近35年来热带风暴对我国南海岛礁的影响分析
孙超1,2, 刘永学3, 李满春1,2,3, 陈振杰1,2, 赵赛帅1,2
1. 南京大学江苏省地理信息技术重点实验室,南京 210023
2. 南京大学地理与海洋科学学院,南京 210023
3. 南京大学中国南海研究协同创新中心,南京 210023
刘永学(1976-),男,教授,硕士生导师。Email:yongxue@nju.edu.cn

第一作者简介: 孙 超(1989-),男,硕士研究生, 研究方向为海洋遥感与GIS应用。Email:sunchaonju@yeah.net

摘要

南海地理位置重要,自然资源丰富。为维护南海领海主权与国家利益,需要加强对南海诸岛的有效管理与经营。南海海域热带风暴频发,热带风暴带来的灾害严重危害岛礁的经营建设和人民生命安全。以1977—2012年热带风暴数据为基础,通过缓冲区分析和空间拓扑分析等方法分析了南海海域及其岛礁近35 a来受热带风暴影响的状况及规律,以期为国家在经营管理南海诸岛时规避热带风暴灾害提供依据。研究结果表明: ①东沙群岛至中沙群岛一带洋面(18°N~21°N,116°E~122°E)是南海海域受热带风暴影响最频繁的地区; ②热带风暴对南海岛礁的影响主要集中在夏秋两季(6—11月); ③在南海诸岛中,东沙群岛受热带风暴影响最为严重,其次是中沙和西沙群岛,而南沙群岛受热带风暴的影响相对较小。

关键词: 南海岛礁; 热带风暴; 缓冲区分析; 空间拓扑分析
中图分类号:P732.3 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2014)03-0135-06 doi: 10.6046/gtzyyg.2014.03.22
An analysis of tropical storms impact on islands and reefs in the South China Sea in the past 35 years
SUN Chao1,2, LIU Yongxue3, LI Manchun1,2,3, CHEN Zhenjie1,2, ZHAO Saishuai1,2
1. Jiangsu Key Laboratory of Geographic Information Science and Technology, Nanjing University, Nanjing 210023, China
2. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China
3. Collaborative Innovation Center for the South China Sea Studies, Nanjing University, Nanjing 210023, China
Abstract

The South China Sea has crucial geographical value as well as rich natural resources. We should strengthen the management of islands and reefs in this region in order to maintain China’s ocean sovereignty and national interests. However, the South China Sea is an area where tropical storms take place frequently and the disasters resulting from these tropical storms seriously endanger people’s lives and islands management. The research was based on tropical storm data from 1977 to 2012. The authors analyzed conditions and regularity of tropical storms which affected the South China Sea, including its islands and reefs, in the past 35 years through the methods of buffer analysis and statistics of spatially topological relations, with the purpose of providing some foundations of avoiding disasters resulting from tropical storms during the implementation of the management of the islands and reefs in the South China Sea. Some conclusions have been reached: ① The region which is most frequently affected by tropical storms in the South China Sea is the ocean area (18°N~21°N,116°E~122°E) located from the Dongsha Islands to the Zhongsha Islands; ② Tropical storms which impact islands and reefs in the South China Sea mainly take place in summer and autumn (June to November); ③ Among islands and reefs in the South China Sea, the Dongsha Islands seem to be an area most severely affected by tropical storms, followed by the Zhongsha Islands and the Xisha Islands, with the Spratlys being less affected by tropical storms.

