渤海湾一次多站暴风雨特征分析与预报

渤海湾一次多站暴风雨特征分析与预报

自然灾害灾害频繁渤海湾是一个以福建河口和黄河口为边界的海湾。它三面环海，东面与渤海相连。冬季常受北方冷空气侵袭,春、夏、秋季会有蒙古气旋、热带气旋、温带气旋的影响,常常出现灾害性强阵风天气。灾害性大风对楼宇及大桥的结构性设计、海上施工、港口作业等会造成极大的危害;强风也是渤海海难事故频发的重要原因之一。辛宝恒等1蒙古冷高压东移与淮气旋北风场渤海湾系统性大风主要有3类:(1)蒙古冷高压配合冷锋东移、南下,在冷锋后产生西北或东北大风,此类大风主要出现在冬季(图1a)。(2)蒙古低涡发展东移、南下,低涡前产生偏南大风和低涡后产生的西北大风,此类大风主要出现在春季(图1b);(3)蒙古冷高压东移与江淮气旋北上相结合产生东北大风,主要出现在秋末、春初的季节,此类大风风力最大,破坏性最强(图1c)。据最近10年(2002—2011年)的统计可知,渤海海面大于8级以上的强风共640次;冬季206次,西北风最多达51%,其次东北风达26%,北风为20%。春季161次,东北风最多达50%,其次西北风达20%,北风为10%,偏南风达20%。秋季214次,东北风最多达46%,其次西北风达27%,北风为17%,偏南风达10%。大于10级的强风出现在11月,是冷空气南下与江淮气旋北上共同作用形成的。夏季还有强对流产生的短时雷雨大风,此类大风另有研究,本文主要研究系统性大风。2大风的年际变化、年变化和月变化以塘沽站(39°03′N、117°43′E)的气象资料代表渤海湾沿岸气象资料;A平台即54646站(38°27′N、N118°25′E)的气象资料代表渤海湾海面气象资料。利用24年的大风日数,分析渤海湾大风的年际变化、年变化和月变化。利用以上两个站最近10年的大风日数,分析大风风级频率。根据大风路径下垫面的不同(海面、陆面),把大风风向由东北风顺时针到东南风定义为下垫面为海面的海风,其他风向定义为下垫面为陆面的陆风,如图2所示。以一日中出现强阵风即极大风速大于等于17m/s定义为一个大风日。分别选出海岸塘沽站和海面A平台站大风日的01:00—24:00的日最大风速、日极大风速和日期,利用2005年1月1日至2010年12月30日资料,根据不同的风向分别建立海风和陆风回归方程。3海洋风暴的气候特征由于A平台(54646站)资料开始于1988年,因此统计分析最近24年海面A平台和海岸塘沽站灾害性大风变化。3.1年—海陆大风的年、月际变化如图3所示,塘沽站强风风速大于等于17m/s的大风日数共有412天,逐年大风日数呈震荡减小走势;1990年最多出现66次,之后震荡减少,2001年以后大风日减少加速,2005—2011年每年大风日数都小于10天,2011年仅出现1次系统性灾害大风。近几年海岸大风骤减的原因是渤海湾沿岸高楼迅速增加和气候变暖所致。渤海湾海面A平台(54646站)强风风速大于等于17m/s的大风日数共有1300天;1988—1997年每年强风日数在80~95天之间;1998—2002年每年强风日数在95~113天之间,属于大风多发年;2002年以后强风日数逐年减少,2010年略有增加,2011年又迅速减少,仅出现42天灾害性强风。从强风日数可以看出海面A平台站是海岸塘沽站的6倍以上,这是因为A平台观测高度较高,且下垫面摩擦小,另外海面空旷建筑物和遮挡物较少的缘故。综合分析发现,海面站和海岸站强风日数都呈波动减少趋势。气候变暖,冷空气活动频次、强度相对减少、减弱等,是强风日数减少的主要原因之一。从图4塘沽站、A平台强风月分布可知,塘沽4月最多为70天,占塘沽强风总数的17%;5月、11月次之为55天和54天,各占塘沽强风总数的13%;第3是12月为45天,占塘沽强风总数的11%。A平台11月最多为156天,占A平台强风总数的12%;3月、4月次之为129天和131天,各占A平台强风总数的10%左右。第3是12月为126天,占A平台强风总数的9%。渤海湾海岸强风主要在春季4—5月和冬季11—12月;6—9月大风明显减少,只占塘沽强风总数30%;且强对流产生的短时大风较多,占6—9月强风总数的43%。渤海湾海面强风主要出现在春季3—5月和10—12月,6—9月渤海海面强风较少,只占A平台强风总数22%;强对流产生的短时大风占6-9月强风总数的28%。