北海市沿岸風暴潮特征研究

黃子眉，李小維

（1.中國海洋大學，山東青島266003；2.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海 536000）

北海市沿岸風暴潮特征研究

黃子眉1，2，李小維1，2

（1.中國海洋大學，山東青島266003；2.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海 536000）

根據1965—2009年間影響北海市沿岸的熱帶氣旋資料和風暴增水資料，進行統計分析北海市沿岸的風暴潮特征。結果表明：北海市沿岸平均每年發生風暴增水2—3次，其中較大以上強度的風暴增水每年0.87次，嚴重以上強度的風暴增水每3年有一次；北海市沿岸每年4—11月均有可能發生風暴增水，且集中在7—10月，尤以9月最多。影響北海市沿岸的熱帶氣旋主要以西北行路徑為主，且多是穿過雷州半島或海南島后在越南沿海登陸，此種情況下，風暴增水曲線表現為周期性波動。另外，本文還采用Pearson-Ⅲ分布和Gumbel分布來估算風暴增水頻度，得出北海市沿岸不同重現期的高潮位值。

北海；風暴潮特征；重現期

1 引言

北海市位于廣西的最南部，主要的海洋災害是風暴潮災害，加上隨著泛北部灣經濟區的建立，經濟逐漸繁榮，受風暴潮的影響較為嚴重，因此對北海市沿岸風暴潮特征進行研究，為風暴潮預報提供參考意見，對該沿海地區的風暴潮防災減災有重要意義。

2 資料來源

本文采用的熱帶氣旋資料來源于1965—2009年國家氣象局出版的《熱帶氣旋年鑒》[1]，風暴增水資料主要來源于1965—2009年北海海洋監測站（21°28'N，109°03'E）的實測潮位資料和由國家海洋環境預報中心的天文潮程序計算的1965—2009年潮汐表，風暴增水采用通用的方法即用實測潮位減去天文潮位得到[2]。

從驗潮站的增水數據分析表明，只有熱帶氣旋進入一定區域才會對北海市沿岸增水產生顯著影響，該區域我們稱為影響區[3]（18°—23°N，106°—113°E）。

統計過程中所選取的熱帶氣旋必須滿足以下條件[3]：（1）其路徑必須進入影響區域或在影響區內部生成；（2）同一個熱帶氣旋由于打轉或擺動，其兩次或兩次以上經過影響區邊界時，若偏離邊界線的距離小于或等于2個緯距，均作為一個個例統計。

3 研究方法

（1）經驗點據繪制方法[4]：年極值潮位由大到小順序排列成H1、H2、H3…Hn，其中 p為數學期望的經驗頻率，即為：

（2）Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制方法[5]：

式中，hˉ為年平均最大潮位，cv為變差系數，hp為不同重現期的設計潮位。

（3） Gumbel型分布曲線繪制方法[5]：

式中，λpn是與年頻率 p及資料年數n有關的系數，可查第Ⅰ型極值分布律的λpn表；hp為不同重現期的設計潮位。

（4） 重 現 期 計 算 方 法[5]： 用Pearson-Ⅲ 和Gumbel分布的概率統計方法估算風暴潮頻率，分別擬合經驗點據，采用與實測資料擬合最佳為準，再根據式（2—8）得出北海沿岸不同重現期的高潮位值。重現期ΤR（年）與年頻率p（%）的關系為：

4 結果與討論

4.1 影響北海市沿岸的熱帶氣旋特征

4.1.1 登陸類型

影響北海市沿岸的熱帶氣旋大致可以劃分為以下三種類型[6]：

第一種類型是登陸粵西沿岸后從陸上進入廣西境內的熱帶氣旋（EG）；第二種類型是穿過雷州半島或海南島在廣西沿海登陸的熱帶氣旋（ZG）；第三種類型是穿過雷州半島或海南島在越南沿海登陸的熱帶氣旋（WG）。三者分別占影響總數的21.6%、16.2%、62.2%，見表1。因此，進入影響區域的熱帶氣旋是以第三種類型為主，即以穿過雷州半島或海南島在越南沿海登陸為主。