Keyword: islands and reefs in the South China Sea; tropical storm; buffer analysis; spatialtopological analysis
0 引言

南海及其所属岛屿是我国的神圣领土, 我国对之享有无可争辩的主权。南海素有“ 亚洲地中海” 之称, 是太平洋至印度洋的交通要道, 也是东亚通往南亚、中东、非洲及欧洲等地必经的重要航道[1]。此外, 南海生物、油气及矿产等资源丰富, 堪称第二个“ 波斯湾” [2]。近年来, 我国通过成立三沙市、开放西沙群岛旅游、加强执法船队在重点岛礁附近密集护航、护渔以及今后在南沙中南部海域划分油气合作区块对外招标等措施, 加强了对南海岛礁的管理与建设, 彰显了领海主权并维护了国家海疆利益[3]。然而, 南海及其周边海域热带风暴频发, 热带风暴登陆岛礁时往往带来狂风、暴雨及风暴潮等灾害, 严重危害着岛礁的经济建设与人民生命安全[4]。因此, 如何把握热带风暴的发生和变化特征, 以避免和减小我国在管理经营南海诸岛过程中所遭受的自然灾害损失, 是目前亟待解决的问题。

热带风暴是指中心附近最大风力达到8~9级(17.2~24.4 m/s)的热带气旋。根据近中心最大平均风速可将其划分为热带风暴(17.2~24.4 m/s)、强热带风暴(24.5~32.6 m/s)、台风(32.7~41.4 m/s)、强台风(41.5~50.9 m/s)和超强台风(> 50.9 m/s)5个等级[5]。目前, 针对南海海域热带风暴对我国的影响已开展过较多的研究, 然而相关研究大多利用热带风暴数据进行频次分布、年月际变化规律统计 [4, 6, 7, 8, 9, 10], 其结果往往不能真实反映热带风暴造成的区域性影响特征; 此外, 相关研究的应用领域多集中在热带风暴登陆后对我国内地的影响等方面[8, 11, 12, 13, 14], 而热带风暴对南海岛礁的影响尚未深入研究。基于此, 本文拟通过构建缓冲区来反映热带风暴的影响范围, 结合南海岛礁的空间分布特征, 探究近35 a来热带风暴对南海岛礁的时空影响规律, 以期为我国有关部门有效管理经营和建设南海岛礁, 防范热带风暴灾害提供依据。

1 研究区概况与数据源
1.1 研究区概况

南海北起我国广东、广西、福建和台湾4省, 南至曾母暗沙, 西邻中南半岛和马来半岛, 东邻菲律宾群岛, 海域面积约为3.56× 106 km2, 是世界第三大陆缘海。其东部经台湾海峡、巴士海峡等与太平洋相连, 南部经马六甲海峡等与印度洋相连, 是太平洋和印度洋间的航运要冲。南海包含287座已命名岛礁[15], 分属东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛和南沙群岛(图1)。南海由于紧邻热带气旋高发的西北太平洋, 热带风暴等灾害性天气频发。

图1 南海及其岛礁区位[15]Fig.1 Location of South China Sea and its islands and reefs[15]

1.2 数据源

1)热带风暴数据。数据来自日本数字台风网(http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/)。该网站提供了1977年以来历次西北太平洋热带气旋每6 h的经过时间、中心位置、最大风速及影响半径等数据。其中, 1977— 2012年南海海域范围内的热带气旋数据共4 903条, 本研究根据最大风速信息筛选出热带风暴及以上(风速大于17.2 m/s)数据2 280条。将以上数据整理转换后, 最终用到的参数包括热带风暴名称、经过时间(h)、中心位置(° )、中心最大风速(m/s)和影响半径(km)。

2)统计数据。采用的统计单元包括南海5'× 5'格网和南海岛礁2种。前者利用ArcGIS软件在-3° N~23° N, 99° E~123° E的范围内生成5'× 5'格网状矢量数据, 再利用南海范围进行掩模后获得; 后者利用海南省三沙市地图矢量化得到。用于统计的字段包括影响次数(影响时间)和月份等。

3)辅助数据。①南海周边地区的数字高程模型数据(ASTER GDEM, 空间分辨率30 m), 用于南海周边陆地地形的构建; ②南海周边各国行政区划、海岸线等矢量数据, 来源于全球行政区划网站; ③南海水深数据来源于英国海洋数据中心(British Oceanographic Data Center, BODC)的栅格数据GEBCO_08 Grid。

