秦皇島沿海災(zāi)害性天氣對自然環(huán)境的影響和預(yù)報

陳連友,居麗玲,曹建新,曹秀芝

(1.河北省生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050021;2.秦皇島市氣象局,河北秦皇島066000)

秦皇島沿海災(zāi)害性天氣對自然環(huán)境的影響和預(yù)報

陳連友1,2,居麗玲2,曹建新2,曹秀芝2

(1.河北省生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050021;2.秦皇島市氣象局,河北秦皇島066000)

風(fēng)暴潮天氣是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象。一般情況下,大于500 km的東到東北大風(fēng)持續(xù)12個小時,且風(fēng)速大于或等于6級,將在秦皇島沿海形成風(fēng)暴潮天氣。通過分析引發(fā)風(fēng)暴潮天氣的動力條件,風(fēng)暴潮與臺風(fēng)、溫帶氣旋等天氣系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)系,再根據(jù)天文、潮汐變化、臺風(fēng)、溫帶氣旋24 h診斷預(yù)報,判斷臺風(fēng)、溫帶氣旋移動徑,從而達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報風(fēng)暴潮天氣之目的。分析表明:成災(zāi)風(fēng)暴潮多發(fā)生在朔日和望日及其后的5天。

風(fēng)暴潮;臺風(fēng);診斷預(yù)報;技術(shù)指標(biāo);自然環(huán)境

《科學(xué)》雜志指出:近15年與以前的15年相比,各大洋強(qiáng)颶風(fēng)或強(qiáng)臺風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)都在增加。以西太平洋為例,1975—1989年臺風(fēng)總次數(shù)為85次,而1990—2004年臺風(fēng)次數(shù)增加到116次。

臺風(fēng)強(qiáng)度也屢創(chuàng)紀(jì)錄,受2005年9號臺風(fēng)“麥莎”影響,僅上海地區(qū)受災(zāi)人數(shù)約100萬人,直接經(jīng)濟(jì)損失1.52億元。20世紀(jì)70年代全球平均每年發(fā)生的4級和5級颶風(fēng)約10次,20世紀(jì)90年代以后則達(dá)到18次之多,幾乎翻了一番。

氣候變化的主要驅(qū)動來自于 El Nino和La Nino現(xiàn)象,但自工業(yè)革命以來,人為增加的溫室氣體排放導(dǎo)致溫室氣體增加,由此引起的增溫對氣候變化的影響非常大。氣候變化的影響是全方位、多尺度、多層次的,既有正面影響,又包括負(fù)面影響[1],例如:由于秦皇島沿海海平面升高和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,如果發(fā)生風(fēng)暴潮影響會更大,經(jīng)濟(jì)損失將更慘重。2003年10月11～12日渤海灣沿岸發(fā)生的大風(fēng)、暴潮災(zāi),受北方強(qiáng)冷空氣影響,渤海灣沿岸發(fā)生了近10年來最強(qiáng)的一次風(fēng)暴潮。受其影響,天津塘沽潮位站最大增水160 cm,最高潮位達(dá)533 cm。此次風(fēng)暴潮來勢猛、強(qiáng)度大、持續(xù)時間長,成災(zāi)嚴(yán)重。河北省直接經(jīng)濟(jì)損失5.84億元,秦皇島市損失2.00億元。渤海嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害引起了眾多單位和學(xué)者的重視,劉鳳樹等[2]對黃河口區(qū)風(fēng)暴潮及其影響與預(yù)防對策進(jìn)行了研究,張承旺等[3]“070304”渤海特大風(fēng)暴潮的成因進(jìn)行了分析,于恩洪等[4]對渤海灣風(fēng)暴潮進(jìn)行了統(tǒng)計分析。下面將從大氣環(huán)流形勢、動力條件、天文因子方面分析秦皇島沿海災(zāi)害性天氣對自然環(huán)境的影響。

1 資料

本文使用的資料:1634—2005年海港區(qū)、北戴河區(qū)、山海關(guān)區(qū)、撫寧縣和昌黎縣等沿海5個縣、區(qū)縣志記載的風(fēng)暴潮資料;國家海洋局發(fā)布的部分《中國海洋災(zāi)害公報》風(fēng)暴潮資料;臺風(fēng)路徑資料以中央氣象局編發(fā)的臺風(fēng)年鑒為準(zhǔn),資料年代為1949—2000年。

