秦皇岛沿海灾害性天气对自然环境的影响和预报

陈连友,居丽玲,曹建新,曹秀芝

(1.河北省生态环境重点实验室,河北石家庄050021;2.秦皇岛市气象局,河北秦皇岛066000)

秦皇岛沿海灾害性天气对自然环境的影响和预报

陈连友1,2,居丽玲2,曹建新2,曹秀芝2

(1.河北省生态环境重点实验室,河北石家庄050021;2.秦皇岛市气象局,河北秦皇岛066000)

风暴潮天气是一种灾害性的自然现象。一般情况下,大于500 km的东到东北大风持续12个小时,且风速大于或等于6级,将在秦皇岛沿海形成风暴潮天气。通过分析引发风暴潮天气的动力条件,风暴潮与台风、温带气旋等天气系统相关联系,再根据天文、潮汐变化、台风、温带气旋24 h诊断预报,判断台风、温带气旋移动径,从而达到准确预报风暴潮天气之目的。分析表明:成灾风暴潮多发生在朔日和望日及其后的5天。

风暴潮;台风;诊断预报;技术指标;自然环境

《科学》杂志指出:近15年与以前的15年相比,各大洋强飓风或强台风出现的次数都在增加。以西太平洋为例,1975—1989年台风总次数为85次,而1990—2004年台风次数增加到116次。

台风强度也屡创纪录,受2005年9号台风“麦莎”影响,仅上海地区受灾人数约100万人,直接经济损失1.52亿元。20世纪70年代全球平均每年发生的4级和5级飓风约10次,20世纪90年代以后则达到18次之多,几乎翻了一番。

气候变化的主要驱动来自于 El Nino和La Nino现象,但自工业革命以来,人为增加的温室气体排放导致温室气体增加,由此引起的增温对气候变化的影响非常大。气候变化的影响是全方位、多尺度、多层次的,既有正面影响,又包括负面影响[1],例如:由于秦皇岛沿海海平面升高和经济建设的迅速发展,如果发生风暴潮影响会更大,经济损失将更惨重。2003年10月11～12日渤海湾沿岸发生的大风、暴潮灾,受北方强冷空气影响,渤海湾沿岸发生了近10年来最强的一次风暴潮。受其影响,天津塘沽潮位站最大增水160 cm,最高潮位达533 cm。此次风暴潮来势猛、强度大、持续时间长,成灾严重。河北省直接经济损失5.84亿元,秦皇岛市损失2.00亿元。渤海严重的风暴潮灾害引起了众多单位和学者的重视,刘凤树等[2]对黄河口区风暴潮及其影响与预防对策进行了研究,张承旺等[3]“070304”渤海特大风暴潮的成因进行了分析,于恩洪等[4]对渤海湾风暴潮进行了统计分析。下面将从大气环流形势、动力条件、天文因子方面分析秦皇岛沿海灾害性天气对自然环境的影响。

1 资料

本文使用的资料:1634—2005年海港区、北戴河区、山海关区、抚宁县和昌黎县等沿海5个县、区县志记载的风暴潮资料;国家海洋局发布的部分《中国海洋灾害公报》风暴潮资料;台风路径资料以中央气象局编发的台风年鉴为准,资料年代为1949—2000年。

标准:任意一个县、区有风暴潮即为一个风暴潮日,两县、区同时出现风暴潮按一个风暴潮日计算。国家海洋局发布的秦皇岛海域出现的风暴潮资料。

2 统计分析

秦皇岛沿海最早的风暴潮记载为1634年农历5月5日,曰:海啸,漂没沿海民房,地生土阜。另一次为1845年农历4月,曰:海啸上溢20余里鱼舍尽没。解放后有5次台风引起的风暴潮记载,解放后秦皇岛沿海风暴潮出现的时间一般在7、8两个月,其中又以7月下旬到8月中旬为主。经济损失最严重的记录是2003年10月11～12日渤海湾沿岸发生特大强冷空气南下大风、风暴潮灾。

3 引发风暴潮的天气系统

根据调查分析,引发秦皇岛沿海风暴潮的天气系统主要有4种类型:台风在华北平原登陆影响型、台风在东北平原登陆影响型、台风在辽东半岛登陆影响型、北方强冷空气南下影响型[5]。

3.1 台风外围影响型

根据统计分析,进入渤海的台风路径有三条:一是台风进入渤海后向东北方向移动,在辽东半岛登陆,此类台风对秦皇岛沿海影响较小;二是台风进入渤海后直接北上在东北平原登陆,中心偏西时引发的风暴潮对秦皇岛沿海影响很大;三是台风进入渤海后西进在华北平原登陆,主要影响天津、沧州海域,中心偏东时引发的风暴潮对秦皇岛沿海影响很大。