2 研究方法

热带风暴的影响不仅表现在中心区域的风速, 还体现在影响的范围与时长。为此, 本研究基于1977— 2012年南海海域热带风暴数据, 首先构建各热带风暴影响范围缓冲区并与南海海域格网数据进行空间拓扑分析, 获得其在南海海域的分布频次; 然后结合各热带风暴的移动速度、移动路径及影响半径, 计算出各热带风暴每小时的影响范围, 与岛礁数据进行空间拓扑分析, 获得热带风暴对岛礁的影响时长, 从而得出近35 a热带风暴对南海海域及各岛礁的时空影响规律。具体流程如图2所示。

图2 研究技术流程Fig.2 Research technical processes

2.1 热带风暴影响范围的构建

在热带风暴移动过程中, 其速度是不断变化的, 在某一区域停留的时长亦不相同, 停留越长, 所造成的灾害越严重。本研究结合各热带风暴的每6 h中心点位置和影响半径, 计算其移动速度, 绘制其每小时的影响范围, 从而估算出热带风暴对某一区域的影响时长。该方法假定在6 h间隔内, 热带风暴的移动路径为直线且影响半径呈线性变化, 即

xi=x1-x2ni+x1yi=y1-y2ni+y1Ri=R1-R2ni+R1, (1)

式中: x1, y1, R1x2, y2, R2分别为一次热带风暴中2个连续的中心点位置(时间间隔6 h)和影响半径; xi, yi, Ri为2点间的第i个插值点的位置和半径(i=1, 2, …, n-1); n为需加密点的个数(研究中n取5, 即加密间隔为1 h)。

对时间加密后的数据点构建宽度线性变化的缓冲区如图3所示。

图3 1 h内热带风暴缓冲区的生成Fig.3 Buffer generation of tropical storms in 1 h

图3B点是A点1 h后的位置。在生成缓冲区过程中, 主要计算缓冲区结点1~4的坐标, 点1和点2的坐标通过式(2)计算, 即

yAyB, 则

x1=xA-RA1+k2, y1=yA+kRA1+k2x2=xA+RA1+k2, y2=yA-kRA1+k2, k= xB-xAyB-yA≤ 0

x1=xA+RA1+k2, y1=yA-kRA1+k2x2=xA-RA1+k2, y2=yA+kRA1+k2, k= xB-xAyB-yA> 0

式中: (xA, yA), RA和(xB, yB)分别是A点坐标、影响半径和B点坐标; (x1, y1)和(x2, y2)分别是求解出的点1和点2的坐标。同理得点3和点4的坐标。在弧段构建过程中, 若xB< xA, 则点1到点2的弧段为逆时针方向, 反之为顺时针方向; 点4到点3弧段方向与点1到点2弧段的方向相同。按照点1, 2, 4, 3, 1的顺序依次连接各弧段(线段), 即得到1 h内热带风暴影响范围缓冲区。

通过将热带风暴在各个时间段的影响范围叠加和合并, 便可得到热带风暴对不同区域的影响时长与总影响范围(图4)。

图4 热带风暴“ 山神” 影响时长及总影响范围的构建Fig.4 Construction of impact time and range of tropical storm SON-TINH

以2012年热带风暴“ 山神” (SON-TINH, 2012年10月24日18时至29日0时)为例, 图4(a)为“ 山神” 在102 h内每小时的影响范围, 图4(b)为“ 山神” 对南海及其周边不同区域的影响时间, 将其每小时的影响范围合并后可得“ 山神” 总的影响范围(图4c)。具体而言, 其在25日1时起影响中沙群岛, 对黄岩岛影响时长33 h; 在25日23时后, 开始影响西沙群岛, 对永兴岛影响时长36 h。

