基于历史数据的天津沿岸风暴潮特性分析*

马筱迪,张光宇,袁德奎,李原仪

(天津大学 机械工程学院，天津 300072)



基于历史数据的天津沿岸风暴潮特性分析*

马筱迪,张光宇,袁德奎,李原仪

(天津大学 机械工程学院，天津 300072)

根据1950-2014年65 a间的107次对天津滨海区域及附近有显著影响的风暴潮的观测数据，分析了天津沿岸风暴潮的特性，结果表明天津一年四季都有发生风暴潮灾的可能，并且8、10和11月是风暴潮灾发生的高峰期。分别利用1950-1979年年最高潮位和1980-2012年年最高潮位计算天津沿海风暴潮重现期潮位值，发现后者所计算的潮位值明显高于前者，不仅表明天津沿海风暴潮高潮位有升高的趋势，也说明了天津沿海潮情发生了变化；用1950-2012年塘沽验潮站年最高潮位，采用耿贝尔分布，考虑了特大值的影响，确定了考证重现期为400 a，得到的重现期潮位值能够很好地拟合塘沽验潮站年最高潮位的经验累积频率点；对1950-2012年年极值潮位进行了沉降量校正，计算的重现期潮位值明显增大。

天津；风暴潮；耿贝尔分布；重现期；地面沉降

天津位于渤海湾湾顶，其滨海区域自古以来就是风暴潮发生的重灾区。作为环渤海经济区的中心城市和国家的自由贸易实验区，天津的社会、经济发展迅速，沿海基础设施日益完善，人口密度日益增长，承灾体日趋庞大，使得风暴潮可能造成的直接、间接损失也在增加，这对天津沿岸的防灾减灾工作提出了新的挑战。因此，有必要更深入地认识天津沿海风暴潮的特性。

我国风暴潮的研究起始于20世纪70年代，并在过去的40多年间取得了大量的成果。1975-1982年，冯士筰、孙文心、秦曾灏[1-3]等对浅海风暴潮动力机制进行研究，给出渤海风暴潮三维问题的零阶模型和一阶模型，并导出相应的风暴潮位和风暴潮流的预报方程，并对渤海风暴潮进行了模拟；1982年，冯士筰编著的《风暴潮导论》[4]为我国风暴潮研究奠定了理论基础；2001-2003年，王喜年[5-7]发表了以“风暴潮预报知识讲座”为题的专题讲座，探讨了我国风暴潮研究现状，详细介绍了风暴潮预报的数值方法。在温带风暴潮特性研究方面：2012年，曾继平[8]利用塘沽海洋站1991-2010年潮位资料，发现2003年以前增水超过100和50 cm的天数分别为7.9和71.0 d，而2003年后，分别为11.4和80.0 d，风暴潮发生的频率增大了。在台风风暴潮特性研究方面：1987年，尹庆江和王喜年[9]对影响渤海的历史台风路径统计划分为5种类型：东北型、西北型、北上型、西北偏北型和东北偏北型，并归纳出了27条典型的台风路径，在此基础上假设一个“标准”台风以3种不同速度分别沿27条路径袭击渤海，计算出81种情况下的逐时风暴潮位场，建立了预报诺模图，其结果至今仍有参考价值；2007年，王月宾[10]利用多年气象资料和数值预报产品，应用完全预报方法研究了影响渤海的台风和冷空气大风与增水的关系，建立渤海西岸风暴潮预报模型。在地质因素对天津风暴潮影响方面，2010年，王宏等[11]分别探讨了渤海湾西岸海面上升、地面下沉-围海造陆共同作用、河口增水效应等因素对风暴潮增水值的影响。

已有的研究工作无疑为天津沿海风暴潮灾害的防治奠定了很好的基础，并发挥了重要的作用。近年来，观测数据的日益丰富为深化和完善已有认识提供了更好的基础。此外，岸线和气候的变化，以及防灾减灾要求的提高也需要在风暴潮特征及成因方面开展更深入的研究。

1 数据来源及高程基准

本文的风暴潮数据来自可查询的期刊论文、学位论文以及中国海洋灾害公报，共搜集到1950-2014年65 a间的107次对天津滨海区域及附近有显著影响的风暴潮的观测数据，涵盖了温带风暴潮和热带风暴潮，可以比较全面地反映天津沿海的风暴潮特征。为便于比较和分析，我们采用塘沽验潮站的数据，并且将所有潮位数据基准面都统一至塘沽海洋站理论深度基准面，不同基准面高程示意图(图1)：

图1 不同基准面间的换算关系(m)[12-14]Fig.1 Conversion relationship among different height datum planes(m)[12-14]

2 天津沿海风暴潮的总体统计特性

2.1 天津风暴潮的逐月分布

统计了1950-2012年塘沽各个月份的最高潮位值，比较了其与天津现行警戒水位的关系(图2)。从图中可以看出8月、9月和11月的潮位较高，1月和12月风暴潮潮位较低，一年四季几乎都有发生风暴潮灾的可能。图3给出了塘沽1950-2014年风暴潮发生的月频次，从图中可以看出8月、10月和11月是风暴潮发生的高峰期。