表1熱帶氣旋登陸統計

4.1.2 影響頻度

據統計，1965—2009年影響北海市沿岸的熱帶氣旋有111個，平均每年2.5個，1971年最多，有6個。有熱帶氣旋進入影響區的年份中，1997年和1998年最少，為1個。由表2可以看出影響北海市沿岸的熱帶氣旋集中發生在7—10月，約占年影響總數的87.4%；其中9月份的最多為29個，而12月至翌年3月則沒有熱帶氣旋進入影響區。

表2 影響北海市沿岸熱帶氣旋個數的逐月分布表

4.1.3 影響強度

熱帶氣旋對北海市沿岸的影響程度，以其影響期間北海市沿岸出現的最大平均風力劃分，如表3所示，7—9級的最多，其次是10—11級，12級以上的最少，三者分別占影響總數的60.1%、11.7%、2.7%。在逐月分布中，12月至翌年3月很少有熱帶氣旋進入影響區，7—9月則較多，尤其是9月，這與熱帶氣旋季節分布有關。

表3 影響北海市沿岸的熱帶氣旋強度逐月分布表

4.2 風暴增水特征

4.2.1 風暴增水的頻度和強度特征

由于歷史原因，1965—2009年間，影響北海市沿岸的111個熱帶氣旋中有7個熱帶氣旋增水資料缺失。影響熱帶氣旋增水的主要因素是風、氣壓、熱帶氣旋路徑以及其移動速度等，其中尤以風和氣壓為主導誘發因素[7]。這里將北海市沿岸風暴增水和風暴潮災依據表4的標準[8]劃分為5個級別。

表4 北海市沿岸風暴增水及風暴潮災級別

從1965—2009年的104次風暴增水資料來看，如表5所示，影響北海市沿岸一般以上強度的風暴增水過程有98次，年均2.2次；明顯以上強度的風暴增水過程有72次，年均1.6次；較大以上強度的風暴增水過程有39次，年均0.87次；嚴重以上強度的風暴增水過程有14次，年均0.31次；30 cm以下增水過程有6次。其中最強的是1996年8月18日由9615號熱帶氣旋誘發的風暴增水，北海站出現最大增水145 cm。

由于在風暴增水過程中天文潮的高潮位均不是很高，故都沒有造成輕度以上程度的風暴潮災。據統計，北海市歷年來只有1次可能造成風暴潮災（即達潛在災害及以上程度），即1986年7月21日由8609號臺風誘發的風暴潮，北海站實測最高潮位593 cm，超過警戒水位43 cm，給北海市沿岸地區造成一定的經濟損失。由此可得：北海市沿岸一般只受潛在災害程度的風暴潮影響。

表5 1965—2009年間風暴潮及風暴潮災次數統計表

4.2.2 風暴增水發生時間

從影響北海市沿岸風暴增水的逐月分布表3—6中可以看出，45年間，北海市沿岸一般及以上程度的風暴增水7—10月出現最頻繁，而12月至翌年3月卻沒有出現過。這與影響北海市沿岸熱帶氣旋逐月變化情況相一致。同時，較大風暴增水5—10月均有發生，以7—8月出現最多；而嚴重風暴增水僅在6—10月出現，其中以7月最多；特大風暴增水沒有出現過。

4.2.3 風暴增水地理分布

影響北海市沿岸風暴增水的主要因子是風和氣壓，因此，登陸地點不同，北海市沿岸相對于熱帶氣旋的位置就不同，其受風和氣壓的影響就不同。前面提到的熱帶氣旋的三種不同的登陸類型對北海市沿岸風暴增水的影響各不相同。

