Storm surge

Japanese: 高潮 - たかしお（英語表記）storm surge

A phenomenon in which sea levels rise abnormally due to a drop in atmospheric pressure and strong winds caused by typhoons and other events. In the past, it was also called a storm tsunami, wind tsunami, or meteotsunami. Although it is written with the same kanji as "high tide," which means high tide, it is a different phenomenon.

[Masami Okada]

Cause

When a typhoon or other significant low pressure system approaches and the atmospheric pressure drops significantly, a force that sucks up the sea surface by 1 centimeter per hectopascal acts. In addition, when strong winds blow seawater toward the coast, the tide level rises. The wind's drift effect is roughly inversely proportional to the depth of the ocean, and increases with the distance the wind blows. For this reason, the wind effect is significant on wide continental shelves and in the depths of long, shallow bays, making it easy for large storm surges to occur. While tsunamis caused by earthquakes cause repeated up and down movements of the sea level, the overall change in tide level caused by storm surges is solitary wave-like. However, they can induce seiches on the continental shelf or in bays, sometimes accompanied by significant vibrations. When large waves wash ashore in areas facing the open sea, they can break near the shoreline, causing seawater to run up, which can also cause the tide level to rise.

As typhoons move northward near Japan, southerly storms often become stronger on the eastern side of their path, making large storm surges likely to occur in shallow, south-facing bays such as Osaka Bay, Ise Bay, Tokyo Bay, and Ariake Sea. Twenty typhoons between 1900 (Meiji 33) and 2010 (Heisei 22) caused storm surges of two meters or more, 12 of which occurred in these bays. Four such surges occurred on Hachijojima Island, but it is thought that a significant portion of these were due to rising tide levels near the coast caused by high waves.

The Ise Bay Typhoon of 1959 (Showa 34) was extremely powerful, and as its center passed just west of Ise Bay, it caused a very large storm surge in Ise Bay and Mikawa Bay. In Nagoya Port, the tide rose 3.4 meters above normal. This caused levees to break in various places, flooding a wide area of the coast, and in low areas the water did not subside for more than a month. The death toll from this storm surge reached approximately 4,000, making it a record-breaking disaster. The Muroto Typhoon of 1934 (Showa 9) struck the Hanshin area hard, causing a large storm surge in Osaka Bay, and the death toll reached 1,888. In addition, in 1999 (Heisei 11), 13 people died due to a storm surge in the Yatsushiro Sea (Kumamoto Prefecture). On the other hand, there are also cases where the tide rose more than 2 meters above normal, but the peak of the storm surge was close to low tide, and there was almost no damage. Furthermore, storm surges caused by normal low pressure systems (temperate cyclones) are less than 2 meters along the coast of Japan and do not cause any major damage.

In other countries, large storm surges occur in areas hit by tropical cyclones and in areas with widely developed continental shelves. Large storm surges can occur along the southeastern coast of the United States, where hurricanes strike, and along the coast of the Bay of Bengal, where cyclones strike. Hurricane Katrina, which struck the Gulf of Mexico in 2005, caused a storm surge of up to 8 meters, leaving 1,971 people dead or missing in New Orleans and other cities. In Bangladesh, a cyclone in 1991 caused a storm surge of about 6 meters to reach inland areas, killing more than 138,000 people. The coasts of the North Sea and the Baltic Sea are known to cause large storm surges of 2 to 3 meters due to developed cyclones.

[Masami Okada]

Forecast and Countermeasures

When a typhoon approaches, storm surges are forecast, and if there is a risk of damage, the meteorological observatory issues a storm surge warning or advisory. The height is predicted through numerical simulation (numerical calculation) using forecasts of the typhoon's path and strength. As path forecasts involve a certain degree of uncertainty, simulations are carried out for several cases, and storm surge warnings are issued based on these. When it is difficult to simulate a storm surge, the following empirical formula is used.

h = a^・ΔP + bV 2 cosθ
Here, h is the maximum height of the storm surge, ΔP and V are the maximum pressure drop and wind speed expected in the port, θ is the angle between the strongest wind direction and the direction of the bay, and a and b are constants determined from past observation data. This formula is simple and quite accurate for the inner part of a long, narrow bay. However, in waters with complex topography such as the Seto Inland Sea, it is necessary to take into account not only the local weather but also the effects of wider weather conditions.

