台风引起的长江口及杭州湾沿岸极值风速分布研究

李路 杜小弢

摘要：根据台风强度和近岸水位等选取了对上海影响较大的4个典型台风，并根据实测资料比选确定适合长江口及杭州湾区域的台风最大风速半径公式。建立了研究区域的台风模型，并采用典型台风期间实测的风速资料对模型进行了验证。采用台风模型计算了1949—2014年所有影响上海的台风期间以及4个典型台风期间上海沿岸极值风速、有效极值风速，定量分析了极值风速和有效极值风速的范围、分布特征。

关键词：上海沿岸;台风;极值风速

中图分类号：P732.1文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.001

ThedistributionofpeakwindspeedsinducedbytyphoonsalongthecoastsoftheChangjiangEstuaryandHangzhouBay

LILu1，2，DUXiaotao1，2

（1.ShanghaiWaterEngineeringDesignandResearchInstituteCo.Ltd.，Shanghai200061，China;

2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofCoastalZones，Shanghai200061，China）

Abstract：Inthisstudy，fourtypicaltyphoonsthatsignificantlyaffectedShanghaiwereselectedbasedontheirrespectiveintensityandthewaterlevelalongtheShanghaiCoast.TheRMW（RadiusofMaximumWinds）formula，moreover，wasdeterminedusingin-situdatafromrecenttyphoons.Thetyphoonmodelwasbuiltandvalidatedusingin-situwindspeedsfromthefourtyphoonsselected。ThepeakwindspeedandtheforwardpeakwindspeedalongtheShanghaiCoastwerecalculated，casebycase，duringalltyphoonsovertheperiodfrom1949to2014aswellasthefourtypicaltyphoonsselected.Finally，therangeanddistributionofthepeak（forwardpeak）windspeedwerequantitativelystudied.

Keywords：ShanghaiCoast;typhoon;peakwindspeed

0引言

上海位于长江和太湖流域下游，东濒东海，南临杭州湾。台风风暴潮是保障城市防汛安全的主要防御对象。位于长江口和杭州湾的一线海塘，是上海抵御风暴潮灾害的第一道防线，肩负着全市防汛安全的重要任务。根据1949—2014年的热带气旋资料统计表明，上海平均每年受台风影响1.6次，频率最多时每年4次[1]。台风影响期间，上海沿海沿江增水明显，特别是在天文大潮期间，高潮位叠加风暴增水多次刷新长江口、杭州湾和黄浦江沿岸的历史最高水位，对防汛安全产生严重威胁。风应力是浅水风暴潮形成和发展的主要外部强迫力，同时是近岸波浪产生的主要动力，因此研究台风期间上海近岸的风速极值分布对保障本市的防汛安全有着积极的意义。

上海市现状主海塘总长约498.8km，分布在长江口和杭州湾，台风期间风速风向的空间分布差异较大。研究历史台风期间近岸风速风向的规律时，采用实测资料分析是最直接有效的方式。上海近岸的长时间序列的气象观测站较少，仅有上海市宝山、崇明、南汇、奉贤、金山，以及江苏省启东和海门7个站。近年来，虽然建立了较为密集的自动气象站，但资料的时间序列较短，并且大部分资料未经过整编，数据的准确性得不到保证。台风模型通过给定台风路径信息（台风中心位置、最低气压和最大风速）可以计算台风附近任意位置、任意时刻的风速风向和气压，该方法是国内外研究台风期间气象参数分布的一种有效方式，在长江口和杭州湾区域应用较为成熟。

本研究采用在长江口及杭州湾区域应用广泛的台风模型，经过多场次典型台风期间的风速验证后，统计所有影响上海的台风期间的沿岸极值风速的分布，探讨其规律，从而为本市防汛减灾提供科学依据。