標(biāo)準(zhǔn):任意一個縣、區(qū)有風(fēng)暴潮即為一個風(fēng)暴潮日,兩縣、區(qū)同時出現(xiàn)風(fēng)暴潮按一個風(fēng)暴潮日計算。國家海洋局發(fā)布的秦皇島海域出現(xiàn)的風(fēng)暴潮資料。

2 統(tǒng)計分析

秦皇島沿海最早的風(fēng)暴潮記載為1634年農(nóng)歷5月5日,曰:海嘯,漂沒沿海民房,地生土阜。另一次為1845年農(nóng)歷4月,曰:海嘯上溢20余里魚舍盡沒。解放后有5次臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮記載,解放后秦皇島沿海風(fēng)暴潮出現(xiàn)的時間一般在7、8兩個月,其中又以7月下旬到8月中旬為主。經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的記錄是2003年10月11～12日渤海灣沿岸發(fā)生特大強(qiáng)冷空氣南下大風(fēng)、風(fēng)暴潮災(zāi)。

3 引發(fā)風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)

根據(jù)調(diào)查分析,引發(fā)秦皇島沿海風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)主要有4種類型:臺風(fēng)在華北平原登陸影響型、臺風(fēng)在東北平原登陸影響型、臺風(fēng)在遼東半島登陸影響型、北方強(qiáng)冷空氣南下影響型[5]。

3.1 臺風(fēng)外圍影響型

根據(jù)統(tǒng)計分析,進(jìn)入渤海的臺風(fēng)路徑有三條:一是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后向東北方向移動,在遼東半島登陸,此類臺風(fēng)對秦皇島沿海影響較小;二是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后直接北上在東北平原登陸,中心偏西時引發(fā)的風(fēng)暴潮對秦皇島沿海影響很大;三是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后西進(jìn)在華北平原登陸,主要影響天津、滄州海域,中心偏東時引發(fā)的風(fēng)暴潮對秦皇島沿海影響很大。

秦皇島沿海地處華北平原和東北平原的連接處,山海關(guān)又恰好成為燕山山脈的前沿,在地理上形成了所謂“關(guān)里關(guān)外”的特殊地理環(huán)境,由于燕山山脈的屏障作用改變了氣流方向,在特殊地形條件的作用下,秦皇島沿?？赡苁桥_風(fēng)登陸路徑的分界點(diǎn)。因此,臺風(fēng)在秦皇島沿海登陸的可能性很小,秦皇島沿海由臺風(fēng)影響產(chǎn)生的風(fēng)暴潮一般為臺風(fēng)外圍構(gòu)成的,統(tǒng)計也表明,自1949年以來沒有臺風(fēng)直接登陸秦皇島沿海的個例。臺風(fēng)影響秦皇島沿海的風(fēng)暴潮主要是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后北上時外圍形成的強(qiáng)東風(fēng)制造的。特別是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后直接北上,在東北平原登陸的臺風(fēng),中心偏西時引發(fā)的風(fēng)暴潮應(yīng)引起特別關(guān)注。在遼東半島登陸的臺風(fēng)由于路徑偏西,對秦皇島沿海影響比較小。

3.1.1 臺風(fēng)在華北平原登陸影響型

臺風(fēng)在華北平原登陸影響型天氣形勢表現(xiàn)為:500 hPa副熱帶高壓呈塊狀,閉合中心在日本海,并向西進(jìn),副熱帶高壓與大陸高壓有合并的趨勢,由于副熱帶高壓西進(jìn),促使低空850 hPa低空急流沿朝鮮半島北進(jìn),低緯度高溫、高濕水汽源源不斷向北輸送,引導(dǎo)臺風(fēng)北上進(jìn)入華北平原(圖1)。

圖1 華北平原登陸的臺風(fēng)路徑示意圖

3.1.2 臺風(fēng)減弱為熱帶低壓在東北平原登陸影響型

臺風(fēng)在東北平原登陸型的天氣形勢:這種類型是臺風(fēng)進(jìn)入渤海后北上再次在東北平原登陸,登陸影響型的天氣形勢表現(xiàn)為:副熱帶高壓呈塊狀,中心在日本列島。西伸脊點(diǎn)在東經(jīng)120度以西,北界在北緯42度以北。副熱帶高壓與青藏高壓遙相呼應(yīng),西風(fēng)帶在北緯45度以北。由于副熱帶高壓穩(wěn)定加強(qiáng),促使低空偏南氣流加強(qiáng),低緯度高溫、高濕水汽源源不斷向北輸送,在副熱帶高壓外圍西南氣流引導(dǎo)下使強(qiáng)迫臺風(fēng)北上,臺風(fēng)沿副高邊緣北上,西風(fēng)槽逼近東北平原,對臺風(fēng)進(jìn)入東北平原起到吸引作用(圖2)。

