河北省沿海風(fēng)暴潮特征及成因分析

褚芹芹，張萬磊，洪新，李杰，張彥龍，張建樂

（1.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北秦皇島066002；2.國家海洋局煙臺海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東煙臺264006；3.天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津300450）

1 引言

河北省沿海地區(qū)包括秦皇島、唐山、滄州3市，海岸線長487 km，海岸帶總面積11 379.88 km2。河北省沿海地區(qū)地處環(huán)渤海中心地帶，是我國環(huán)渤海重要的經(jīng)濟(jì)成長區(qū)，與遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、天津?yàn)I海新區(qū)、黃河三角洲生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)共同構(gòu)成環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的重點(diǎn)開發(fā)區(qū)，在促進(jìn)全國區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略地位。風(fēng)暴潮災(zāi)害是影響河北省沿海最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害之一，災(zāi)害性風(fēng)暴潮會對河北省沿海的養(yǎng)殖、旅游、港口航運(yùn)、沿岸基礎(chǔ)設(shè)施等造成嚴(yán)重的危害和經(jīng)濟(jì)損失。

歷史上關(guān)于河北省沿海風(fēng)暴潮的記載，最早始于西漢元帝初元元年（即公元前48年），距今已有2 000多年。其間的記載時斷時續(xù)，至1949年只有46次[1]。郭迎春[1]收集整理了公元前48年—1996年近2 044 a的史料，分析了河北省風(fēng)暴潮的成因，討論了風(fēng)暴潮的時空分布特征、危害程度及區(qū)域評價，提出了河北省風(fēng)暴潮的預(yù)警要點(diǎn)。李娜[2]對黃驊港潮位資料進(jìn)行了分析，闡述了該海區(qū)風(fēng)暴潮特點(diǎn)及潮災(zāi)影響因素。弓冉等[3]通過多個實(shí)例分析風(fēng)暴潮產(chǎn)生的成因以及它的類型,并論述地面沉降、海平面上升與海岸地形條件等方面對風(fēng)暴潮的影響。陳利江等[4]通過歷史資料記載以及對1950—1994年所發(fā)生風(fēng)暴潮的統(tǒng)計，分析河北沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害的類型、成因、危害及其成災(zāi)規(guī)律。

2013年，河北省政府發(fā)布了的風(fēng)暴潮四色警戒潮位值標(biāo)準(zhǔn)，因此我們按照該標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計分析了2013年前后近10 a來（2008—2017年）的河北省沿海的風(fēng)暴潮資料，分析河北省沿海風(fēng)暴潮發(fā)生的時空分布特征，以及引起河北省沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害的成因，以期為河北省沿海防災(zāi)減災(zāi)提供數(shù)據(jù)更新和支持。

2 河北省沿海風(fēng)暴潮特征分析

以布設(shè)在河北省沿海3市，包括秦皇島、唐山京唐港、唐山曹妃甸、滄州黃驊4個具有代表性的驗(yàn)潮站實(shí)測潮位和逐時風(fēng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以2013年河北省政府發(fā)布的風(fēng)暴潮四色警戒潮位值[5]為標(biāo)準(zhǔn)，我們統(tǒng)計了2008—2017年10 a河北省沿海的風(fēng)暴潮過程（見表1）。通過統(tǒng)計得出，10 a內(nèi)秦皇島、唐山、滄州3市沿海共發(fā)生40次達(dá)藍(lán)色警戒潮位及以上的風(fēng)暴潮過程，平均每年4次。以下從5個方面分析河北省沿海風(fēng)暴潮特征：

（1）達(dá)到警戒潮位的級別：河北省沿海共出現(xiàn)30次達(dá)藍(lán)色警戒潮位的風(fēng)暴潮過程，8次達(dá)黃色警戒潮位，2次達(dá)橙色警戒潮位（其中1次出現(xiàn)在滄州和唐山近岸海域，1次僅出現(xiàn)在滄州海域），未出現(xiàn)達(dá)紅色警戒潮位的風(fēng)暴潮過程。

表1 2008—2017年河北沿海達(dá)藍(lán)色警戒潮位的風(fēng)暴潮過程

續(xù)表1

圖1 2008—2017年逐年風(fēng)暴潮次數(shù)統(tǒng)計

圖2 2008—2017年各月風(fēng)暴潮次數(shù)統(tǒng)計

圖3 2008—2017年風(fēng)暴潮影響區(qū)域統(tǒng)計圖

（2）區(qū)域分布：如圖3所示，影響滄州黃驊沿岸的風(fēng)暴潮次數(shù)最多，為27次；唐山曹妃甸沿岸和秦皇島沿岸次之，觀測到的風(fēng)暴潮次數(shù)為17次；唐山京唐港沿岸最少，觀測到的風(fēng)暴潮次數(shù)為7次。

