书城童书风暴潮防范与自救
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第12章 风暴潮的危害(9)

温带气旋的风场特点是在气旋中有三部分不同风向而都在移动着的风区,在冷锋后为偏北风,风区向东移动方向与风向垂直,但同时风区也向南扩展移动;暖区是偏南风,风区移动方向与风向成30°~60°;暖锋前偏东风区,风区移动方风向与风向成120°~150°。通常冷锋后偏北风力最强、风时最长、风区扩展方向与波向相同,故波浪最大,低压区中的最大波高亦出现于冷锋后附近海面。暖区中偏南风次之,风浪较大;暖锋前偏东风的风时最短、风力较弱、风浪最小。低压中心的附近海区波浪并不很高,往往在中心经过后数小时至十多小时后波浪才达到最大值。因此实际上,海上经常出现气旋与冷空气共同影响的天气形势。影响中国海及邻海的主要气旋路径有三类:淤黄河气旋,气旋从我国大陆移入渤海或黄海北部。于江淮气旋,气旋从我国大陆移入黄海南部。盂东海气旋,气旋从我国大陆移入东海。这三类气旋东移入海后经常经历爆发性发展过程,它们特别多地发生在进一步东移至日本海以后,往往造成灾害性的波浪。

海浪灾害案例

海上自然破坏力的90%来自海浪,仅10%的破坏力来自风,海上常说的“避风”,实际上是“避浪”。计算表明,4级风时,波浪的压强常超过12740帕,是风压的10倍,当风力为11~12级时,波浪的压强可达127400帕,波浪可使船舶倾覆,甚至把万吨轮折成两段。据统计,海上巨浪造成的海难占世界海难的70%左右。由强烈大气扰动如热带气旋(台风或称飓风)、温带气旋和强冷空气大风引起的海浪,在海上常能掀翻船舶、摧毁海上工程和海岸工程,给航海、海上施工、海上军事活动、渔业捕捞等带来灾害。因此,海浪灾害是最严重的海洋灾害之一,也是发展海洋经济的最大障碍。有史以来,地球上差不多有100万艘船舶沉没于惊涛骇浪之中。近几十年来海浪给迅速发展的海上油气勘探开发事业带来巨大损失。据统计,1955~1982年,由狂风巨浪在全球范围内翻沉的石油钻井平台有36座。1980年的阿兰(Allen)飓风,同时摧毁了墨西哥湾里的4座石油钻井平台。1989年11月3日,“盖伊”台风在泰国南部暹罗湾横行2天,狂风巨浪使500多人失踪,150多艘船只沉没,美国的“海浪峰”

号钻井平台翻沉,84人被淹死。我国类似的海难事故也发生多起,1991年8月15日,美国ACT石油公司大型铺管船“DB29”号,在躲避9111号台风的航行中被台风浪冲击为两段后沉没,船上人员全部落水,经12架飞机,14艘救捞船历经32小时的奋力抢救,救起189人,死亡14人,失踪6人。据对1982~1990年的统计,中国近海因台风浪翻沉各类大小船舶14345艘,损坏9468艘,死亡、失踪4734人,受伤近40000人,平均每年沉损各类船舶2600艘,死亡520人,每年因海浪灾害造成的直接经济损失约10亿元人民币。

以下是近几年我国海浪灾害的一些详细案例。

2001年,我国近海海域各海区4米以上巨浪累计天数为329天,其中渤海6天,黄海29天,东海103天,台湾海峡79天,南海112天。海上巨浪给浙江、山东、海南、广东和江苏等省造成了较为严重的损失,因巨浪沉没、损坏大小船只共618艘,死亡、失踪265人,直接经济损失约3.1亿元。其中,浙江省沉船176艘,死亡、失踪156人,经济损失约1.69亿元;山东省沉没货轮2艘,翻沉、损坏渔船250艘,死亡、失踪4人,经济损失约1.2亿元;海南省沉船13艘,损坏船只150艘,死亡、失踪39人,经济损失约1200万元;广东省沉船19艘,死亡、失踪37人,经济损失逾800万元;江苏省沉船8艘,死亡、失踪29人,经济损失约100万元。

2002年,台风“威马逊”7月3日2时在台湾省以东洋面达到最强,近中心最大浪高12米。受其影响,7月3~6日,福建省北部、浙江、上海、江苏、山东近海先后出现4~5米巨浪。期间,浙江省沉损船只1200艘,直接经济损失1.2亿元;长江口深水航道2个大型圆柱沉箱受海浪冲击移位,直接经济损失5000万元。

