我国南海沿海台风及暴潮灾害趋势分析

殷成团, 张金善, 熊梦婕, 徐俊晖



我国南海沿海台风及暴潮灾害趋势分析

殷成团1, 2, 张金善1, 2, 熊梦婕1, 2, 徐俊晖1, 2

1. 南京水利科学研究院, 江苏 南京 210024 2. 水利部应对气候变化研究中心, 江苏 南京 210024

利用中国气象局上海台风研究所(CMA)和国家海洋局(SOA)数据资料, 对南海沿海台风活动(1949—2016)和风暴潮灾害趋势(1989—2016)进行了统计分析。结果表明, 南海地区台风年登陆频数整体上呈微弱减少趋势, 但强台风影响及强度呈加强趋势; 1990年代中期台风登陆频数出现显著突变, 粤东地区受高强度台风的影响变得频繁, 粤西地区从2007年开始台风登陆强度逐年增强; 研究区域内台风强度分布一致性较好。文章还总结了典型的热带气旋路径, 分析了不同入射角范围的台风在强度和地区分布上占比的变化规律, 指出近年来中国南海沿海地区年强台风暴潮灾害发生频数增多, 年最大风暴潮等级有增大趋势。

台风; 风暴潮; 频数; 强度; 入射角

热带气旋(tropical cyclone, TC)是生成在热带及副热带洋面上具有暖心结构的强烈气旋性涡旋。通常 TC 的发生都伴随着大风及降水, 因此它经常给受影响的地区带来严重的灾害(朱乾根, 2007)。高强度热带气旋在登陆过程中往往伴随着风暴潮灾害的发生。

我国地处太平洋西海岸, 是风暴潮灾害发生频率最高、损失最严重的国家之一(高建华等, 1999)。南海中国大陆海岸线长5800多公里, 沿海地区包括广东、广西、海南和台湾是遭受风暴潮影响的重灾区。2015年台风“彩虹”是1949年以来10月登陆我国的最强台风, 最大登陆风速50m·s-1。2017年台风“天鸽”登陆珠海, 造成福建、广东、广西、贵州、云南74.1万人受灾, 11人死亡, 直接经济损失121.8亿元。

台风暴潮在世界自然灾害中居首位, 甚至在人员死亡和破坏方面超过地震(El-Sabh, 1990)。风暴潮灾害的频发已成为制约我国南海沿海地区经济社会发展的重大海洋风险。认清风暴潮成灾规律, 进而最大限度地减少其对经济、社会和环境可能造成的损失, 已成为我国南海地区防灾减灾紧迫任务。

一些学者对热带气旋气候特征及其相关影响因子进行了研究。陈联寿等(1979)指出广东、海南是受热带气旋影响最严重的省, 珠江口以西和海南岛地区更甚; 胡娅敏等(2008)对登陆广东热带气旋频数的季节特征进行了探讨; 吴慧(2005)对登陆海南热带气旋的时空分布等气候特征做了分析; 王东生等(2007)对2005年之前57年的热带气旋数据进行了统计学分析, 发现近10年登陆频数处于低值区; 李勋等(2010)对1977—2007影响南海的台风强度变化分等级进行了讨论; 一些学者认为厄尔尼诺年台风活动减少, 而拉尼娜年台风活动增加(董克勤等, 1990. 何敏等, 1999); 殷明等(2016)认为强El Niño现象会使我国台风登陆数上半年增加、全年减少但强度增大; 袁俊鹏(2009)指出1949—2007年TC 路径主要有3类: 西行、西北行以及转向路径。

上述研究多针对某些特定省份, 统计分析热带气旋频数变化趋势的时间上限也多在2008年左右。近10年来, 登陆热带气旋在频数、强度和入射角等方面出现了一些新特征。本文讨论了登陆南海沿海地区热带气旋各气象特征变化趋势, 并对年特大风暴潮灾害趋势进行了分析。

1 资料来源和处理方法

本文台风数据资料1949—2016年(共68a)来源于中国气象局上海台风研究所(CMA)(YING et al, 2002); 风暴潮增水数据资料来源于国家海洋局(SOA)(http://www.soa.gov.cn)中国海洋灾害公报及《中国台风暴潮灾害史料集(1949—2009)》(于福江等, 2015)。

根据《热带气旋等级》国家标准, 热带气旋按中心附近地面最大风速做如下分类:

1) 热带低压(TD, 风速10.8~17.1m·s-1);

