“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過程天氣形勢分析及數(shù)值預(yù)報研究

劉秋興，于海鵬，傅賜福，王培濤，趙聯(lián)大，吳少華

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081）

“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過程天氣形勢分析及數(shù)值預(yù)報研究

劉秋興，于海鵬，傅賜福，王培濤，趙聯(lián)大，吳少華

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081）

對2011年9月1日在渤海發(fā)生的一次較強溫帶風(fēng)暴潮過程的成因及發(fā)展情況進行了深入的研究，并對此次溫帶風(fēng)暴潮的預(yù)報情況進行了較為詳細(xì)的數(shù)值研究分析和總結(jié)。從數(shù)值預(yù)報的結(jié)果來看，兩套溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式都表現(xiàn)出較好的預(yù)報能力，特別是對于此類移動速度較為穩(wěn)定的溫帶系統(tǒng)，預(yù)報時效可以延長到24 h左右。通過總結(jié)近10年來我國渤海典型溫帶風(fēng)暴潮過程的致災(zāi)特點發(fā)現(xiàn):冷空氣和低壓配合對渤海特別是渤海灣產(chǎn)生的溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害性影響不容小覷，夏半年時更要注意中尺度對流天氣疊加在氣旋天氣系統(tǒng)上對災(zāi)害的放大作用。

溫帶風(fēng)暴潮；數(shù)值計算；非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格

1 引言

在西北太平洋沿岸國家中，我國是最容易遭受溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害襲擊的國家，而渤海又是我國溫帶風(fēng)暴潮災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)[1-2]。進入21世紀(jì)以來，渤海發(fā)生了多次嚴(yán)重的溫帶風(fēng)暴潮過程[3-5]，包括“20031011”溫帶風(fēng)暴潮過程[6]、“20070303”溫帶風(fēng)暴潮過程和“20090415”溫帶風(fēng)暴潮過程[7]等。單純冷空氣或低壓引起的災(zāi)害性風(fēng)暴潮過程很少，縱觀10年來我國渤海發(fā)生的較為嚴(yán)重的溫帶風(fēng)暴潮過程，均是冷空氣和低壓配合引起的這一類溫帶系統(tǒng)，“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過程也是如此。受冷空氣和低壓的共同影響，2011年9月1日上午，渤海灣、萊州灣沿海出現(xiàn)了一次較強的溫帶風(fēng)暴潮過程。河北黃驊潮位站出現(xiàn)了550 cm（超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽?0 cm）的高潮位，為該站有觀測記錄以來的歷史第四大高潮位。天津塘沽潮位站潮位站出現(xiàn)了517cm（超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽?7 cm）的高潮位。盡管預(yù)報部門提前及時做出預(yù)警，有效地減小了損失，但此次風(fēng)暴潮過程仍然導(dǎo)致了渤海灣部分堤段被沖毀、蝦池被淹、漁船擱淺等損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅河北、天津兩地因本次風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失就高達近2億元。

2 天氣形勢分析

本次溫帶風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)直接誘因是典型的冷空氣和低壓在渤海配合產(chǎn)生的東北大風(fēng)。從500 hPa高空天氣圖（見圖1）上可以看到，8月31日08時有淺槽在貝加爾湖以東中蒙邊界處生成并逐漸東移，于31日夜間掃過東北及渤海北部地區(qū)，形成此次大風(fēng)天氣的高空環(huán)流背景。

從850 hPa高空圖（見圖2）上可以看到，31日20時，渤海西部受到華北東伸的暖脊控制，東北地區(qū)是一個冷渦，冷渦槽后的鋒區(qū)和冷平流已經(jīng)控制東北地區(qū)。31日白天和上半夜渤海地區(qū)受暖濕氣團控制，累積計了大量不穩(wěn)定能量。至9月1日08時，鋒區(qū)南移跨過渤海抵達山東半島。

