我國(guó)沿海熱帶氣旋特征及船舶應(yīng)對(duì)策略研究

王元棟，盛進(jìn)路

(1.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

熱帶氣旋對(duì)人類活動(dòng)影響巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年一半以上的熱帶氣旋發(fā)生在西北太平洋海域，其中約80%會(huì)發(fā)展成熱帶氣旋[1]。我國(guó)毗鄰西北太平洋，海岸線曲折綿長(zhǎng)，沿海重要港口的船舶延綿不斷地航行在西北太平洋上，則西北太平洋的熱帶氣旋成為威脅船舶安全航行的嚴(yán)重災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一。因此，研究和掌握西北太平洋熱帶氣旋的時(shí)間、空間、強(qiáng)度及軌跡特征極為重要，對(duì)制定科學(xué)有效的船舶防抗臺(tái)風(fēng)措施具有重要意義。

關(guān)于船舶防抗臺(tái)風(fēng)的研究，彭躍華等[2]對(duì)西北太平洋熱帶氣旋進(jìn)行聚類分析，并對(duì)西北太平洋熱帶氣旋路徑生成位置、強(qiáng)度特征進(jìn)行分析，為臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)提供有用信息。鄭穎青等[3]對(duì)近40年西北太平洋熱帶氣旋的位置、強(qiáng)度、路徑長(zhǎng)度和方向特征進(jìn)行聚類分析，從氣象學(xué)的角度分析了西北太平洋熱帶氣旋的PDI(能量耗散指數(shù))和強(qiáng)度變化趨勢(shì)。CAMARGO等[4]對(duì)臺(tái)風(fēng)軌跡進(jìn)行聚類分析，提出一種基于回歸混合模型的概率聚類方法來(lái)描述北太平洋西部熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng)軌跡。KULKARNI[5]對(duì)臺(tái)風(fēng)中的船舶行為進(jìn)行分析，提出從船舶設(shè)計(jì)方面提高船舶抵抗臺(tái)風(fēng)方法。吳國(guó)卿[6]以南海熱帶氣旋為例，分析了熱帶氣旋對(duì)船舶安全航行帶來(lái)的影響，并提出具體的熱帶氣旋防抗對(duì)策。應(yīng)靜華[7]以西北太平洋熱帶氣旋移動(dòng)規(guī)律為著力點(diǎn)，提出船舶防抗臺(tái)風(fēng)注意事項(xiàng)與船舶防抗臺(tái)風(fēng)錨泊操作注意事項(xiàng)。

綜上可知，已有研究多從航線規(guī)劃、錨泊、個(gè)案防臺(tái)展開研究，較少結(jié)合臺(tái)風(fēng)的特征來(lái)分析船舶防抗臺(tái)風(fēng)對(duì)策。因此，筆者對(duì)1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋的時(shí)空分布特征和1994—2019年熱帶氣旋的侵蝕路徑特征進(jìn)行聚類分析，并根據(jù)分析的時(shí)空、路徑特征提出船舶防抗臺(tái)風(fēng)的對(duì)策和注意事項(xiàng)。

1 K-means算法

K-means算法是一種典型的無(wú)監(jiān)督型機(jī)器學(xué)習(xí)算法，K-means的基本思想是初始隨機(jī)給定K個(gè)簇中心，按照最鄰近原則將待分類樣本點(diǎn)分到各個(gè)簇。然后按平均法重新計(jì)算各個(gè)簇的質(zhì)心，從而確定新的簇心。一直迭代，直到簇心的移動(dòng)距離小于某個(gè)給定的值[8-9]。

常用的距離度量標(biāo)準(zhǔn)是歐幾里得距離的平方，如式(1)所示。其中，xi和yj為來(lái)自同一個(gè)樣本空間的2個(gè)不同的樣本點(diǎn)；n為樣本空間的維度，即為特征的數(shù)量。

(1)

基于歐式距離，K-means算法首要優(yōu)化的問題是使簇內(nèi)誤差方(within-cluster sum of squared errors，SSE)最小和使輪廓系數(shù)(silhouette coefficient，SC)趨近于1，這兩種方法都是確定最優(yōu)K值的方法。

(2)

(3)

式中：ωik為第i個(gè)樣本點(diǎn)與第k簇的中心誤差平方和；xi為第i個(gè)樣本點(diǎn)；μk為第k簇的中心；輪廓系數(shù)SC的取值在-1到1之間；a為簇內(nèi)的內(nèi)聚度，是樣本與簇內(nèi)其他點(diǎn)之間的平均距離；b為簇的分離度，是樣本與最近簇中所有點(diǎn)之間的平均距離。