（3）時間分布：近10 a來，河北省每年發(fā)生風(fēng)暴潮次數(shù)在2～8次之間，其中2010年、2014年發(fā)生次數(shù)最少，2016年發(fā)生次數(shù)最多（見圖1）；月際變化方面（見圖2），7—10月是風(fēng)暴潮高發(fā)時段，占全年發(fā)生次數(shù)的67.5%,這一方面與該時段內(nèi)冷暖氣流交匯、天氣系統(tǒng)活躍有關(guān)，另一方面也與天文潮基礎(chǔ)潮位較高有關(guān)。

圖4 2008—2017年引起風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)統(tǒng)

圖5 2008—2017年引起風(fēng)暴潮的氣旋系統(tǒng)種類統(tǒng)計

（4）引發(fā)風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)：河北省沿海風(fēng)暴潮主要受溫帶氣旋、冷空氣、溫帶氣旋和冷空氣共同作用、臺風(fēng)4類天氣系統(tǒng)，其中冷空氣引發(fā)的風(fēng)暴潮次數(shù)最多，占了總次數(shù)的42.5%，其次為溫帶氣旋，再次為溫帶氣旋和冷空氣共同配合，臺風(fēng)北上引發(fā)的風(fēng)暴潮最少（見圖4）；冷空氣參與引起的風(fēng)暴潮主要發(fā)生在春、秋季節(jié)，且秋季明顯多于春季，1月、6月、7月3個月未出現(xiàn)冷空氣參與引起的風(fēng)暴潮過程（見圖6）；溫帶氣旋參與引起的風(fēng)暴潮過程在夏秋季節(jié)較多，冬季最少（見圖7）；根據(jù)氣旋生成源地的不同，引起河北沿海風(fēng)暴潮的溫帶氣旋包括江淮氣旋、黃河氣旋、蒙古氣旋和東北氣旋4類，其中江淮氣旋引發(fā)風(fēng)暴潮次數(shù)最多，黃河氣旋次之，蒙古氣旋和東北氣旋由于位置偏北，引發(fā)風(fēng)暴潮次數(shù)最少（見圖5）；江淮氣旋多獨(dú)自引起風(fēng)暴潮過程，黃河氣旋則多與冷空氣配合引起風(fēng)暴潮過程，蒙古氣旋和東北氣旋均為獨(dú)自引起風(fēng)暴潮過程，這與氣旋所在位置及移動路徑有關(guān)；臺風(fēng)北上引起的風(fēng)暴潮集中發(fā)生在6—8月，其中8月份最多。

圖6 2008—2017年各月引起風(fēng)暴潮的冷空氣個數(shù)統(tǒng)計（包括冷空氣獨(dú)自引起的以及氣旋和冷空氣共同作用引起的風(fēng)暴潮過程）

（5）經(jīng)濟(jì)損失：據(jù)2008—2017年河北省海洋環(huán)境狀況公報[6]中公布的風(fēng)暴潮經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)統(tǒng)計，造成河北省沿海經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)暴潮過程共6次，總經(jīng)濟(jì)損失32.29億元，發(fā)生在4月、7—10月，冷空氣、氣旋過程各兩次，冷空氣和氣旋配合過程1次，臺風(fēng)北上過程1次，其中2012年10號臺風(fēng)“達(dá)維”北上影響造成的經(jīng)濟(jì)損失額最大，達(dá)20.44億元。

3 河北省沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害成因分析

3.1 地形原因

從表1可看出，河北省風(fēng)暴潮在滄州沿岸發(fā)生次數(shù)最多，且滄州和唐山地區(qū)的風(fēng)暴潮過程多由東北向大風(fēng)引起，而秦皇島地區(qū)的風(fēng)暴潮過程多由東南向風(fēng)引起，這與秦皇島、唐山、滄州3市地形分布有關(guān)。

秦皇島沿海位于遼東灣西南部、渤海灣西北部，岸線呈西南-東北走向，東南向風(fēng)利于水體向岸堆積，唐山、滄州沿海位于渤海西及西南海岸，當(dāng)渤海出現(xiàn)偏東或東北大風(fēng)時，強(qiáng)風(fēng)驅(qū)使海水通過渤海海峽或自遼東灣向渤海灣流動，在科氏力作用下，水體在渤海灣灣頂堆積，尤其是歧口一帶，爾后推向塘沽以北海域，從而造成黃驊岸段、唐山岸段，甚至秦皇島岸段出現(xiàn)較大增水。

