渤海灣一次多站暴風雨特征分析與預(yù)報

自然災(zāi)害災(zāi)害頻繁渤海灣是一個以福建河口和黃河口為邊界的海灣。它三面環(huán)海，東面與渤海相連。冬季常受北方冷空氣侵襲,春、夏、秋季會有蒙古氣旋、熱帶氣旋、溫帶氣旋的影響,常常出現(xiàn)災(zāi)害性強陣風天氣。災(zāi)害性大風對樓宇及大橋的結(jié)構(gòu)性設(shè)計、海上施工、港口作業(yè)等會造成極大的危害;強風也是渤海海難事故頻發(fā)的重要原因之一。辛寶恒等1蒙古冷高壓東移與淮氣旋北風場渤海灣系統(tǒng)性大風主要有3類:(1)蒙古冷高壓配合冷鋒東移、南下,在冷鋒后產(chǎn)生西北或東北大風,此類大風主要出現(xiàn)在冬季(圖1a)。(2)蒙古低渦發(fā)展東移、南下,低渦前產(chǎn)生偏南大風和低渦后產(chǎn)生的西北大風,此類大風主要出現(xiàn)在春季(圖1b);(3)蒙古冷高壓東移與江淮氣旋北上相結(jié)合產(chǎn)生東北大風,主要出現(xiàn)在秋末、春初的季節(jié),此類大風風力最大,破壞性最強(圖1c)。據(jù)最近10年(2002—2011年)的統(tǒng)計可知,渤海海面大于8級以上的強風共640次;冬季206次,西北風最多達51%,其次東北風達26%,北風為20%。春季161次,東北風最多達50%,其次西北風達20%,北風為10%,偏南風達20%。秋季214次,東北風最多達46%,其次西北風達27%,北風為17%,偏南風達10%。大于10級的強風出現(xiàn)在11月,是冷空氣南下與江淮氣旋北上共同作用形成的。夏季還有強對流產(chǎn)生的短時雷雨大風,此類大風另有研究,本文主要研究系統(tǒng)性大風。2大風的年際變化、年變化和月變化以塘沽站(39°03′N、117°43′E)的氣象資料代表渤海灣沿岸氣象資料;A平臺即54646站(38°27′N、N118°25′E)的氣象資料代表渤海灣海面氣象資料。利用24年的大風日數(shù),分析渤海灣大風的年際變化、年變化和月變化。利用以上兩個站最近10年的大風日數(shù),分析大風風級頻率。根據(jù)大風路徑下墊面的不同(海面、陸面),把大風風向由東北風順時針到東南風定義為下墊面為海面的海風,其他風向定義為下墊面為陸面的陸風,如圖2所示。以一日中出現(xiàn)強陣風即極大風速大于等于17m/s定義為一個大風日。分別選出海岸塘沽站和海面A平臺站大風日的01:00—24:00的日最大風速、日極大風速和日期,利用2005年1月1日至2010年12月30日資料,根據(jù)不同的風向分別建立海風和陸風回歸方程。3海洋風暴的氣候特征由于A平臺(54646站)資料開始于1988年,因此統(tǒng)計分析最近24年海面A平臺和海岸塘沽站災(zāi)害性大風變化。3.1年—海陸大風的年、月際變化如圖3所示,塘沽站強風風速大于等于17m/s的大風日數(shù)共有412天,逐年大風日數(shù)呈震蕩減小走勢;1990年最多出現(xiàn)66次,之后震蕩減少,2001年以后大風日減少加速,2005—2011年每年大風日數(shù)都小于10天,2011年僅出現(xiàn)1次系統(tǒng)性災(zāi)害大風。近幾年海岸大風驟減的原因是渤海灣沿岸高樓迅速增加和氣候變暖所致。渤海灣海面A平臺(54646站)強風風速大于等于17m/s的大風日數(shù)共有1300天;1988—1997年每年強風日數(shù)在80~95天之間;1998—2002年每年強風日數(shù)在95~113天之間,屬于大風多發(fā)年;2002年以后強風日數(shù)逐年減少,2010年略有增加,2011年又迅速減少,僅出現(xiàn)42天災(zāi)害性強風。從強風日數(shù)可以看出海面A平臺站是海岸塘沽站的6倍以上,這是因為A平臺觀測高度較高,且下墊面摩擦小,另外海面空曠建筑物和遮擋物較少的緣故。綜合分析發(fā)現(xiàn),海面站和海岸站強風日數(shù)都呈波動減少趨勢。氣候變暖,冷空氣活動頻次、強度相對減少、減弱等,是強風日數(shù)減少的主要原因之一。從圖4塘沽站、A平臺強風月分布可知,塘沽4月最多為70天,占塘沽強風總數(shù)的17%;5月、11月次之為55天和54天,各占塘沽強風總數(shù)的13%;第3是12月為45天,占塘沽強風總數(shù)的11%。A平臺11月最多為156天,占A平臺強風總數(shù)的12%;3月、4月次之為129天和131天,各占A平臺強風總數(shù)的10%左右。第3是12月為126天,占A平臺強風總數(shù)的9%。渤海灣海岸強風主要在春季4—5月和冬季11—12月;6—9月大風明顯減少,只占塘沽強風總數(shù)30%;且強對流產(chǎn)生的短時大風較多,占6—9月強風總數(shù)的43%。渤海灣海面強風主要出現(xiàn)在春季3—5月和10—12月,6—9月渤海海面強風較少,只占A平臺強風總數(shù)22%;強對流產(chǎn)生的短時大風占6-9月強風總數(shù)的28%。因此渤海灣大于17m/s的強風是以冷空氣、氣旋影響為主的系統(tǒng)性大風。