1909號臺風“利奇馬”引發渤海灣風暴潮特征及無人機災害調查

傅賜福，李濤,2，劉仕潮，高義，董劍希,2

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

1 引言

風暴潮是指由于強烈的大氣擾動，如風暴或氣壓驟變導致的海平面異常升高或降低的現象[1]。在我國，由熱帶氣旋引發的風暴潮災害十分頻繁，對沿海地區的社會經濟產生重大不利影響[2]。以2019年為例，我國各類海洋災害共造成直接經濟損失117.03億元，死亡（含失蹤）22人，其中，風暴潮災害造成直接經濟損失116.38億元，占總直接經濟損失的99%。從單次海洋災害來看，造成直接經濟損失最嚴重的是1909號臺風“利奇馬”風暴潮災害，直接經濟損失102.88億元[3]。由此可見，重大、特大風暴潮過程往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，因此，做好重大、特大風暴潮過程的預警及減災工作意義重大。

渤海位于中緯度地區，包括遼東灣、渤海灣和萊州灣，地形總體呈東北—西南走向，平均水深約18 m，歷史上曾多次發生風暴潮災害[4]。渤海灣風暴潮的發生頻率最高且災害強度最大，1909號臺風“利奇馬”在渤海灣引發的風暴潮就是一個典型案例。國內不少學者對1909號臺風“利奇馬”開展了分析研究，王麗娟等[5]利用美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）和浙江省常規氣象站的觀測數據分析了1909號臺風“利奇馬”影響浙江期間的大風分布特征及其成因；王毅等[6]利用浮標資料對臺風“利奇馬”影響期間浙江沿海風浪特征及其關系進行了分析，并與歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Mediumrange Weather Forecasts，ECMWF）的模式預報與實況進行了對比，基于模式預報分析了海浪的空間結構。另外，無人機遙感調查作為近些年的新技術被廣泛應用于國土、農業和氣象研究等方面，它具有以下獨特優勢：（1）操作簡單，飛行準備時間短，飛行高度低；（2）對調查區的環境條件要求較低，購置費用和維護成本較低；（3）可獲取超高分辨率數字影像及定位數據，產品精度高。國內學者利用無人機技術開展了諸多研究，高偉等[7]通過無人機和灘面高程監測等技術方法，獲取了1909號臺風“利奇馬”過境山東省海陽市前后的海灘監測數據，分析了臺風前后海灘整體形態和剖面沖淤的變化，探討了海灘演化對臺風的響應規律。在利用無人機遙感和航拍開展風暴潮災害調查方面，國內不少學者也取得了豐富的成果。王衍等[8]以1409號臺風“威馬遜”登陸后對海南文昌翁田和鋪前的海岸帶破壞情況調查監測過程為依據，介紹了無人機遙感的組成和優勢，以及無人機遙感數據的獲取和處理的監測過程；孫玉超等[9]利用無人機遙感獲取臺風“蘇力”登陸點附近的高分辨率遙感影像，提取了研究區域典型風暴潮承災體的災害損失信息并對其進行統計分析；賈寧等[10]利用高分辨率遙感圖像，綜合采用查找淹沒痕跡、查找漂浮物聚集位置和現場詢問3種方法，確定了臺風“瑪莉亞”引發的風暴潮漫灘范圍。

針對1909號臺風“利奇馬”，眾多學者僅對其開展了風、浪特征研究，對其北上影響渤海產生的嚴重風暴潮卻少有提及。另外，上述學者主要利用無人機開展臺風登陸對海岸帶的影響，在災害調查方面主要利用高分辨率遙感影像，而利用無人機開展災害調查定量統計的卻很少。本文在借鑒上述研究成果的基礎上，以1909號臺風“利奇馬”在渤海灣引發的風暴潮特征為切入點，充分利用無人機航拍技術開展渤海灣南岸的山東省東營市新戶鎮沿岸風暴潮災害調查，定量分析此次風暴潮對于東營市近岸堤防和海水養殖區的破壞程度。