2.2 空间拓扑关系的分析与统计

在ArcGIS Engine中, 空间拓扑关系包括包含、穿过、相离、相等、交叠、相接以及被包含等。对于岛礁数据(点), 当其受到热带风暴影响时, 两者的拓扑关系包括相接和被包含; 对于5'× 5'的格网数据(多边形), 当其受到热带风暴影响时, 两者的拓扑关系包括重叠、相接和被包含。将热带风暴影响范围数据分别与岛礁数据、格网数据进行拓扑分析, 当受热带风暴影响时, 对岛礁和格网数据中的影响次数、影响时间和相应月份字段的值进行累加, 即可得到热带风暴对南海海域及其岛礁的影响分布和月际变化规律。

3 结果与分析
3.1 影响频次分析

研究统计了1977— 2012年404次影响南海海域热带风暴数据, 并按5'× 5'格网逐一与各个热带风暴总影响范围数据进行空间拓扑关系的判断和统计, 得到南海海域热带风暴影响频次分布(图5)。

图5 南海热带风暴影响频次图(1977— 2012年)Fig.5 Impact frequency of tropical storms in South China Sea (1977— 2012)

热带风暴影响最频繁的区域在东沙群岛至中沙群岛一带海域(18° N~21° N, 116° E~122° E), 1977— 2012年35 a间共受到了170余次热带风暴影响; 以该海域为中心, 热带风暴影响频数向西、向南呈辐射状递减。从图5可以看出: 东沙群岛和中沙群岛东北部受热带风暴影响较为严重, 年均4.2次; 中沙群岛年均3.8次; 西沙群岛年均3.5次; 南沙群岛受热带风暴影响较小(年均0.7次), 北部部分岛礁年均约1次, 南沙群岛南部的曾母暗沙海域基本不受热带风暴影响。

3.2 影响时间分析

分析1977— 2012年404次热带风暴数据, 得近35 a来南海海域受到热带风暴的总影响时间长为27 120 h, 年均775 h。将南海海域岛礁数据与热带风暴每小时影响范围数据进行空间拓扑分析和统计, 可得热带风暴对南海部分岛礁影响时长(表1)。

表1 热带风暴对南海部分岛礁影响累积时间统计(1977— 2012年) Tab.1 Time accumulated statistics of parts of islands and reefs impacted by tropical storms in South China Sea (1977— 2012)

表1可以看出, 1977— 2012年的35 a间受热带风暴影响时间较长的有东沙群岛、中沙群岛和西沙群岛, 南沙群岛受影响时间较短。从各岛礁受影响的时间及位置来看, 东沙群岛的各岛礁排名靠前, 位于其东部的东沙礁和东沙岛所受影响最严重; 中沙群岛中排名靠前的岛礁主要位于其东北部; 西沙群岛东北部岛礁(西渡滩、东岛、高尖石等)所受影响较严重; 在南沙群岛中, 北部岛礁较南部岛礁更易受热带风暴影响。按月统计各群岛累计受影响时长, 计算其占全年的比例(图6)。

图6 热带风暴对南海群岛的影响统计Fig.6 Statistics of islands impacted by tropical storms in South China Sea

图6可知, 1— 3月南海岛礁基本上不受热带风暴影响; 从4月起, 受影响时长逐月递增, 到10月份达到最高; 此后影响时长逐月锐减。在夏(6— 8月)、秋(9— 11月)两季热带风暴的影响时长占到全年95%以上。此外, 热带风暴影响时长有着较为明显的时空分异特征: 从各月份受影响时间占全年比例来看, 东沙群岛在8月份达到最高, 并以8月份为中心成近似正态分布; 中沙群岛和西沙群岛变化趋势类似, 影响时长从4月份开始递增, 到10月份达到最大, 之后锐减; 南沙群岛在夏季基本上不受影响, 主要影响时间段为10— 12月, 其中11月份最为严重。