2) 热带风暴(TS, 风速17.2~24.4m·s-1);

3) 强热带风暴(STS, 风速24.5~32.6m·s-1);

4) 台风(TY, 风速32.7~41.4m·s-1);

5) 强台风(STY, 风速41.5~50.9m·s-1);

6) 超强台风(super TY, 风速≥51.0m·s-1)。

为方便起见, 本文对各级热带气旋(TC)统称为台风。

本文所统计台风为1949—2016年已编号的台风, 所统计台风登陆地为从海面直接登陆的城市。若台风在某地多次登陆或登陆多个城市, 只计第一次登陆情况。若不做说明, 则文中所述台风一般指级别达热带风暴及以上(风速≥17.2m·s-1)的台风。台风登陆风向由台风路径中登陆前后位置确定, 规定正东方向为0°, 逆时针方向为正。广西地区台风较少直接登陆, 在研究台风对地区影响时不做统计。

海南省东南沿岸(三亚到文昌)、雷州半岛到阳江沿岸和珠江口及其沿岸屡遭风暴潮侵扰。广东地区岸线较长且受灾严重, 为了更好地分析台风暴潮灾害造成的影响, 将广东按经济发展水平的差别划分为3个主要区域: 沿海岸线定义江门辖区的最西点到惠州辖区的最东点(含香港和澳门)为大珠三角地区, 大珠三角地区东西两侧分别为粤东和粤西(空间位置见图1)。

图1是南海沿海地区台风登陆分布图, 由于数据间隔为6h, 为更好地描述台风近岸及登陆时风暴潮主要影响海域范围, 取登岸前最后一次数据坐标为台风登陆点。

图1 1949—2016年我国南海沿海地区台风登陆分布

2 南海台风登陆频率特征

2.1 南海台风登陆频数年际变化

1949—2016年共计有629个热带气旋影响南海, 其中332个在南海沿海省份直接登陆, 强度达热带风暴及以上的台风277个, 占南海登陆总数的83.4%。南海沿海的台风频数分布呈现不规则波动的现象, 最多年登陆频数8次, 最少年0次(1959年), 平均4次, 多数年份台风年登陆频数维持在2~7次之间(图2)。台风登陆短期规律呈现3个上升阶段(1949—1974、1987—1995、2004—2009)、两个下降阶段(1975—1986、1996—2003)和一个平稳阶段(2010至今), 年登陆频数整体呈微弱减少趋势。从年代尺度上看, 2007—2016年台风年均登陆频数为4.1次, 1997—2006年为2.9次, 1987—1996年为5.0次, 近30年来台风登陆频数变化规律表现为先减少后微增, 近10年表现为先增而后减。为考察热带气旋登陆频数时间序列是否具有突变情况, 采用滑动-检验(AFIFI, 1972)(图3)和Mann-Kendall法(肖栋等, 2007)进行检验, 发现1990年代中期(1995年前后)出现由多至少的转折, 置信度达99%, 且南海地区该规律与应用全国热带气旋数据进行研究所得到变化规律基本相符(李英等, 2004; 胡娅敏等, 2008)。

图2 1949—2016年我国南海地区台风登陆频数分布

图3 1949—2016年我国南海地区台风年际登陆频数滑动t-检验

2.2 登陆频率地域分布年际变化

近68a海南、粤西、大珠三角和粤东地区的年均台风登陆频数分布分别达1.31个、1.25个、1.12个和0.38个, 即海南的登陆台风最多, 其次是粤西地区。登陆4个区域的台风频数呈现出较大的年际变化和年代变化(图4)。一方面, 海南最多有5个台风登陆(1971年), 粤西地区最多有4个(1965、1973和1974年), 大珠三角地区最多有5个台风登陆(1964年), 粤东最多有2个台风登陆(1961、1980、1988、1991和1999年); 另一方面, 海南、粤西、大珠三角和粤东地区分别有20.59%、23.53%、29.41%、69.12%的年份无台风登陆。年代尺度上, 海南地区的登陆台风在1970年代前期、1980年代到1990年代以及2007—2011年偏多, 其余时段对应偏少期; 粤西地区的登陆台风在1970年代到1990年代偏多, 其余时段对应偏少期; 大珠三角地区在1960年代前期有些年份登陆次数偏多, 2000年之后基本维持在2次以内; 粤东地区在68a间登陆次数达2次的年份只有5年, 其余年份多为1次或无台风登陆。4个区域的线性趋势分别为海南、粤西和粤东地区呈现弱上升趋势, 大珠三角地区呈下降趋势。从登陆总频数上看, 台风在海南登陆89次, 占南海登陆总数的32.1%; 粤西登陆85次, 占总数的30.7%; 大珠三角地区登陆76次, 占总数的27.4%; 粤东登陆26次, 占总数的9.4%, 4个地区从西向东台风登陆频数呈递减趋势。