2003年2月22日,受黄海气旋和冷空气影响,渤海、黄海出现4米巨浪,大连渤海轮船公司所属的“辽旅渡7”轮从山东龙口市开往辽宁旅顺途中,在渤海海峡北砣矶岛西北8海里处沉没,死亡4人,直接经济损失1000万元。

当天另有一艘小型渔船在长海县附近海域遇难沉没,船上4人全部失踪,直接经济损失30万元。10月11~12日浙江舟山市普陀永和海运有限公司货船“顺达2”号和上海运得船务有限公司货船“华源胜18”遇到大风巨浪,分别在渤海中部和西部海域沉没,“顺达2”船29人、“华源胜18”船11人下落不明,直接经济损失5000万元。

2004年,台风“海棠”于7月17~20日在台湾省以东洋面、东海和台湾海峡形成9米以上的台风浪。浙江南麂海洋站实测最大波高13.5米;国家海洋局东海18号海洋观测浮标(27.5°N~122.53°E)实测最大波高10米;福建平潭海洋站实测最大波高5.8米,北礵海洋站实测最大波高5.2米。

2005年,台风“云娜”于8月11~13日先后在东海、台湾海峡、南海、黄海形成5~12米台风浪。受台风浪袭击,浙江省沿海台州市、温州市、宁波市、舟山市等市、县的渔业受到严重损失;福建省宁德、福州、莆田15个县市和上海市的渔业、水利设施也受到严重损失。

2006年,超强台风“桑美”于8月8~10日在台湾省以东洋面、东海和台湾海峡形成7~12米的台风浪。受“桑美”台风浪影响,在福建省沙埕港避风渔船遭到毁灭性的打击,沉没船只多达952艘,损坏1139艘,死亡几百人。

2006年,我国近海共发生55次因冷空气与气旋浪造成的海浪灾害,死亡165人,直接经济损失1.34亿元。

海浪预报

海浪的经验预报方法

简单而实用的风浪预报方法是建立风速与波高的经验关系,例如常用的波级表。但因风浪受制于风速、风时、风区和海区形态多因素的影响,简单套用波级表作预报必将造成较大的波高预报误差,为了提高预报准确率,可采用分海区、分风向建立风速和波高的统计关系。风-浪经验关系一般沿用波高与风速呈幂律数学关系形式:

H-aVb

式中系数a和b由各海区海面风与浪高的历史观测资料,通过统计回归分析确定。但这种经验关系当存在较大涌浪时准确性较差。

也有对不同天气类型进行分类制作灾害性海浪预报。一般分三类:一是冷空气过程,二是气旋过程,三是台风过程。对于每种类型的天气过程,确定各自的预报指标或气象要素与海浪经验公式,并依此制作大浪预报和警报。

海浪数值模式预报方法海浪数值模拟和模式预报的发展,离不开关于海浪成长、消衰和传播的海浪理论的发展。随着对海浪各种物理过程和参数化形式认识的深入,海浪数值预报模式经历了从第一代到第三代的发展过程。第一代海浪模式是1960~1970年发展起来的,它的物理基础是谱能量平衡观点,其后发现,其中的普适高频平衡谱形式并不存在。第一代海浪模式还有其他一些基本的定量性的缺陷,例如过高地估计了风的能量输入,低估了非线性传输的强度,它们几乎都差了一个数量级。

1970年,广泛的波浪成长试验以及风输入给波浪能量的直接观测,导致了第二代海浪模式的发展,它从根本上改变了作为第一代预报模式基础的谱能量平衡观点,但由于受计算机条件的限制,第二代海浪模式采用简化的参数化形式的非线性传输,其应用受到一定限制,在使用时需要给定高出峰值频率的那部分高频风浪谱的谱形。虽然从理论上可证实对于一般天气尺度的风场将波谱调整为准通用谱形这一做法是可行的,但是第二代海浪模式不能很好地模拟快速变化风场中产生的风浪,例如,飓风、小尺度强气旋或锋面,这些模式在处理风浪与涌浪传输时也遇到了一些基本的难题。海浪的数值模拟发展到20世纪末已达到比较成熟的阶段。西欧一些国家自1985年起着手开始了第三代波浪数值预报的研究计划,成立了一个WAM(WaveModellingGroup)小组。他们的目的是更全面地考虑能量平衡方程中的各个项,以包括更多的物理过程,开发一个全球的波浪数值预报模式。第三代海浪模式的特征是直接计算波-波非线性相互作用,通过积分作用力(能量)平衡方程,并且不对谱形预加任何约束,其改进归结为各源函数项的计算。第三代海浪模式的另一优点是能够处理风速、风向的骤然变化,而较早的模式无此能力。