從地面圖（見圖3a）上可以看到，31日20時渤海西部位于高壓后部弱低壓控制吹弱的南-東南風(fēng)有利于不穩(wěn)定能量的累積。另外從距渤海西部最近的探空站北京31日20時的探空資料（見圖4）看，有中等強度不穩(wěn)定能量累積，cape（對流有效位能）值也達到1660，沿海地區(qū)由于空氣的濕度大、不穩(wěn)定能量只會更高。9月1日02時，地面冷鋒抵達渤海灣地區(qū)（見圖3b），引發(fā)了強烈的對流天氣。05—08時，系統(tǒng)在渤海灣地區(qū)進一步發(fā)展并加強到鼎盛階段,范圍進一步擴大（見圖3c、3d）。

圖1 31日08時500 hPa高空天氣圖（引自韓國氣象廳） 圖2 31日20時850 hPa高空天氣圖（引自韓國氣象廳）

圖3 地面天氣圖（引自韓國氣象廳）

從9月1日02時天津站的多普勒雷達測到的組合反射率圖（見圖5）上看，天津附近及渤海西部地區(qū)有50 dBz以上的強回波區(qū)。

圖4 溫度對數(shù)壓力圖

圖5 多普勒雷達組合反射率圖

同時，在平均徑向速度多普勒雷達圖（見圖6）上，出現(xiàn)了27 m/s以上的東-東北向強風(fēng)速區(qū)域，說明03時天津附近的近地面層出現(xiàn)了很強的東-東北向?qū)α鲝婏L(fēng)。

從連續(xù)的紅外增強云圖上看，9月1日01時對流云團開始在近海陸地上形成，02時移到天津一代沿海并強烈發(fā)展，03時進一步增強，04時范圍擴大并開始東移，中心強度開始減弱，見圖7。

圖6 平均徑向速度多普勒雷達圖

圖7 9月1日紅外增強云圖（引自臺灣（中央）氣象局）

圖8 塘沽潮位站風(fēng)速風(fēng)向圖

圖9 黃驊潮位站風(fēng)速風(fēng)向圖

結(jié)合塘沽和黃驊海洋站的風(fēng)速風(fēng)向?qū)崨r可以看到（見圖8、9），塘沽站02時風(fēng)速達到7級風(fēng)的強度（03時陣風(fēng)9級）并一直維持至07時前后，風(fēng)向以東北偏東風(fēng)為主；黃驊站03時開始出現(xiàn)7級以上大風(fēng)，也維持了3 h左右，特別是在04時后更觀測到了10級（26.8 m/s）的陣風(fēng)，風(fēng)向以東北風(fēng)為主。08時以后，兩站風(fēng)速逐漸減小到5級以下，此次過程對渤海灣的大風(fēng)影響逐漸減弱至消失。

3 溫帶風(fēng)暴潮過程實況

“20110901”溫帶風(fēng)暴潮過程從9月1日凌晨開始影響我國的渤海灣，下午影響山東萊州灣沿海，沿岸各潮位站均觀測到了不同程度的風(fēng)暴增水，影響嚴(yán)重岸段為渤海灣，沿岸多個潮位站出現(xiàn)了超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽?。渤海灣?nèi)天津塘沽站和河北黃驊站從1日02時前后開始出現(xiàn)明顯增水，分別于07、06時前后增水達到最大，塘沽站整個過程逐時最大風(fēng)暴增水110 cm，黃驊站過程逐時最大風(fēng)暴增水123 cm，由于增水主振過程適逢渤海灣沿岸當(dāng)日凌晨天文高潮位時段，因此沿岸塘沽站于1日04時58分出現(xiàn)了517 cm過程最高潮位，超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽?7 cm。河北省黃驊站于1日05時20分出現(xiàn)了550 cm的過程最高潮位，超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽?0 cm。山東濰坊站整個過程逐時最大風(fēng)暴增水124 cm，最高潮位311 cm，由于最大增水未疊加到該站的天文高潮階段，故該站未出現(xiàn)超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏母叱蔽弧２澈?、萊州灣沿岸各站潮位和增水見表1。

