夏季黄海中北部孤立气旋对渤海风暴潮影响模拟研究_梁森栋.pdf

第40卷 第1期2023年2月海洋预报MARINE FORECASTSVol.40，No.1Feb.2023收稿日期：2022-06-21；修回日期：2022-08-25。基金项目：国家重点研发计划（2021YFB3900405）。作者简介：梁森栋（1984-），男，工程师，博士，主要从事风暴潮预警及研究。E-mail:*通信作者：傅赐福（1983-），男，副研究员，硕士，主要从事风暴潮预警及研究。E-mail：夏季黄海中北部孤立气旋对渤海风暴潮影响模拟研究梁森栋1,2，傅赐福1,2*（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.国家海洋环境预报中心 自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，北京 100081）摘要：应用经验风场模型刻画夏季黄海中北部孤立气旋的风场，利用数值模拟开展孤立气旋强度和移动路径对渤海内风暴潮的定量影响研究。结果表明：受黄海中北部孤立气旋的影响，渤海中3个海湾的最大风暴潮分别发生在各湾顶附近的葫芦岛站、黄骅站和潍坊站，渤海海峡内最大风暴潮对气旋路径的敏感性较小。渤海沿岸潜在最大风暴潮与黄海中北部孤立气旋强度存在幂指数相关关系S=V?m2.391。初步分析得出造成渤海内海湾和海峡较大风暴潮的孤立气旋的移动关键区域分别为威海市东南附近海域、烟台市东部及威海市北部沿海海域、烟台市东部沿海海域、青岛市东部威海市南部沿海海域。关键词：风暴潮；孤立气旋；渤海；黄海；数值模拟中图分类号：P731.23 文献标识码：A文章编号：1003-0239（2023）01-0001-09DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2023.01.0011引言我国渤海沿岸易受温带天气系统影响而发生温带风暴潮，其中孤立气旋是引发温带风暴潮的主要天气系统之一1-3。渤海沿岸79月天文潮较高，温带气旋影响频繁4-5，当引发的风暴潮与天文高潮叠加时，容易出现达到警戒潮位的高潮位并造成灾害2-3。例如，2008年8月22日，一个黄海气旋由江苏连云港附近出海，沿山东半岛南岸东北向移动6，渤海内辽东湾、渤海湾和莱州湾均有潮位站出现约1.0 m的最大风暴增水，致使天津和河北沿海发生风暴潮灾害3。在类似路径的孤立气旋影响下，渤海海峡和黄海北部的增水波传向渤海沿岸，经常会导致渤海湾和辽东湾沿岸在已经转为离岸风时，仍出现明显的风暴增水现象，这种情形下采用经验预报难度较大。傅赐福等7分析了这类风暴潮过程，使用开尔文波的沿岸传播模式解释了最大风暴潮发生时机，但对于沿岸各区域的最大风暴潮未开展定量分析。在全球气候变化的背景下，我国沿海海平面处于上升趋势8，近30 a影响我国北部海区的气旋数量也表现出增加的趋势4，这势必增加渤海沿岸出现较高潮位并引发风暴潮灾害的几率。对此类孤立气旋导致的风暴潮开展定量化研究，有助于提高预报准确性，减轻灾害影响。本文应用一个经验风场模型刻画了黄海中北部出海的孤立气旋的风场，开展了孤立气旋强度和移动路径对渤海风暴潮的定量影响研究，归纳了渤海沿岸潜在最大风暴潮与黄海中北部孤立气旋强度的定量关系，初步分析出造成渤海沿岸较大风暴潮的孤立气旋的移动关键区域。2夏季黄海中北部孤立气旋风场特征与模拟黄海中北部出海的温带气旋主要源于江淮气旋和黄河气旋东移入海，少数由台风北上后变性生成4,9。统计显示气旋主要的移动路径为东北行方海洋预报40卷向10-11，大致平行于山东半岛南岸岸线，气旋北侧的偏东风和东侧的偏南风均易造成渤海和黄海北部沿海发生大范围的风暴增水。孤立气旋的移动速度对风暴潮有较大影响。使用韩国气象厅（Korea Meteorological Administra-tion,KMA）发布的天气分析图分析了 20192020年夏季 10次黄海中北部出海的温带气旋，其移速为 2238 km/h，平均值为30 km/h。