表6 1965—2009年間風暴增水次數逐月分布表

4.2.3.1 登陸粵西沿岸后從陸上進入廣西境內的熱帶氣旋（EG）型

熱帶氣旋在粵西沿海登陸前后，從陸上進入廣西境內，當風向轉為WS-S時，北海市沿岸向岸風分量較大，使得海水容易堆積，形成較大增水。這就使得此種情形下北海市沿岸的風暴增水量級較大。圖1可以清楚看到：當熱帶氣旋向粵西沿海逼近（即進入113°E度以西海域）時，北海市沿岸便開始出現20—40 cm的震蕩增水，最大增水基本都在登陸前后十幾個小時到二十幾個小時內出現，且3個熱帶氣旋造成的最大增水都超過了70 cm（0307號熱帶氣旋最大增水為93 cm）。

4.2.3.2 穿過雷州半島或海南島后在廣西沿海登陸的熱帶氣旋（ZG）型

圖1 從陸上進入廣西境內的3個熱帶氣旋增水圖

圖2 穿過雷州半島或海南島在廣西沿海登陸的3個熱帶氣旋增水圖

圖3 穿過海南島南部或繞過海南島在越南沿海登陸的3個熱帶氣旋增水圖

從圖2上看，直接在廣西沿海正面登陸的熱帶氣旋，登陸前（即進入18°N以北的海面后），北海市沿岸的東北風風速逐漸增大，導致減水也增大；當其登陸時，風速迅速增大導致增水也急劇增大；接著出現微風甚至靜風，增水減小；待熱帶氣旋過境后，風向變為南風或東南風，風速由大變小，因此增水先增大后減小，最終恢復到正常潮位。

4.2.3.3 穿過海南島南部或繞過海南島后在越南沿海登陸的熱帶氣旋（WG）型

當熱帶氣旋進入18.0°N以北的海面后，北海市沿岸的東北風風速逐漸增大，導致減水也增大；當其在越南沿海登陸后，風向轉為WS-S時，北海市沿岸向岸風分量較大，使得海水容易堆積，形成較大增水。圖3可以看出：當熱帶氣旋向北海市沿海逼近（即進入影響區域）時，北海市沿岸便開始出現減水，最大增水基本都在風向轉為WS-S后數個小時到十幾個小時內出現，3個熱帶氣旋造成的最大風暴潮增水都超過了100 cm。

4.3 風暴增水頻率估算

4.3.1 經驗點據繪制

用公式（1）求出系列H1、H2、H3…Hn的各項相應的經驗頻率P1、P2、P3…Pn， 以Hi為縱坐標，Pi為橫坐標，即可在幾率格紙上點繪經驗頻率點據，見圖4。

4.3.2 Pearson-Ⅲ型分布曲線繪制

當n=45時，hˉ=5.38m，cv=0.03，選取四種適線方法，分別是適線1：假設cs=2cv=0.06；適線2：假設cs=4cv=0.12；適線3：假設cs=6cv=0.18；適線4：假設cs=10cv=0.3。根據四種適線方法得出的四組p、xp值，繪制Pearson-Ⅲ型分布曲線見圖5。

圖4 1965—2009年年極值潮位經驗頻率點據

圖5 Pearson-Ⅲ型分布曲線適線圖

圖6 Gumbel型分布曲線圖

圖7 Pearson-Ⅲ型分布曲線和Gumbel型分布曲線與經驗點據擬合

從圖5中可以看出，Pearson-Ⅲ型分布曲線和經驗點據的配合程度較好的是適線1（即cs=2cv=0.06）。但當潮位在5.10—5.30 m的高值之間或超過5.70 m時，Pearson-Ⅲ型分布曲線配合程度不好。

4.3.3 Gumbel型分布曲線繪制

根據所求出的 p和hp的值可以做出Gumbel型分布曲線（見圖6）。可以看出：Gumbel型分布曲線與經驗點據擬合程度較好，但當潮位在5.50—5.70 m的高值之間時，Gumbel型分布曲線與經驗點據配合程度不好。