3.2 天氣系統(tǒng)與漲潮過程的配合

圖7 2008—2017年各月引起風(fēng)暴潮的氣旋個數(shù)統(tǒng)計（包括氣旋獨(dú)自引起的以及氣旋和冷空氣共同作用引起的風(fēng)暴潮過程）

由第2節(jié)分析得出引發(fā)河北省沿海風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)有冷空氣、溫帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣共同配合、臺風(fēng)北上4種。

（1）冷空氣主要是西伯利亞或蒙古等地高壓沿河套地區(qū)東移南下，此時我國南方無明顯的低壓系統(tǒng)與之配合，橫向有冷鋒壓到渤海南部，冷空氣南緣等壓線呈東西向，造成渤海東北大風(fēng)，致使河北省唐山以及滄州沿岸發(fā)生風(fēng)暴潮，如下圖8所示，受冷空氣影響，2011年9月1日出現(xiàn)了一次風(fēng)暴潮過程，給滄州沿岸造成132 cm增水，達(dá)到了橙色警戒潮位。

（2）溫帶氣旋獨(dú)立引起的風(fēng)暴潮是指無明顯冷空氣與之配合，暖濕氣流活躍的氣旋。受到氣旋后部或是前部影響，渤海出現(xiàn)北到東北或東到東南大風(fēng)，配合漲潮過程，從而造成河北省沿岸，尤其是唐山和滄州沿海會出現(xiàn)較大增水，如圖9所示，受江淮氣旋前部影響，2016年7月20日河北省沿岸出現(xiàn)了一次溫帶風(fēng)暴潮過程，秦皇島最高潮位超過了當(dāng)?shù)攸S色警戒潮位值，唐山、滄州沿岸最高潮位超過當(dāng)?shù)厮{(lán)色警戒潮位值。

（3）溫帶氣旋和冷空氣配合的天氣系統(tǒng)在夏季出現(xiàn)較少，多數(shù)出現(xiàn)在春、秋及冬季，此時冷空氣活動頻繁，配合氣旋會形成區(qū)域性大風(fēng)，最為典型的是冷空氣受西南倒槽阻擋，在渤海中部產(chǎn)生強(qiáng)大的氣壓梯度，造成渤海海面持續(xù)東北大風(fēng)，從黃驊沿海到灤河口都會出現(xiàn)很大增水，尤其岐口以南最為嚴(yán)重。如圖10所示，2009年4月15日，河北省沿海出現(xiàn)了一次由冷空氣配合黃河氣旋造成的風(fēng)暴潮過程，滄州沿岸出現(xiàn)了161 cm的增水，最高潮位超過了當(dāng)?shù)攸S色警戒潮位值。

圖8 2011年8月31日—9月1日地面實(shí)況天氣圖（時間為北京時，下同）

（4）臺風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮多發(fā)于臺風(fēng)活動頻繁的夏秋季節(jié)，熱帶氣旋由西北太平洋生成后北或西北行進(jìn)入東海，繼續(xù)北上穿過山東半島進(jìn)入渤海。由于陸地對北上臺風(fēng)的消減，造成河北省沿岸增水的多是減弱為熱帶氣旋或是變性后的臺風(fēng)與冷空氣的配合之后的天氣系統(tǒng)。當(dāng)移經(jīng)黃渤海的臺風(fēng)減弱為低壓或變性為溫帶氣旋又與北方冷空氣配合時，將造成河北省沿海出現(xiàn)嚴(yán)重的增水，繼而引發(fā)風(fēng)暴潮災(zāi)害。如圖11所示，2012年8月3—4日，受第10號臺風(fēng)“達(dá)維”北上影響，河北省沿海出現(xiàn)了一次較強(qiáng)的風(fēng)暴潮過程，按照2012年河北執(zhí)行的單色警戒潮位標(biāo)準(zhǔn)，滄州沿岸出現(xiàn)了超過當(dāng)?shù)爻壬涑蔽坏母叱蔽?，秦皇島沿岸和唐山沿岸也出現(xiàn)了不同程度的增水，給河北省沿海造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 海平面上升

隨著全球氣候變暖以及人為對岸線干預(yù)造成的海平面上升，對風(fēng)暴潮的影響也不容忽視。海平面上升對風(fēng)暴潮的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)暴潮基礎(chǔ)水位的提高，從而導(dǎo)致達(dá)到風(fēng)暴潮警戒標(biāo)準(zhǔn)的增水值減小。