吴少华等12统计了黄海南部和东海北部温带气旋的移动速度，指出温带气旋移动速度在30 km/h左右时对江苏连云港的风暴潮影响最大。于福江等3例举了由黄海中北部孤立气旋引发的5次灾害性风暴潮事件，气旋中心的移速在2540 km/h之间，平均值为32 km/h，与吴少华等12模拟最大风暴潮使用的温带气旋移速接近。黄渤海海域夏季出海气旋强度较弱，中心气压多为9901 000 hPa4，最大风力一般在68级，偶有气旋最大风力达到910级。该区域孤立气旋的最大风速半径一般为100250 km。孤立气旋刚形成时，大风分布对称性较差，在气旋入海的移动过程中，海面风速分布的对称性有所改善11，近似呈圆形分布，因此对此类孤立气旋可采用圆形风场模型进行刻画。大量研究提出并比较了用于模拟热带气旋的经验风场1,13。本文利用陈孔沫13提出的一个形式简单的经验风场进行模拟。公式为：V(r)=Vm 2(Rr)3 2(R3+r3)（1）式中：V(r)为计算点的风速，r为计算点距气旋中心的距离；Vm为气旋内的最大风速；R为气旋的最大风速半径。利用欧洲中期天气预报中心（European Centrefor Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的分析风场（Analysis Atmospheric Fields），选取了 2020年数个形态较好的出海孤立气旋，提取其风速沿径向的分布数据。将选取的V和r分别使用Vm和R进行无量纲化，绘出的数据点较为均匀地分布在式（1）表示的曲线附近（见图1），可见式（1）可以有效代表此区域孤立气旋的风速分布特点。在参考文献13和14中，将海面上风向与等压线之间的入流夹角设定为20。当确定了每个时次气旋中心和计算点的坐标后，可以利用式（1）得到每个计算点的风速标量V，再由式（2）计算每个时次单点的风速分量。|vxvy=|(cos-sin)(sin cos)|-V(y-y0)/rV(x-x0)/r（2）式中：vx和vy分别为经度和纬度方向的风速分量；（x0,y0）为气旋中心坐标；（x,y）为计算点的坐标；为入流夹角，取为20。3风暴潮数值模型的构建和验证为模拟黄海中北部孤立气旋对渤海的风暴潮影响，本研究利用了傅赐福等15建立的非结构三角网格。该网格中的海域包括渤海、黄海和东海部分区域，边界东至128E，南至29.5N。计 算 使 用 ADCIRC（an Advanced CirculationModel for Oceanic，Coastal and Estuarine Waters）模式进行模拟，潮位边界采用潮汐数据集16中的8个主要分潮（K1、K2、M2、N2、O1、P1、Q1、S1）；水体底部切应力采用阻力平方假设，经调试摩阻系数确定为0.001；海面风的切应力沿用GARRATT等17提出的曳力系数公式：Cd=0.001(0.75+0.067|V)（3）式中：Cd为曳力系数；V为风速。首先采用本模型模拟了渤海及附近沿岸主要潮位站2020年8月的天文潮，相应站点天文潮模拟的逐时平均绝对误差为7.518.5 cm（见表1）。图1ECMWF分析风场中气旋风速分布与式（1）对比Fig.1Comparison of wind speed distribution in ECMWFanalysis wind field and equation（1）2梁森栋等：夏季黄海中北部孤立气旋对渤海风暴潮影响模拟研究1期表1 典型潮位站天文潮模拟误差Tab.1 Astronomical tide simulation error of typical tidestations潮位站老虎滩鲅鱼圈葫芦岛秦皇岛曹妃甸塘沽黄骅黄河海港潍坊龙口蓬莱北隍城芝罘岛逐时平均绝对误差/cm11.616.118.414.711.915.718.510.213.78.77.59.89.0利用上述率定后的模型和参数，采用美国国家环境预报中心（National Centers for EnvironmentalPrediction，NCEP）的CFSR（Climate Forecast SystemReanalysis）逐小时再分析风场（网址：https:/doi.org/10.5065/D6513W89）驱动，模拟了“080822”风暴潮过程。