引言

风暴潮是指由强烈的大气扰动所引起的海平面异常升高现象，往往造成巨大灾难。渤海由渤海海峡与黄海相连，形如斜放着的椭圆，其长轴走向为NE—SW，长约为555km, 海峡仅100多千米宽，平均水深约18m。渤海独特的地形地貌和地理位置造成了一年四季均有风暴潮发生，历史上曾发生多次强风暴潮灾害^[1]。渤海严重的风暴潮灾害导致水位暴涨、堤岸决口，咸潮倒灌，淹没农田、盐田，冲走海水养殖，使工厂、民房进水，直接危及当地的经济建设和威胁沿海居民的生命财产安全。因此，风暴潮引起了许多学者的重视，刘凤树^[2]以及施平^[3]相继对渤海风暴潮进行了统计研究，张延廷^[4]、吴少华^[5]采用数值方法对风暴潮进行了研究，于宜法^[6]建立了渤海多年一遇最大增水值的计算方法，李云川等^[7]和胡欣等^[8]分别对20 03年10月渤海湾风暴潮天气系统及风场结构进行了数值模拟和动力分析。

台风和强冷空气是造成渤海西岸风暴潮灾害的主要气象因子，袁子鹏^[9]和边清河^[10]等对登陆渤海的热带气旋的年际及季节、强度、移向、移速、源地等气候特征进行了统计分析，得出了许多有益的结论。由于资料所限，许多专家只对某次或某类风暴潮进行研究，而没有较为完善且适合地方台站的预报方法。因此，应用气象和海洋水文科学技术相结合，分析本地风暴潮灾害特征，建立风暴潮预报模型，对业务预报和地方政府指挥防风防潮有着十分重要的现实意义。

1 资料来源及说明

台风资料取自1951—2004年中国气象局编辑、气象出版社出版的《台风年鉴》，潮汐资料选用黄骅港2000—2004年的逐日逐时潮汐资料。渤海西岸有塘沽和黄骅两大港口，地形、地貌相似，经度相当。黄骅港测潮站包含了风向、风速、逐时潮位等资料，以下用黄骅港测潮站的资料对渤海西岸的风暴潮情况进行分析，并建立适合渤海西岸的风暴潮预报方法。

2 渤海西岸风暴潮的统计特征

对发生在渤海西岸的风暴潮进行统计(表 1)发现：渤海西岸致灾风暴潮一般每隔5~7年发生一次，最大间隔13年，最小间隔2年，且发生强度和频率1990年代以后明显加大。渤海西岸致灾风暴潮有台风和强冷空气配合气旋(简称“强冷空气”，下同)两种天气系统。7次风暴潮灾害中，前者和后者分别为5次和2类。7次风暴潮灾害都集中发生在农历上半月的初四、初五和下半月的十五、十六、十七，这时正值渤海西岸天文大潮期，证实天文潮汐在产生风暴潮中起到了非常大的作用。如果不考虑东风增水因素，仅从每年天文大潮最高潮位看，最高潮位与警戒潮位相差1.0m，不会产生风暴潮灾害，只有当天气系统影响与天文大潮叠加，潮位超过警戒潮位时，才发生风暴潮灾害。另外，风暴潮的发生与风向风速关系密切，所有风暴潮发生时都有偏东风分量；潮位较高时风速较大，而风速较小时潮位较低。

把2003年10月11日(农历9月16日)逐时潮位与2000年、2001年、2002年、2004年共4年的9月16日(农历)逐时潮位平均进行比较发现(图 1)，有风暴潮日和无风暴潮日的潮位日变化位相基本一致，都存在半日潮现象，即每天有两个高潮位和两个低潮位。前半日，有风暴潮日潮位上升较快，比天文最高潮汐早3小时左右，且高潮位维持时间较长，最高潮位较涨潮前高2~3m；而落潮相对缓慢，落潮后最低潮位较最高潮位低1~2m。后半日，有风暴潮时和无风暴潮时达到最高潮位时间相同，上升和下降幅度相当。无风暴潮时，最高潮位和最低潮位落差较大，一般为3m左右；有风暴潮时，最高潮位和最低潮位落差较小，一般为2m左右；有风暴潮日比无风暴潮日最高潮位高1m左右。分析风暴潮当日逐时风向资料发现，偏东风分量较大且维持时间较长时，产生的增水较大，而东风分量较小且维持时间较短时，产生的增水较小(图略)。