2 臺風“利奇馬”引發的渤海灣風暴潮特征分析

2.1 臺風“利奇馬”引發渤海灣風暴潮及災害情況

2019年8月10日01時45分（北京時，下同）前后，超強臺風“利奇馬”在浙江省溫嶺市城南鎮沿海首次登陸，登陸時中心附近最大風力16級；登陸后，臺風“利奇馬”繼續北上，11日12時前后，臺風“利奇馬”穿過江蘇進入黃海海域，并于11日20時50分前后在山東省青島市黃島區沿海第二次登陸，登陸時中心附近最大風力9級。臺風“利奇馬”的路徑及文中所涉及站點分布見圖1。

圖1 1909號臺風“利奇馬”路徑及涉及站點分布

受“利奇馬”臺風風暴潮和近岸浪的共同影響，福建以北—遼寧8個省市沿海共有22個潮位站實測最大風暴增水超過1 m，5個潮位站實測最大風暴增水超過2 m，最大增水出現在浙江省海門潮位站（3.12 m）。渤海灣是此次風暴潮過程的重災區，6個潮位站最大增水均超過1 m，最大增水出現在河北黃驊潮位站（2.33 m），其中河北京唐港、曹妃甸、黃驊和山東黃河海港等4個潮位站實測最高潮位達到當地紅色警戒潮位。渤海灣各站潮位曲線見圖2。

臺風“利奇馬”共造成以上8省市直接經濟損失合計102.88億元，其中，臺風登陸地浙江省的直接經濟損失76.22億元[3]。受臺風北上影響的渤海灣（包括河北唐山市、滄州市、天津市、山東濱州市和東營市）直接經濟損失22.22億元，其中，位于渤海灣南岸的山東濱州和東營兩市的直接經濟損失達19.91億元[11]，占此次渤海灣風暴潮災害直接損失的89.6%，可見，渤海灣南岸為此次風暴潮災害的重災區。

2.2 “利奇馬”引發渤海灣風暴潮特征分析

首先，分析臺風“利奇馬”影響期間的氣象狀況和渤海灣各站風暴潮情況，圖3為渤海灣各浮標和沿岸站風力時間序列。綜合圖1的臺風路徑、圖2的各站潮位曲線和圖3各站風力時間序列分析，結果如下：

圖2 1909號臺風“利奇馬”影響期間渤海灣各站潮位曲線和超警戒情況

圖3 1909臺風“利奇馬”影響期間渤海灣浮標和沿岸站風力時間序列

11日凌晨—上午，臺風“利奇馬”在江蘇南部境內北上，受其外圍環流的影響，渤海灣各站觀測到7級左右的東-東北風和0.2～0.6 m的風暴增水；此時段各站處于當日天文低潮，各站總潮位未超過警戒值。

11日中午—傍晚，臺風“利奇馬”北上進入黃海，受到臺風外圍持續影響，渤海灣各站風力不斷增強，普遍觀測到7—8級的東北風和0.5～1.2 m的風暴增水；此時段各站處于當日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當地藍色警戒值，總體上各站潮位呈現明顯上升趨勢。

11日夜間—12日清晨，臺風“利奇馬”二次登陸山東青島后往北偏西方向移動至萊州灣底，渤海灣開始受到臺風本體的影響，各站均觀測到此次過程的最大風速和最大增水，包括8—10級的東北風和1.1～2.3 m的風暴增水；此時段各站處于當日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當地紅色警戒值，達到了此次過程的潮位最高值。

12日上午—中午，臺風“利奇馬”在萊州灣底徘徊，移速變慢，渤海灣各站風向由東北轉為東-東南，觀測風力減弱到6級左右，各站觀測到0.8～1.8 m的風暴增水且呈現震蕩向下的趨勢；此時段各站處于當日天文高潮，各站總潮位先后接近或超過當地藍色警戒值，總體上各站潮位呈現明顯下降趨勢。

12日下午—13日清晨，臺風“利奇馬”在萊州灣底徘徊少動，強度逐漸減弱，渤海灣各站觀測風力逐漸減弱到6級以下，除了位于臺風北側的渤中浮標依然維持東南風，其他各站的風向轉為東北；各站觀測到0.4～1.0 m的風暴增水，增水呈現明顯余震特征，各站總潮位未超過警戒值且呈繼續下降趨勢。

13日白天，臺風“利奇馬”減弱為熱帶低壓，受其殘余環流的影響，各站依然觀測到5—6級的東北風，風暴增水基本小于0.5 m且呈現震蕩減小的趨勢；各站總潮位基本恢復正常，此次臺風過程的影響基本結束。

