基于大數據的影響浙江海堤安全的臺風相關特征分析

葉 舟，徐 貝

(浙江海洋大學，浙江舟山 316022)

浙江地形呈現為東北低，西南高。沿海地區地勢較低，杭嘉湖平原地區高程在1.6～2.2 m，東南沿海腹地2～3 m(1985 年國家高程基準)，沿海地區高程普遍低于歷史風暴高潮位1.5 m 以上[1]，因此明清時期就出現各種形式的海堤。浙江屬于典型的亞熱帶季風氣候，每年平均有4～5 個臺風影響浙江，對沿海城市和海堤構成極大威脅，表1 為部分臺風造成海堤損毀情況。

表1 部分臺風造成海堤損毀情況Tab.1 Damages to seawalls caused by some typhoons

不少學者從多角度對臺風進行研究。對臺風影響下的地區風險評估，周小梅等[2]采用了層次分析法對沿海一帶的臺風災害進行風險評估方法研究；唐麗麗[3]采用GIS 技術進行了臺風災害災情及風險的評估研究；石蓉蓉等[4]以1949-2007 年臺風數據作為樣本分析提出臺風災前評估依據和方法；盧美[5]利用數值模擬技術開展了浙江海堤臺風暴潮災害風險評估。臺風發展趨勢研究，GAO Xuejie,et al[6]利用RegCM2/CN(60 km)分析得出中國南海臺風增加的趨勢和規律情況；STOWASSER,et al[7]利用IPRC(30 km)模型發現中國南海臺風數增加，且臺風風速強度增加；趙宗慈等[8]認為西北太平洋臺風數可能減少，但臺風風速及降水可能增強；周沖[9]利用R/S 方法、滑動平均法對近58 年影響中國的臺風頻數、強度和年強度極值分析發現3 者都有增加的趨勢。以歷史數據作為依據對臺風規律研究的，伍俊杰等[10]利用大數據分析技術算法對1945-2015 年廣東省臺風規律進行分析研究；宿海良等[11]利用中國臺風數據網資料對1949-2018 年登陸中國臺風進行統計分析其主要特征及災害成因；牛海燕[12]從臺風暴雨、大風、風暴潮3 個方面，利用大數據對中國沿海地區的臺風災害風險研究。臺風風暴潮對海堤影響研究的，徐有成等[13]對海堤所面臨的風暴潮位及風浪情況進行計算，分析在潮浪作用下海堤淹沒情況及安全性分析；謝長飛[14]對12 條設計臺風路徑下最大可能臺風增水過程進行了數值試驗。一些學者還專門對浙江一帶海堤在臺風作用下的損毀情況進行了分析研究，吳偉軍[15]以“5612”臺風作為典型強臺風分析了在5 條不同登陸線路下浙江現存海堤的穩定性；王曉紅[16]分析浙江海堤在強臺風的情況下的損毀情況，闡述了登陸浙江的臺風空間特性及季節性分布情況；黃世昌[1]分析了浙江沿海在超強臺風作用下引發的風暴潮位、臺風浪和海堤的防浪特性。前述學者對臺風影響的研究取得了一定的成果，本文在吸收前人研究成果的基礎上，直接從相關因子分析影響海堤安全的臺風特征，以期為海堤在臺風作用下破壞機理研究提供理論依據。

1 研究方法和評價標準

1.1 研究方法

本文熱帶氣旋包括熱帶低壓，對熱帶氣旋統稱為臺風。考慮數據有效性研究時間跨度選擇1958-2019年。利用Arcgis、Python、Excel 等軟件采用數據聚類分析、相似匹配、統計描述等方法分析1958-2019 年對浙江影響的臺風。并通過大量的實地調研、文獻調研，就臺風發生源地、路徑，年際、月際變化，風、雨、潮進行分析影響浙江海堤安全的臺風特征。臺風相關數據分析過程及方法[17-18]見圖1。中國地面氣候資料日值數據集在浙江省的站點空間上分布及浙江省地形見圖2。

圖1 臺風源數據主要分析過程Fig.1 Main analysis process of typhoon source data

圖2 研究區地形及對應測量站點位置Fig.2 Terrain of the study area and the location of corresponding measurement stations

