長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響能力研究

周 才 揚(yáng)，殷 成 團(tuán)，章 衛(wèi) 勝，張 金 善

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

近年來，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸我國(guó)的頻數(shù)明顯增多[1]，其誘發(fā)的風(fēng)暴潮在河口海岸地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”在珠海登陸，最大風(fēng)速達(dá)45 m/s，中心氣壓950 hPa，造成最大增水2.79 m，直接經(jīng)濟(jì)損失51.54億元[2]；2018年“山竹”在廣東省臺(tái)山市登陸，最大風(fēng)速達(dá)48 m/s，中心氣壓955 hPa，造成最大增水3.39 m，直接經(jīng)濟(jì)損失24.57億元[3]；2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”橫掃我國(guó)南北沿海地區(qū)，帶來大范圍降雨，直接經(jīng)濟(jì)損失超過500億元。長(zhǎng)江口作為我國(guó)第一大河口屢受臺(tái)風(fēng)暴潮襲擾，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。近70 a共計(jì)160場(chǎng)臺(tái)風(fēng)影響長(zhǎng)江口地區(qū)，年均2.3場(chǎng)，而2018年臺(tái)風(fēng)數(shù)多達(dá)6.0場(chǎng)。

以往對(duì)熱帶氣旋活動(dòng)變化趨勢(shì)的研究多集中在臺(tái)風(fēng)頻數(shù)及登陸頻數(shù)[4-6]，臺(tái)風(fēng)對(duì)區(qū)域的影響程度與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、距離、最大風(fēng)速半徑、持續(xù)時(shí)間及登陸位置等密切相關(guān)，頻數(shù)只能反映熱帶氣旋對(duì)近岸影響能力的一部分，綜合評(píng)價(jià)仍需其他指標(biāo)予以補(bǔ)充。Emanuel采用氣旋能量指數(shù)PDI(Power Dissipation Index)研究了西太平洋熱帶氣旋與海表溫度的相關(guān)關(guān)系[7]，Bell等采用熱帶氣旋累計(jì)能量ACE(Accumulated Cyclone Energy)統(tǒng)計(jì)分析了1950～1999年熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)逐季變化特征[8]，Yu等在2009年將熱帶氣旋累積能力進(jìn)行了改進(jìn)(the Revised Accumulated Cyclone Energy Index)[9]，Lin等采用熱帶氣旋潛在影響指數(shù)PI(the Potential Intensity Index)建立了熱帶氣旋和海表溫度、拖曳力等變量之間的聯(lián)系[10]，Haig等采用氣旋活動(dòng)指數(shù)(Cyclone Activity Indices)對(duì)熱帶氣旋活動(dòng)特征變化進(jìn)行了評(píng)估[11]。上述指標(biāo)從臺(tái)風(fēng)內(nèi)部主要構(gòu)造特征參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)影響能力進(jìn)行了刻畫，其描述對(duì)象為大范圍區(qū)域如大洋乃至全球。 而臺(tái)風(fēng)在小范圍地區(qū)影響能力評(píng)估指標(biāo)尚不多見。影響長(zhǎng)江口的熱帶氣旋活動(dòng)特征尚不明晰，本文旨在從風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)的角度對(duì)影響該地區(qū)的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)特征進(jìn)行長(zhǎng)周期統(tǒng)計(jì)研究。

1 長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓假定

目前，評(píng)價(jià)熱帶氣旋對(duì)小區(qū)域的影響能力尚無較好的指標(biāo)。本文根據(jù)以往對(duì)風(fēng)暴潮的模擬研究和7級(jí)風(fēng)圈半徑大小，提出了長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓假定。即假定以長(zhǎng)江口概化點(diǎn)(122°E，31.5°N)為中心，8倍最大風(fēng)速半徑Rmax為半徑(約400 km)的圓形區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓。當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑與長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓相交或相切時(shí)，則認(rèn)為該臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口造成影響。影響長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)路徑概況及長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓如圖1所示，圖中灰色線為未對(duì)長(zhǎng)江口造成影響的臺(tái)風(fēng)路徑。

圖1 1949～2018年影響長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)路徑Fig.1 Tracks of typhoons affecting the Yangtze River Estuary from 1949 to 2018