因此渤海湾大于17m/s的强风是以冷空气、气旋影响为主的系统性大风。3.2系统性强分析2003—2010年8年间塘沽站7级(17.0~17.1m/s)强风占33%,8级(17.2~20.4m/s)强风最多占59%,9级(20.5~24.4m/s)强风占5%,10级(24.5~28.4m/s)强风只占3%。2005—2010年6年间A平台7级(17.0~17.1m/s)风占17%,8级(17.2~20.4m/s)强风最多占50%,9级(20.5~24.4m/s)强风占23%,10级(24.5~28.4m/s)强风占8%,11级(28.5~32.6m/s)强风占2%。由分析可以看出塘沽站系统性强风主要在17.0~20.4m/s之间,即8级左右。达到9级和10级的很少。A平台系统性强风主要在8级到9级之间,11级强风日数迅速减少。4大尺度风速模型强阵风风速是大尺度风速、湍流及边界层稳定度的函数,其中与大尺度风速的线性相关最为明显。因此,利用平均风速以线性回归方法近似预测除强对流天气系统以外的天气系统产生的最大强阵风风速。4.1强阵风日选取取海面代表站(A平台)与海岸陆地代表站(塘沽)每小时最大风速均大于等于13.8m/s(10min平均风速)持续3h以上和日极大风速大于等于17.0m/s为一个强阵风日;在2005年1月至2010年12月共6年资料中选出强阵风日,A平台360个,塘沽站55个,并选出强阵风日出现日期、时间和该日最大风速。鉴于影响强阵风风速的主要因子的湍流、边界层稳定度、下垫面粗糙度等因子,它们在不同下垫面上,海洋和陆地具有明显的差异;其离岸风和向岸风在经过测站前所受下垫面影响是不同的。故本文将海上(以海洋石油A平台为代表)和陆地(以塘沽测站为代表)的大风过程按风向分类挑取;A平台大风风向范围在NE—SE为海风的样本数为127个,其他为陆风233个。塘沽站大风风向范围在NE—SE海风的样本数为13个,其他为陆风42个。4.2海、陆风线性相关程度以每日最大10min平均风速为自变量x由表1的相关系数可以看出,极大风速与当日最大10min平均风速的海、陆风线性相关程度,A平台为88%~91%,高于海岸65%~79%;这是由于下垫面粗糙度不同造成的摩擦力不同,从而形成了近地面层海、陆风预报方程相关系数的差异。一般情况下,陆地粗糙度远大于海上。受地面不规则摩擦的影响海面线性相关程度大于海岸,海风的线性相关程度大于陆风。4.3计算值与实例值绝对误差用2011—2012年海面A平台、2005—2011年海岸大港站资料验证预报方程。在实际业务应用中,若规定计算值与实况值绝对误差小于2m/s为正确,则A平台海风(NE—SE)准确率为94%、陆风(SSE—NNE)准确率为93%。在陆地上若规定实况值与计算值绝对误差小于3m/s为正确,则海风(NE—SE)准确率为75%,陆风(SSE—NNE)准确率为82%。4.4订正大风值,风速保证利用2011年8月至2012年12月的WRF对海面大风逐时数值预报(大于17m/s的大风,共1104时次),其中海风138个时次,陆风182个时次。对海面大风的预报值与实况值进行比较,计算结果是:海面陆风,7级大风的实况值比预报值平均大2.0m/s,8级大风的实况值比预报值平均大4.0m/s,9级以上大风的实况值比预报值平均大5.0m/s;海面海风,7~8级以上大风的实况值比预报值小2.0m/s,9级以上大风的实况值比预报值小3.0m/s;将订正后的大风值代入预报方程,快速计算出强阵风,若误差小于3m/s为正确,其海、陆风准确率是为92%和93%。海岸塘沽站2011年至2012年大于7~8级大风,陆风有19个时次;7~8级以上大风的实况值比预报值大2.0m/s,代入预报方程,若误差小于3m/s为正确,其准确率为73%。该方法为灾害性大风预报提供了客观、有效的预报手段。5强阵风风速预报方程(1)对渤海湾多年大于17m/s系统性强风进行分析,发现渤海湾冬季强冷空气南下以西北大风为主;春、夏、秋季冷空气与气旋共同影响以东北大风为主,当入海气旋强烈发展也会出现偏南大风。大风的时间分布特征:年变化呈两峰两谷的形势,大风主要出现在3—5月和10—12月;渤海湾大风日数存在逐年振荡减少的变化趋势。(2)根据天气学原理和统计因子筛选发现,强阵风风速与当日10min最大平均风速有较好的对应关系;根据大风路