下面，我們分析臺風“利奇馬”引發渤海灣重大風暴潮的成因。歷史上，影響渤海的臺風路徑主要分3種類型（見圖4）：

圖4 影響渤海常見的3種臺風路徑示意圖

類型一：臺風在我國東部沿海近海北上進入黃海，登陸遼東半島東部或朝鮮半島沿海（例如1009號臺風“梅花”和1105號臺風“米雷”）。在該類型臺風的影響下，渤海灣沿岸主要受臺風外圍影響，最大風暴增水在1.2 m左右，風暴增水普遍不大且維持時間短（12～18 h），不易形成風暴潮災害。

類型二：臺風在我國東部沿海登陸后北上，在山東半島以較快速度轉向東北方向移動，而后登陸遼東半島（例如8509號臺風“瑪美”和9216號臺風“寶莉”）。該類型臺風移速較快，渤海灣沿岸主要受臺風本體和外圍的共同影響，最大風暴增水在1.8 m左右，風暴增水較大但維持時間較短（12～24 h），易形成風暴潮災害；

類型三：臺風在我國東部沿海登陸后深入內陸北上，而后從渤海灣和萊州灣沿岸進入渤海（例如9711號臺風“溫妮”和1210號臺風“達維”）。該類型臺風在進入渤海之前移速較慢，渤海灣沿岸先后受臺風外圍和本體影響，最大風暴增水在2.4 m左右，風暴增水大且維持時間較長（18～30 h），極易形成重大風暴潮災害。

很顯然，臺風“利奇馬”路徑整體與類型二相似，兩者在臺風進入山東前路徑幾乎一致，但在臺風進入山東后卻存在明顯區別。類型二臺風在山東半島以較快移速（25～30 km/h）向東北方向移動并進入遼東半島，未進入渤海，而臺風“利奇馬”在8月11日21時二次登陸青島—13日08時從萊州灣附近減弱為熱帶低壓，即在進入山東半島后有一段時間明顯西折并在萊州灣底徘徊近30 h（移動速度約5 km/h），這是以上3種常見臺風路徑類型所不具有的移速特征。這造成了11日—13日上午時間段內，渤海海峽的風向基本保持偏東-東南風，也就意味著受到臺風“利奇馬”外圍和本體影響，從黃海進入渤海的風暴潮在這個時間段無法流回黃海；而在臺風“利奇馬”最靠近渤海灣的12日凌晨前后出現了本次過程的極值，即各站出現了9級以上的東北風和1.3～2.3 m的最大風暴增水。因此，我們可以看到，渤海灣各站在11日—13日上午這個時間段的風暴增水呈現出初震（11日白天，風暴增水0.2～1.2 m）、主震（11日夜間—12日上午，風暴增水1.0～2.3 m）和余震（12日中午—13日上午，風暴增水0.2～1.0 m）的完整特征。各站過程風暴增水超過1 m的持續時間普遍超過18 h，其中，位于渤海灣西南岸的黃驊潮位站的持續時間更是達到28 h。由于渤海灣的天文潮為不正規半日潮，這種風暴潮強度疊加天文高潮會使總潮位超過紅色警戒值，從而引發嚴重的風暴潮災害。

綜上所述，臺風“利奇馬”在進入山東半島后路徑出現的明顯西折和在萊州灣底30 h的徘徊少動導致渤海海峽持續東-東南風和渤海灣8級以上東北風，是引發此次渤海灣重大風暴潮災害的原因。

3 無人機災害調查

上節闡述和分析了臺風“利奇馬”在渤海灣沿海產生的風暴潮情況、災害損失和特征，表明渤海灣南岸的風暴增水和災害損失最大，因此，客觀準確掌握渤海灣南岸風暴潮災害情況顯得十分重要。本節將闡述運用無人機航拍技術開展山東東營市沿岸災害調查及統計。

3.1 無人機航拍的基礎準備

國內不少學者對無人機航拍系統做了詳細的介紹[7-10]。在東營市海洋發展和漁業局與東營市海洋預報臺的前期摸底和大力配合下，本文選取了東營市河口區新戶鎮沿岸作為此次無人機航拍災害調查的研究區域。東營市河口區新戶鎮沿岸為粉砂淤泥質海岸，沿岸以海水養殖為主，魚蝦養殖塘外圍建有斜坡式海堤，海堤外立面用石塊砌成。