2 我國(guó)沿海熱帶氣旋分布特征

2.1 我國(guó)熱帶氣旋的空間分布特征

據(jù)氣象資料顯示，92%以上的熱帶氣旋都是在赤道南北30°緯度范圍內(nèi)生成，約87%的熱帶氣旋是在赤道南北20°緯度范圍內(nèi)生成的。由于地轉(zhuǎn)偏移弱，赤道南北10°緯度范圍內(nèi)形成熱帶氣旋的幾率大大減小。截至目前，7901號(hào)熱帶低壓Alice是生成緯度(4°E，2°N)最低的熱帶氣旋。1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋路徑圖如圖1所示，可以看出2°N～62°N、98E°～244°E區(qū)域?yàn)榻?0年西北太平洋熱帶氣旋路徑范圍。

圖1 1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋路徑圖

近70年，登陸我國(guó)的熱帶氣旋大多數(shù)從東南沿海地區(qū)登陸，影響范圍從滇黔南部，經(jīng)湘鄂豫西部和陜北、內(nèi)蒙古東部，到黑龍江中部以東地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西北太平洋年均生成27.4個(gè)熱帶氣旋，其中7.4個(gè)登陸我國(guó)。1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋在我國(guó)沿海地區(qū)登陸情況如圖2所示，可以看出登陸次數(shù)排名前三的地區(qū)分別為廣東、臺(tái)灣、福建。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1949—2019年間有166個(gè)熱帶氣旋直接登陸廣東，年均登陸的熱帶氣旋為2～3個(gè)，遠(yuǎn)超其他地區(qū)；其次是海南、臺(tái)灣和福建，平均每年1到2個(gè)；再次是浙江、廣西、山東、遼寧、江蘇、上海和天津，平均每5年有3～4個(gè)。

圖2 1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋在我國(guó)沿海地區(qū)登陸情況

2.2 我國(guó)熱帶氣旋的時(shí)間分布特征

1949—2019年西北太平洋地區(qū)共生成2 353個(gè)熱帶氣旋，其中熱帶低壓(TD)、熱帶風(fēng)暴(TS)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS)、臺(tái)風(fēng)(TY)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(STY)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(Super-TY)分別占20.2%、20.1%、25.6%、27.2%、5.4%、1.5%。正常維護(hù)保養(yǎng)的遠(yuǎn)洋船舶能對(duì)TD、TS應(yīng)對(duì)自如，遇到TY、STY則需要采取措施應(yīng)對(duì)，原則上能避則避。

對(duì)1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，熱帶氣旋在數(shù)量上大致20年為一個(gè)階段，即可將其分為3個(gè)時(shí)間段：①1949—1970年，西北太平洋年均產(chǎn)生38.1個(gè)熱帶氣旋；②1970—1994年，西北太平洋年均產(chǎn)生33.4個(gè)熱帶氣旋；③1994—2019年，西北太平洋年均產(chǎn)生27.4個(gè)熱帶氣旋。

圖3 1949—2019年西北太平洋熱帶氣旋分布圖

登陸我國(guó)的熱帶氣旋具有顯著的季節(jié)性特征，夏季和秋季是熱帶氣旋登陸的熱季，占總登陸次數(shù)的76%；春季和冬季登陸頻數(shù)較少。4—12月的平均登陸次數(shù)分別為0.03、0.27、0.09、2.18、2.60、2.20、0.63、0.23、0.03，1—3月未曾登陸。1949—2019年我國(guó)熱帶氣旋月登陸時(shí)間分布如圖4所示，可以看出登陸我國(guó)的熱帶氣旋多出現(xiàn)在6—7月，最早出現(xiàn)在4月，最晚在8月。1949—2019年我國(guó)熱帶氣旋旬登陸時(shí)間分布如圖5所示，可以看出登陸我國(guó)的熱帶氣旋主要集中在6月上旬至7月下旬，其中6月下旬最多，最早在4月中旬，最晚在8月上旬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年4月18日在海南文昌登陸的0801號(hào)臺(tái)風(fēng)“浣熊”，是在我國(guó)登陸時(shí)間最早的熱帶氣旋，也是截至目前唯一在4月份登陸我國(guó)的熱帶氣旋。