综合以上分析表明：渤海西岸风暴潮是由天气系统(台风、冷锋配合气旋)引起的偏东大风和天文潮配合下产生的；风暴潮日最高潮位出现时间，后半日和天文日高潮位出现时间基本一致，前半日比天文潮汐早3小时左右。

3 风暴潮预报方法 3.1 台风风暴潮预报方法 3.1.1 台风风暴潮天气模型

台风是造成渤海西岸风暴潮的主要天气系统，台风移向、移速、路径、强度、持续时间对风暴潮的产生及其潮位高低起关键性的作用，故我们研究台风风暴潮，首先要对上述5个方面作深入分析。

根据统计分析，进入渤海的台风路径有3条(见图 2)，一是台风进入渤海后直接北上在东北平原登陆；二是台风进入渤海后西进在华北平原登陆；三是台风进入渤海后向东北方向移动在辽东半岛登陆。

3.1.2 台风风暴潮计算方法

结合项素清^[11]和周淑玲等^[12]对风暴潮预报的分型方法，把影响渤海的台风移动路径分成5种类型：东北型、西北型、北上型、西北偏北型、东北偏北型。五种类型只体现了台风移动方向，不能准确描述台风移动的具体情况，为了更好地计算台风影响渤海西岸的增水值，按照台风影响范围、次数和类型，根据54年台风资料和黄骅港5年的潮汐资料统计，将台风分成27条路径(图 3)。

把1008hPa作为台风外围标准气压值，用1008减去每个台风的中心最低气压值，作为这个台风的中心气压示度。为了便于计算，把所有台风引起的增水值都订正到气压示度为40hPa的标准台风的增水值。

求订正后的增水值，用公式

(1)

其中，H为订正后的增水值，H_z为预报起始时刻实测潮位值，H为预报起始时刻历年平均潮位值，ΔP为实际台风气压示度。

因为台风影响产生的增水值还与台风移动速度有关，所以让一个中心示度为40hPa的台风，以3种不同的速度(6m·s^-1、10m·s^-1、14m·s^-1)分别沿27条路径袭击渤海，统计得出台风不同移动路径、移向、移速共81种情况下的增水值。由于资料较少，当某种类型中的某一条(或多条)移行路径(或移速)不能根据实际值进行计算时，采取等距离内插(外延)的方法求出，其计算结果见表 2。

3.1.3 查算说明

短期预报查算中所用的台风移向、移速、中心气压均为国家气象中心的预报值，根据台风中心气压、中心风力、移动速度及移动路径，计算台风在渤海西岸造成的增水值，为台风风暴潮的预报提供强有力的依据。

实际台风的移速是指发生最大增水前12小时的台风平均移速。当与假想台风移速不相等时，可在查算时进行内插。

气压示度(1008-p₀)中，p₀为天文大潮发生前6小时台风中心气压平均值。

如果台风移动路径不在27条路径中，而是一条居间的路径，则用相邻两条路径的最大增水值内插；如果实际台风路径与假想台风路径横向相交，则可采用与假想台风相近的三条路径最大增水值内插。

短时跟踪订正预报中所用的台风移向、移速、中心气压为河北省气象台研制的MM5模式可以每小时输出一次结果，空间分辨率可以精确到20km以内。

3.1.4 预报台风的最大增水值与假想台风的最大增水值的换算

(2)

其中，h_j为假想台风过程的最大增水值，可在表 2中查得，或通过内插得到；ΔP_j为假想台风的气压示度, ΔP_i为预报台风的气压示度，h_i为预报台风过程最大增水值(i=预报，j=假想)。

3.1.5 对风暴潮潮位的订正

根据2000—2004年的台风资料和对应的黄骅港逐日逐时潮汐资料，统计分析各台风移向产生的增水值，得出各路径的订正值:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

订正后计算的预报最高潮位(H_g)为：

(8)

