梁海萍，李团结，梁海燕，高 璐

(国家海洋局海口海洋环境监测中心站，海南 海口 570100)

风暴潮是指由温带气旋、热带气旋等天气系统造成的强烈大气扰动引发的海面异常升降现象[1]，属常见自然灾害之一。天文潮、周期性海浪与其叠加，常使水位暴涨、海水倒灌，酿成大灾。据记载，孟加拉湾沿岸在1970年11月13日发生了一次震惊世界的风暴潮灾害，夺走了恒河三角洲一带30万人的生命[2]，又于1991年4月30日遭受一次特大风暴潮袭击，夺去13万人生命；
2005年8月29日，新奥尔良在飓风“卡特里娜”影响下，全城瘫痪，造成1 209人死亡[3]。所以研究风暴潮的特征，预报风暴潮在沿岸可能造成的增、减水效应具有十分重要的现实意义。

关于台风风暴潮已有不少统计研究及数值分析结果。隋意 等[4]对影响我国的热带气旋的特征及风暴潮灾害进行统计分析，得出影响我国的热带气旋不仅强度大、次数多，而且登陆的强度和频率不断增加等结论；
吕翠兰 等[5]分析了3种不同路径热带气旋产生的增水特点；
贾晓 等[6]研究了登陆我国的9种典型热带气旋路径及最低气压的空间分布；
李文欢 等[7]研究了海口市风暴潮高风险区增水淹没图信息系统；
许启望 等[8]研究了风暴潮强度与直接经济损失或灾度的关系，建立了评估风暴潮灾害损失的近似模式。

海口市是滨海旅游城市，位于中国的南端，临近东南亚各国，与广东省隔琼州海峡相望，是一个少有的天然良港。海南自由贸易港设立后，海口市作为对外贸易的重要场所，其社会与经济发展将迎来新的机遇，然而海口市也是热带气旋活动较为活跃的地区之一，受台风风暴潮灾害影响较严重。国家海洋局秀英海洋环境监测站实测资料统计显示，1953—1994年海口市共发生风暴潮136次，年均3.2次，其中严重的风暴潮灾害共6次[9]，这严重制约了海口市经济发展和对外开放。因此，掌握海口市风暴潮灾害的特点，对当地政府指导海洋防灾减灾工作具有一定参考价值。本文基于1980—2017年实测潮位等资料，运用统计分析和数值模拟方法研究了海口市风暴潮的分布特征及其影响因子。

1.1 数据来源

热带气旋资料来源于中国气象局编著的《热带气旋年鉴》(1980—2017年)[10]，原名《台风年鉴》；
潮汐数据来源于国家海洋信息中心编著的《潮汐表》(1980—2017年)[11]；
灾害资料来源于《中国海洋灾害公报》[12]、《海南省千年自然灾害史料集》[13]等。

潮汐、风等实测资料(1980—2017年)来源于国家海洋局秀英海洋环境监测站，以下简称秀英站。风暴增水计算采用实测潮位与天文潮位的代数差。

1.2 研究方法

由于单站数据不能精细化反映海口市沿岸风暴潮情况，需结合数值模拟方法。本文采用中国海高分辨率业务化风暴潮模式[14]，经边界条件修正、内插细网格及关键系数订正后应用于海口市海域，局部空间分辨率约为100 m，可较好地反映岸线与水深的变化，满足计算效率与岸线形状分辨率精度要求。

模式的计算区域采用三重嵌套变网格，满足海南岛风暴增水预报与分析尺度。大区粗网格：105.6°—124.5°E，9.75°—25.5°N，空间分辨率为0.03°(空间步长约为3 336 m)；
小区细网格(涵盖海南本岛)：108.15°—111.45°E，17.7°—22.02°N，空间分辨率为 0.005°(空间步长约为556 m)；
加密小区细网格(涵盖海口市和琼州海域)：109.7°—110.9°E，19.9°—20.33°N，空间分辨率为0.001°(空间步长约为 111.2 m)。

从1980—2017年历次秀英站风暴增水大于 50 cm 的热带气旋过程中随机抽取43场做模式后报检验，其中秀英站风暴增水大于100 cm的过程有12场。模式检验结果：43场过程后报最大增水平均绝对误差为10.2 cm，实测风暴增水大于100 cm的最大增水平均绝对误差为15 cm。大区后报与小区后报检验结果基本一致，总体模拟效果较好。