2 長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響能力分析

2.1 長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響頻數(shù)分析

基于最近70 a來(1949～2018年)的熱帶氣旋最佳路徑資料，本節(jié)從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)影響我國(guó)各類熱帶氣旋尤其是近10 a的變化規(guī)律進(jìn)行分析。1949～2018年影響長(zhǎng)江口地區(qū)臺(tái)風(fēng)共計(jì)160.0場(chǎng)，平均每年登陸2.3場(chǎng)，占西太平洋海區(qū)發(fā)生臺(tái)風(fēng)數(shù)的8.92%。影響長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)按路徑的不同可分為兩大類，第一類為“登陸北上型”臺(tái)風(fēng)，共計(jì)92場(chǎng)，占總數(shù)的57.86%；第二類為“外?；顒?dòng)北上型”臺(tái)風(fēng)，占總數(shù)的42.14%。“登陸北上型”臺(tái)風(fēng)中登陸點(diǎn)離長(zhǎng)江口較近的“長(zhǎng)江口直接登陸型臺(tái)風(fēng)”危害最大，按其風(fēng)向變化過程又可分為長(zhǎng)江口南側(cè)登陸(87%)和北側(cè)登陸(13%)兩類。還有少數(shù)奇怪路徑的臺(tái)風(fēng)，因數(shù)量較少本文不做分析。

圖2為1949～2018年長(zhǎng)江口及全國(guó)臺(tái)風(fēng)生成時(shí)間分布圖。由圖2可以看出：不同于全國(guó)統(tǒng)計(jì)情況，影響長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)只發(fā)生在汛期，即每年的5～11月份；其中7～8月份最多，占臺(tái)風(fēng)總數(shù)的64.8%，同時(shí)7～8月份也是我國(guó)中東部地區(qū)雨量比較集中的月份，暴雨和上游洪水加劇了長(zhǎng)江口河口風(fēng)暴增水過程。從生成日方面看(餅圖)，臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的時(shí)間為中旬(39%)>下旬(32%)>上旬(28%)，月內(nèi)差別較小。

圖2 1949～2018年影響中國(guó)臺(tái)風(fēng)生成時(shí)間分布Fig.2 Formation time of typhoons affecting China from 1949 to 2018

2.2 長(zhǎng)江口氣旋活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)分析

為量化臺(tái)風(fēng)給長(zhǎng)江口造成影響，采用熱帶氣旋活躍指數(shù)(Cyclone Activity Index)、區(qū)域累計(jì)氣旋能量(Regional Accumulated Cyclone Energy)、年影響臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速Vmax和年影響臺(tái)風(fēng)頻數(shù)C四個(gè)指標(biāo)對(duì)長(zhǎng)江口的氣旋影響強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)估。

Cyclone Activity Index(CAI)是Haig[11]等基于NOAA和其他氣象專家對(duì)氣旋強(qiáng)度和尺度研究進(jìn)行改進(jìn)，提出的一個(gè)新的氣旋活動(dòng)指數(shù)。CAI從風(fēng)暴數(shù)量、強(qiáng)度、大小和壽命等方面描述了年均臺(tái)風(fēng)破壞性大小。其公式為

(1)

當(dāng)臺(tái)風(fēng)距長(zhǎng)江口尚遠(yuǎn)如仍在西太平洋面活動(dòng)時(shí)，除從大洋傳到近岸的先兆波外，臺(tái)風(fēng)氣旋對(duì)近岸水體影響很小。為描述長(zhǎng)江口地區(qū)臺(tái)風(fēng)破壞能力影響能力，本節(jié)基于長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓假定定義一個(gè)新的指標(biāo)——區(qū)域累積氣旋能量(Regional Accumulated Cyclone Energy，RACE)。該指標(biāo)認(rèn)為只有臺(tái)風(fēng)眼進(jìn)入長(zhǎng)江口影響圓范圍內(nèi)的臺(tái)風(fēng)，才會(huì)在河口地區(qū)造成較為嚴(yán)重的災(zāi)害，此類臺(tái)風(fēng)路徑在影響圓內(nèi)的部分便被計(jì)入RACE指標(biāo)。同時(shí)，RACE在風(fēng)速權(quán)重方面的考慮取了平方，更貼合能量的概念，其公式為

(2)

式中：i為每年進(jìn)入長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓內(nèi)臺(tái)風(fēng)路徑點(diǎn)數(shù)；V為最大風(fēng)速半徑處風(fēng)速，m/s；di為第i個(gè)路徑點(diǎn)到長(zhǎng)江口的距離，km。

