SLOSH(SeaLakeandOverlandSurgesfromHurricanes)飓风风暴潮数值预报模式,是美国国家海洋大气管理局(NOAA)、国家气象局(NWS)在1981年开始开发研制,1992年发表技术报告至今,经历了20多年的研制和改进。
它是美国新一代国家风暴潮预报模式,在防灾预报中发挥了重要作用。
SLOSH模式是二维模式。模式计算区域覆盖部分大陆架、内陆水体以及障碍物。计算域采用均匀伸展的极坐标网格。这种网格的优点在于岸边重点区域的网格可以很细,能很好地反映微地形对风暴潮的影响;离岸边较远的深水区网格较粗,节约内存和机时,而不影响计算精度。SLOSH模式可以描述风暴潮漫滩过程,由于考虑了淹没陆地,因此,与网格尺度可以比较的障碍物,例如沙丘、防洪堤、废渣区、天然山脊、礁石以及许多人造结构等也都予以考虑。
我国科学家从1980~1990年引进并建立以SLOSH模式为基础的风暴潮预报业务系统。至今它仍在我国风暴潮预报以及海岸工程风暴潮设计参数的计算中发挥着重要作用。
多模式耦合的风暴潮预报模式
近年来国内外采用三维海洋环流模式,如POM、ECOM等模拟和预报风暴潮,而且还把它与海浪模式(如适合近岸海域的SWAN海浪模式)相耦合或与天文潮相耦合,这些模式能较好地描述考虑波浪引起的底摩擦、波浪引起的海表面风应力系数变化、总水位变化等因素对风暴潮的影响。也在一定程度上提高了对风暴潮的预报准确性。另外,建立在风暴潮数值基础上的集合预报技术也是提高风暴潮预报准确性的有效途径。
我国国家海洋预报中心(NMEFC)自主开发的CTS台风风暴潮数值预报模式在2003年投入业务化运行,模式区域覆盖整个中国沿海,空间分辨率为2忆;2007年开始进行集合预报试验;自主开发的CES温带风暴潮数值预报模式在2004年投入业务化运行,模式区域覆盖整个中国沿海,空间分辨率为6忆,它每天运行2次,提供我国沿海72小时温带风暴潮数值预报。NMEFC还开发了风暴潮漫滩数值预报模式,空间最高分辨率为100~600米,用于科学研究和风暴潮灾害的风险评估等。
风暴潮灾的严重情况已引起了世界上许多沿海国家和科研机构的重视。目前,国外开展风暴潮观测、研究和预报工作的国家计有美、英、德、法、荷兰、比利时、俄罗斯、日本、泰国和菲律宾等。中国在这方面的工作开始得较晚,除20世纪60年代的一些个别的研究以外,只是在进入了70年代以后才较全面地开展了风暴潮机制和预报的研究工作。国家“七五”“八五”期间均立项进行风暴潮数值预报产品的研究,取得了较先进的研究成果,并已逐渐把数值预报产品应用于进行风暴潮位的业务预报。风暴潮的监测和通信系统也已在全国范围内建立,以经验统计预报方法结合动力数值预报,将使中国风暴潮的业务预报工作日臻完善。
风暴潮的预报准确度
风暴潮的发生一方面受复杂的海洋环流、海底地形等因素影响,对此,现有的风暴潮预报方法还很难准确地给予表达;另一方面,风暴潮是由强烈大气扰动引起的,要报准风暴潮,需首先报准未来的气象条件。而气象预报也受很多复杂因素的影响,尤其是台风、强冷空气等灾害性天气更难报准,风暴潮模式结果的精度,在很大程度上依赖于气压场和风场模式的质量,目前国内外气象预报的精度还不能完全达到精确的风暴潮预报要求。除此之外,目前天文潮的预报也有某些误差,而灾害性高潮位通常是风暴潮与天文潮叠加,甚至是相互作用的结果,这就更增加了风暴潮灾害的预报、警报的难度。因此,风暴潮预报就不可能十分准确。虽然风暴潮预报技术上的难点还有待今后科学技术的发展来解决,但已有的风暴潮预报方法,仍能在多数情况下提供有用的预报和警报,从而减轻风暴潮灾害的人员伤亡和经济损失。