利用该再分析风场中的气压场和风场确定了不同时次孤立气旋的中心位置、最大风速以及最大风速半径，结果见图2和表2（时间均为北京时，下同），图片采用M_Map（网址：https:/www.eoas.ubc.ca/rich/map.html）绘制；使用经验风场构造了模型风场，再次模拟了本次温带风暴潮过程。黄海北部和渤海沿岸几个主要站点的风暴潮模拟值与实测值3的对比见图3，不同风场的模拟结果和误差见表3。表2 模拟“080822”风暴潮采用的气旋参数Tab.2 Cyclone parameters used to simulate the 080822storm surge时刻21日23时22日02时22日05时22日08时22日11时22日14时22日17时22日20时22日23时中心位置120.1E，35.7N121.4E，36.1N122.4E，36.6N123.2E，36.9N124.1E，36.8N124.4E，36.8N125.1E，36.8N125.5E，37.0N126.2E，37.0N最大风速/（m/s）151518242218151210最大风速半径/km170170170180220220220250250两种风场驱动的模拟结果均较好地重现了风暴潮过程和量值。再分析风场模拟的最大风暴潮平均绝对误差为0.09 m，经验风场为0.09 m；经验风场的模拟结果在辽宁沿海潮位站的误差较大，其余区域与再分析风场结果接近。采用经验风场模拟孤立气旋可以得出与再分析风场精度相近的风暴潮模拟结果。4孤立气旋移动路径和强度对渤海风暴潮影响研究表明3,10-11，夏季在黄海中北部出海的孤立气旋的出海位置多在山东烟台江苏连云港之间，移动方向以东北行为主。本研究利用前述的数值模型和经验风场，模拟分析了黄海中北部出海的孤立气旋在不同移动路径和强度下对渤海内风暴潮的影响。在本研究中，假想孤立气旋移动路径为直线，移动方向分别选择NNE、NE和ENE，通过在南北方向平行移动构造一系列的气旋移动路径并绘制在图4中，假想的系列路径以烟台市芝罘岛（121.4E，图2“080822”气旋路径示意图Fig.2080822 extratropical cyclone track3海洋预报40卷图3“080822”风暴潮过程模拟与观测对比Fig.3Comparison of simulations and observations of 080822 storm surge process图4假想孤立气旋移动路径示意Fig.4Hypothetical solitary cyclone tracks表3“080822”风暴潮过程模拟与观测对比Tab.3 Comparison of simulations and observations of080822 storm surge process潮位站老虎滩葫芦岛秦皇岛黄骅羊角沟龙口平均绝对误差风暴潮最大观测值/m0.850.990.710.790.930.76风暴潮最大模拟值/m再分析风场0.730.980.900.830.780.700.09模型风场0.640.870.620.860.900.750.094梁森栋等：夏季黄海中北部孤立气旋对渤海风暴潮影响模拟研究1期37.6N）为出海位置的北界限。假想气旋移动速度为30 km/h，最大风速半径为180 km，最大风速分别为610级风速的中值（见 GB/T 285912012）。3种不同移向（NNE、NE和ENE）系列假想路径的南北平移间隔分别为0.2、0.15和0.15。在图4中还绘出3种不同移向路径中孤立气旋间隔6 h的中心位置。系列气旋路径覆盖了黄海中北部出海孤立气旋移动的大部分区域。4.1孤立气旋移动路径对最大风暴潮的影响在不同强度的孤立气旋的影响下，渤海沿岸站点的最大风暴潮变化趋势类似。以最大