圖4 我國(guó)熱帶氣旋月登陸時(shí)間分布

圖5 我國(guó)熱帶氣旋旬登陸時(shí)間分布

一個(gè)完整熱帶氣旋的全壽命周期一般分為孕育、發(fā)展、成熟和消亡4個(gè)階段，隨著時(shí)間的推移，熱帶氣旋強(qiáng)度呈倒“漏斗”型。不同強(qiáng)度、不同登陸地、不同月份的熱帶氣旋，登陸后其持續(xù)時(shí)間存在極大差異，登陸后平均持續(xù)時(shí)間主要取決于登陸后12 h內(nèi)熱帶氣旋強(qiáng)度的衰減程度。近70年登陸我國(guó)的熱帶氣旋的平均持續(xù)時(shí)間約為31 h。從登陸月份來(lái)看，7月和8月登陸的熱帶氣旋持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；從登陸強(qiáng)度來(lái)看，強(qiáng)度高的熱帶氣旋相對(duì)強(qiáng)度低的熱帶氣旋，持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)；從登陸地來(lái)看，登陸后北上的熱帶氣旋衰減得較快。

3 臺(tái)風(fēng)侵蝕路徑聚類分析

對(duì)1994—2019年西北太平洋熱帶氣旋路徑進(jìn)行聚類分析，數(shù)據(jù)源自中國(guó)熱帶氣旋網(wǎng)(cdata.typhoon.org.cn)的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集，25年共有725個(gè)熱帶氣旋，從中選取熱帶氣旋的初始點(diǎn)、偏折點(diǎn)和消散點(diǎn)形成數(shù)據(jù)集，并分別對(duì)3個(gè)點(diǎn)集進(jìn)行K-means聚類分析。

數(shù)據(jù)選取標(biāo)準(zhǔn)：初始點(diǎn)和消散點(diǎn)以中國(guó)氣象網(wǎng)熱帶氣旋最佳路徑中的起始為準(zhǔn)；偏折點(diǎn)選取路徑12 h內(nèi)形成的偏轉(zhuǎn)角大于等于25年路徑平均偏轉(zhuǎn)角的折點(diǎn)為偏折點(diǎn)。中國(guó)氣象網(wǎng)熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)是6 h記錄點(diǎn)，因此由式(4)計(jì)算出12 h內(nèi)路徑最大平均偏轉(zhuǎn)角、最小平均偏轉(zhuǎn)角和平均偏轉(zhuǎn)角，再取均值(θ)作為偏折點(diǎn)選取標(biāo)準(zhǔn)。其中，最大平均偏轉(zhuǎn)角為57.5°，最小平均偏轉(zhuǎn)角為0°，平均偏轉(zhuǎn)角為13.5°，均值θ為23.7°。

(4)

12 h路徑偏折示意圖如圖6所示，a為T-6到T時(shí)刻熱帶氣旋路徑向量，即為A、B兩點(diǎn)構(gòu)成的向量；b為T到T+6時(shí)刻熱帶氣旋路徑向量，即為B、C(或C′)兩點(diǎn)構(gòu)成的向量。

圖6 12 h路徑偏折示意圖

3.1 聚類分析熱帶氣旋路徑特征

以經(jīng)度和緯度為分類指標(biāo)，應(yīng)用K-means聚類分析對(duì)1994—2019年725個(gè)熱帶氣旋路徑中的初始點(diǎn)、偏折點(diǎn)和消散點(diǎn)進(jìn)行聚類特征分析，計(jì)算出不同聚類數(shù)目參數(shù)的輪廓值和簇內(nèi)誤方差，并得到初始點(diǎn)、偏折點(diǎn)和消散點(diǎn)的最優(yōu)K值分別為3、2、3。

1994—2019年熱帶氣旋路徑初始點(diǎn)、偏折點(diǎn)、消散點(diǎn)的聚類圖如圖7所示。從圖7(a)可以看出，1994—2019年西北太平洋熱帶氣旋生成區(qū)大致可分為3個(gè)區(qū)域，即簇1區(qū)域?yàn)?.0°N～31.6°N、107.0°E～132.8°E，占42.8%；簇2區(qū)域?yàn)?.5°N～31.3°N、133.4°E～154.0°E，占40.5%；簇3區(qū)域?yàn)?.8°N～33.5°N、154.0°E～184.7°E，占16.7%。簇1的質(zhì)心為(122.9°E，15.3°N),簇2的質(zhì)心為(144.4°E，13.9°N)，簇3的質(zhì)心為(165.4°E，13.4°N)，可見西北太平洋熱帶氣旋生成大致在以(144.0°E，14.2°N)為圓心、半徑為30km的范圍內(nèi)，其中20.2%的熱帶氣旋生成于20°N以上，20°N以上生成的熱帶氣旋多為熱帶低壓，最強(qiáng)發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。