1影响上海的台风概况和典型台风选取

根据文献[1]的研究成果，影响上海的台风的标准定义为：台风中心距离上海7个经纬度以内，并且7个基本气象观测站（上海市宝山、崇明、南汇、奉贤、金山站，以及江苏省启东和海门站）中有任一个观测站观测到该热带气旋引起的大风（2min平均风速达到6级及以上，即10.8m/s）。该成果根据实测资料研究得出1949—2014年影响上海的热带气旋共106个，路径如图1（a）所示。台风对沿海地区的影响主要表现为大风、暴雨、风暴增水和台风浪等。历史上对上海影响较大的台风主要有4906号、5612号、8114号、9711号、0012（派比安）号、0509（麦莎）号、0515（卡努）号、1211（海葵）号和1323（菲特）号等，其路径如图1（b）所示。从路径上看，上述对上海影响较大的台风总体上可以分为两类：一类是在浙闽登陆，穿越或绕过上海的台风（登陆型）;另一类是从上海以东海面以顺时针方向绕过上海并北上的台风（近海北上型），两者分别占总数的79%和21%[1]。上述台风的基本情况如表1所示，台风过程中上海沿海沿江最高水位如表2所示。

5612号台风登陆时中心气压为923hPa，最大风速为60m/s，是对上海造成严重影响的超强台风，但由于台风登陆时为农历小潮，该台风并未引起沿海沿江历史最高水位的出现，黄浦公园站实测最高水位为4.08m（吴淞高程，下同）。9711号台风为登陆型台风，登陆时中心气压为955hPa，最大风速为45m/s，且登陆时为农历七月十六，恰逢天文大潮。从上海沿海沿江各水文站的高潮位统计资料看，9711号台风期间除黄浦江上游的米市渡站外，其他站均达到了有观测以来的历史最高水位，这表明该台风对上海沿岸的风暴高潮位影响最为显著。4906号和1211（海葵）号台风为登陆型台风，登陆时中心气压分别为968hPa和965hPa，最大风速为40m/s和42m/s，虽然登陆点更靠近上海，但强度比9711号弱，且登陆时为天文中小潮，各水文站实测最高水位比9711號期间低80～140cm。值得注意的是，0515号台风登陆点较9711号台风更靠近上海，且登陆时的中心气压为945hPa，最大风速为50m/s，台风强度超过了9711号台风，但各水文站的水位并不高，这主要是由于该台风登陆时为天文小潮，若该台风在大潮高潮位期间登陆很有可能产生超过9711号台风期间的水位，对防汛安全产生严重的影响。菲特（1323号）台风期间主要由于风、暴、潮、洪4碰头，导致流域洪水排水不畅，水位暴涨，米市渡站达到历史最高水位4.61m，但未引起长江口和杭州湾北岸的最高水位的出现。

8114号和0012（派比安）号为两个近海北上型台风，台风中心离上海最近时的气压分别为955hPa和965hPa，最大风速分别为40m/s和35m/s，且外海潮汛为天文大潮。这两个台风引起长江口内较高的水位，吴淞站过程最高水位已接近其历史最高水位;但杭州湾内的增水并不显著，金山嘴站的过程最高水位低于其历史最高水位近1m。

通过上述比较分析，选取9711号和0515号（两个登陆型）以及8114号和0012号（两个近海北上型）4个台风作为对上海沿岸影响较大的典型台风。

2台风模型及其验证

2.1模型介绍

本研究中的台风风场通过最佳台风路径资料计算最大风速半径，并据此推算气压场分布，然后根据台风气压场计算台风域中的中心对称风场，并矢量叠加台风移动风场，最后与背景风场进行叠加。

（1）最佳台风路径

本研究中的台风路径资料采用中国气象局发布的热带气旋最佳路径[2]（http：//tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_sm.html）。该网站内的数据库目前涵盖了1949—2019年西北太平洋所有的热带气旋资料，数据包括热带气旋的中心经纬度、台风中心气压和最大风速（2min平均风速）等资料。

（2）最大风速半径

台风的最大风速半径（RMW）是指台风最大环流风速Vmax出现的位置与台风中心的距离。RMW是台风气压场和风场模型中的关键参数，实测数据主要通过侦察机航测获取。由于实测RMW数据获取困难，国内外许多研究采用经验模型和统计模型，利用其他台风参数计算RMW.Graham等[3]提出的经验公式为