4 结论与讨论
4.1 结论

1)南海的东沙群岛至中沙群岛一带洋面受热带风暴影响最为频繁。热带风暴影响频率以此为中心, 向西向南呈辐射状递减。南沙群岛南端海域, 基本上不受热带风暴的影响。

2)南海4个群岛中, 东沙群岛受热带风暴影响最严重, 其次是中沙群岛和西沙群岛, 南沙群岛受到影响较小。东沙东部、中沙北部和东北部、西沙东北部和南沙北部的岛礁分别是在各个群岛中受热带风暴影响较频繁的区域。

3)南海岛礁受热带风暴影响季节性明显, 夏秋两季受到的影响较为频繁, 在1— 3月影响很小。受各群岛地理位置差异的影响, 东沙群岛受热带风暴影响集中在6— 10月, 中沙和西沙群岛是7— 11月, 而南沙群岛则在10— 12月。

4.2 讨论

在夏秋两季经营管理我国东沙、中沙和西沙群岛时, 要特别注意对热带风暴灾害的预警与防范; 对南沙群岛要注意在10— 12月对热带风暴灾害的防范。同时, 建议相关部门对东沙东部、中沙北部和东北部以及西沙东北部受热带风暴影响频繁的岛礁采取相应的防范与减灾措施。

本文提出的方法和研究结果, 可为预警和减轻热带风暴或台风对南海海上航行、渔业生产、资源勘查、科学考察、岛礁基础设施建设等的影响提供重要参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 吕晓伟. 南海争端的现状、原因及对策[J]. 当代社科视野, 2009(7/8): 75-80.
Lv X W. The status, reasons and solutions of South China Sea disputes[J]. Contemporary Social Science Perspective, 2009(7/8): 75-80. [本文引用:1]
[2] 安应民. 论南海争议区域油气资源共同开发的模式选择[J]. 当代亚太, 2011(6): 123-140.
An Y M. A discussion of possible models for joint development of gas and oil resources in contested waters in the South China Sea[J]. Journal of Contemporary Asia-Pacific Studies, 2011(6): 123-140. [本文引用:1] [CJCR: 0.726]
[3] 王佩云. 中国南海油气开发与主权维护[J]. 国际石油经济, 2012, 20(10): 1-4.
Wang P Y. China’s exploitation of oil and gas in the South China Sea and defense of its sovereignty[J]. International Petroleum Economics, 2012, 20(10): 1-4. [本文引用:1] [CJCR: 0.4587]
[4] 王金博, 钱维宏. 半个世纪来热带海洋风暴对中国大陆的影响[J]. 地球物理学报, 2005, 48(5): 992-999.
Wang J B, Qian W H. Statistic analysis of tropical cyclone impact on the China mainland during the last half century[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2005, 48(5): 992-999. [本文引用:2]
[5] 张锐锐. 热带气旋新划分等级标准及相关术语[J]. 中国科技术语, 2007(2): 56.
Zhang R R. New division level stand ards and related terms of tropical cyclone[J]. China Technological Term, 2007(2): 56. [本文引用:1]
[6] 李春晖, 刘春霞, 程正泉. 近50年南海热带气旋时空分布特征及其海洋影响因子[J]. 热带气象学报, 2007, 23(4): 341-347.
Li C H, Liu C X, Cheng Z Q. The characteristics of temporal and spatial distribution of tropical cyclone frequencies over the South China Sea and its affecting oceanic factors in the past 50 years[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2007, 23(4): 341-347. [本文引用:1] [CJCR: 1.371]
[7] 陈世荣. 西北太平洋的热带风暴源地[J]. 气象, 1990, 16(2): 23-26, 27.
Chen S R. Source regions of tropical storms over northwest Pacific Ocean[J]. Meteorological Monthly, 1990, 16(2): 23-26, 27. [本文引用:1] [CJCR: 1.156]
[8] 周国良, 张建云, 岳智慧. 西北太平洋热带风暴活动及其影响[J]. 水科学进展, 1999, 10(4): 399-404.
Zhou G L, Zhang J Y, Yue Z H. Tropical storms in the North-west Pacific and its effect[J]. Advances in Water Science, 1999, 10(4): 399-404. [本文引用:2] [CJCR: 1.23]
[9] 钱维宏, 张欣, 王彰贵. 亚洲热带边缘海近20年热带风暴生成纬度与海温变化的趋势分析[J]. 自然科学进展, 2008, 18(6): 711-715.