臺(tái)風(fēng)是一類中尺度天氣事件，其范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于河口等研究區(qū)域。CAI和RACE都是評(píng)估小研究區(qū)域的指標(biāo)，但是其側(cè)重點(diǎn)不同。CAI空間計(jì)算范圍是西太平洋所有發(fā)生的熱帶氣旋，時(shí)間計(jì)算范圍是熱帶氣旋從生成到消亡的整個(gè)生命周期。其側(cè)重點(diǎn)在于氣旋對(duì)區(qū)域的影響能力。但有些臺(tái)風(fēng)距離目標(biāo)地區(qū)較遠(yuǎn)，風(fēng)速不大，卻依然被計(jì)如參數(shù)計(jì)算范圍。而指標(biāo)RACE基于“長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓”假設(shè)提出，更強(qiáng)調(diào)研究地區(qū)的臺(tái)風(fēng)能量及災(zāi)害。2個(gè)指標(biāo)各有側(cè)重，計(jì)算結(jié)果可作相互補(bǔ)充。

年影響臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速Vmax為長(zhǎng)江口影響圓內(nèi)出現(xiàn)過的年海表最大風(fēng)速，單位m/s，這個(gè)指標(biāo)主要是對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行刻畫，尤其是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。年影響臺(tái)風(fēng)頻數(shù)C為長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓內(nèi)出現(xiàn)過的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)，主要從年臺(tái)風(fēng)頻數(shù)方面進(jìn)行描述。

從氣旋活動(dòng)指數(shù)(CAI)看，近70 a熱帶氣旋按其活躍度可分為兩部分：第一部分1949～1985年，CAI指數(shù)在平均線上下波動(dòng)劇烈，表明熱帶氣旋影響能力極不穩(wěn)定，處于活躍期；第二部分1986～2018年，除2015年外，其余CAI指數(shù)在平均線以下小幅波動(dòng)，表明該階段內(nèi)熱帶氣旋對(duì)長(zhǎng)江口地區(qū)的影響能力較為穩(wěn)定。

區(qū)域累積氣旋能量(RACE)結(jié)果表明，長(zhǎng)江口的臺(tái)風(fēng)影響年際變化較大。1976～1991年的5 a移動(dòng)平均值(虛線)均超過多年平均，表明這15 a中氣旋影響能力較強(qiáng)；1991～2018年氣旋影響能力較為穩(wěn)定，僅部分年份大于均值。

年影響臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速Vmax歷史最值達(dá)到84 m/s(5 907超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Sarah )。2010年之后最大風(fēng)速都一般在50 m/s左右，稍高于平均，但未出現(xiàn)異常值。從本文指標(biāo)來看，近年登陸我國(guó)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)雖然有所增多[1]，但是因?yàn)榫嚯x長(zhǎng)江口較遠(yuǎn)，影響有限。年影響臺(tái)風(fēng)頻數(shù)C沒有比較明顯的長(zhǎng)期規(guī)律，從短期角度看，自2009年之后一直高于歷年平均值，且保持上升趨勢(shì)，并在2018年達(dá)到歷史極值6場(chǎng)。

CAI，RACE和Vmax三個(gè)指標(biāo)的5 a滑動(dòng)平均線均表明：近30 a來臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口的影響程度并不算高(略低于均值)，但自2009年之后長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響能力一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，且近年臺(tái)風(fēng)影響頻數(shù)較大(見圖3)。

圖3 1949～2018年長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響能力年際變化Fig.3 Interannual variation of typhoon impact capacity in the Yangtze Estuary from 1949 to 2018

3 結(jié) 論

利用1949～2018年最佳臺(tái)風(fēng)路徑資料，在長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響圓假定的前提下，提出了臺(tái)風(fēng)對(duì)小區(qū)域影響能力的評(píng)估指標(biāo)，并采用多個(gè)指標(biāo)對(duì)長(zhǎng)江口臺(tái)風(fēng)影響能力進(jìn)行了長(zhǎng)周期的統(tǒng)計(jì)和研究，結(jié)果如下：

(1) 本文提出的指標(biāo)區(qū)域累積氣旋能量(RACE)，可以較好地評(píng)估臺(tái)風(fēng)對(duì)小區(qū)域的影響能力。

(2) 1949～1985年熱帶氣旋影響能力極不穩(wěn)定，處于活躍期；1986～2018年表明熱帶氣旋影響能力較低且強(qiáng)度穩(wěn)定，影響長(zhǎng)江口的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)有所減少。

(3) 1991～2018年的近30 a來臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口的影響程度并不算高(略低于均值)，但自2009年之后臺(tái)風(fēng)影響指數(shù)一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，且近年臺(tái)風(fēng)影響頻數(shù)較大。