Storm surge warnings and advisories are issued when the expected tide level, calculated by adding the height of the storm surge to the normal tide level, exceeds a certain level, allowing sufficient time for countermeasures to be taken. Once flooding due to storm surges and high waves begins, it is dangerous and difficult to move around outdoors. In particular, if a levee breaks, seawater will enter with great force and cause great destructive damage. Therefore, when a typhoon is approaching, it is important to pay constant attention to typhoon information on television and other sources, and if there is a risk of flooding, to follow advice from local governments and others and evacuate to a safe place as soon as possible. In particular, if the center of the typhoon passes just west of the bay at high tide, the tide level will be extremely high, so strict caution is required.

As a permanent measure against high tides, seawalls and floodgates have been constructed in various places. During high tides, the floodgates are usually closed to prevent backflow from the sea, and the water on the land side is often pumped out. In major ports such as Tokyo Port, the facilities are designed assuming a large typhoon of the Ise Bay class.

When major damage occurs, the conditions of the storm surge are clarified through on-site surveys, etc. In research into the mechanism of storm surges, many experiments (simulations) are conducted to numerically reproduce storm surges by modeling the distribution of typhoon pressure and wind. In these experiments, calculations are made using actual water depth distribution to investigate the height of the sea surface and the movement of seawater. As it is possible to estimate the height of a storm surge even for a hypothetical large typhoon, the results of the simulations are often used when designing seawalls and other structures.

[Masami Okada]

"Tsunamis, storm surges and marine disasters" edited by Wadachi Kiyoo (1970, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "Prediction and disaster prevention of coastal disasters - How to prepare for tsunamis and storm surges" edited by Takahashi Hiroshi, Takeda Atsushi, Tanimoto Katsutoshi, Toji Yoshinobu and Isozaki Ichiro (1988, Hakua Shobo)" ▽ "Storm surges along continental shelves - theory and reality" by Nakamura Shigehisa (1994, Kindai Bungeisha) ▽ "Understanding and preventing natural disasters" 2nd edition by Oya Masahiko, Kinoshita Takeo, Wakamatsu Kazue, Hatori Tokutarou and Ishii Yumio (1996, Kokin Shoin)" ▽ "An introduction to natural disasters: earthquakes, storm surges and landslides" by Shioda Osamu (1998, Shinpusha)" ▽ "Coastal engineering" by Hirayama Hideo, Tsujimoto Gozo, Shimada Fumio and Honda Naomasa (2003, Corona Publishing)" ▽ "Research on Storm Surge: Its Examples and Mechanisms" by Masae Miyazaki (2003, Seizando Shoten)

Storm surge records from the Ise Bay Typhoon in Nagoya Port
©Shogakukan ">

Storm surge records from the Ise Bay Typhoon in Nagoya Port

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

台風などに伴う気圧降下と強風によって海面が異常に上昇する現象。過去には暴風津波、風津波(かぜつなみ)、気象津波ともよばれた。潮汐(ちょうせき)の満潮を意味することば「高潮(こうちょう)」とは、同じ漢字だが別の現象である。

［岡田正実］

成因

台風など顕著な低気圧が近づき、気圧が大きく下降すると、1ヘクトパスカルにつき1センチメートル海面を吸い上げる力が作用する。また、強風によって海水が沿岸に吹き寄せられると、潮位が高くなる。風の吹き寄せ効果は海の深さにほぼ反比例し、風の吹送距離とともに増大する。このため、幅広い陸棚や浅くて長い湾の奥では風の効果が著しく、大きな高潮が発生しやすい。地震による津波が海面の上下動を繰り返すのに対し、高潮の潮位変化は全体として孤立波的である。しかし、陸棚や湾内でセイシュを誘発し、顕著な振動を伴うこともある。外海に面した場所で、大きな波浪が打ち寄せると、汀線(ていせん)近くで砕け、海水が遡上(そじょう)することに伴う潮位上昇も考えられる。

　日本付近では、台風の北上に伴い、進路の東側で南寄りの暴風が強くなることが多いため、大阪湾、伊勢湾(いせわん)、東京湾、有明海(ありあけかい)など、南向きの浅くて細長い湾で大きな高潮が発生しやすい。高さが2メートル以上の高潮は、1900年（明治33）から2010年（平成22）の間に台風によって20回発生したが、うち12回がこれらの湾で発生している。八丈島(はちじょうじま)では4回発生したが、波浪による海岸付近の潮位上昇がかなりの部分を占めていると考えられる。