风暴潮预报准确度的提高是同气象预报水准的改进步调一致的。尽管现有的风暴潮模式可以进行12小时、24小时、36小时,甚至更长时间的预报,但由于大气模式给出的风场、气压场尚不能满足风暴潮预报的要求,故准确预报的时效还不可能太长。据统计,英国的风暴潮季节是每年9月份至翌年4月份,在这个时段中,平均每年发布风暴潮预报35~50次,其中4~6小时的预报有20次。意大利准确度较高的温带风暴潮预报也只有约6小时的提前量。德国专家指出,目前高潮位的较高预报时效为3~4小时,高潮时预报在30分钟之内,潮高预报在20~30厘米之内。我国目前台风风暴潮预报时效约为12小时,最长达30小时,最短为3小时,高潮位平均预报误差约20厘米,极端情况误差超过100厘米,高潮时平均误差约20分钟。如果以风暴潮小于100厘米时绝对误差小于30厘米、风暴潮大于100厘米时绝对误差小于35厘米为标准,以此计算的预报保证率为65%左右。总体上,我国发布的风暴潮预报准确度与世界先进水平相当。在过去的20多年中,曾多次成功地预报了强风暴潮,大大减轻了损失。
风暴潮的预警级别
某次风暴潮可能致灾等级的大小,是根据该次风暴潮过程影响海域内各验潮站出现的潮位值超过当地“警戒潮位”的高度而确定的。
警戒潮位是指沿海发生风暴潮时,受影响沿岸潮位达到某一高度值,人们须警戒并防备潮灾发生的指标性潮位值,它的高低与当地防潮工程紧密相关。
警戒潮位的设定是做好风暴潮灾害监测、预报、警报的基础工作,也是各级政府科学、正确、高效地组织和指挥防潮减灾的重要依据。
中国国务院颁布的《风暴潮、海啸、海冰应急预案》规定,风暴潮预警级别分为玉、域、芋、郁四级,分别表示特别严重、严重、较重、一般,级别颜色依次为红色、橙色、黄色和蓝色。海洋环境预报部门根据可能出现的风暴潮发布风暴潮I级紧急警报、域级紧急警报、芋级警报、郁级预报。
风暴潮玉级紧急警报(红色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来沿岸受影响区域内有一个或一个以上有代表性的验潮站水位将出现达到或超过当地警戒潮位80厘米以上的高潮位时,至少提前6小时发布风暴潮I级紧急警报。
风暴潮域级紧急警报(橙色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来沿岸受影响区域内有一个或一个以上有代表性的验潮站水位将出现达到或超过当地警戒潮位30厘米以上80厘米以下的高潮位时,至少提前6小时发布风暴潮域级紧急警报。
风暴潮芋级警报(黄色)受热带气旋或温带天气系统影响,预计未来沿岸受影响区域内有一个或一个以上有代表性的验潮站水位将出现达到或超过当地警戒潮位30厘米以内的高潮位时,前者至少提前12小时发布风暴潮警报,后者至少提前6小时发布风暴潮芋级警报。
风暴潮郁级预报(蓝色)
受热带气旋或温带天气系统影响,预计在顶报时效内,沿岸受影响区域内有一个或一个以上有代表性的验潮站水位将出现低于当地警戒潮位30厘米的高潮位时,发布风暴潮预报。
风暴潮灾害的影响与评估
风暴潮波及地域范围与该地区的地形地势、经济发达水平及防灾能力有关。
一般地势低平的海岸地带,风暴潮可长驱直入,影响广大的地域,造成较大的损失,如渤海的莱州湾沿海,滩涂广阔,地势比较平坦,每次风暴潮波及范围都很广大;而在地势较高的沿海地带,如山东半岛沿岸,风暴潮潮水入侵范围就有限,因此受灾程度也就轻得多。一般而论,在同等强度风暴潮作用下和同等防灾能力情况下,经济发达地区的损失较大,经济不发达地区的损失较小,据统计,二者的相关系数为0.7左右,可见二者有很好的相关性。尤其是在人口稠密、城镇集中、经济发达的一些沿海地区,因风暴潮造成的人员伤亡和经济损失更为严重,有些地区的灾害损失甚至超过了当地政府的财政收入,在过去的25年中,我国由风暴潮造成的经济损失增长近30倍,它远高于我国国民经济的增长速度。如海南省1996年的地方财政收入为30.7亿元,而9618号台风风暴潮仅在琼东北造成的经济损失高达42.58亿元。20世纪50年代以来,我国沿海经济在高速发展,同时,我国因台风风暴潮灾造成的人员伤亡人数逐年减少,但经济损失却有逐年加大的趋势。
风暴潮灾害数据资料记录着我国风暴潮灾害发生的海域、时间、增水、直接经济损失及其他各种灾情(如死亡人数、淹没田地、冲毁房屋等)的重要信息,是我国风暴潮灾害研究及正确评估灾情的依据,是建立风暴潮灾害评估数学模型的必要基础资料。
风暴潮灾害的评估指标