4 溫帶風(fēng)暴潮過程的數(shù)值預(yù)報研究

國家海洋環(huán)境預(yù)報中心目前運行兩套業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式，每天定時兩次對外發(fā)布溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報中強迫場采用國家海洋環(huán)境預(yù)報中心風(fēng)場組提供的分辨率為0.1o×0.1o的MM5業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的逐時分析風(fēng)場和氣壓場作為海表面的氣象強迫場資料，模式計算區(qū)域包括北黃海和渤海，水深采用分辨率為2'×2'的數(shù)據(jù)，三角網(wǎng)格中節(jié)點水深數(shù)據(jù)采用反距離插值法獲取。在重點區(qū)域近海采用專項調(diào)查得到的水深資料。岸線為國家測繪局1997—2001年的海岸線資料進行訂正之后的海岸線數(shù)據(jù)，比例尺為1:250000，并根據(jù)目前的最新變化情況進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表1 “20110901”溫帶風(fēng)暴潮過程最大增水和最高潮位

圖10 塘沽站逐次預(yù)報與實測潮位過程曲線對比圖 圖11 黃驊站逐次預(yù)報與實測潮位過程曲線對比圖

圖12 塘沽站逐次精細(xì)化預(yù)報與實測圖13 黃驊站逐次精細(xì)化預(yù)報與實測潮位過程曲線對比圖 潮位過程曲線對比圖

對于“20110901”次溫帶風(fēng)暴潮過程，采用了兩套不同溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式分別進行了4次預(yù)報（第一次預(yù)報時間為2011年8月30日08時，第二次預(yù)報時間為8月30日14時，第三次預(yù)報時間為8月31日08時，第四次預(yù)報時間為8月31日14時），預(yù)報時效在12—48 h之間。

4.1 業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式1（CES）

該模式計算區(qū)域覆蓋整個中國近海，空間分辨率為6'，采用半隱式差分格式，有效地提高了計算效率，自從2004年開始業(yè)務(wù)化運行以來，對影響渤海的三類主要溫帶天氣系統(tǒng)（冷鋒配合低壓、冷鋒類和強孤立氣旋）引起的溫帶風(fēng)暴潮過程有較為良好的預(yù)報結(jié)果。文中采用此模式對本次風(fēng)暴潮過程中超過當(dāng)?shù)鼐涑蔽坏奶凉梁忘S驊兩站進行了數(shù)值預(yù)報情況檢驗。從歷次預(yù)報情況來看，隨著時間的推移，塘沽和黃驊兩站均表現(xiàn)出后一次預(yù)報的準(zhǔn)確程度明顯比前一次要強，特別是前三次預(yù)報情況更是如此。第三次和第四次預(yù)報的時效在12—24 h之間，其預(yù)報結(jié)果已經(jīng)相差不大，與實測值非常吻合（見圖10—11）。

4.2 業(yè)務(wù)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式2（ADCIRC）

該模式采用目前國際上通用的基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)的ADCIRC模式，其可以精細(xì)刻畫沿岸地形、水深變化趨勢，準(zhǔn)確表達風(fēng)暴潮在河口、港灣內(nèi)的傳播信息。其中開邊界為江蘇南通到朝鮮半島最南端的連線，開邊界處網(wǎng)格分辨率約為18 km，東海和黃海部分陸地邊界網(wǎng)格分辨率約為3—5 km；在渤?？拷兜貐^(qū)，分辨率逐漸提高，網(wǎng)格相對密集，網(wǎng)格分辨率約700 m左右。該套網(wǎng)格的計算區(qū)域包括了80678個三角形單元，共計41324個節(jié)點。由于計算區(qū)域小，盡管網(wǎng)格分辨率較前一套模式有著顯著的提高，但仍表現(xiàn)出了較快的運算能力，三天數(shù)值預(yù)報的計算時間在15 min左右，完全可以滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報的需求，特別是在預(yù)報能力上更是反映出其特有的優(yōu)越性，其第二次預(yù)報的能力明顯強于預(yù)報模式1（CES），而第三次和第四次預(yù)報情況，兩套模式?jīng)]有明顯的區(qū)別（見圖11—12），均非常接近于實測值。