3.2系統(tǒng)性強分析2003—2010年8年間塘沽站7級(17.0~17.1m/s)強風占33%,8級(17.2~20.4m/s)強風最多占59%,9級(20.5~24.4m/s)強風占5%,10級(24.5~28.4m/s)強風只占3%。2005—2010年6年間A平臺7級(17.0~17.1m/s)風占17%,8級(17.2~20.4m/s)強風最多占50%,9級(20.5~24.4m/s)強風占23%,10級(24.5~28.4m/s)強風占8%,11級(28.5~32.6m/s)強風占2%。由分析可以看出塘沽站系統(tǒng)性強風主要在17.0~20.4m/s之間,即8級左右。達到9級和10級的很少。A平臺系統(tǒng)性強風主要在8級到9級之間,11級強風日數(shù)迅速減少。4大尺度風速模型強陣風風速是大尺度風速、湍流及邊界層穩(wěn)定度的函數(shù),其中與大尺度風速的線性相關(guān)最為明顯。因此,利用平均風速以線性回歸方法近似預(yù)測除強對流天氣系統(tǒng)以外的天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的最大強陣風風速。4.1強陣風日選取取海面代表站(A平臺)與海岸陸地代表站(塘沽)每小時最大風速均大于等于13.8m/s(10min平均風速)持續(xù)3h以上和日極大風速大于等于17.0m/s為一個強陣風日;在2005年1月至2010年12月共6年資料中選出強陣風日,A平臺360個,塘沽站55個,并選出強陣風日出現(xiàn)日期、時間和該日最大風速。鑒于影響強陣風風速的主要因子的湍流、邊界層穩(wěn)定度、下墊面粗糙度等因子,它們在不同下墊面上,海洋和陸地具有明顯的差異;其離岸風和向岸風在經(jīng)過測站前所受下墊面影響是不同的。故本文將海上(以海洋石油A平臺為代表)和陸地(以塘沽測站為代表)的大風過程按風向分類挑取;A平臺大風風向范圍在NE—SE為海風的樣本數(shù)為127個,其他為陸風233個。塘沽站大風風向范圍在NE—SE海風的樣本數(shù)為13個,其他為陸風42個。4.2海、陸風線性相關(guān)程度以每日最大10min平均風速為自變量x由表1的相關(guān)系數(shù)可以看出,極大風速與當日最大10min平均風速的海、陸風線性相關(guān)程度,A平臺為88%~91%,高于海岸65%~79%;這是由于下墊面粗糙度不同造成的摩擦力不同,從而形成了近地面層海、陸風預(yù)報方程相關(guān)系數(shù)的差異。一般情況下,陸地粗糙度遠大于海上。受地面不規(guī)則摩擦的影響海面線性相關(guān)程度大于海岸,海風的線性相關(guān)程度大于陸風。4.3計算值與實例值絕對誤差用2011—2012年海面A平臺、2005—2011年海岸大港站資料驗證預(yù)報方程。在實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中,若規(guī)定計算值與實況值絕對誤差小于2m/s為正確,則A平臺海風(NE—SE)準確率為94%、陸風(SSE—NNE)準確率為93%。在陸地上若規(guī)定實況值與計算值絕對誤差小于3m/s為正確,則海風(NE—SE)準確率為75%,陸風(SSE—NNE)準確率為82%。4.4訂正大風值,風速保證利用2011年8月至2012年12月的WRF對海面大風逐時數(shù)值預(yù)報(大于17m/s的大風,共1104時次),其中海風138個時次,陸風182個時次。對海面大風的預(yù)報值與實況值進行比較,計算結(jié)果是:海面陸風,7級大風的實況值比預(yù)報值平均大2.0m/s,8級大風的實況值比預(yù)報值平均大4.0m/s,9級以上大風的實況值比預(yù)報值平均大5.0m/s;海面海風,7~8級以上大風的實況值比預(yù)報值小2.0m/s,9級以上大風的實況值比預(yù)報值小3.0m/s;將訂正后的大風值代入預(yù)報方程,快速計算出強陣風,若誤差小于3m/s為正確,其海、陸風準確率是為92%和93%。海岸塘沽站2011年至2012年大于7~8級大風,陸風有19個時次;7~8級以上大風的實況值比預(yù)報值大2.0m/s,代入預(yù)報方程,若誤差小于3m/s為正確,其準確率為73%。該方法為災(zāi)害性大風預(yù)報提供了客觀、有效的預(yù)報手段。5強陣風風速預(yù)報方程(1)對渤海灣多年大于17m/s系統(tǒng)性強風進行分析,發(fā)現(xiàn)渤海灣冬季強冷空氣南下以西北大風為主;春、夏、秋季冷空氣與氣旋共同影響以東北大風為主,當入海氣旋強烈發(fā)展也會出現(xiàn)偏南大風。大風的時間分布特征:年變化呈兩峰兩谷的形勢,大風主要出現(xiàn)在3—5月和10—12月;渤海灣大風日數(shù)存在逐年振蕩減少的變化趨勢。(2)根據(jù)天氣學原理和統(tǒng)計因子篩選發(fā)現(xiàn),強陣風風速與當日10min最大平均風速有較好的對應(yīng)關(guān)系;根據(jù)大風路