1.2 臺風選擇評價標準

臺風影響的評價標準，本文以1 個臺風來臨時浙江省內23 個測站中，有1 個測站的最大風速≥11 m·s-1(6 級)或者過程降水量≥10 mm，兩者達到一項即為影響[7,19]。由于臺風的發生時間、活動路徑、風、雨、潮影響程度不同，因此以此標準選擇臺風存在數據偏大的可能。當臺風影響程度由風雨的大小來表征時，按其影響程度分為3 類：Ⅲ類，輕度影響，風力6～8 級或過程雨量50～100 mm；Ⅱ類，中度影響，風力9～11 級或過程雨量100～250 mm；Ⅰ類，嚴重影響，風力≥12 級或過程雨量≥250 mm 以上。統計分析1958-2019 年間受影響的臺風為244 個，Ⅲ類121 個，占49.59%；Ⅱ類89 個，占36.48%，Ⅰ類34 個，占13.93%。

1.3 影響海堤安全因子選擇

影響海堤安全的因子主要有大浪、暴雨、高潮等，因此這里主要選擇狂風、暴雨、風暴潮三個影響因子。一是考慮風生浪的關系，因此浪對海堤的影響可以認為主要是風的作用。在狂風的作用下，海面上容易形成巨浪，臺風期間的巨浪能量集中，巨浪拍打海岸帶動海底的泥沙沖刷，對海堤安全穩定沖擊較大。二是臺風在浙江登陸后一般過境時間為1 d 左右，而過程降雨的持續時間較長，一般為2～3 d，甚至還有更長的如Haikui(1211)最長記錄達7 d[20]。持續性暴雨容易導致洪澇災害，使各地水位超過警戒值，又因臺風期間外海水位較高外排困難，在河口地區進一步增加水位，形成沿海海堤處于最不利情況。三是風暴潮是指由于氣壓變化或強風等影響，帶來海平面異常降低和升高的現象。當臺風暴潮與天文大潮相遇，出現異常高潮位可能性極大，因此風暴潮災害也是影響海堤安全的主要因素。

2 臺風特征分析

2.1 臺風源地特征

影響浙江省沿海的臺風的源地，主要有3 種。一是菲律賓以東洋面和關島附近生成的臺風(8°N-20°N，120°E-150°E)，該源地發生的臺風約占62.5%，這種臺風由于沿途過程長，在海上能吸納足夠能量，往往雨大風大，對海堤破壞力較強。二是菲律賓以西附近洋面(南海)生成的臺風(15°N-22°N，113°E-120°E)，約占30%。三是臺灣島以東和沖繩附近生成的近海臺風，該源地生成的臺風較少，約占7.5%，但因其具有突發性特點，往往會造成較大破壞。圖3 為3 種不同源地臺風分布規律。

圖3 3 種不同源地臺風分布Fig.3 Distribution of typhoons in three different sources

浙江登陸的近海臺風，由于過程短，氣壓在1 000 hPa 左右，從形成到登陸一般只有1～2 d，具有突發性，容易造成海堤嚴重破壞和人員傷亡。這里選取從生成到登陸時間最短且給浙江帶來嚴重災害損失的5個臺風Ora(7504)、Nameless(8108)、Bill(8807)、Haima(0421)、Hagupit(2004)進行分析，如圖4，分析發現5 個臺風中有4 個臺風是在溫州登陸且3 個是在樂清灣口處登陸。Bill(8807)在象山登陸，這個臺風從生成到登陸不足24 h，登陸后一直在浙江境內行走直到消亡，給沿海安全帶來巨大的挑戰。

圖4 近海生成的5 個臺風路徑Fig.4 Five typhoon tracks generated offshore

2.2 臺風移動軌跡特征

從移動軌跡對臺風分類，一般分為登陸型(A 型)68%和海上消亡型(B 型)32%，其中登陸型臺風又可分為浙江登陸型(A1 型)、福建登陸型(A2 型)和其他登陸型(A3 型)；海上消亡型分成125°E 以西，25°N 以北轉向(B1 型)、125°E 以東轉向(B2 型)、125°E 以西，25°N 以南轉向(B3 型)，路徑走向示意圖如圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)。分析發現B 型北上轉折點集中在28°N-30°N，A2、A3 型登陸面較廣，對浙江影響主要是風雨。對海堤影響大的是A1 型，A1 型臺風主要有如表2 所示的幾個集中登陸點，其中溫州蒼南登陸最多，臺州玉環、溫嶺及寧波象山也是登陸集中地。這四地都處于灣口一帶，地形平緩。

圖5 (a)影響浙江臺風路徑示意圖(b)浙江省登陸臺風路徑分布(c)福建省登陸臺風路徑分布(d)海上消亡型臺風路徑分布Fig.5 (a)Schematic diagram of the path of the typhoon affecting Zhejiang (b)Track distribution of landing typhoon in Zhejiang Province (c)Track distribution of landing typhoon in Fujian Province (d)Track distribution of vanishing typhoons at sea