圖7 1994年—2019年西北太平洋熱帶氣旋初始點(diǎn)、偏折點(diǎn)、消散點(diǎn)聚類圖

從圖7(b)可以看出，1994—2019年西北太平洋熱帶氣旋偏折區(qū)大致可分為2個(gè)區(qū)域，簇1區(qū)域?yàn)?.7°N～39.7°N、99.2°E～135.3°E，占67.2%；簇2區(qū)域?yàn)?.0°N～43.1°N、135.5°E～211.6°E，占32.8%。簇1的質(zhì)心為(122.1°E，18.0°N),簇2的質(zhì)心為(148.2°E，22.0°N)，可見西北太平洋熱帶氣旋的偏折區(qū)域大概在以(135°E，20°N)為圓心、半徑為31 km的范圍內(nèi)，其中20.1%的熱帶氣旋在20°N～25°N維度內(nèi)發(fā)生偏折，13.9%偏轉(zhuǎn)發(fā)生在20°N～30°N內(nèi)。從熱帶氣旋發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度來(lái)看，熱帶氣旋從剛開始的熱帶低壓吸收能量逐漸壯大，受季風(fēng)槽的影響熱帶氣旋將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)熱帶氣旋多為熱帶風(fēng)暴和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，此時(shí)熱帶氣旋的風(fēng)速約為20～30 m/s。遠(yuǎn)洋船舶如果駕駛得當(dāng)，一般都能夠抵御這時(shí)的熱帶氣旋，但是在偏折區(qū)域稍有不慎易被卷入風(fēng)眼。

從圖7(c)可以看出，1994—2019年西北太平洋熱帶氣旋消散區(qū)大致可分為3個(gè)區(qū)域，簇1區(qū)域?yàn)?0.0°N～35.9°N、100.0°E～120.0°E，占46%；簇2區(qū)域?yàn)?0.0°N～50.0°N、120.0°E～150.0°E，占20.9%；簇3區(qū)域?yàn)?0.0°N～50.0°N、150.0°E～180.0°E，占24.5%。簇1的質(zhì)心為(112.2°E，19.2°N),簇2的質(zhì)心為(136.4°E，34.3°N)，簇3的質(zhì)心為(159.6°E，38.3°N)，3個(gè)質(zhì)心均值的絕對(duì)偏差的平均值為(15.9°E，7.6°N)。熱帶氣旋消散在維度方向存在明顯的劃分界限，10°N～30°N區(qū)域占50.9%，20°N～30°N區(qū)域占42.8%，10°N～20°N僅占8.1%。

4 船舶應(yīng)對(duì)策略

西北太平洋年均生成27.4個(gè)熱帶氣旋，7—9月是西北太平洋熱帶氣旋熱潮。而西北太平洋是連接世界各大洲的必經(jīng)之路，當(dāng)航行在西北太平洋上的船舶遇到熱帶氣旋時(shí)，一般采取繞航、滯航和錨泊等措施來(lái)防避熱帶氣旋。據(jù)上遠(yuǎn)公司海務(wù)部的不完全統(tǒng)計(jì)，年平均船舶防抗臺(tái)風(fēng)天數(shù)為83.3～104.2 d，不同強(qiáng)度的熱帶氣旋會(huì)造成不同程度的影響，一個(gè)8級(jí)以上熱帶氣旋造成的航行時(shí)間損失為148.8 h，航程損失為1 245.7海里，班期損失為306 h[10]?；谏鲜鑫鞅碧窖鬅釒庑臅r(shí)空和路徑特征分析，提出以下船舶防抗熱帶氣旋建議：

(1)根據(jù)西北太平洋熱帶氣旋的時(shí)間特征分析可知，近70年西北太平洋熱帶氣旋最早生成于4月中旬，7—9月是熱帶氣旋高發(fā)的時(shí)間段。船舶公司每年應(yīng)在首個(gè)熱帶氣旋來(lái)臨前，提高警惕、未雨綢繆，借鑒近幾年船舶防臺(tái)失敗的經(jīng)驗(yàn)，完善細(xì)化安全管理體系文件中的《船舶防范惡劣天氣》，同時(shí)在熱帶氣旋高發(fā)時(shí)段，加強(qiáng)與岸基和氣象部門的聯(lián)系，掌握準(zhǔn)確的氣象信息，以便船長(zhǎng)做出科學(xué)的避臺(tái)決策，從而將損失降到可控范疇內(nèi)。