Qian W H, Zhang X, Wang Z G. Tendency analysis of latitude and SST changes of tropical storms generation on Asian tropical edge sea in recent 20 years[J]. Progress in Natural Science, 2008, 18(6): 711-715. [本文引用:1] [CJCR: 0.854]
[10] Zuki Z M, Lupo A R. Interannual variability of tropical cyclone activity in the southern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research, 2008, 113(D6): 1-14. [本文引用:1]
[11] 李英, 陈联寿, 张胜军. 登陆我国热带气旋的统计特征[J]. 热带气象学报, 2004, 20(1): 14-23.
Li Y, Chen L S, Zhang S J. Statistical characteristics of tropical cyclone making land falls on China[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2004, 20(1): 14-23. [本文引用:1] [CJCR: 1.371]
[12] 乐群, 董谢琼, 马开玉. 西北太平洋台风活动和中国沿海登陆台风暴雨及大风的气候特征[J]. 南京大学学报: 自然科学版, 2000, 36(6): 741-749.
Yue Q, Dong X Q, Ma K Y. Climatic characteristics of northwestern Pacific typhoon activity and Chinese coastal land fall typhoon rain and gale[J]. Journal of Nanjing University: Natural Sciences, 2000, 36(6): 741-749. [本文引用:1] [CJCR: 0.78]
[13] 杨秋明, 钱玮, 李熠, . 登陆中国热带风暴年际和年代际变化及其与全球大尺度环流的相关[J]. 气候变化研究进展, 2011, 7(4): 243-247.
Yang Q M, Qian W, Li Y, et al. Principal time modes of the interannual and decadal variations of land fall tropical storm number in China and their relationships to the global large scale circulation[J]. Advances in Climate Change Research, 2011, 7(4): 243-247. [本文引用:1] [CJCR: 1.3396]
[14] Marco G, Yizhou Y, Yong L, et al. Tropical cyclones in China: County-based analysis of land falls and economic losses in Fujian Province[J]. Quaternary International, 2011, 244(2): 169-177. [本文引用:1] [JCR: 1.962]
[15] 中国地名委员会受权公布我国南海诸岛部分标准地名[R]. 北京中华人民共和国国务院公报, 1983(10): 452-463.
Chinese names committee is authorized to announce stand ard names of parts of island s and reefs in South China Sea[R]. Beijing: Gazette of the State Council of the People’s Republic of China, 1983(10): 452-463. [本文引用:1]
[16] Paul A Z. Exposure of US counties to Atlantic tropical storms and hurricanes, 1851-2003[J]. Natural Hazards, 2009, 48(1): 83-99. [本文引用:1] [JCR: 1.639]
[17] 张文艺. GIS缓冲区和叠加分析[D]. 湖南: 中南大学, 2007.
Zhang W Y. Buffer analysis and overlay analysis in GIS[D]. Hunan: Central South University, 2007. [本文引用:1]
[18] 毋河海. 关于GIS缓冲区的建立问题[J]. 武汉测绘科技大学学报, 1997, 22(4): 358-366.
Wu H H. Problem of buffer zone construction in GIS[J]. Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 1997, 22(4): 358-366. [本文引用:1]
[19] 陈学工, 张文艺, 张驰伟, . 一种GIS缓冲区矢量生成算法及实现[J]. 计算机技术与发展, 2007, 17(3): 13-15.
Chen X G, Zhang W Y, Zhang C W, et al. Buffer vector creation algorithm and its implementation in GIS[J]. Computer Technology and Development, 2007, 17(3): 13-15. [本文引用:1] [CJCR: 0.74]