图4 1949—2016年我国南海各地区台风登陆频数分布

a. 海南; b. 粤西; c. 大珠三角; d. 粤东。黄色点为厄尔尼诺年份, 其对应的纵标值为该年台风登陆数平均值

Fig. 4 Frequency distribution of landfall typhoons in each area of South China coast from 1949 to 2016: a) Hainan, b) western Guangdong, c) Greater Pearl River Delta, and d) eastern Guangdong.The abscissa of the yellow dots is the El Niño year, and the ordinate of the yellow dots is the average of landing frequency

热带气旋的形成和发展受大尺度环流等多因素的影响。ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)作为全球气候变化重要影响因子(陈世发, 2016), 是海洋与大气相互作用的强信号, 也是热带环流年际变化最突出、最重要的现象之一。本节重点讨论ENSO暖水事件(厄尔尼诺年)对登陆我国南海各区热带气旋频数的影响程度及其近年变化。

厄尔尼诺事件在1949—2016年68a间共发生18次(侯建华等, 2018; 袁媛等, 2012), 影响年数达37年。从表1中可以看出, 热带气旋登陆数少于平均的年份占总数的70%~80%, 厄尔尼诺现象对热带气旋登陆频数的减少作用影响显著。2001—2016年16a间除大珠三角地区外各区占比数均略有降低。可见近16年间ENSO对热带气旋登陆数控制力略有减弱, 但是是否有其他因素作用加强, 还需进一步讨论。

表1 热带气旋登陆频数受ENSO影响较强年份及其占比

2.3 登陆强度地域分布规律

南海各地区年台风登陆频数一般不超3次, 用最大值、平均值和最小值能较好反映各地区台风登陆强度水平的年际变化。图5为南海各地区台风登陆强度年际变化面积图。海南省在20世纪70年代到90年代前期登陆台风强度偏高, 在1997—2007年间台风登陆强度偏低, 但在2005年有一次超强台风登陆, 近10年来台风强度一般不超过TY; 粤西地区从2007年开始登陆台风强度逐年走高, 到2014年最大登陆台风强度高达Super TY; 大珠三角地区台风登陆强度比较稳定, 在有些年份无台风登陆。近10年来台风整体登陆强度偏低; 粤东地区台风年登陆频数较少, 但不容忽视的是高强度的台风(强度达TY及以上)屡屡登陆。

图5 1949—2016年我国南海各地区台风登强度年际变化

a. 海南; b. 粤西; c. 大珠三角; d. 粤东

Fig. 5 Annual variation of typhoon intensity in each area of South China coast from 1949 to 2016: a) Hainan, b) western Guangdong, c) Greater Pearl River Delta, and d) eastern Guangdong

从统计角度上看, 4个地区台风登陆强度上四分位数相同(强度为TY), 最大值也相同(强度为STY)。强度分布具有较好的同一性。海南省台风登陆平均强度为TY, 广东省3个地区台风平均登陆强度均为STS, 但粤东地区台风登陆强度差异性要大于其他两地区。台风整体登陆强度水平表现为海南>粤西和大珠三角地区>粤东的规律(图6)。

图6 1949—2016年我国南海地区台风登强度地区分布

红线代表中值

Fig. 6 Distribution of typhoon intensity in each area of South China coast from 1949 to 2016. The red line is the median

3 登陆路径及入射角变化规律

增水与台风路径有着密切的关系。不同台风路径上的海底地形和水深不尽相同, 风暴潮向陆岸移动的方向也不同, 因而同一强度的台风由于路径的不同, 在同一地点造成的增水值可能有很大差异(高建华等, 1999)。结合前人的研究成果(李洪才等, 2004), 根据近68年的台风路径和登陆地资料分析比对, 总结出造成南海沿海风暴潮灾害的典型热带气旋路径主要有以下4条:

1) 经过菲律宾北部陆域地区在海南万宁、文昌或湛江雷州半岛附近登陆;

2) 绕过菲律宾与台湾岛南部之间的海域在珠江口附近登陆;

3) 经过菲律宾北部海域在潮汕地区登陆;

4) 经过菲律宾在广东省阳西县和茂名市电白区交界处附近登陆.