式中H为历年逐日平均潮位。H_g为最后求得的预报最高潮位。

3.2 气旋和强冷空气叠加型风暴潮的预报

渤海西岸呈准南—北向，引起增水的主要风向为偏东风，而增水的量值主要与某一时段的平均风速和大风持续时间有关,因此, 我们在做强冷空气型风暴潮预报时首先计算海面平均风速, 然后计算平均东向风速, 根据平均东向风速计算增水极值。

3.2.1 强冷空气风暴潮天气模型

贝加尔湖冷空气从偏东路径南下，与其南边强暖湿气流在38°N附近交汇对峙，形成东北高西南低的气压场形势(图 4)。由于冷暖气团势力相当，致使冷锋维持20小时以上，造成渤海海峡长时间偏东大风天气，当与天文大潮叠加时，引发渤海风暴潮灾害。

3.2.2 平均风向风速的计算

数值预报产品已广泛应用于业务实际中，许多专家学者对其预报效果检验表明^[13-15]，日本传真图有较好的预报能力。对当地资料统计检验表明，日本传真图对华北地区及渤海附近冷空气及大风的预报较其它产品为好。为便于日常应用，以(35~45°N，115~130 °E)为关键区，日本数值预报当天E02、E03图上, 在关键区内取气压梯度最密集的平均等压线走向的切线方向为大风平均风向。在这关键区内, 沿切线垂直方向读取任意5个纬度距离气压差, 计算出地转风^[16]:

(9)

式中f为地转参数，ρ为大气密度，ΔP为气压差(hPa), Δn为纬距。应用日本高桥^[17]计算出的摩擦系数，得到海面平均风速:

(10)

因为关键区为35~45°N, 为便于计算，所以规定, 则：

(11)

平均东向风速的计算:

(12)

式中θ为风的来向与正北方向的夹角。

3.2.3 增水预报值和风暴潮最高潮位的计算

经过统计，对范文静等^[18]建立的风速对渤海增水的计算公式做改进，在平均东向风速大于10m·s^-1且小于18m·s^-1时，采用下面经验公式计算增水极值：

(13)

当平均东向风速大于18m·s^-1时，采用下面经验关系式计算增水极值：

(14)

式(14)中ΔH为增水值(cm)，V_e为东向风速(m·s^-1)。

最后计算的风暴潮最高预报潮位(H_g)为：

(15)

H为历年(农历)平均潮位。

4 回报结果分析

回报结果检验采取定性和定量两种标准：当预报渤海西岸有风暴潮时，如果实况最高潮位超过警戒潮位，则定性正确，计算预报误差；如果实况最高潮位没有达到警戒潮位，则定性不正确。当预报渤海西岸没有风暴潮时，如果实况最高潮位超过警戒潮位，则定性不正确；如果没有达到警戒潮位，则定性正确。

4.1 出现风暴潮的回报情况

我们对7203、8509、9206、9711、0508五个台风引发的风暴潮进行回报，最大误差值为18cm, 最小误差为2cm；对1965年11月7日和2003年10月11日强冷空气引发的风暴潮回报，误差值分别为15cm和4cm，具有良好的精确性(见表 3)。

4.2 受台风影响未出现风暴潮的回报情况

统计台风年鉴，1950—2004年影响渤海的台风共有19个，我们对未产生风暴潮的14个个例进行回报，预报结果为13次定性正确，1次不正确，准确率达93%，具有很高的应用价值(见表 4)。

5 结论

统计分析表明，渤海西岸是风暴潮灾多发区，造成渤海西岸风暴潮灾害的天气系统有二类，即台风和强冷空气。风暴潮日最高潮位出现时间，后半日和天文日高潮位出现时间基本一致，前半日比天文潮汐早3小时左右。

通过对1965年以来发生在渤海西岸的风暴潮回报，预报值与实测值基本相当，表明此种方法对发生在渤海西岸的风暴潮潮位有一定的预报能力。预报时所用的资料都是黄骅港潮位资料及常规气象资料，较为容易获取，所以预报方法比较适宜实际操作。

同时，此预报方法对数值预报产品依赖较大，随着数值预报的发展，天气预报准确率的提高，风暴潮预报的绝对误差也逐渐减小。