现在WAM已被国际上广泛使用,许多国家将其作为业务化的运行模式发布区域或全球的海浪预报。但在近岸浅水区,由荷兰科学家开发的SWAN(SimulatingWaveNearshore)模式具有较好的海浪模拟精度。美国NOAA/NCEP(国家海洋大气管理的环境预报中心)环境模拟中心海洋模拟小组(OceanMod鄄elingBranch)1996年在Delft技术大学和美国航空航天局Goddard空间飞行中心分别开发的WAV-EWATCH和WAV-EWATCH域的基础上,开发了一个全谱空间的第三代海浪数值模式WAV-EWATCH芋,该模型主要用于大尺度空间波浪传播过程,在传播过程中考虑了地形和海流空间变化导致的波浪折射作用、浅水变形作用和线性的波浪传播运动等。2000年初,WAVEWATCH芋正式成为NECP的全球业务化预报模式。

我国海浪理论及预报研究始于新中国成立后。海浪理论研究的开创者是中国科学院院士文圣常教授。1960年文圣常教授就将当时国际上盛行的能量平衡法和谱方法两种计算海浪的方法结合起来,导出了随风时或风区成长的普遍风浪谱,被称为“文氏风浪谱”,文圣常等在我国“七五”科技攻关项目成果中提出了一种新型混合型海浪数值模式,这是我国具有自主创新特点的模式。该模式的风浪部分基于有效波的能量平衡方程,将当时风浪能量计算中所有无法避免的经验成分集中于一项,并通过可靠的风浪成长经验关系予以确定。该模式有两个显着特点:一是可靠性,由于以可靠的风浪成长经验关系得到源函数取代通常逐项计算源函数,避免了复杂的、难以精确的计算手续,使模式的精度得到根本的保证;二是节约机时,由于综合性源函数避免直接计算波-波相互作用,节省大量的计算量,在相同条件下所用机时仅约为WAM模式的1/60。此模式已经过大量各种天气形势下海浪的预(后)报检验,并已在国家和地区性海洋预报中心投入业务化应用。我国在海浪方面的另一重要进展是袁业立院士等改进了国际盛行的WAM模式,发展了在全新提法基础上的第三代海浪数值模式LAGFD-WAM(KeylaboratoryofGeophysicalFluidDynamics-WAM)模式。该模式用理论导出的能量耗散源函数取代了WAM模式中的经验公式,使高海况下的计算结果有明显的改进。同时还在控制方程中引入了波-流相互作用项,考虑了非均匀和非定常流场的作用。

在计算方案上,引入了嵌入特征线方法,不仅适于物理空间,而且适于波数空间。

现今的海浪数值模拟是在严格的海浪理论基础上建立起来的,海浪的物理机制,如风浪生成机制、小尺度海气相互作用、波浪破碎、底摩擦、波-波相互作用、波-流相互作用等的研究成果比较成熟,人们基本了解海浪的成长与消衰过程,海浪的数值模拟完全达到了业务化的要求。

海浪预警

中国国务院颁布的《风暴潮、海浪、海啸和海冰灾害应急预案》规定,海浪预警级别分为I、域、芋、郁四级,分别表示特别严重、严重、较重、一般,颜色依次为红色、橙色、黄色和蓝色。海洋环境预报部门根据可能出现的海浪发布海浪I级紧急预报、域级紧急警报、芋级警报、郁级预报。

海浪I级紧急警报(红色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来近海受影响海域出现达到或超过6.0米有效波高,或者其他受影响海域将出现达到或超过14.0米有效波高时,应发布海浪I级警报(红色)。

海浪域级紧急警报(橙色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来近海受影响海域出现4.5~6.0米(不含)有效波高,或者其他受影响海域将出现9.0~14.0米(不含)有效波高时,应发布海浪域级警报(橙色)。

海浪芋级警报(黄色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来近海受影响海域出现3.5~4.5米(不含)有效波高,或者其他受影响海域将出现6.0~9.0米(不含)有效波高时,应发布海浪芋级警报(黄色)。

海浪郁级预报(蓝色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来近海受影响海域出现2.5~3.5米(不含)有效波高时,应发布海浪郁级预报(蓝色)。

海浪信息发布和海浪灾害的防御

海浪灾害的信息发布