多场台风的路径规律往往难以量化, 在研究台风路径对风暴潮灾害的影响时, 可转化为研究台风入射角和台风登陆地地形对风暴潮灾害影响。定义以正东方向为起始边(0°), 起始边与台风登陆前后两经纬度数据点连线逆时针方向的夹角为台风入射角。

在副热带低压的控制和地球自转的作用下, 台风多沿西北方向登陆我国南海沿岸。1949—2016年68a间在南海沿岸各地登陆且强度在热带低压及以上的台风共276场, 其中入射角为135°—180°的台风占登陆总数的76.1%。

从台风地区分布上看(图7), 南海多数地区的台风入射角范围在90°—225°之间。大珠三角地区台风入射角范围较广, 横跨0°—225°; 入射角为0°—45°和225°—270°的台风各仅有一场; 入射角为90°—135°的台风各地区占比从小到大依次为: 海南9.0%, 粤西9.4%, 大珠三角19.7%, 粤东30.8%。可见随着纬度的变高, 入射角为90°—135°的台风登陆频数在各地区分布占比不断增大。入射角为135°—225°的台风各地区占比从小到大依次为: 粤东65.4%, 大珠三角68.4%, 海南84.7%, 粤西77.5%。随着经度(东经)的变低, 入射角为135°—225°的台风登陆频数在各地区分布占比不断增大。入射角范围在225°—270°的台风登陆频数规律同上。

图7 1949—2016年我国南海各地区台风入射角随登陆地变化

从台风强度分布上看(图8), 热带风暴的入射角范围最大(横跨0°—225°), 而超强台风的入射角范围最小(横跨135°—225°), 台风入射角范围随台风强度的增大而缩减。入射角为90°—135°和180°—225°的台风在各强度台风中占比随着强度的增加而减小, 而入射角为135°—180°的台风在各强度台风中占比基本随着强度的增大而增大(超强台风除外)。不同入射角范围的台风在强度和地区分布上占比变化也各有其规律。结合登陆点地形可以更好地评估和模拟台风登陆对当地经济社会造成的灾害损失。

图8 1949—2016年我国南海各强度台风入射角随登陆地变化

4 年最大风暴潮的强度时序变化

目前对统一的衡量风暴潮强度的定量指标仍存在许多争论。如果从风暴潮造成的损失方面进行评估, 需考虑物质财产损失、人员伤亡、灾害救援灾后重建的投入、生产停滞损失、生态的破坏和修护和环境污染扩散和治理投入等。过多的指标难以精确量化。虽然影响风暴潮增水大小的因素很多, 如风暴强度、风暴路径、风暴运动速度以及海岸地形等, 但增水的大小依然是衡量风暴潮强度等级比较合适的指标(史键辉等, 2000)。国家海洋局(2015)建议将风暴潮增水划分为5个等级。按照标准潮(水)位站风暴潮增水的大小, 将风暴潮增水≥251cm定义为Ⅰ(特大)级别。本文中为充分讨论特大风暴潮带来的影响, 采用郭洪涛(1991)的建议, 依据风暴潮增水的大小把风暴潮大小分为7级(表2)。理论上风暴增水越高, 风暴潮灾害损失越大, 但是风暴潮强度等级的增加与其造成灾害程度并非线性相关。

表2　风暴潮强度等级

气候变化将显著地加剧未来风暴潮灾害程度, 其引起的海平面上升也会增加沿海地区的风险。因此, 加强气候变化下极端风暴潮灾害研究对海岸带的防灾减灾具有重要现实意义。研究表明, 全球气候变化促使过去百年中极端事件频繁发生(Winsemius et al, 2016), 气候异常可能导致极端台风的生成, 一次极端台风风暴潮增水过程造成的损失可能是几次甚至全年风暴潮灾害损失的总和。因此年最大登陆台风暴潮的变化也一个值得关注的问题。图9是1989—2016年我国南海沿海年最强台风暴潮分布图。可以看出, 以1993年和2003年为界, 1993—2003年之间, 高强度的风暴潮仅在某些年份在南海成灾, 等级在1—5之间剧烈波动, 南海地区年最强登陆台风暴潮强度等级极不稳定。而 2004—2016年, 几乎每年都有高强度风暴潮在南海地区成灾, 年最大台风暴潮等级一般在3—5之间, 整体表现为波动上升状态, 且年际变化幅度较小(图9)。这表明近年来我国南海沿海地区年强台风暴潮灾害频发, 而年最大风暴潮等级也有着增大趋势。

