我国沿海热带气旋特征及船舶应对策略研究

王元栋，盛进路

(1.重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

热带气旋对人类活动影响巨大，据统计每年一半以上的热带气旋发生在西北太平洋海域，其中约80%会发展成热带气旋[1]。我国毗邻西北太平洋，海岸线曲折绵长，沿海重要港口的船舶延绵不断地航行在西北太平洋上，则西北太平洋的热带气旋成为威胁船舶安全航行的严重灾害性天气系统之一。因此，研究和掌握西北太平洋热带气旋的时间、空间、强度及轨迹特征极为重要，对制定科学有效的船舶防抗台风措施具有重要意义。

关于船舶防抗台风的研究，彭跃华等[2]对西北太平洋热带气旋进行聚类分析，并对西北太平洋热带气旋路径生成位置、强度特征进行分析，为台风路径预测提供有用信息。郑颖青等[3]对近40年西北太平洋热带气旋的位置、强度、路径长度和方向特征进行聚类分析，从气象学的角度分析了西北太平洋热带气旋的PDI(能量耗散指数)和强度变化趋势。CAMARGO等[4]对台风轨迹进行聚类分析，提出一种基于回归混合模型的概率聚类方法来描述北太平洋西部热带气旋的运动轨迹。KULKARNI[5]对台风中的船舶行为进行分析，提出从船舶设计方面提高船舶抵抗台风方法。吴国卿[6]以南海热带气旋为例，分析了热带气旋对船舶安全航行带来的影响，并提出具体的热带气旋防抗对策。应静华[7]以西北太平洋热带气旋移动规律为着力点，提出船舶防抗台风注意事项与船舶防抗台风锚泊操作注意事项。

综上可知，已有研究多从航线规划、锚泊、个案防台展开研究，较少结合台风的特征来分析船舶防抗台风对策。因此，笔者对1949—2019年西北太平洋热带气旋的时空分布特征和1994—2019年热带气旋的侵蚀路径特征进行聚类分析，并根据分析的时空、路径特征提出船舶防抗台风的对策和注意事项。

1 K-means算法

K-means算法是一种典型的无监督型机器学习算法，K-means的基本思想是初始随机给定K个簇中心，按照最邻近原则将待分类样本点分到各个簇。然后按平均法重新计算各个簇的质心，从而确定新的簇心。一直迭代，直到簇心的移动距离小于某个给定的值[8-9]。

常用的距离度量标准是欧几里得距离的平方，如式(1)所示。其中，xi和yj为来自同一个样本空间的2个不同的样本点；n为样本空间的维度，即为特征的数量。

(1)

基于欧式距离，K-means算法首要优化的问题是使簇内误差方(within-cluster sum of squared errors，SSE)最小和使轮廓系数(silhouette coefficient，SC)趋近于1，这两种方法都是确定最优K值的方法。

(2)

(3)

式中：ωik为第i个样本点与第k簇的中心误差平方和；xi为第i个样本点；μk为第k簇的中心；轮廓系数SC的取值在-1到1之间；a为簇内的内聚度，是样本与簇内其他点之间的平均距离；b为簇的分离度，是样本与最近簇中所有点之间的平均距离。

2 我国沿海热带气旋分布特征

2.1 我国热带气旋的空间分布特征

据气象资料显示，92%以上的热带气旋都是在赤道南北30°纬度范围内生成，约87%的热带气旋是在赤道南北20°纬度范围内生成的。由于地转偏移弱，赤道南北10°纬度范围内形成热带气旋的几率大大减小。截至目前，7901号热带低压Alice是生成纬度(4°E，2°N)最低的热带气旋。1949—2019年西北太平洋热带气旋路径图如图1所示，可以看出2°N～62°N、98E°～244°E区域为近70年西北太平洋热带气旋路径范围。