图2 1950-2012年各个月份的平均最高潮位值Fig.2 The highest tide levels of each calendar month from 1950 to 2012

图3 1950-2014年风暴潮的平均月频次Fig.3 Monthly frequency of storm surges from 1950 to 2014

2.2 天津沿海不同类型风暴潮的特征

按照诱发风暴潮的大气扰动的特征来分类，天津沿海风暴潮可分为由热带风暴引起的热带风暴潮和由温带气象因素引起的温带风暴潮。

图4 温带风暴潮种类及频次Fig.4 Type and frequency of extratropical storm surge

温带风暴潮一般特点为水位变化持续而不急剧，多发生在春(3月和4月)秋(10月和11月)两季。从图3可以看出，天津沿海温带风暴潮发生的频率明显高于热带风暴潮，而且温带风暴潮一年中12个月份都有可能发生。根据引起风暴潮的气象因素的不同，温带风暴潮又可分为：冷锋配合低压类、冷锋类和强孤立温带气旋类。根据统计情况，冷锋配合低压类为天津沿海主要温带风暴潮类型，占温带风暴潮总数的41%，季节性明显，主要发生在春秋两季，尤以4月、11月最盛；冷锋类为我国北黄海和渤海地区所特有的温带风暴潮，占温带风暴潮总数的33%，多发生在秋季，以10月和11月最盛；温带气旋类占温带风暴潮总数的26%，多发生在春夏两季(图4)。

热带风暴潮特点为水位变化急剧，且集中发生在夏季和秋初(6—9月)，其中以7月、8月份最盛。虽然发生的频率比较低，但是一旦发生，往往造成很大的灾害。如1992年9216号热带风暴导致塘沽出现了20世纪最高潮位，天津沿海100 km海堤漫水，40处决口，1 200 hm2养虾池被冲毁，损失原盐30万t，直接损失达4亿元之多。

3 关于重现期潮位值的讨论

关于天津沿海不同重现期的潮位值，很多学者进行了研究，但是认识却不统一。如段志华[14]利用海河闸年最高潮位，采用皮尔逊Ⅲ型方法，得到的9216号风暴潮位为80年一遇，吴少华等[15]利用塘沽站验潮资料，采用耿贝尔方法，得到的9216号台风风暴潮位为100年一遇。另外，天津地区的围填海工程、海平面上升和地面沉降，都有可能对天津地区潮情产生影响，因此需要对天津沿岸不同重现期潮位值进行研究，统一认识，对天津地区防潮工作提供可靠的科学依据。

3.1 不同时期重现期潮位值的变化

分别利用1950-1979年年最高潮位值和1980-2012年年最高潮位值，采用耿贝尔方法计算天津沿岸不同重现期高潮位，所得结果见表1。由表1中可知，1980-2012年阶段的重现期潮位值明显高于1950-1979年阶段的重现期潮位值，这不仅表明天津沿海地区年最高潮位有增高的趋势，也证实了天津潮情规律产生了一定的变化的猜想。

表1 不同时间段计算的重现期潮位值Table 1 Tide levels of different return periods during different time periods

3.2 重现期潮位值的计算

若想得到比较准确的重现期潮位结果，不仅需要较长时间段的潮位资料，还需要对所得到的潮位资料进行特大值处理[16]。处理特大值的关键在于调查考证重现期N。一般情况下，特大值的重现期要大于连续潮位资料的观测年数，因此需要调查历史文献资料，确定考证重现期。考察结果见表2[17]，其中建国以前潮位值均统一到了塘沽理论深度基准面。由表2中的天津损失详情可以推测出1938-08-11的风暴潮是1634年以来最严重的风暴潮，因此将考证重现期N定为400 a(分别计算了重现期381 a和400 a，比较结果发现，两者差别很小，其中1 000 a一遇潮位值误差在0.21 cm以下)。将年极值潮位按照耿贝尔分布，进行极大值处理，考证重现期采用400 a，计算不同重现期潮位值。表3分别列出了本文计算结果和文献[15]计算结果。图5给出了本文未考虑沉降量的计算结果与文献[15]计算结果的频率分布图，对比可以看出本文的计算结果能够更好地拟合塘沽验潮站年最高潮位的经验累积频率点。导致本文与文献[15]的结果不同的主要原因：文献[15]采用的资料限于1950-2000年51 a，而且在对实测值的处理过程中没有考虑考证重现期和特大值对重现期潮位值的影响。另外，图5中文献[15]的部分实测值与本文所用的实测值是完全相同的，二者的纵坐标(高潮潮位值)值一致，而水平坐标(频率)值的不同正是来源于对考证重现期和特大值处理方法的差异。由此可见，在重现期潮位值的推算中，一方面需要尽可能地收集长时间的实测资料，另一方面也必须慎重处理考证重现期和极大值。