2.1 风暴潮

潮位是风暴潮过程最直接、真实的体现，风暴增水可以客观反映风暴潮物理过程致灾强度的大小，按风暴增水量的大小可以将风暴增水强度划分为一般(39～49 cm)、明显(50～69 cm)、较大(70～99 cm)、严重(100～199 cm)及特大(≥200 cm)5个级别。1980—2017年共计有108次热带气旋过程影响海口市沿岸[15]，其中造成一般及以上强度的风暴增水过程有106次，年均2.79次；
较大及以上强度的风暴增水过程有31次，年均0.82次；
严重及以上强度的风暴增水过程有12次，年均0.32次；
特大强度的风暴增水过程有2次，年均0.05次，分别为由1980年第7号热带气旋“Joe”(强台风级)诱发的增水209 cm和2014年第9号热带气旋“威马逊”(超强台风级)诱发的增水208 cm(表1)。

表1 1980—2017年海口市风暴增水强度分布表

1980—2017年海口市风暴潮在7—10月出现最频繁，其次是6月和11月，这与热带气旋影响海口市的时间[16]基本一致。较大及以上强度的风暴增水一般在7—10月发生，9月较其他月份更容易发生较大及以上强度的风暴增水过程，特大风暴增水均发生在7月，严重风暴增水在9月发生的概率较大(表1)。

2.2 风暴潮灾害

风暴潮灾害是由多种致灾因子共同作用的结果，主要包括天文潮、风暴增水、近岸浪及三者耦合作用，也与承灾体有关。警戒潮位是当地防潮能力的一种规范性指标，既包括自然变异的程度，也包括了当地防潮能力，是判断风暴潮灾害的常见方式[17]。1980—2017年海口市超过蓝色警戒潮位事件共发生29次，年均0.76次；
超过黄色警戒潮位有13次，年均0.34次；
超过橙色警戒潮位有4次，年均0.11次；
超过红色警戒潮位有2次，年均0.05次(表2)。

表2 1980—2017年海口市风暴潮超警戒潮位情况表

由此可见，海口市受风暴潮影响较频繁，且灾害强度较大，故风暴潮灾害是影响海口市的自然灾害的主要灾种之一，需提前做好防范工作。

影响风暴潮大小的主要气象因子有风、气压、热带气旋路径及其移动速度等[16]，主要的地理因素有地形、地面沉降和海平面升高等[18]，本文将从热带气旋路径、地形和移动速度3个方面分析海口市风暴潮分布特征。

3.1 路径与地形的影响

3.1.1 机理分析

3.1.1.1 路径

热带气旋内受本身的结构、强度等作用，外受引导气流牵引和其他天气系统影响，移动路径复杂多变。不同移动路径的热带气旋临近海口市近岸时，由于热带气旋风场的旋转特征(北半球逆时针旋转)，导致海口市位于热带气旋移动路径的不同位置所受的风力有较大差异。海口市的地理位置属于“南陆北水”，若海口市位于热带气旋前进方向的左前方，则受到向岸风作用，出现增水现象；
若海口市位于热带气旋前进方向的右前方，则受到离岸风的作用，会出现减水现象。另外，风暴增水强度受热带气旋移动路径与海口市岸线距离影响，距离越近，热带气旋近中心的强风作用效果越突出，“虹吸现象”(内外气压差造成水位上升)更明显。

3.1.1.2 地形

地形是影响风暴增水的众多重要因素之一，这里主要指岸线形状。海口市位于19°32′—20°05′N，110°10′—110°41′E之间，与广东省隔琼州海峡相望，岸线形状略呈长心形，岸线曲折复杂；
铺前湾开口大，湾底狭长；
海口湾向北敞开，属半封闭型弧形海湾，西起后海，东至白沙角，口门宽和海岸线长分别为 20.5 km 和12.5 km；
北向风为向岸风、南向风为离岸风[19]。