式（1）中：R为最大风速半径，单位为km;φ为台风中心所在纬度;P0为台风中心气压，单位为hPa;Vd为台风中心移动速度，单位为m/s。该经验公式综合考虑了纬度、中心气压和台风移动速度对最大风速半径的影响。随着飞机探测RMW资料的出现，该研究有了较大的发展。1960—1974年在西北太平洋开展了台风RMW的航空探测，获取了173个台风RMW样本[4]。根据其中在北纬28°～31°区域的实测资料，通过回归分析得到的公式为

式（2）中：R为最大风速半径，单位为km;P0为台风中心气压，单位为hPa;Rk为经验常数，一般取40km.Willoughby等[5]根据1977—2000年NOAA航测的RMW资料，通过统计分析得到的公式为

式（3）中：R为最大风速半径，单位为km;V为最大风速，单位m/s;φ为台风中心纬度。

（3）台风气压场

台风气压场采用应用较广的高桥和藤田复合公式[6-7]：

式（4）中：R为最大风速半径;r为至台风中心的距离;Pr为距离台风中心r处的气压;P0为台风中心气压;P∞为背景气压，通常取1008～1012hPa。

（4）台风风场

台风风场包括中心对称风场和移动风场两个部分。中心对称风场采用Jelesnianski[8]的公式：

式（5）中： 为中心对称风场的风矢量;R为最大风速半径;r为至台风中心的距离;Vmax为最大风速半径R处的风速，中国气象局发布的热带气旋最佳路径中包含该参数;  （x，y）和（xc，yc）分别为计算点坐标和台风中心坐标，θ为流入角。θ的计算公式[9]为

移动风场采用Ueno[10]公式：

式（7）中：R为最大风速半径;r为至台风中心的距离;Vmx和Vmy分别为台风中心沿x和y方向的移动速度; 为距台风中心r处移动风场的风速矢量。

台风风速场由中心对称风场和移动风场矢量合成得到：

（5）台风模型风场和外围背景风场的合成

研究台风对某一区域的影响，不仅需要关心台风过境时的风场，过境前后一段时间的风场同样十分重要。当台风中心距离某一海域较远时，该海域基本不受台风影响，其風场为背景风场，无法由台风风场模型提供。因此，为了较准确地刻画台风中心附近以及远离台风中心的风场，需要考虑台风模型风场和外围背景风场的合成。

欧洲中期天气预报中心（EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts，ECMWF）目前提供1979年至今全球气象参数下载，包括海表面风速、风向和气压等，时间分辨率为6h、空间分辨率最高为0.125°。ECMWF风场资料对距离台风中心较远区域的风场能较准确地刻画，可作为背景风场。因此，将模型台风风场与ECMWF风场进行合成即可得到研究区域较准确的风场，具体合成方法为

式（9）中： 表示合成风场的风矢量; 表示模型台风风场的风矢量; 表示ECMWF风场的风矢量; ，R1和R2根据实际模拟情况调整，本研究中参考其他类似研究，R1取500km，R2取800km。

2.2最大风速半径计算公式比选

从2001年开始，美国联合台风警报中心（JointTyphoonWarningCenter，JTWC）整编的台风路径数据中包含RMW信息。为了比较分析上述3个常用的最大风速半径计算公式中最适用于研究区域的计算公式，根据最佳台风路径中的参数分别计算了0509（麦莎）号、0515（卡努）号和1211（海葵）号3个台风期间的RMW，并与JTWC的资料进行对比（见图2）。

从3个台风过程中JTWC的最大风速半径资料看，随着台风中心纬度的升高，最大风速半径减小，台风登陆后最大风速半径增加。上述3个公式中，GH1959计算的最大风速半径在台风登陆前后均随着纬度增加而增加，与JTWC数据的变化趋势不一致;NOAA1977和WR2004能较好地反映出最大风速半径在整个台风过程中的变化趋势，且WR2004公式计算的量值与JWTC数据更为接近。因此，本研究中最大风速半径采用WR2004公式进行计算。

