极值台风风暴潮的分布可看出（见图13），渤海湾、莱州湾，上海、浙江—闽北沿海以及珠江口—雷州半岛东岸附近台风风暴潮的增水极值较大，其中渤海湾、莱州湾和雷州半岛东岸的地形有利于增水，上海、浙江—闽北沿海则因为容易遭受较强台风的正面袭击而引起较大的风暴潮。

图12 统计测站位置分布Fig.12 Distribution of statistical stations

图13 40年间各站极值风暴增水Fig.13 The extreme surges at each station in the past 40 years

统计了各站台风风暴潮极值出现时对应的台风强度（见图14），发现台风的影响强度自北向南明显增加，这与台风北上强度减弱有关。但在渤海湾和莱州湾，由热带风暴所引起的极值增水能够达到与浙江沿海由台风、强台风所引起的极值增水相同的量级，一方面由于渤海半封闭的浅海地形作用，少量水体堆积即能产生较大增水；另一方面则因为北上台风变性后，由于斜压发展或冷空气入侵产生梯度风，近地表大风圈出现非对称水平扩展[31-33]，海上大风裹挟大量黄海水体进入渤海，造成渤海内较大的风暴潮。

图14 造成最大台风风暴潮的台风强度Fig.14 Typhoon intensity with respect to extreme surges at each station

经统计，引起各站最大风暴潮的台风过程共有23 次，39%出现在8 月，这与8 月增水2 m 以上过程最多一致，是由台风强度发展的季节性决定的，其中9711 号台风“Winnie”和1822 号台风“Mangkhut”的影响范围最大，分别引起了6 个站和4 个站40 年的增水极值。在这些台风中，出现在近10年的台风占总数的47%（见图15），极有可能说明近10年严重影响我国沿海的台风有增强的态势，进而可引起更大的风暴潮。

图15 造成最大台风风暴潮的台风个数年代际变化（a）及月分布（b）Fig.15 Decadal and monthly distribution of typhoons causing the extreme surge

图16 各站台风增水次数及超警次数分布Fig.16 Numbers of tropical storm surges and over-warning-threshold surges at each station

4.2 风暴潮频次分布

从各站大于1 m、大于2 m的增水和超警情况来看，莱州湾、浙江沿海以及珠江口—雷州半岛东岸出现大台风风暴潮的频率较大，苏南和闽南沿海台风风暴潮的出现频率也较多，但大风暴增水情况较少。自长江口、杭州湾一直到福建省，特别是浙南闽北一带出现超警的情况较多，一方面是由于大风暴潮和极端风暴潮都较多，另一方面是该沿岸属典型半日潮区，潮差大，高潮位高，大增水叠加较高潮位的概率大，极易造成超警戒的高水位；其次，珠江口—雷州半岛东岸以及海南岛东北部也有较多超警戒的风暴潮过程，说明这一带区域的风暴潮灾害的危险性也比较高。

4.3 风暴潮增水重现期分布

风暴潮增水重现期是评估风暴潮灾害危险性的重要方法之一[6]。概率统计方法多采用理论频率曲线拟合一定规律的极值分布来进行外延计算，通常以年极值序列为样本。由于台风影响具有随机性，并非所有统计站每年都能记录到台风风暴潮，因此统计了东海和南海共11 个易受台风影响的统计站的逐年台风最大风暴潮序列，用极值Ⅰ型分布（Gumbel分布）曲线拟合计算重现期增水值，结果见图17。由图可见，三沙、厦门和汕尾3个站重现期增水值的间隔很小，不足1 m，说明其遭受特强风暴潮的概率较小，其分别与台湾岛的屏障作用和开阔陆架的地形因素有关，这3 个区域不易出现特别极端的台风风暴潮；而珠江口和雷州半岛东岸沿海50年一遇～500 年一遇增水值的增加幅度很大，说明这些地区对台风风暴潮变化敏感，易出现强的风暴增水，危险性较大。

图17 各站台风风暴潮不同重现期值Fig.17 Return values of tropical storm surges at each stations

5 结论和讨论

基于1980—2019 年影响我国沿海的台风风暴潮的过程高潮位和最大增水值，统计分析了我国沿海台风风暴潮时空分布特征。结果表明：

①我国沿海台风风暴潮过程频数在40 年间呈略下降的趋势，但并未通过显著性检验，对应台风研究也表明，1980 年以来西北太平洋热带气旋频数呈下降趋势[34-35]，但登陆频数变化不大[36]，此处登陆频数包含了所有西北太平洋的登陆台风，而1949年以来登陆我国的热带气旋数量也呈下降趋势[37]。

②近10年来，台风风暴潮的增水强度向强弱两级分化，增水年极值在40年间呈上升趋势；增水2 m以上的大台风风暴潮过程频数在近10年显著增加，且波动幅度也增大，40 年间整体呈略上升的趋势，通过显著性为0.1的F检验，这可能与西北太平洋西部强热带气旋频数[35]及登陆台风强度[36，38-39]增加相关。

③增水1 m 以上及超警的台风风暴潮过程在9月最多，但增水2 m 以上的大台风风暴潮过程8 月略多于9 月，这不仅与8 月登陆我国的热带气旋数量最多相对应[37]，可能也与台风尺度在8月达到峰值有关[40]。

④浙江—福建北部沿海以及珠江口和雷州半岛沿海是我国大台风风暴潮过程的频发地区，也是台风风暴增水极值较高的地区，风暴潮超警过程在浙南闽北沿海出现频数最多。

⑤统计了近40 年中造成我国沿海验潮站台风风暴潮极值的台风，其中有接近一半出现在近10年，极有可能说明近10年影响我国沿海的强台风有增强的态势。

由于资料限制，本文仅对40年的台风风暴潮特征做了浅显分析。台风风暴潮是影响我国沿海的主要风暴潮类型，在气候变化的大背景下，台风风暴潮的变化情况及其对气候变化的响应情况、其危险性是否增加、增加程度如何等都需要更多完整和长时间序列的数据支持以及更深入的归因检测分析。但从另一方面来看，由于台风风暴潮是台风直接影响的结果，其演变特征在一定程度上也反应了台风近岸的变化特征，在台风观测资料以及不同机构数据不一致所导致的台风研究结果不确定[35，39]的情况下，可作为气候变化下台风研究结果的佐证。例如，台风风暴潮增水强度向强弱两级分化，若结合过程对应的台风强度分析，有可能间接印证北太平洋西部台风强度向两级化增加的趋势[41]。