海口市曲折复杂的岸线使热带气旋与其有更多接近垂直的机会，强风作用的效果更加突出，“虹吸现象”更明显，易造成大幅度风暴增水。铺前湾和海口湾开口大，更有利于海水涌入湾内，潮波能量在湾内汇集，且不易向外扩散，水位易涨难退，强风作用下易出现大幅度增水。热带气旋移至近岸时，由于水深变浅，海底摩擦作用使得风暴潮波被迫向上抬升并向前倾斜，造成大幅度风暴增水[18]。

3.1.2 增水过程分析

本文以1415号台风“海鸥”(台风级，9月16日09时40分前后在海南省文昌市翁田镇沿海登陆，登陆时中心气压960 hPa，最大风速40 m/s)为例，分析风暴潮的增水过程(图1和图2)。

图1 1415号台风“海鸥”的移动路径

图2 1415号台风“海鸥”期间秀英站实测风暴增水过程曲线

9月15日18时至16日1时，海南岛东部站点增水值基本维持在30 cm左右，秀英站潮位增水值逐渐上升，此时是台风中心到达之前的前兆波；
9月16日起，增水迅速上升，于16日11时达到最高值，为 199 cm，此时间段海口市岸线位于“海鸥”移动路径的左前方，受向岸风作用；
16日12时后，“海鸥”中心进入琼州海峡区域，热带气旋近中心的强风作用效果不明显，增水迅速下降，于16日18时—20时出现弱减水。

“海鸥”移动路径距海口市岸线非常近，斜穿岸线时间长，其强风作用效果明显，配合海口湾喇叭口岸线形状，潮水易积难退，故移动路径和地形是台风“海鸥”造成秀英站199 cm严重风暴增水的重要原因。石海莹 等[20]在研究“威马逊”与“海鸥”风暴增水特征时，也指出路径和地形会对风暴增水产生影响，黄山[21]在研究中也指出路径差异是造成风暴增水差异的重要原因。

风暴潮模式计算的增水过程与秀英站实测增水过程基本吻合(图3)，模拟效果较好。可采用海口市加密网格计算区域，分析该典型风暴潮过程海口市风暴增水分布情况(图4)。由图可见，台风“海鸥”经过海口市过程中，海口市沿岸最大增水表现为：东寨港>秀英港>海甸岛>南港。其主要原因是东寨港北部的铺前湾开口大，潮波能量在此汇集，流入狭窄的东寨港后潮能不易向外扩散。此次“海鸥”直接穿过东寨港，有更多与岸线接近垂直的机会，近中心的强风作用效果更加突出，“虹吸现象”非常明显，且东寨港大部区域位于“海鸥”移动路径左方，受向岸风作用，有利于海水聚集；
秀英港、海甸岛和南港也位于“海鸥”移动路径的左半圆，但受地形影响，其发生海水聚集的强度低于东寨港。秀英港位于海口湾的南部，海甸岛位于海口湾的东北部，两者中海甸岛更易发生潮能辐散，而南港距离台风“海鸥”路径较远，最大增水明显降低。

图3 1415号台风“海鸥”过程的风暴潮模式检验

图4 1415号台风“海鸥”过程海口市风暴增水分布情况

3.1.3 路径与地形权重分析

本文从1980—2017年影响海口市增水的106次热带气旋过程中，随机挑选34次过程，选取标准：(1)进入影响区域(108.1200°E，20.9902°N；
108.1200°E，18.6390°N；
112.1411°E，18.6390°N；
112.1411°E，20.9902°N)；
(2)移动路径(进入影响区域后)为影响海口市的常见路径，即E—W、ESE—WNW和SE—NW(图5)。最终选取的34次热带气旋过程中，E—W路径有11次，ESE—WNW路径有8次，SE—NW路径有15次。

图5 影响海口市的常见热带气旋路径及位置

采用数值模拟方法分析不同路径下海口市各典型区域增水情况，结果显示，除了1次热带气旋增水过程(SE—NW路径，9205号台风“Eli”，图6)，其他增水过程均符合以下规律：东寨港风暴增水强度位居第一，其次是秀英港，第三是海甸岛，南港增水相对较弱(表3)。

表3 不同路径下海口市典型区域最大风暴增水排名情况

图6 9205号台风“Eli”过程海口市风暴增水分布情况

为进一步比较地形和移动路径两种因子的影响权重，对9205号台风的移动路径进行具体分析。其有以下特点：(1)移动路径位于海口市左前方(本文选取的34场台风中，有多场也位于左前方；
(2)与海口市最短距离为66 km(较其他台风偏大)；
(3)登陆时热带气旋强度为台风级，登陆后降为强热带风暴级(强度上没有特殊之处)。