秦皇岛沿海地处华北平原和东北平原的连接处,山海关又恰好成为燕山山脉的前沿,在地理上形成了所谓“关里关外”的特殊地理环境,由于燕山山脉的屏障作用改变了气流方向,在特殊地形条件的作用下,秦皇岛沿海可能是台风登陆路径的分界点。因此,台风在秦皇岛沿海登陆的可能性很小,秦皇岛沿海由台风影响产生的风暴潮一般为台风外围构成的,统计也表明,自1949年以来没有台风直接登陆秦皇岛沿海的个例。台风影响秦皇岛沿海的风暴潮主要是台风进入渤海后北上时外围形成的强东风制造的。特别是台风进入渤海后直接北上,在东北平原登陆的台风,中心偏西时引发的风暴潮应引起特别关注。在辽东半岛登陆的台风由于路径偏西,对秦皇岛沿海影响比较小。

3.1.1 台风在华北平原登陆影响型

台风在华北平原登陆影响型天气形势表现为:500 hPa副热带高压呈块状,闭合中心在日本海,并向西进,副热带高压与大陆高压有合并的趋势,由于副热带高压西进,促使低空850 hPa低空急流沿朝鲜半岛北进,低纬度高温、高湿水汽源源不断向北输送,引导台风北上进入华北平原(图1)。

图1 华北平原登陆的台风路径示意图

3.1.2 台风减弱为热带低压在东北平原登陆影响型

台风在东北平原登陆型的天气形势:这种类型是台风进入渤海后北上再次在东北平原登陆,登陆影响型的天气形势表现为:副热带高压呈块状,中心在日本列岛。西伸脊点在东经120度以西,北界在北纬42度以北。副热带高压与青藏高压遥相呼应,西风带在北纬45度以北。由于副热带高压稳定加强,促使低空偏南气流加强,低纬度高温、高湿水汽源源不断向北输送,在副热带高压外围西南气流引导下使强迫台风北上,台风沿副高边缘北上,西风槽逼近东北平原,对台风进入东北平原起到吸引作用(图2)。

图2 东北平原登陆的台风路径示意图

3.1.3 台风减弱为热带低压在辽东半岛登陆影响型

台风减弱为热带低压在辽东半岛登陆影响型的天气形势:例如2005年9号台风“麦莎”是较为典型的辽东半岛登陆型,在500 hPa图上副热带高压偏南,FXFE502的预报图上脊线在北纬30度,台风沿副高外围西南气流向西、偏北方向移动在大连登陆。在850 hPa图上台风麦莎表现为:沿负变高长轴,轴线方向移动。24小时最大负变高中心和地面3小时最大负变压中心的变化对台风未来的移动方向有着很好的指示作用,对台风路径的短时预报有着很好的指示意义。

3.2 北方强冷空气南下影响型

北方强冷空气南下影响型的天气形势表现为:500 hPa在贝加尔湖有一个强大的冷中心 T=-40℃,H=535位势什米。850 hPa的冷中心与高空几乎重合,高度场前倾,等温线。与等高线成90°角,西南气流在东南沿海北上与南下冷空气在华北南部至渤海一带汇合。在地面图上倒槽的顶部正位于渤海湾及沿岸,倒槽的发展使渤海湾及沿岸形成较强的偏东风,由于持续时间较长,促进了向岸增水作用,在天文大潮的共同作用下形成强大的风暴潮灾。

4 诊断预报技术指标

4.1 低空急流

在850 hpa图上,低空急流主要有两条,一是西路,从东南沿海进入渤海(图3),例如1984年8月8～9日。二是东路从日本南部经朝鲜半岛进入渤海(图4),例如1972年7月26日。

图3 低空急流从东南沿海进入渤海

图4 低空急流从经朝鲜半岛进入渤海

4.2 副高位置

副高中心在日本列岛,稳定或西进,副高稳定或西进对台风的移动的路径起关键作用。700 hPa图上316线西伸脊点一般在北纬35度东经120度附近,北界一般在北纬42度以北。

4.3 变高

台风一般沿24小时负变高中心,长轴轴线方向移动。

4.4 风

由于风暴潮的形成受风的影响较大,预报时应注意风区和风向的变化,风对海水表面流速的影响主要有:风向、风速、风时、风区。一般风可使海水表面流速增加3%,风时、风区与海流速度成正比。受科氏力影响,风向在北半球向右偏20°。