图9 1989—2016年我国南海沿海年最大风暴增水等级分布

Fig. 9 Distribution of the annual maximum level of storm surge height on South China coast from 1989 to 2016

5 结论与讨论

根据1949—2016年我国登陆台风资料和1989—2016年中国海洋灾害公报等风暴潮资料, 分析了68a登陆我国南海沿海各地区台风频数、强度、路径和入射角以及成灾风暴潮的频数、年最大强度和直接损失等特征, 结果表明:

1) 1949—2016年南海地区共有277个强度达热带风暴及以上的台风登陆, 短期规律呈现为3个上升阶段和2个下降阶段。68年间南海地区台风年登陆频数整体上呈微弱减少趋势, 近30年来表现为先减少后略增, 近10年表现为先增后减的规律。通过检验发现1990年代中期(1995年前后)登陆频数出现由多至少的突变, 置信度达99%。

2) 海南、粤西和粤东地区台风登陆频数呈现弱上升趋势, 大珠三角地区呈下降趋势; 在地域分布上, 4个地区从东到西台风登陆频数递减。粤东地区是高强度的台风暴潮频发的地区, 粤西地区从2007年开始台风登陆强度逐年升高, 整体登陆强度水平表现为海南>粤西和大珠三角地区>粤东的规律。

3) 给出了造成南海风暴潮灾害的4条典型热带气旋路径, 并对不同的入射角范围台风在强度和地区分布的占比变化规律进行了分析, 不同入射角范围的台风在强度和地区分布上占比变化也各有其规律。

4) 近年来南海沿海地区年强台风暴潮灾害频发, 年最大台风暴潮等级一般在3—5之间, 且年际变化幅度较小, 年最大风暴潮等级有增大趋势。

本文主要依据历史资料和不同研究方法对登陆我国南海沿海台风及风暴潮相关要素进行了统计和分析, 特别是在频数、强度和台风入射角等方面分区域进行了探讨, 研究结果与客观事实较为一致, 并有一些新的发现。但是, 影响台风从生成到登陆致灾的海洋、气象等方面因素还很多。仅认识到台风及所致风暴潮的外在表现是不够的, 还需对其内在响应机制进行深入的研究, 对灾害链风险进行合理评估, 进而最大限度地减少其对经济、社会和环境可能造成的损失。

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Trend analysis of typhoon and storm surge disaster on the South China Sea coast of China

YIN Chengtuan1, 2, ZHANG Jinshan1, 2, XIONG Mengjie1, 2, XU Junhui1, 2

1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China 2. Research Center of Climate Change, Ministry of Water Resources the People's Republic of China, Nanjing 210024, China

Based on the analysis of data obtained from the China Meteorological Administration (CMA) (1949-2016) and State Oceanic Administration (SOA) (1989-2016), the trend of tropical cyclone and storm surge disaster along the northern South China Sea was examined in this study. The result indicated that the annual frequency of typhoons had been decreasing slightly but the influence of powerful typhoons and typhoon intensity showed a rising tendency. The frequency of landfall typhoons had experienced significant transformation in the mid-90s. Eastern Guangdong was frequently affected by high-intensity typhoons, and typhoon intensity in western Guangdong had increased year by year since 2007. Typhoon intensity gave the accordant distribution in the four study areas. Four typical paths of storm surge were summarized, and variations of intensity and regional distributions of typhoons with different incidence angle ranges were also analyzed in the study. We found that both the frequency of strong storm surge disaster and the level of annual maximum storm surge had increasing trends along South China coast in recent years.

typhoon; storm surge; frequency; intensity; angle of incidence

2018-04-09;

2018-06-29. Editor: SUN Shujie

National Key Research and Development Plan (2018YFC0407503; 2016YFC1402000)

P732

A

1009-5470(2019)01-0035-08

10.11978/2018037

2018-04-09;

2018-06-29。孙淑杰编辑

国家重点研发计划(2018YFC0407503; 2016YFC1402000)

殷成团(1992—), 男, 江苏省连云港市人, 硕士研究生, 主要从事海岸工程研究。E-mail: yinchengtuan@163.com

张金善。E-mail: jszhang@nhri.cn

ZHANG Jinshan. E-mail: jszhang@nhri.cn