图1 1949—2019年西北太平洋热带气旋路径图

近70年，登陆我国的热带气旋大多数从东南沿海地区登陆，影响范围从滇黔南部，经湘鄂豫西部和陕北、内蒙古东部，到黑龙江中部以东地区。据统计，西北太平洋年均生成27.4个热带气旋，其中7.4个登陆我国。1949—2019年西北太平洋热带气旋在我国沿海地区登陆情况如图2所示，可以看出登陆次数排名前三的地区分别为广东、台湾、福建。据统计，1949—2019年间有166个热带气旋直接登陆广东，年均登陆的热带气旋为2～3个，远超其他地区；其次是海南、台湾和福建，平均每年1到2个；再次是浙江、广西、山东、辽宁、江苏、上海和天津，平均每5年有3～4个。

图2 1949—2019年西北太平洋热带气旋在我国沿海地区登陆情况

2.2 我国热带气旋的时间分布特征

1949—2019年西北太平洋地区共生成2 353个热带气旋，其中热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)、超强台风(Super-TY)分别占20.2%、20.1%、25.6%、27.2%、5.4%、1.5%。正常维护保养的远洋船舶能对TD、TS应对自如，遇到TY、STY则需要采取措施应对，原则上能避则避。

对1949—2019年西北太平洋热带气旋进行聚类分析，结果如图3所示。从图3可以看出，热带气旋在数量上大致20年为一个阶段，即可将其分为3个时间段：①1949—1970年，西北太平洋年均产生38.1个热带气旋；②1970—1994年，西北太平洋年均产生33.4个热带气旋；③1994—2019年，西北太平洋年均产生27.4个热带气旋。

图3 1949—2019年西北太平洋热带气旋分布图

登陆我国的热带气旋具有显著的季节性特征，夏季和秋季是热带气旋登陆的热季，占总登陆次数的76%；春季和冬季登陆频数较少。4—12月的平均登陆次数分别为0.03、0.27、0.09、2.18、2.60、2.20、0.63、0.23、0.03，1—3月未曾登陆。1949—2019年我国热带气旋月登陆时间分布如图4所示，可以看出登陆我国的热带气旋多出现在6—7月，最早出现在4月，最晚在8月。1949—2019年我国热带气旋旬登陆时间分布如图5所示，可以看出登陆我国的热带气旋主要集中在6月上旬至7月下旬，其中6月下旬最多，最早在4月中旬，最晚在8月上旬。据统计，2018年4月18日在海南文昌登陆的0801号台风“浣熊”，是在我国登陆时间最早的热带气旋，也是截至目前唯一在4月份登陆我国的热带气旋。

图4 我国热带气旋月登陆时间分布

图5 我国热带气旋旬登陆时间分布

一个完整热带气旋的全寿命周期一般分为孕育、发展、成熟和消亡4个阶段，随着时间的推移，热带气旋强度呈倒“漏斗”型。不同强度、不同登陆地、不同月份的热带气旋，登陆后其持续时间存在极大差异，登陆后平均持续时间主要取决于登陆后12 h内热带气旋强度的衰减程度。近70年登陆我国的热带气旋的平均持续时间约为31 h。从登陆月份来看，7月和8月登陆的热带气旋持续时间较长；从登陆强度来看，强度高的热带气旋相对强度低的热带气旋，持续时间要长；从登陆地来看，登陆后北上的热带气旋衰减得较快。

3 台风侵蚀路径聚类分析

对1994—2019年西北太平洋热带气旋路径进行聚类分析，数据源自中国热带气旋网(cdata.typhoon.org.cn)的热带气旋最佳路径数据集，25年共有725个热带气旋，从中选取热带气旋的初始点、偏折点和消散点形成数据集，并分别对3个点集进行K-means聚类分析。