由于該次溫帶系統(tǒng)移動速度和強度均較為穩(wěn)定，溫帶風(fēng)暴潮過程發(fā)生前的24 h，數(shù)值預(yù)報的風(fēng)場已經(jīng)準(zhǔn)確地計算出了此次過程的移動速度和強度，是本次風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報能夠提前準(zhǔn)確的做出預(yù)報的一個重要前提。

5 結(jié)論

（1）單純冷空氣的角度來說，9月1日的過程只是一次較弱的過程，但是由于觸發(fā)了強烈的對流使得初期風(fēng)速增強很快，強對流過程是觸發(fā)此次風(fēng)暴潮災(zāi)害的重要因子；同時強對流大風(fēng)風(fēng)向和冷空氣風(fēng)向基本重疊都是東-東北向，強對流的能量釋放使得其后的冷空氣大風(fēng)得到加強，更有利于局地較大風(fēng)暴潮過程的發(fā)生；

（2）結(jié)合以往歷史統(tǒng)計資料及預(yù)報實踐，渤海灣及萊州灣產(chǎn)生較大風(fēng)暴潮災(zāi)害的天氣系統(tǒng)多數(shù)是冷空氣和氣旋配合型的，此次過程也不例外，特別是夏半年時更要注意中尺度對流天氣疊加在氣旋天氣系統(tǒng)上對災(zāi)害的放大作用，而每年7、8、9月份渤海灣高潮位是一年中最高的時期,因此要加強對此類天氣系統(tǒng)的監(jiān)視，不失時機的發(fā)布風(fēng)暴潮預(yù)警報；

（3）兩套溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)自8月30日上午就開始對本次風(fēng)暴潮過程做出預(yù)報，特別是31日的兩次預(yù)報情況與觀測結(jié)果十分吻合，可見溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對此類強度較強而且移動速度穩(wěn)定的天氣過程的增水過程描述準(zhǔn)確，為溫帶風(fēng)暴潮的預(yù)報預(yù)警提供了非常重要的參考。

[1]王喜年.關(guān)于溫帶風(fēng)暴潮[J].海洋預(yù)報,2005,22:17-23.

[2]葉琳,于福江.我國風(fēng)暴潮災(zāi)的長期變化與預(yù)測[J].海洋預(yù)報,2002,19（1）:89-96.

[3]于福江,王喜年.影響連云港的幾次顯著溫帶風(fēng)暴潮過程分析及其數(shù)值模擬[J].海洋預(yù)報,2002,19（1）:112-122.

[4]于福江,王喜年,宋珊,等.渤海“9216”特大風(fēng)暴潮過程的數(shù)值模擬[J].海洋預(yù)報,2000,17（4）:9-15.

[5]吳少華,王喜年,戴明瑞,等.渤海風(fēng)暴潮概況及溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)報,2002,24（3）:28-34.

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Weather situation analysis and numerical prediction of the“20110901”extratropical storm surge

LIU Qiu-xing， YU Hai-peng， FU Ci-fu，WANG Pei-tao， ZHAO Lian-da，WU Shao-hua

(National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China)

The paper makes a case study to the typical“20110901”extratropical storm surge occurred in the Bohai Sea.Based on two different storm surge forecast models,both of them show a good ability to forecast the development of the extratropical storm surge.Meanwhile,for those weather systems moving at a stable speed,the effective forecasting lengths of time intervals could be extended to 24 hours.According to the analysis of the characteristics of extratropical storm surge during the last ten years in the Bohai Sea,it is found that the combination of cold air and low pressure could generate a disastrous storm surge most possibly in the Bohai bay.Especially in late summer,the effect of disaster could be intensified due to the mesoscale convective band superimposed on the cyclonic scale weather system.

extratropical storm surge；numerical calculation；unstructured triangular mesh

P458

A

1003-0239（2012）02-0001-07

2011-12-09

海洋局公益性項目“天津濱海新區(qū)風(fēng)暴潮監(jiān)測預(yù)報預(yù)警技術(shù)與示范”（200805018）

劉秋興(1982-)，男，助理研究員，主要從事風(fēng)暴潮災(zāi)害的預(yù)報和研究工作。E-mail：lqx@nmefc.gov.com