同其他的自然灾害一样,风暴潮灾害经济损失可分为直接经济损失和间接经济损失。
直接经济损失可包括:淤潮水淹没田地而引起的农作物损失。于倒塌的房屋及家庭财产损失。
盂被潮水冲毁的堤坝、桥梁等公共设施。榆被浪潮毁坏的船只。虞其他生产设施如通信设施,电力设施及工厂生产设备。愚工业设施损失及死亡人数或失踪人数。舆受伤和受灾人数。余海洋损失。俞海水浸染。
间接损失可包括:淤灾害救援投入。于修复、重建,对生态环境破坏和影响。盂企业生产停顿等造成损失。
一般来说,风暴潮灾害的直接损失,主要取决于风暴潮的强度和风暴潮波及的地域范围。
风暴潮灾害损失与防灾能力的关系风暴潮灾害的损失与防灾能力有着密切的关系,防灾能力强可有效地减小风暴潮灾害损失。防灾能力包括对风暴潮预测、防灾设施以及防灾抗灾的组织管理能力建设等。以风暴潮预报为例,1996年7月闽浙沿海发生一次特大风暴潮,由于预报及时准确,闽浙两地及时做好了防大风、抗大潮、抢大险的准备,不仅减少了风暴潮灾害的损失,而且伤亡人数也是多年几次同类风暴潮灾中最少的。
同样的例子也发生在美国,2005年8月29日“卡特里娜”飓风及风暴潮之所以引发如此巨大的灾害,除了不可抗拒的自然因素外,避灾防范措施不力是重要的原因。表现为海堤年久失修,事前对灾难估计不足,政府组织撤退不力,没有注重老弱病残等弱势群体,灾难发生后政府又应急迟缓。作为比较,发生在同年(2005年)的“丽塔”飓风及风暴潮,虽然其强度与“卡特里娜”
飓风相当,影响区域也相近,但由于防范避灾措施好,遭受的人身财产损失要比“卡特里娜”飓风小得多。
风暴潮灾害的风险评估
当台风或温带气旋来临之际,事先对可能造成的风暴潮灾害存在的风险做出正确的评估对于最大限度地减轻灾害损失和人员伤亡十分重要。
美国是最早开展这方面研究的国家,20世纪90年代,美国海洋大气管理局(NOAA)、联邦应急管理署(FEMA)和各州政府开展风暴潮灾害风险评估工作,评估的区域空间分辨率达1.2千米。近年来美国对其沿海部分关键和重要区域的风险评估的区域空间最高分辨率提高到20米,并制作了新一代的风暴潮灾害危险图和应急疏散图。
我国近年来在风暴潮灾害风险评估方面也取得了长足进步,并与世界先进水平接轨,已完成河北黄骅、唐山风暴潮灾害危险图和应急疏散图,目前正在制作浙江温州、台州等地风暴潮灾害危险图和应急疏散图,其中对河北省沿海地带一些重要区域的风险评估的空间最高分辨率已达到100米。
某一地方风暴潮灾害风险的大小除与淹没的危险性有关外,也与承灾体的脆弱性有关。有人根据承灾体的重要性等因素,把风暴潮灾害承灾体的脆弱性由大到小分成四级。
第四级:生命财产、重要机构、关键设施,如学校、医院、政府机构、电厂、大坝、撤离道路等。
第三级:重要生产设施和居民基本生活物资,如港口码头、重要企业、加油站、养殖场等。
第二级:一般设施,如公路、桥梁、农田、盐场等。
第一级:其他非重要用地,如次要公路、河流、灌溉渠道、开发用地等。
风暴潮预报的未来发展
一般认为,风暴潮预报的未来发展主要取决于风暴潮数值预报技术的进步。
风暴潮预报虽然取得了可喜的进展,但还需要在风暴潮集合数值预报技术、风暴潮与近岸海浪一体化数值预报技术及风暴潮灾害风险评估技术等方面取得突破。
美国和英国已经在风暴潮集合数值预报方面有了较大的进展,美国大气海洋局于2007年5月开始试行台风风暴潮概率预报,英国气象局于2007年5月开展温带风暴潮集合预报。
由于风暴潮和海浪本来就是一体的,共同致灾,近岸耦合强,所以美国、英国、中国等国家正加紧风暴潮与近岸海浪一体化数值预报技术的研究和系统开发。
进入21世纪后,因服务目标不同,风暴潮的研究必将与其他学校交叉,因而风暴潮的研究也将形成相应的分支,趋于精细化。风暴潮与近岩浪的耦合技术,风暴潮漫滩数值预报技术、风暴潮集合数值技术,GIS、遥感与风暴潮风险评估模型集成技术,风暴潮灾害长期预测技术,风暴潮灾害风险评估技术,将成为未来风暴潮的研究方向。
今后各种测量技术能够取得进步,风暴潮相关因子的测量将向更精确、完整、快速的方向发展,而计算机技术的进步则是日新月异,这将大大推动风暴潮研究的发展。