4.3.4 擬合經驗點據

根據Pearson-Ⅲ型分布曲線和Gumbel型分布曲線與經驗點據擬合程度，從圖7可以看出：當潮位在5.10—5.30 m的高值之間時，Gumbel型分布曲線配合程度較好；當潮位在5.30—5.50 m之間，Pearson-Ⅲ型分布曲線和Gumbel型分布曲線與經驗點據擬合程度都較好；當潮位在5.50—5.70 m的高值之間時，Pearson-Ⅲ型分布曲線配合程度較好；當潮位出現超過5.70 m的高值時，Gumbel型分布曲線與經驗點據的分布規律擬合度較好。故本文嘗試運用Pearson-Ⅲ型分布和Gumbel型分布兩種概率統計方法分別對北海市沿岸風暴潮發生頻率進行估算是可行的。

4.3.5 重現期的計算

根據公式2—8，選擇配合程度較好的Pearson-Ⅲ型分布或Gumbel型分布方法進行計算，可得出結論見表7。

表7 北海年極值潮位重現期分布表

5 結論

（1）北海市沿岸平均每年發生風暴增水2—3次，其中較大以上強度的風暴增水每年0.87次，嚴重以上強度的風暴增水每3年有一次；

（2）北海市沿岸每年4—11月均有可能發生風暴增水，且集中在7—10月，尤以9月最多；

（3）影響北海市沿岸的熱帶氣旋主要以西北行路徑為主，且多是穿過雷州半島或海南島后在越南沿海登陸，此種情況下，風暴增水曲線表現為周期性波動；

（4）采用Pearson-Ⅲ分布和Gumbel分布來估算風暴增水頻度，得出北海市沿岸不同重現期的高潮位值。

[1]中國氣象局.熱帶氣旋年鑒[M].北京:氣象出版社,1965-2009.

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[3]萬弘超,李訓強,竇紅剛等.海口港風暴潮特征分析[J].海洋預報,2009,26(2):69-77.

[4]黃澤鈞.用Excel進行水文頻率計算的方法研究[J].科技創業,2006,9:194-195.

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[6]李樹華.珍珠港臺風風暴潮特征及其預報的初步研究[J].海洋預報,1986,3(4):17-24.

[7]付子瑯.臺風風暴潮特征及其主要預報方法[J].海洋科學,1979,1:27-33.

[8]王紅心,陸惠祥.海南島沿岸風暴潮特征分析[J].海洋預報,1998,15(2):34-42.

Characteristics of the storm surge along the Beihai coast

HUANG Zi-mei1,2，LI Xiao-wei1,2

(1.The Ocean University of China,Qingdao 266003 China;2.The Ocean Environment Monitors Master Station of Beihai of State Oceanic Administration,Beihai 536000 China)

Based on the tropical cyclone storm surges data from 1965 to 2009 in the Beihai city,the characteristics of storm surges is studied along the coastal region.The results show that there are 2—3 times storm surges occured annually along the Beihai coast,whereas the frequency of serious storm surge is 0.87 times per year and a severe storm surge occurs once every 3 years.The Beihai city are likely to have storm surges from April to November in each year,especially more in 7—10 months and most in September.The tropical cyclones influencing the Beihai coast is mainly in the northwest line of the path,and mostly through the Leizhou Peninsula or along the coast of Hainan Island before landing in Vietnam.Under such circumstances,the storm surge curve showed periodic fluctuations.In addition,the frequency of storm surge is estimated based on Pearson-Ⅲdistribution and the Gumbel distribution.The repcurrence interval of high tide is obtained along the Beihai coast.

Beihai;characteristics of storm surge;repcurrence interval

P444

A

1003-0239（2012）01-0018-06

2011-02-23

黃子眉（1981-），女，工程師，從事海洋環境預報工作。E-mail：huangzm1981@yahoo.com.cn