(2)西北太平洋熱帶氣旋空間和路徑特征分析顯示，西北太平洋90%的熱帶氣旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E的太平洋洋面上，當(dāng)船舶在臺(tái)風(fēng)季節(jié)航行于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化與海務(wù)部門和氣象部門的聯(lián)系，加強(qiáng)觀測(cè)和瞭望，若遭遇臺(tái)風(fēng)方可應(yīng)對(duì)自如；80%左右的熱帶氣旋在5°N～25°N、100°E～160°E區(qū)域發(fā)生偏折，船舶應(yīng)避免進(jìn)入該區(qū)域，該區(qū)域臺(tái)風(fēng)易發(fā)生偏折，路徑偏折不定，難以做出正確的決策。

(3)一個(gè)熱帶氣旋從熱帶低壓發(fā)展成臺(tái)風(fēng)甚至是超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，是一個(gè)逐漸吸收能量、逐漸增強(qiáng)的過(guò)程，并非跳躍式的。通過(guò)對(duì)1994—2019年西北太平洋熱帶氣旋聚類分析可知，熱帶氣旋在初始點(diǎn)和消散點(diǎn)處于熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)級(jí)處于6～10級(jí)，正常情況下遠(yuǎn)洋船舶能夠抵御，而在偏折點(diǎn)處84.5%的熱帶氣旋風(fēng)速達(dá)25～30 m/s，且在偏折區(qū)路徑偏折不定，稍有不慎就會(huì)決策失誤，易帶來(lái)不可避免的損失。

(4)西北太平洋90%的熱帶氣旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E洋面上，80%左右的熱帶氣旋在5°N～25°N、100°E～160°E區(qū)域發(fā)生偏折。西北太平洋位于北半球，北半球右側(cè)為危險(xiǎn)半圓區(qū)域。若船舶誤入危險(xiǎn)半圓，建議船舶右舷首頂風(fēng)快速脫離，并保持右舷10°～25°受風(fēng)，直到脫離危險(xiǎn)半圓區(qū)域。此外，西北太平洋熱帶氣旋在5°N～25°N、100°E～160°E區(qū)域內(nèi)易發(fā)生偏折，年均有55%左右的熱帶氣旋右轉(zhuǎn)走拋物線路徑，一旦轉(zhuǎn)向極易將船舶卷入熱帶氣旋中心。

5 結(jié)論

筆者對(duì)1949—2019年西北太平洋生成的熱帶氣旋時(shí)空特征和路徑特征進(jìn)行分析，得到以下特征規(guī)律：

(1)西北太平洋每年平均生成27.4個(gè)熱帶氣旋，從月的角度分析，每年7—9月每月至少有2個(gè)熱帶氣旋；從旬的角度看，登陸我國(guó)的熱帶氣旋主要集中于6月上旬至7月下旬，其中6月下旬最多，最早在4月中旬，最晚在8月上旬。

(2)登陸我國(guó)的熱帶氣旋在強(qiáng)度上的分布情況為：熱帶風(fēng)暴占22.4%；強(qiáng)熱帶風(fēng)暴占35.8%；臺(tái)風(fēng)及以上占41.8%。

(3)西北太平洋85%的熱帶氣旋生成于5°N～20°N低緯度海域，約90%的熱帶氣旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E的洋面區(qū)域。從熱帶氣旋偏折點(diǎn)分布來(lái)看，偏折點(diǎn)主要集中于15°N～25°N區(qū)域，此區(qū)間偏折點(diǎn)占總偏折點(diǎn)的82%。向右偏折的熱帶氣旋主要偏向西北方向，偏折后大多都向北；向左偏折的熱帶氣旋偏折后主要轉(zhuǎn)向西北方向。右折熱帶氣旋先轉(zhuǎn)向北，然后在北向逐漸消退；左折熱帶氣旋在中緯度先向西北，再在低緯度區(qū)域由北轉(zhuǎn)向西，在高緯度區(qū)域由東北轉(zhuǎn)向北，最后逐漸消散。