2.3模型验证

采用8114号、9711号、0012号和0515号台风期间长江口外和杭州湾不同气象站的实测风速资料，对建立的风场模型进行了验證，测站位置如图3所示，验证结果如图4所示。受台风影响，各测站的风速均出现了不同程度的增加。风场模型较好地模拟出了不同场次台风大部分测站风速的变化趋势和极值，对台风影响前期的风速变化也能较好地模拟，这表明本研究建立的风场模型能较好地模拟长江口和杭州湾邻近水域在台风期间的风速变化。

3台风影响期间上海沿岸极值风速分布

3.11949—2014年影响上海的台风期间

采用台风模型分别计算统计了1949—2014年影响上海的106个台风过程下，上海沿大陆侧沿岸和崇明三岛沿岸的极值风速分布及相应台风，具体如图5（a）和表3所示。所有影响上海的台风期间，上海沿岸极值风速为31～43m/s，其中浦东、奉贤和金山岸段均超过了12级风上限（36.9m/s）。总体上杭州湾北岸侧大于长江口侧，向海侧大于向陆侧。杭州湾北岸、长江口南岸、崇明岛南沿和崇西极值风速出现在4906号台风期间，崇明岛北沿和崇明东滩极值风速出现在7708号台风期间，南汇东滩及横沙岛沿岸极值风速出现在5901号台风期间。

考虑到在一般情况下，向岸风产生的台风浪对海塘影响较大并且有利于风暴增水，本研究将海塘法线方向及左右各22.5°范围的风作为有效风，涵盖了所有海塘法线方向为主风向的风。计算统计了所有台风期间的有效极值风速，如图5（b）和表3所示。由于考虑了风向的因素，沿岸的有效极值风速量值为26～40m/s，较极值风速均有不同程度的减小。宝山和浦东岸段有效极值风速出现在4906号台风期间，奉贤岸段出现在4906和5901号台风期间，金山岸段出现在5612号和9015号台风期间，崇明岸段出现在5901号、8406号、8509号、8913号、8506号台风期间，长兴岸段出现在4906号、5901号、8913号台风期间，横沙岸段出现在4906号、8913号台风期间。

3.24个典型台风期间

根据第1章节选取的4个对上海影响较大的典型台风9711号和0515号（登陆型）以及8114号和0012号（近海北上型），采用台风模型分别计算统计了4个台风过程中，上海沿岸的极值风速、有效极值风速及相应台风类型。由于4个典型台风包含在1949—2014年影响上海的106个台风之中，4个典型台风期间的过程最大极值风速和有效极值风速不会超过3.1章节中相应位置的极值和有效极值风速。

4个典型台风过程下上海沿岸的极值风速分布及相应台风类型如图6（a）和表3所示。从4个台风引起的极值风速量值来看，上海沿岸极值风速为20～28m/s，杭州湾北岸侧总体量值较大，且呈现两头大中间小的特点;大陆侧北岸以及崇明三岛极值风速自东向西逐渐减小。从影响台风类型来看，浦东岸段、奉贤金汇港以东岸段受近海北上型台风影响较大，宝山和金汇港以西岸段受在浙江登陆的台风影响较大;长兴岛、横沙岛以及崇明岛灵甸港以东的北岸、新河港以东的南岸均受近海北上型台风影响较大，崇明岛的其他岸段则受登陆型台风影响较大。

在4个典型台风过程下，上海沿岸的有效极值风速分布及相应的台风类型如图6（b）和表3所示。由于考虑了风向的因素，沿岸的有效极值风速量值为11～27m/s，较极值风速均有不同程度的减小。从影响台风类型上看，杭州湾北岸、长兴南沿、横沙南沿及东侧、崇明南沿及东滩岸线主要受登陆型台风影响较大，这主要是由岸线与台风中心的相对位置决定的。从上述结果可以看出，在选取的4个典型的对上海影响较大的台风作用下，上海沿岸的极值风速和有效极值风速均未超过30m/s，未超过上海地区海塘的设防标准。