　1959年（昭和34）の伊勢湾台風はきわめて強大で、中心が伊勢湾のすぐ西側を通過したため、伊勢湾・三河湾(みかわわん)で非常に大きな高潮が発生した。名古屋港では平常より3.4メートルも潮位が上昇した。このため、各地で堤防が決壊して広範な沿岸地域に浸水し、低い所では1か月以上も水が引かなかった。この高潮による死者は約4000人にも達し、記録的な大災害となった。1934年（昭和9）の室戸台風(むろとたいふう)は阪神地区を激しく襲い、大阪湾で大きな高潮を起こし、死者は1888人に上った。また、1999年（平成11）には八代海(やつしろかい)（熊本県）で発生した高潮のため13人が亡くなっている。一方、平常より2メートル以上高くなっても、高潮のピークが干潮時に近く、被害がほとんどなかった例もある。なお通常の低気圧（温帯低気圧）による高潮は、日本沿岸では2メートル以下であり、大きな被害は生じない。

　諸外国では、熱帯低気圧の襲来する地域や、大陸棚が広く発達した地域で大きな高潮が発生する。ハリケーンが襲来するアメリカ南東部沿岸、サイクロンが襲来するベンガル湾沿岸では大きな高潮が発生することがある。2005年にメキシコ湾岸を襲ったハリケーン・カトリーナでは、最高8メートルの高潮が発生し、ニュー・オーリンズ市などで1971名の死者・行方不明者があった。バングラデシュでは、1991年のサイクロンで6メートルほどの高潮が内陸部にまで達し、13万8000人以上が死亡したとされている。北海、バルト海沿岸は、発達した低気圧によって2～3メートルの大きな高潮が発生することで知られている。

［岡田正実］

予報と対策

台風が近づくと高潮の予報が行われ、被害の発生するおそれがある場合は、気象台から高潮警報または注意報が発表される。高さの予測は、台風の進路や強度などの予報を使って、数値シミュレーション（数値計算）で行われる。進路予報には、ある程度の不確実性が伴うので、いくつかの場合についてシミュレーションを実施し、それらに基づいて高潮の予警報が行われている。高潮のシミュレーションが困難な場合には、次のような実験式が用いられる。

　　h＝a・ΔP＋bV²cosθ
ここで、hは高潮の最大の高さ、ΔP、Vは港湾で予想される最大の気圧降下と風速、θは最強の風向と湾の向きとの角度、a、bは過去の観測資料から求められた定数である。この式は簡便で、細長い湾の奥などではかなり精度がよい。しかし、瀬戸内海など複雑な地形の海域では、現地の気象だけでなく、広範な気象の影響も考慮する必要がある。

　高潮警報・注意報は、平常の潮位に高潮の高さを加えた予想潮位が一定の基準より高くなるときに、対策に要する時間的余裕をもって発表される。高潮・高波による浸水が始まってから屋外を移動することは危険で困難である。とくに堤防などが決壊した場合、海水は非常に強い勢いで進入し、大きな破壊力を示す。したがって、台風が近づいたときはテレビなどの台風情報に絶えず注意し、浸水のおそれがある場合は、自治体などの勧告に従って、安全な場所へ早めに避難することがたいせつである。とくに台風の中心が湾のすぐ西側を満潮時に通過すると、潮位が非常に高くなるので、厳重な警戒が必要である。

　恒久的な高潮対策として、各地に防潮堤、水門がつくられている。高潮時には、海からの逆流を防ぐため水門を閉鎖し、陸側の水をポンプで排水する方式が多い。東京港など主要な港湾では、伊勢湾台風クラスの大型台風を想定して施設が設計されている。

　大きな被害が発生すると、現地調査などで高潮の状況が解明される。発生機構の研究として、台風の気圧・風の分布をモデル化して与え、高潮を数値的に再現する実験（シミュレーション）が多く行われている。その際は、実際の水深分布を用いて計算し、海面の高さや海水の運動のようすを調べる。仮想的な大型台風に対しても高潮の高さを推定することができるので、防潮堤などの設計の際にシミュレーションの結果がよく利用される。

［岡田正実］

『和達清夫編『津波・高潮・海洋災害』（1970・共立出版）』▽『高橋博・竹田厚・谷本勝利・都司嘉宣・磯崎一郎編『沿岸災害の予知と防災――津波・高潮にどう備えるか』（1988・白亜書房）』▽『中村重久著『陸棚沿岸の高潮――理論と実態』（1994・近代文芸社）』▽『大矢雅彦・木下武雄・若松加寿江・羽鳥徳太郎・石井弓夫著『自然災害を知る・防ぐ』第2版（1996・古今書院）』▽『塩田修著『地震・高潮・山崩れ　自然災害入門』（1998・新風舎）』▽『平山秀夫・辻本剛三・島田富美男・本田尚正著『海岸工学』（2003・コロナ社）』▽『宮崎正衛著『高潮の研究――その実例とメカニズム』（2003・成山堂書店）』