圖9 2016年7月20日05—17時地面實(shí)況分析天氣圖

目前，全球氣候變暖引起的海水體積膨脹、極地冰蓋及陸源冰川冰帽等融化等引起的海平面上升和區(qū)域構(gòu)造沉降、沉積層壓實(shí)因素及人為造成的地面沉降，海平面上升和地面沉降均會引起風(fēng)暴潮基礎(chǔ)水位升高，因而使出現(xiàn)同樣高度風(fēng)暴潮高潮位所需的增水值減小，從而縮短極值高潮位的重現(xiàn)期、增大海水漫灘的機(jī)會，使現(xiàn)有海堤防御能力下降甚而遭到破壞，加大城市防洪與排澇困難[8]。據(jù)文獻(xiàn)分析，滄州中捷農(nóng)場生活區(qū)及臨港工業(yè)開發(fā)區(qū)最大沉降速率超過40 mm/a，唐山的兩個沉降區(qū)域近年來沉降速率有所下降，但最大沉降速率仍超過30 mm/a[9]。據(jù)2017年中國海平面公報顯示[10]，中國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢，2017年，中國沿海海平面較常年高58 mm，其中河北沿海海平面較常年高35 mm，預(yù)計未來30 a河北沿海海平面將上升70～150 mm，因此，海平面上升對河北省沿海風(fēng)暴潮的影響將會是一個持續(xù)的過程，是河北省沿海地區(qū)警戒潮位值核定參考的重要因素。

此外，海平面上升還會使得地面降水的徑流水位提高，從而變相抬高了風(fēng)暴潮，引起風(fēng)暴潮水位上升，據(jù)仉天宇等[11]通過風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值模式研究得到，在海平面上升50 cm的情況下，風(fēng)暴潮淹沒面積平均增加百分比為35.4%；上升100 cm的情況下，增加百分比為86.4%[11]。

3.4 全球變暖引發(fā)的氣候異常

全球變暖引發(fā)的氣候異常，可能會導(dǎo)致極端天氣事件頻發(fā)，登陸臺風(fēng)強(qiáng)度加強(qiáng)、風(fēng)力變大，北上影響河北省沿岸的可能性增大，從而加大河北省風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險，如2011年和2012年受到氣候異常影響，每年有兩個臺風(fēng)北上影響河北省海域，河北省沿海連續(xù)兩年共出現(xiàn)了4次臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程，給河北省沿海地區(qū)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖10 2009年4月14日20時—4月15日02時地面實(shí)況分析天氣圖

圖11 2012年8月3日08時—8月4日08時地面實(shí)況分析天氣圖

4 結(jié)論

根據(jù)2008—2017年10 a的河北省沿海風(fēng)暴潮資料的統(tǒng)計，分析河北省沿海風(fēng)暴潮發(fā)生的時空分布特征，以及引起河北省沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害的成因，得出以下主要結(jié)論：

（1）河北沿海近十年共發(fā)生40次風(fēng)暴潮過程，其中影響滄州市沿海的次數(shù)最多，唐山曹妃甸潮位和秦皇島次之，唐山京唐港最少；

（2）7—10月是風(fēng)暴潮高發(fā)時段，占全年發(fā)生次數(shù)的67.5%,遭受經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)暴潮過程也多發(fā)生在這一時段，這一方面與該時段內(nèi)冷暖氣流交匯、天氣系統(tǒng)活躍有關(guān)，另一方面也與天文潮基礎(chǔ)潮位較高有關(guān)。

（3）引發(fā)河北省風(fēng)暴潮的天氣系統(tǒng)主要為冷空氣、溫帶氣旋、溫帶氣旋和冷空氣共同作用、臺風(fēng)4類天氣系統(tǒng)，其中冷空氣引發(fā)的風(fēng)暴潮次數(shù)最多。冷空氣參與引起的風(fēng)暴潮主要發(fā)生在春、秋季節(jié)；溫帶氣旋參與引起的風(fēng)暴潮過程在夏秋季節(jié)較多，冬季最少；臺風(fēng)北上引起的風(fēng)暴潮集中發(fā)生在6—8月，其中8月份最多。

（4）河北省沿海風(fēng)暴潮成因主要有地形影響、天氣系統(tǒng)與漲潮過程配合、海平面上升及全球變暖引發(fā)的氣候異常等4方面原因。由于河北省岸線分布特點(diǎn)，滄州和唐山地區(qū)的風(fēng)暴潮過程多由東北向大風(fēng)引起，而秦皇島地區(qū)的風(fēng)暴潮過程多由東南向風(fēng)引發(fā)，有利的風(fēng)向配合漲潮過程極易引發(fā)沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害。