表2 天津历史风暴潮资料[17]Table 2 Historical storm surges in Tianjin coastal area[17]

表3 不同重现期计算结果Table 3 Tidal levels corresponding to different return periods

图5 塘沽年最高潮位频率分布图Fig.5 Frequency distribution of high tide level in Tanggu

若利用较长时间段的潮位资料，必须要考虑地面沉降，对实测潮位进行校正。地面沉降是天津地区最主要的环境地质问题之一。根据天津市水利局统计资料表明：1959-1990年塘沽最大累计沉降量达2.8 m，其中最明显的一个例子就是海河闸，自1958年建成至2003年，海河闸闸体累积沉降量已达1.52 m[18]。如此大的沉降量不得不考虑。假设水尺零点随地面沉降而沉降，即地面沉降多少，水尺零点就沉降多少，并且在研究的年份中水尺零点没有经过调整，按照这个假设对每年的年最高潮位进行修正。沉降量计算规律如下：1953年之前，沉降速率为5.6 mm/a[11]，1951-1971年下沉量为12.5 cm，1972-2012年沉降速率采用25 mm/a[19]，按以上规律对1950—2012年年极值潮位进行处理，将其统一到2012年基准面零点沉降量水平，其中部分风暴潮最高潮位修正结果见表2。

将考虑沉降量后的年极值潮位按照耿贝尔分布，进行极大值处理，考证重现期同样采用400 a，计算不同重现期潮位值，计算结果见表3。图6给出了考虑沉降量前后两种情况的年最高潮位频率分布图。从表3和图6中可以看出，考虑沉降量之后，重现期潮位值明显增大，增幅为16.0%～25.8%，而且实测值和理论配线不能很好地拟合。究其原因，可能与沉降量的计算方法有关，潮位资料的准确性也有待考察。塘沽验潮站的验潮井在历史上有变动[8]，水尺零点也有过调整[20]，因此将年极值潮位与沉降量简单地线性相加并不能定量地描述地面沉降对重现期潮位的影响，但还是可以从定性上说明，地面沉降对重现期潮位的影响。

图6 考虑沉降量前后塘沽年最高潮位频率分布图Fig.6 Frequency distributions of high tide level with and without ground subsidence correction

4 结 语

1)用耿贝尔分布计算重现期时，考虑了特大值的影响，考察了历史上对天津影响严重的风暴潮，将考察重现期N定为400 a，得到的重现期潮位能够较好地拟合塘沽验潮站年最高潮位的经验累积频率点。

2)分别利用1950—1979年年最高潮位和1980—2012年年最高潮位计算天津沿海风暴潮重现期潮位值，发现后者所计算的潮位值明显高于前者，不仅表明了天津沿海风暴潮潮位有增高的趋势，也证实了近年来地面沉降、海平面上升和围填海工程对天津沿海潮情产生了一定的影响。但是，由于天津地区围填海多发生在2000年之后，要对所得的结论进行进一步地验证还需积累更长期的观测数据。

3)通过对1950—2012年年极值潮位与沉降量线性相加，对天津沿海地区重现期水位进行了定量计算。由于潮位观测资料的缺陷，对结果产生了影响，但还是可以说明天津沿海重现期潮位有增大的趋势。

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Received: September 18, 2015

Analysis of the Characteristics of Storm Surges in Tianjin Coastal Area

MA Xiao-di，ZHANG Guang-yu，YUAN De-kui，LI Yuan-yi

(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity，Tianjin 300072，China)

The characteristics of storm surges in Tianjin coastal area were statistically analyzed based on observations of 107 cases that have significant impacts on Tianjin coastal area in the past 65 years. It is found that storm surges are likely to occur throughout the year, and August, October and November are the peak season of the storm surge. Return periods calculated based on the annual maximum high tide level from 1950 to 1979 and from 1980 to 2012 show that the one of the latter period is higher than that of the former period, suggesting that the high tide level has an upward tendency. Based on the annual maximum high tide level data of Tanggu tidal station from 1950 to 2012, maximum water levels of different return periods were calculated using the Gumbel distribution. As the influence of extraordinary values were taken into account, the research return period was determined to be 400 years, and the accuracy of the maximum tide level can be improved. If the land subsidence from 1950 to 2012 is considered, the calculated tide levels of different return periods increase significantly.

Tianjin coastal area； storm surge； Gumbel distribution； return period； land subsidence

2015-09-18

教育部新世纪优秀人才支持计划——近海水生态环境数据驱动模型及其在渤海湾的应用(NCET-12-0406)

马筱迪(1989-)，女，河南商丘人，硕士研究生，主要从事近海水动力方面研究.E-mail:mxdqiye@163.com

*通讯作者：袁德奎(1972-)，男，四川成都人，博士，研究员，博导,主要从事近海水动力及环境方面研究.E-mail: dkyuan@tju.edu.cn

P42

A

1671-6647(2016)04-0516-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.007