圖2 東北平原登陸的臺風(fēng)路徑示意圖

3.1.3 臺風(fēng)減弱為熱帶低壓在遼東半島登陸影響型

臺風(fēng)減弱為熱帶低壓在遼東半島登陸影響型的天氣形勢:例如2005年9號臺風(fēng)“麥莎”是較為典型的遼東半島登陸型,在500 hPa圖上副熱帶高壓偏南,FXFE502的預(yù)報圖上脊線在北緯30度,臺風(fēng)沿副高外圍西南氣流向西、偏北方向移動在大連登陸。在850 hPa圖上臺風(fēng)麥莎表現(xiàn)為:沿負(fù)變高長軸,軸線方向移動。24小時最大負(fù)變高中心和地面3小時最大負(fù)變壓中心的變化對臺風(fēng)未來的移動方向有著很好的指示作用,對臺風(fēng)路徑的短時預(yù)報有著很好的指示意義。

3.2 北方強(qiáng)冷空氣南下影響型

北方強(qiáng)冷空氣南下影響型的天氣形勢表現(xiàn)為:500 hPa在貝加爾湖有一個強(qiáng)大的冷中心 T=-40℃,H=535位勢什米。850 hPa的冷中心與高空幾乎重合,高度場前傾,等溫線。與等高線成90°角,西南氣流在東南沿海北上與南下冷空氣在華北南部至渤海一帶匯合。在地面圖上倒槽的頂部正位于渤海灣及沿岸,倒槽的發(fā)展使渤海灣及沿岸形成較強(qiáng)的偏東風(fēng),由于持續(xù)時間較長,促進(jìn)了向岸增水作用,在天文大潮的共同作用下形成強(qiáng)大的風(fēng)暴潮災(zāi)。

4 診斷預(yù)報技術(shù)指標(biāo)

4.1 低空急流

在850 hpa圖上,低空急流主要有兩條,一是西路,從東南沿海進(jìn)入渤海(圖3),例如1984年8月8～9日。二是東路從日本南部經(jīng)朝鮮半島進(jìn)入渤海(圖4),例如1972年7月26日。

圖3 低空急流從東南沿海進(jìn)入渤海

圖4 低空急流從經(jīng)朝鮮半島進(jìn)入渤海

4.2 副高位置

副高中心在日本列島,穩(wěn)定或西進(jìn),副高穩(wěn)定或西進(jìn)對臺風(fēng)的移動的路徑起關(guān)鍵作用。700 hPa圖上316線西伸脊點(diǎn)一般在北緯35度東經(jīng)120度附近,北界一般在北緯42度以北。

4.3 變高

臺風(fēng)一般沿24小時負(fù)變高中心,長軸軸線方向移動。

4.4 風(fēng)

由于風(fēng)暴潮的形成受風(fēng)的影響較大,預(yù)報時應(yīng)注意風(fēng)區(qū)和風(fēng)向的變化,風(fēng)對海水表面流速的影響主要有:風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)時、風(fēng)區(qū)。一般風(fēng)可使海水表面流速增加3%,風(fēng)時、風(fēng)區(qū)與海流速度成正比。受科氏力影響,風(fēng)向在北半球向右偏20°。

構(gòu)成秦皇島沿海海域的風(fēng)暴潮風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)時、風(fēng)區(qū)條件為:東南東風(fēng),風(fēng)速大于或等于6級,持續(xù)時間大于12 h,滿足上述條件的大風(fēng)區(qū)域大于500 km。

4.5 物理量指標(biāo)

根據(jù)500 hPa形勢預(yù)報初步判斷臺風(fēng)或熱帶風(fēng)暴是否可能影響,然后結(jié)合臺風(fēng)路徑、物理量場預(yù)報、變高、850 hPa流場、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)回波等定量信息、暴雨或強(qiáng)降水的中尺度系統(tǒng)各種特征,最后得到秦皇島沿海風(fēng)暴潮天氣診斷預(yù)報結(jié)果:

(1)判斷數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和500 hPa環(huán)流概念模型:最近時次500 hPa 24 h或36 h數(shù)值預(yù)報高度場,并迭加模型圖,確認(rèn)有無相似環(huán)流型。