构成秦皇岛沿海海域的风暴潮风向、风速、风时、风区条件为:东南东风,风速大于或等于6级,持续时间大于12 h,满足上述条件的大风区域大于500 km。

4.5 物理量指标

根据500 hPa形势预报初步判断台风或热带风暴是否可能影响,然后结合台风路径、物理量场预报、变高、850 hPa流场、卫星云图、雷达回波等定量信息、暴雨或强降水的中尺度系统各种特征,最后得到秦皇岛沿海风暴潮天气诊断预报结果:

(1)判断数值预报产品和500 hPa环流概念模型:最近时次500 hPa 24 h或36 h数值预报高度场,并迭加模型图,确认有无相似环流型。

(2)显示最近12小时卫星图像路径,确认本地区或周围有无天气尺度或中尺度云系、台风云系,水汽羽活动,辨认未来可能影响云系类型。

(3)最近3小时云图上,影响云系强度及移动方向。

(4)低空急流位置符合技术指标4.1的条件。

(5)在以下物理量场中:数值预报500 hPa、700 hPa 24 h或36 h物理量预报场:ζ,ω,(TTd),雨区,涡度平流(VA),水汽通量散度(FD)及温度平流(TA)。本地区位置应符合以下条件:500 hPaζ＞0,FXFE782ω＜ -10,FXFE782(TTd)＜3,FXFEO2 R＞10,FD＜0,500hPa TA＞0,500hPa VA＞0。满足以上五个条件则确认进入风暴潮的有利天气形势。

5 小结与讨论

利用县志、国家海洋局发布的风暴潮、台风移动路径、中央气象局台风年鉴、常规天气图等多种资料,分析了影响秦皇岛沿海海域风暴潮的天气系统,建立了引发风暴潮的天气概念模型,得到:

(1)进入渤海的台风路径有三条,其中在华北平原和东北平原登陆的台风,对河北部沿海影响比较大,在辽东半岛登陆的台风对秦皇岛沿海影响比较小。

(2)台风在河北北部沿海特别是秦皇岛沿海登陆的可能性很小,秦皇岛沿海由台风影响产生的风暴潮一般为台风外围构成的,这也是秦皇岛沿海风暴潮较少的原因之一。

(3)秦皇岛沿海海域的风暴潮天气的概念模型可描述为:在有利的大尺度环流背景,台风等天气系统受外界引导形成持续的东到东北大风为海平面的增高提供了有利的动力条件。

(4)成灾风暴潮多发生在朔日和望日及其后的5天。上弦和下弦很少发生。

[1]陈芳,马英芳,金惠瑛.高空温度、高度变化特征及其与地面气温的相关分析[J].气象科技,2005,33(2):163-166.

[2]刘凤树,丁文兰,银铜,等.黄河口区风暴潮及其影响与预防对策的研究[J].海洋科学集刊,1994,(35):45,71.

[3]张承旺,侯淑梅,孙忠欣.“070304”渤海特大风暴潮的成因分析[J].山东气象,2007,109(27):25-27.

[4]于恩洪,陈炎源,陈彬,等.渤海湾风暴潮的统计分析[J].气象 ,1987,13(7) :47-49,46.

[5]胡欣,景华,王福侠.渤海湾风暴潮天气系统及风场结构个例分析[J].气象科技,2005,33(3):235-239.

The Forecast and Im pact of Qinhuangdao Coast Severe Weather on Natural Environment

Chen Lianyou1,2,Ju Liling2,Cao Jianxin2,Cao Xiuzhi2
(1.Ecological Environment Key Laboratory of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei 050021;2.Meteorological Bureau of Qinhuangdao,Qinhuangdao Hebei 066000)

The storm surge weather is a kind of disaster of natural phenomena.Under normalcircum stances,mo re than 500 kilometers east to northeast winds for 12 hours,and the wind speed is greater than or equal to 6,will be the formation of storm surge along the coast in Qinhuangdao.By analyzing the dynamic weather conditions causing storm surges,weather systems relevant to storm surges and typhoons and extra tropical cyclones,then according to astronomy,tides,typhoons,extra tropical cyclone 24h diagnostic prediction,it judged typhoons,extra tropical cyclone tracks,so as to achieve the purpose of predicting storm surges accurately.

storm surge;typhoon;diagnostic forecast;technical indexes;Natural environment

X16

A

1008-813(2010)02-0011-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.02.004

2009-12-29

陈连友(1951—),男,河北抚宁人,毕业于南京信息工程大学天气动力专业,天气工程师。