再对比两场历史相似台风(1309号台风“飞燕”和8410号台风“Ike”)，两场台风移动路径均位于海口市的左前方，其中“飞燕”登陆前为强热带风暴，登陆后为热带风暴，海口市与移动路径最短距离为 14 km；
“Ike”登陆前后均为台风级，与海口市最短距离为4 km；
“飞燕”与“Ike”的增水强度均满足前述规律(东寨港>秀英港>海甸岛>南港)，但秀英港与东寨港最大增水很接近(不同于其他增水过程)。初步断定9205号台风具有增水特殊性的主要原因是因其距离海口市较远，且与各观测站点的距离为：东寨港>秀英港>海甸岛>南港，地形的作用明显减弱。

由上述分析可知，在影响海口市风暴潮的因素中，地形的权重通常比热带气旋移动路径更大。

3.2 移动速度的影响

在相同地理环境海域，海面所受风应力作用时间越长，强风作用就越突出，相应水质点振幅也越大，往往引发的风暴增水更强。

本文从影响海口市增水的106次热带气旋过程中，随机挑选18次热带气旋过程，选取原则：(1)进入影响区域(同上节阐述)；
(2)移动路径为3种影响海口市的常见路径(同上节阐述)，每种路径挑选6次热带气旋过程；
(3)造成明显的增水(最大风暴增水 ≥50 cm)。采用数值模型进行敏感性实验(改变热带气旋移动速度，其他影响因素均保持不变)，研究在相同地理条件下，热带气旋移动速度对风暴增水的影响。

敏感实验结果显示(表4)：18次热带气旋过程中，14次过程在移动速度为14～19 km/h时最大风暴增水达到最大，占比77.8%，其中SE—NW路径和ESE—WNW路径的热带气旋过程更明显，各自占比均达83.3%，E—W路径占比为66.7%；
2次过程在移动速度为8～13 km/h时最大风暴增水达到最大，占比为11.1%，均出现在E—W路径中；
移动速度为20～25 km/h 和26～31 km/h的热带气旋各只出现1次最大风暴增水达到最大。

表4 不同移动速度的热带气旋影响下秀英站最大风暴增水

结果表明，热带气旋移动速度对海口市风暴增水有明显影响，移动速度为14～19 km/h时，风暴增水往往达到最大。对影响海口市的热带气旋，移动速度减慢，风暴增水往往相应增大，但并非热带气旋移动速度越慢，增水就越大，存在移动速度临界值，低于临界值，增水会随着移动速度减小而减小，该临界值很可能处于14～19 km/h区间内。

产生上述情况的原因可能是：热带气旋移动速度越慢，海面所受风应力作用时间越长，强风作用的效果越突出，引发的风暴增水会更强；
但当移动速度足够慢时，它对增水的影响不如其他影响因子大。

(1)海口市受台风风暴潮影响较频繁，年均2.79次；
超过蓝色警戒潮位年均0.76次，超过黄色警戒潮位年均0.34次，超过橙色警戒潮位年均0.11次，超过红色警戒潮位年均0.05次。风暴增水在7—10月出现最频繁，较大及以上强度的风暴增水多发生在7—10月，9月较其他月份更易发生较大及以上强度的风暴增水过程。

(2)1415号台风“海鸥”经过海口市时，受路径、地形等影响，风暴增水强度表现为东寨港>秀英港>海甸岛>南港，主要原因是东寨港北部的铺前湾开口大，潮波能量在此汇集，流入狭窄的东寨港后潮能不易向外扩散，且台风路径给“虹吸现象”创造了有利条件。

(3)在E—W，ESE—WNW，SE—NW这3种常见路径中，东寨港风暴增水强度位居第一，其次是秀英港，第三是海甸岛，南港风暴增水相对较弱。

(4)在影响海口市风暴潮的因素中，地形的权重通常比热带气旋移动路径更大；
热带气旋移动速度对海口市风暴增水有明显影响，移动速度为14～19 km/h 时，风暴增水往往达到最大。

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