数据选取标准：初始点和消散点以中国气象网热带气旋最佳路径中的起始为准；偏折点选取路径12 h内形成的偏转角大于等于25年路径平均偏转角的折点为偏折点。中国气象网热带气旋最佳路径数据是6 h记录点，因此由式(4)计算出12 h内路径最大平均偏转角、最小平均偏转角和平均偏转角，再取均值(θ)作为偏折点选取标准。其中，最大平均偏转角为57.5°，最小平均偏转角为0°，平均偏转角为13.5°，均值θ为23.7°。

(4)

12 h路径偏折示意图如图6所示，a为T-6到T时刻热带气旋路径向量，即为A、B两点构成的向量；b为T到T+6时刻热带气旋路径向量，即为B、C(或C′)两点构成的向量。

图6 12 h路径偏折示意图

3.1 聚类分析热带气旋路径特征

以经度和纬度为分类指标，应用K-means聚类分析对1994—2019年725个热带气旋路径中的初始点、偏折点和消散点进行聚类特征分析，计算出不同聚类数目参数的轮廓值和簇内误方差，并得到初始点、偏折点和消散点的最优K值分别为3、2、3。

1994—2019年热带气旋路径初始点、偏折点、消散点的聚类图如图7所示。从图7(a)可以看出，1994—2019年西北太平洋热带气旋生成区大致可分为3个区域，即簇1区域为5.0°N～31.6°N、107.0°E～132.8°E，占42.8%；簇2区域为0.5°N～31.3°N、133.4°E～154.0°E，占40.5%；簇3区域为2.8°N～33.5°N、154.0°E～184.7°E，占16.7%。簇1的质心为(122.9°E，15.3°N),簇2的质心为(144.4°E，13.9°N)，簇3的质心为(165.4°E，13.4°N)，可见西北太平洋热带气旋生成大致在以(144.0°E，14.2°N)为圆心、半径为30km的范围内，其中20.2%的热带气旋生成于20°N以上，20°N以上生成的热带气旋多为热带低压，最强发展为强热带风暴。

图7 1994年—2019年西北太平洋热带气旋初始点、偏折点、消散点聚类图

从图7(b)可以看出，1994—2019年西北太平洋热带气旋偏折区大致可分为2个区域，簇1区域为5.7°N～39.7°N、99.2°E～135.3°E，占67.2%；簇2区域为4.0°N～43.1°N、135.5°E～211.6°E，占32.8%。簇1的质心为(122.1°E，18.0°N),簇2的质心为(148.2°E，22.0°N)，可见西北太平洋热带气旋的偏折区域大概在以(135°E，20°N)为圆心、半径为31 km的范围内，其中20.1%的热带气旋在20°N～25°N维度内发生偏折，13.9%偏转发生在20°N～30°N内。从热带气旋发生偏转的角度来看，热带气旋从刚开始的热带低压吸收能量逐渐壮大，受季风槽的影响热带气旋将发生偏转，发生偏转时热带气旋多为热带风暴和强热带风暴，此时热带气旋的风速约为20～30 m/s。远洋船舶如果驾驶得当，一般都能够抵御这时的热带气旋，但是在偏折区域稍有不慎易被卷入风眼。

从图7(c)可以看出，1994—2019年西北太平洋热带气旋消散区大致可分为3个区域，簇1区域为10.0°N～35.9°N、100.0°E～120.0°E，占46%；簇2区域为20.0°N～50.0°N、120.0°E～150.0°E，占20.9%；簇3区域为30.0°N～50.0°N、150.0°E～180.0°E，占24.5%。簇1的质心为(112.2°E，19.2°N),簇2的质心为(136.4°E，34.3°N)，簇3的质心为(159.6°E，38.3°N)，3个质心均值的绝对偏差的平均值为(15.9°E，7.6°N)。热带气旋消散在维度方向存在明显的划分界限，10°N～30°N区域占50.9%，20°N～30°N区域占42.8%，10°N～20°N仅占8.1%。