表2 浙江登陸臺風主要登陸帶分布Tab.2 Distribution of main landing zones of typhoons in Zhejiang

除臺風移動軌跡外，移動速度也影響到災害的程度，一般來說移動速度越慢、滯留時間就越長，造成災害更嚴重。還有周圍天氣系統的影響(如冷空氣、東風波、西風槽等)，有時也會使臺風增強而加重災害。

2.3 臺風的狂風特征

影響浙江的臺風中，大部分主風向范圍在SE-SSE，最大風速可達到60～70 m·s-1。由于每個臺風影響程度的不同，這里以最大風力為統計依據對244 個臺風頻次統計見表3。

表3 6 級及以上風力的臺風頻次Tab.3 Typhoon frequency of wind force of level 6 and above

由于臺風沿路徑呈逆時針旋轉，臺風路徑右側的風速會因為移動速度的疊加較左側大，導致臺風風圈的右側海面的波浪比左側大。如Fitow(1323)由于Danas(1324)及外圍冷空氣共同作用，使浙江沿海海面大風持續87 h，沿海地區持續62 h[21]，蒼南石屏山出現最大平均風速59.7 m·s-1，最大瞬時風速達76.1 m·s-1，打破了浙江省大風速歷史記錄。造成浙江沿海防波堤損毀4.01 km，海堤、護岸損毀5.87 km[22]。

臺風帶來的狂風，一般距臺風中心13～16 km 處風速最大。A1 型路徑影響最嚴重，A2 型、B1 型、B3 型路徑影響次之，B2 型、A3 型路徑對浙江的影響最小。選取臺風最大風速等級在12 級及以上的23 個臺風分析，有8 個臺風是海上消亡型臺風，且這8 個臺風海上轉向點都集中在杭州灣口一帶，其余15 個臺風均為浙江省登陸臺風，臺風路徑見圖6(a)。其中16 級以上風力的臺風Tilda(6126)、Judy(7910)、Vera(8615)、Hope(8909)、Abe(9015)、Rananim(0414)、Khanun(0515)、Haikui(1211)、Lekima(1909)發現9 個強臺風時間分布主要在8 月中旬以后，此時海上能量供給充足，有5 個臺風一直北上，近40°N 處才消亡；極端風力出現在浙江南部沿海，上述9 個臺風中海上消亡型占22.2%，象山登陸占22.2%，溫嶺登陸33%，因此象山和溫嶺的海堤在臺風期易出險。

圖6 (a)大風速臺風路徑范圍(b)強降雨臺風路徑范圍(c)強風暴潮臺風路徑(d)Winnie 路徑走向Fig.6 (a)Track range of high wind speed typhoon (b)Track range of heavy rainfall typhoon (c)Track of strong storm surge typhoon(d)Winnie path direction

2.4 臺風的暴雨特征

臺風是一個非對稱的強降雨系統，中心路徑兩側數百公里范圍內都可產生降雨且臺風路徑右前方降雨量更大[23]。如2013 年10 月7 日Fitow(1323)在福建省福鼎市登陸，此時位于臺風路徑右前方300 km 的浙江余姚市形成強降雨(上王崗降雨達718 mm、梁輝達715 mm)[24]。由于浙江省山地丘陵約占70.4%[25]，在臺風環流影響期間地面盛行偏東風，故臺風暴雨落區主要在東部山區的東側[26]。

為分析臺風強降雨規律，選取臺風影響期間沿海雨量站只要有一個站點的過程降雨量超過350 mm的臺風進行分析，共有6 個臺風見表4，并繪制臺風路徑走向圖，見圖6(b)。從路徑上分析其6 個臺風路徑走向較相似，以西偏北約30°方向平行前進，轉折性較小。這些臺風登陸地多在福建，而溫州瑞安、洞頭降雨量最集中，最易形成洪澇災害。而Gloria(6312)對約400 km 外的平湖形成較大過程降雨量的原因主要是該臺風影響時間長，且登陸后又回到浙江沿海，使得9 月13 日該臺風日降雨達到218.2 mm，出現該現象也與臺風眼壁和外圍強輻合倒槽影響有關。Mitag(1918)使得定海形成強降雨的原因是該臺風與高空冷槽結合，形成了一條從浙江到韓國的降水帶。從時間上發現降雨量大的臺風主要集中在7 月中旬以后，以8、9、10 月份為主，分析其原因認為在7 月中上旬，浙江省剛出梅，在副熱帶高壓的控制下，盛行下沉氣流。此時臺風靠近，會削弱臺風，不會形成明顯的強降雨[27]，因此7 月的臺風對浙江省的影響一般是風大雨小。