本次無人機航拍任務使用1套固定翼無人機、1套RTK設備和1套地面站。固定翼無人機選用手拋起飛的ZW-FM-180A0，搭配SONY a6000相機和H32 GPS測繪儀，主要用于獲取正射影像。航拍地點是東營市河口區新戶鎮沿海養殖魚塘，航拍時間是2019年8月14日，航拍面積約33.3 km2；航拍范圍的東南西北經緯度分別為（118°20'23.45"E，38°6'51.44"N）、（118°29'11.10"E，38°6'55.24"N）、（118°28'42.93"E，38°4'40.60"N）和（118°20'16.73"E，38°5'10.71"N）；起飛重量和任務載荷分別為7 kg和1 kg，測控半徑為7 km，抗風能力為4級；拍攝有效項素2 400萬，正射影像分辨率為0.1 m。同時，獲取臺風“利奇馬”登陸前東營市河口區新戶鎮的高分衛星影像（GF-2衛星影像，分辨率0.8 m，影像時間為2019年6月22日），用于無人機航拍的正射影像的對比分析。

3.2 航拍影像分析及堤防損毀統計

基于上述工作，共啟動兩個無人機架次開展了東營市河口區新戶鎮沿海航拍，獲得正射影像、高清視頻和空中全景等高清影像和視頻資料后，開展航拍影像對比分析和專題圖制作，同時開展現場風暴潮災害調查。

受臺風“利奇馬”影響，東營河口區沿海多條養殖魚塘道路損毀，靠人力和汽車的現場調查受到客觀條件的極大約束，從這方面來說，無人機航拍災害調查有著明顯優勢，現場災害調查和無人機航拍災害調查可以做到優勢互補。從現場災害調查來看（見圖5a），養殖魚塘外圍海堤受到風暴潮的沖擊損毀嚴重，高近2 m的海堤幾乎被夷為平地，海堤外立面的絕大部分砌石塊散落在海堤附近，內部的夯土也被風暴潮沖刷到海里。此外，通過受災前的高分辨率衛星影像和受災后的無人機航拍正射影像的對比，可以更加清晰地掌握沿海養殖魚塘和堤防損毀情況。養殖魚塘外圍海堤被風暴潮幾乎完全沖垮（見圖6），無法保護臨近的養殖魚塘；養殖魚塘內的海水顏色由受災前的綠色變成受災后的黃褐色，這顯然是風暴潮沖垮海堤后將海水的泥沙輸送到養殖魚塘內。

圖5 東營市河口區新戶鎮沿岸養殖魚塘和外圍堤防毀損圖像

圖6 東營河口區新戶鎮沿岸養殖魚塘和外圍堤防高清衛星影像對比

對無人機航拍正射影像的養殖魚塘和堤防損毀情況進行分析統計（見圖5b）：本次航拍的堤防全長15.8 km，共發現決堤10處，嚴重損毀6處，斷橋1處，經統計損毀約11.7 km，約占航拍堤防的74%；本次航拍面積約33.3 km2，其中，養殖魚塘面積約20.7 km2，損毀養殖魚塘面積3.3 km2，約占養殖魚塘面積的16%。

4 結論

（1）本文闡述了1909號臺風“利奇馬”在渤海引發的風暴潮和災害損失，統計表明，渤海灣南岸為此次風暴潮災害的重災區。

（2）歸納總結了影響渤海的3種臺風路徑類型，詳細分析了臺風“利奇馬”在渤海灣引發的風暴潮特征。分析表明，臺風“利奇馬”在進入山東半島后路徑出現的明顯西折和在萊州灣底30 h的徘徊少動導致的渤海海峽持續長時間的東-東南風和渤海灣8級以上東北風，是引發此次重大風暴潮災害的原因。

（3）選取受災較重的東營市河口區新戶鎮沿岸作為無人機災害調查航拍區域開展高分辨率影像對比分析，定量統計了航拍區域內堤防和養殖魚塘災害情況：本次航拍的堤防全長15.8 km，損毀約11.7 km，約占航拍堤防的74%；本次航拍的養殖魚塘面積約20.7 km2，損毀養殖魚塘面積3.3 km2，約占養殖魚塘面積的16%。