4 船舶应对策略

西北太平洋年均生成27.4个热带气旋，7—9月是西北太平洋热带气旋热潮。而西北太平洋是连接世界各大洲的必经之路，当航行在西北太平洋上的船舶遇到热带气旋时，一般采取绕航、滞航和锚泊等措施来防避热带气旋。据上远公司海务部的不完全统计，年平均船舶防抗台风天数为83.3～104.2 d，不同强度的热带气旋会造成不同程度的影响，一个8级以上热带气旋造成的航行时间损失为148.8 h，航程损失为1 245.7海里，班期损失为306 h[10]。基于上述西北太平洋热带气旋的时空和路径特征分析，提出以下船舶防抗热带气旋建议：

(1)根据西北太平洋热带气旋的时间特征分析可知，近70年西北太平洋热带气旋最早生成于4月中旬，7—9月是热带气旋高发的时间段。船舶公司每年应在首个热带气旋来临前，提高警惕、未雨绸缪，借鉴近几年船舶防台失败的经验，完善细化安全管理体系文件中的《船舶防范恶劣天气》，同时在热带气旋高发时段，加强与岸基和气象部门的联系，掌握准确的气象信息，以便船长做出科学的避台决策，从而将损失降到可控范畴内。

(2)西北太平洋热带气旋空间和路径特征分析显示，西北太平洋90%的热带气旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E的太平洋洋面上，当船舶在台风季节航行于该区域内时，应强化与海务部门和气象部门的联系，加强观测和瞭望，若遭遇台风方可应对自如；80%左右的热带气旋在5°N～25°N、100°E～160°E区域发生偏折，船舶应避免进入该区域，该区域台风易发生偏折，路径偏折不定，难以做出正确的决策。

(3)一个热带气旋从热带低压发展成台风甚至是超强台风，是一个逐渐吸收能量、逐渐增强的过程，并非跳跃式的。通过对1994—2019年西北太平洋热带气旋聚类分析可知，热带气旋在初始点和消散点处于热带低压、热带风暴和强热带风暴状态，此时风级处于6～10级，正常情况下远洋船舶能够抵御，而在偏折点处84.5%的热带气旋风速达25～30 m/s，且在偏折区路径偏折不定，稍有不慎就会决策失误，易带来不可避免的损失。

(4)西北太平洋90%的热带气旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E洋面上，80%左右的热带气旋在5°N～25°N、100°E～160°E区域发生偏折。西北太平洋位于北半球，北半球右侧为危险半圆区域。若船舶误入危险半圆，建议船舶右舷首顶风快速脱离，并保持右舷10°～25°受风，直到脱离危险半圆区域。此外，西北太平洋热带气旋在5°N～25°N、100°E～160°E区域内易发生偏折，年均有55%左右的热带气旋右转走抛物线路径，一旦转向极易将船舶卷入热带气旋中心。

5 结论

笔者对1949—2019年西北太平洋生成的热带气旋时空特征和路径特征进行分析，得到以下特征规律：

(1)西北太平洋每年平均生成27.4个热带气旋，从月的角度分析，每年7—9月每月至少有2个热带气旋；从旬的角度看，登陆我国的热带气旋主要集中于6月上旬至7月下旬，其中6月下旬最多，最早在4月中旬，最晚在8月上旬。

(2)登陆我国的热带气旋在强度上的分布情况为：热带风暴占22.4%；强热带风暴占35.8%；台风及以上占41.8%。

(3)西北太平洋85%的热带气旋生成于5°N～20°N低纬度海域，约90%的热带气旋生成于5°N～25°N、110°E～160°E的洋面区域。从热带气旋偏折点分布来看，偏折点主要集中于15°N～25°N区域，此区间偏折点占总偏折点的82%。向右偏折的热带气旋主要偏向西北方向，偏折后大多都向北；向左偏折的热带气旋偏折后主要转向西北方向。右折热带气旋先转向北，然后在北向逐渐消退；左折热带气旋在中纬度先向西北，再在低纬度区域由北转向西，在高纬度区域由东北转向北，最后逐渐消散。