4结论

本研究根据台风强度和近岸水位选取了对上海影响较大的9711号和0515号（登陆型）及8114号和0012号（近海北上型）4个典型台风，并根据JWTC的实测分析资料通过计算比选确定适用于影响长江口及杭州湾区域台风的最大风速半径公式。采用经过充分验证的台风模型计算了1949—2014年所有影响上海的台风期间以及4个典型台风期间上海沿岸极值风速、有效极值风速，分析了其量值范围和分布特征以及对应的台风名称或类型，主要结论如下：

（1）文献[5]中计算最大风速半径的公式与JWTC资料的变化规律和量值一致，适合用于影响长江口及杭州湾区域台风的最大风速半径计算。

（2）1949—2014年所有影响上海的台风过程中，上海沿岸极值风速为31～43m/s，其中浦东、奉贤和金山岸段均超过了12级风上限（36.9m/s）。杭州湾北岸、长江口南岸、崇明岛南沿和崇西极值风速出现在4906号台风期间，崇明岛北沿和崇明东滩极值风速出现在7708号台风期间，南汇东滩及横沙岛沿岸极值风速出现在5901号台风期间。沿岸的有效极值风速量值为26～40m/s，宝山和浦东岸段有效极值风速出现在4906号台风期间，奉贤岸段出现在4906号和5901号台风期间，金山岸段出现在5612号和9015号台风期间，崇明岸段出现在5901号、8406号、8509号、8913号、8506号台风期间，长兴岸段出现在4906号、5901号、8913号台风期间，横沙岸段出现在4906号、8913号台风期间。

（3）4个典型的对上海影响较大的台风期间，上海沿岸极值风速为20～28m/s，杭州湾北岸侧总体量值较大，浦东岸段、奉贤金汇港以东岸段受近海北上型台风影响较大，宝山和金汇港以西岸段受在浙江登陆的台风影响较大，长兴岛、横沙岛以及崇明岛灵甸港以东的北岸、新河港以东的南岸均受近海北上型台风影响较大，崇明岛的其他岸段则受登陆型台风影响较大。沿岸的有效极值风速量值为11～27m/s，总体上位于南侧的岸线受登陆型台风影响较大，北侧的岸线受近海北上型台风影响较大。

[参考文献]

[1]上海市水利工程设计研究院有限公司。上海市海塘安全评估与检测关键技术开发与应用[R]。上海：上海市水利工程设计研究院有限公司，2018.

[2]YINGM，ZHANGW，YUH，etal.AnoverviewoftheChinaMeteorologicalAdministrationtropicalcyclonedatabase[J]。JournalofAtmosphericandOceanicTechnology，2014，31：287-301.

[3]GRAHAMHE，NUNNDE.Meteorologicalconsiderationspertinenttothestandardprojecthurricane，AtlanticandGulfcoastsoftheUnitedStates[R]。WashingtonDC：U.S.DeptofCommerce，1959.

[4]SCHWERDTRW，HOFP，WATKINSRR.Meteorologicalcriteriaforstandardprojecthurricaneandprobablemaximumhurricanewindfields，gulfandeastcoastsoftheUnitedStates[R]。WashingtonDC：NOAA，1979.

[5]WILLOUGHBYHE，RAHNME.ParametricrepresentationoftheprimaryhurricanevortexPartI：ObservationsandevaluationoftheHolland（1980）Model[J]。MonthlyWeatherReview，2004，132：3033-3048.

[6]FUJITAT.Pressuredistributionintyphoon[J]。GeophysicalMagazine，1952，23：437-452.

[7]TAKAHASHIK.Distributionofpressureandwindinatyphoon[J]。JournaloftheMeteorologicalSocietyofJapan，1939，17：417-421.

[8]JELESNIANSKICP.Numericalcomputationsofstormsurgeswithoutbottomstress[J]。MonthlyWeatherReview，1966，94（6）：379-394.

[9]PHADKEAC，MARTINOCD，CHEUNGKF，etal.Modelingoftropicalcyclonewindsandwavesforemergencymanagement[J]。OceanEngineering，2003，30：553-578.

[10]UENOT.NumericalcomputationsofstormsurgesinTosaBay[J]。JournalofOceanographicalSocietyofJapan，1981，37：61-73.

（責任编辑：李万会）