表4 過程降水量大于350mm 的臺風Tab.4 Processes of typhoons with precipitation greater than 350 mm

2.5 臺風的風暴潮特征

風暴潮大小程度取決于海岸岸線形狀、海底地形、臺風是否與天文大潮相遇，其中與天文大潮相遇是影響風暴潮最主要因素，本文選取強臺風與天文大潮相遇的相關臺風分析，其中Jean(7410)、Trix(7805)、Mindule (0407) 雖然與天文大潮相遇但未發生較大的海堤破壞，引起海堤損失較嚴重的臺風有Wanda(5612)、Mary(7413)、Vera(8923)、Polly(9216)、Fred(9417)、Winnie(9711)、Rananim(0414)、Saomai(0608)，路徑見圖6(c)，利用浙江省23 個潮位站點數據分析強風暴潮臺風特征。發現溫州鰲江站、瑞安站、洞頭站、龍灣站出現超警戒潮位次數最多，平均40 次；其次是臺州坎門站、石塘站、健跳站、海門站，平均26 次；杭州灣以北乍浦站、澉浦站為13 次；杭州灣以南曹娥江口站，寧波石浦站、鎮海站，舟山定海站、岱山站，平均5～10次。

Winnie(9711)是浙江省歷年臺風風暴潮災害最嚴重，海堤損壞最嚴重的一個臺風，(臺風路徑走向如圖6(d))該臺風使得各地都產生較大增水，從福建北部沿海到渤海灣沿海一帶都出現了超警戒水位，平均增水1.24 m，浙江健跳站增水最大為2.61 m(浙江省的潮位站點分布及Winnie 的潮位情況如圖7)。該臺風使得浙江省內海堤損毀嚴重，沿海平原地區洪水泛濫。據不完全統計浙江省內損毀海堤堤防776 km，堤防決口13 894 處，直接經濟損失193 億元[28]。

圖7 (a)Winnie 期間浙江較大風暴增水站點分布(b)Winnie 期間浙江潮位情況Fig.7 (a)Distribution of Zhejiang's major storm water-increasing sites during the Winnie period(b)Tide level in Zhejiang during Winnie period

2.6 臺風的年際、月際變化特征

影響海堤安全的臺風歷年分布見圖8，分析發現臺風影響3～5 個的年份居多。影響最多的年份為1966 年，這年臺風影響個數高達8 個。這種高頻率臺風影響的年份，發現在其后一年臺風影響個數都出現了急劇下降，一般只有2～3 個。臺風影響個數只有1～2 個的年份，如1988、1993、2012 年，在其后一年臺風影響個數出現了陡升，一般會達到7 個左右。因此，認為當某一年的臺風影響個數較極端時，在未來的1～2年內臺風影響個數會出現驟降或陡升。

圖8 歷年影響頻次Fig.8 Impact frequency over the years

表5 為累年各月對浙江海堤影響的臺風次數。該表數據反映，7-9 月份是臺風活動盛期，尤其以8 月份最多，占累年總數的35.23%；6 月和10 月臺風數量不多，僅為8 月份影響總數的20%左右；5 月份和11月份除個別年份外，臺風基本不會對浙江產生影響。整體影響態勢為以8 月為中心呈正態分布。

表5 累年各月影響分布頻次Tab.5 The distribution frequency of influences over the years and months

3 結語

一般臺風對海堤安全的影響往往是風、雨、潮等因子綜合作用的結果，特別是狂風、暴雨、高潮位三碰頭的作用。本文利用大數據對1958-2019 年期間影響浙江海堤的臺風進行了統計分析，并從源地、路徑、風、雨、潮幾方面分析臺風特征，初步得出以下結論：(1)從臺風年際、月際變化趨勢分析發現影響浙江海堤安全的臺風密度上在增大，強度也越來越強。(2)近海岸發生的臺風具有突發性，雖然強度不大，但由于思想準備不足，防護措施不到位，因此對海堤會構成較大威脅。(3)臺風易于在灣口和地形低洼處登陸，在蒼南登陸最多，臺州玉環、溫嶺及寧波象山也是登陸集中地。(4)風速等級在16 級以上的超強臺風，在溫州溫嶺一帶登陸的頻率為33.3%。(5)福建登陸的臺風造成溫州瑞安一帶臺風暴雨最嚴重，沿海易出現嚴重洪澇災害。(6)當天文大潮與強臺風相遇時海堤最易出險，溫州市發生超警戒潮位次數最多。對臺風的相關因子研究臺風特征和規律，有利于預報未來臺風的風險程度等級，促進做好沿海海堤安全防御工作。