(2)顯示最近12小時衛(wèi)星圖像路徑,確認(rèn)本地區(qū)或周圍有無天氣尺度或中尺度云系、臺風(fēng)云系,水汽羽活動,辨認(rèn)未來可能影響云系類型。

(3)最近3小時云圖上,影響云系強(qiáng)度及移動方向。

(4)低空急流位置符合技術(shù)指標(biāo)4.1的條件。

(5)在以下物理量場中:數(shù)值預(yù)報500 hPa、700 hPa 24 h或36 h物理量預(yù)報場:ζ,ω,(TTd),雨區(qū),渦度平流(VA),水汽通量散度(FD)及溫度平流(TA)。本地區(qū)位置應(yīng)符合以下條件:500 hPaζ＞0,FXFE782ω＜ -10,FXFE782(TTd)＜3,FXFEO2 R＞10,FD＜0,500hPa TA＞0,500hPa VA＞0。滿足以上五個條件則確認(rèn)進(jìn)入風(fēng)暴潮的有利天氣形勢。

5 小結(jié)與討論

利用縣志、國家海洋局發(fā)布的風(fēng)暴潮、臺風(fēng)移動路徑、中央氣象局臺風(fēng)年鑒、常規(guī)天氣圖等多種資料,分析了影響秦皇島沿海海域風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng),建立了引發(fā)風(fēng)暴潮的天氣概念模型,得到:

(1)進(jìn)入渤海的臺風(fēng)路徑有三條,其中在華北平原和東北平原登陸的臺風(fēng),對河北部沿海影響比較大,在遼東半島登陸的臺風(fēng)對秦皇島沿海影響比較小。

(2)臺風(fēng)在河北北部沿海特別是秦皇島沿海登陸的可能性很小,秦皇島沿海由臺風(fēng)影響產(chǎn)生的風(fēng)暴潮一般為臺風(fēng)外圍構(gòu)成的,這也是秦皇島沿海風(fēng)暴潮較少的原因之一。

(3)秦皇島沿海海域的風(fēng)暴潮天氣的概念模型可描述為:在有利的大尺度環(huán)流背景,臺風(fēng)等天氣系統(tǒng)受外界引導(dǎo)形成持續(xù)的東到東北大風(fēng)為海平面的增高提供了有利的動力條件。

(4)成災(zāi)風(fēng)暴潮多發(fā)生在朔日和望日及其后的5天。上弦和下弦很少發(fā)生。

[1]陳芳,馬英芳,金惠瑛.高空溫度、高度變化特征及其與地面氣溫的相關(guān)分析[J].氣象科技,2005,33(2):163-166.

[2]劉鳳樹,丁文蘭,銀銅,等.黃河口區(qū)風(fēng)暴潮及其影響與預(yù)防對策的研究[J].海洋科學(xué)集刊,1994,(35):45,71.

[3]張承旺,侯淑梅,孫忠欣.“070304”渤海特大風(fēng)暴潮的成因分析[J].山東氣象,2007,109(27):25-27.

[4]于恩洪,陳炎源,陳彬,等.渤海灣風(fēng)暴潮的統(tǒng)計分析[J].氣象 ,1987,13(7) :47-49,46.

[5]胡欣,景華,王福俠.渤海灣風(fēng)暴潮天氣系統(tǒng)及風(fēng)場結(jié)構(gòu)個例分析[J].氣象科技,2005,33(3):235-239.

The Forecast and Im pact of Qinhuangdao Coast Severe Weather on Natural Environment

Chen Lianyou1,2,Ju Liling2,Cao Jianxin2,Cao Xiuzhi2
(1.Ecological Environment Key Laboratory of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei 050021;2.Meteorological Bureau of Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000)

The storm surge weather is a kind of disaster of natural phenomena.Under normalcircum stances,mo re than 500 kilometers east to northeast winds for 12 hours,and the wind speed is greater than or equal to 6,will be the formation of storm surge along the coast in Qinhuangdao.By analyzing the dynamic weather conditions causing storm surges,weather systems relevant to storm surges and typhoons and extra tropical cyclones,then according to astronomy,tides,typhoons,extra tropical cyclone 24h diagnostic prediction,it judged typhoons,extra tropical cyclone tracks,so as to achieve the purpose of predicting storm surges accurately.

storm surge;typhoon;diagnostic forecast;technical indexes;Natural environment

X16

A

1008-813(2010)02-0011-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.02.004

2009-12-29

陳連友(1951—),男,河北撫寧人,畢業(yè)于南京信息工程大學(xué)天氣動力專業(yè),天氣工程師。