PPM方法在马迹山港船舶靠离泊临界值预报中的应用＊

李晓丽 唐 跃 范其平 许映明

(1.舟山市海洋气象台,浙江舟山316021;2.宝钢股份公司运输部,浙江嵊泗202450)

0 引 言

宝钢马迹山港是我国矿石中转专业港口,它位于我国东部沿海舟山群岛的嵊泗列岛(见图 1),就是在东经 122°25′,北纬 30°41′,港口分两期建设。一期陆域总面积46.2万m2,装卸码头各1个;二期装码头1个、卸码头2个,一、二两期码头泊位总长度为1737 m;泊位水深一期装卸码均为26.0 m,二期装卸码分别为11.5 m和13.5 m。靠泊等级装(0.5～5)万t级、卸30万t级。目前年度吞吐量实绩提升至6500万t以上,进入世界矿石吞吐量规模一流码头(见表1)。

表1 马季山港各码头设计等级及能力

但由于舟山处于中纬度,灾害性天气四季频繁。平均每年有4.3个台风或热带风暴影响,对舟山造成灾害的台风或热带风暴平均每年有1.2个。年平均8级以上(含8级),大风日数142.7 d,其中8～9级大风日数129.2 d,10～11级大风日数12.7 d,12级及以上大风日数0.8 d[1]。如果宝钢马迹山港仍以舟山沿海海面风力预报作为船舶靠离泊的依据,就会导致船舶经常滞港,增加港口的成本,减少港口的吞吐量,降低港口的生产效率,制约港口的健康发展。

1 资料处理

1.1 资料来源

资料来源于2005年8月至2007年的位于港口附近海岛自动站每小时最大风、极大风数据和美国NCEP全球模式的10 mU,V风实况再分析资料(以下简称NCEP资料)。自动站位置见表2。

图1 马季山港所处的地理位置及马季山港全景

1.2 样本的选取

NCEP资料每6 h发布一次,预报间隔为3 h,网格间距1°×1°。根据舟山海域和马迹山港口的地理位置 ,资料范围取 121°E～123°E,29°N～31°N之间,共9个点作为预报因子样本的原始数据。取与NCEP资料时间相对应的前、后各3 h内自动站资料的最大风速和极大风速分别作为一个预报量样本,样本数约1800个。

1.3 资料的处理

在 30°N附近 ,121°E基本位于大陆上 ,122°E附近为海岛,123°E附近是海面,这些经度上的U,V风有比较大的差别,呈东大西小分布。NCEP资料已经考虑了地形对风的影响,但是由于精确度的关系,地形处理比较简单。为了更好地将NCEP资料内插到自动站站点上,需要知道NCEP资料在自动站站点上受地形影响的程度,并将其订正到地表为海平面(123°E)的状态。为此,我们假设NCEP资料在121°E～123°E,29°N～31°N 范围内。

(1)在没有地形影响的情况下,该区域在样本取得期间同一纬度上的平均风速相同;

(2)在同一地点,NCEP资料的 U,V风受地形影响相同;

(3)在海平面上,附近区域 U,V风速分布符合抛物线公式。

我们计算出样本取得期内NCEP再分析资料在各网格点上的 U,V风速平均值,根据假设(1)计算出各经度上的值与123°E(下垫面是海面)的数值之比,这些值就是各经度上 U,V风速受地形的缩小比例系数。为了更有可比性,我们将NCEP资料在121°E,122°E上的 U,V风速值受地形影响情况全部按比例订正到假设下垫面是海面时的值(以下简称理想值),然后将9个点的U,V风速数值根据该点与自动站的距离按权重内插到自动站站点上(详见2.1),得到理想状态下的NCEP资料在该站点的全风速。图2是各纬度上 U,V风速及全风速东西向平均分布图。

图2 各纬度上 U,V风速及全风速东西向平均分布图

自动站资料根据站点的高度公式,将最大风和极大风直接订正到10 m高度。根据舟山梯度风塔观测资料分析,粗糙度系数取0.28。

2 关系式的建立

为了反映马迹山港口实际地形对风速的影响,我们将样本根据16方位进行细分,分别统计,得到站点各方位的NCEP全风速理想值与实际最大风和极大风的关系式。表3是NCEP资料在123°E上 U,V的平均风与同纬度各格点上U,V平均风之比,即各格点上的转化成理想值时的放大比例。

表3 NCEP资料在各网格点上的放大比例

2.1 求站点上NCEP资料风的理想值

在确定3个点的数值情况下,可以解出一条抛物线。

我们首先将各格点上的 U,V风根据放大比例转化成理想值,然后根据1.3中假设条件(3)在海平面上,附近区域 U,V风速分布符合抛物线公式:

取y坐标于122°E经线,x坐标于29°N纬线,x表示经度-122,精确到0.01°,y表示u风的理想值,再分别用同一纬度上3个经度上(格点)的 u风(分别用 u1,u2,u3表示)代入 y,用经度代入 x,得到方程组:

解此方程组得 a,b,c,再用站点的经度代入方程(1)求出得到29°N上与站点同一经度上的 u风理想值。将 x坐标移至30°N和31°N得到另外2个纬度上与站点同一经度上的 u风理想值。

在得到3个纬度的 u风理想值后,再将30°N作为y坐标,站点所在经线为 x坐标,用刚刚得到的3个值代入方程(1)得到 a,b,c,即可求得站点上NCEP资料的 u风理想值。同理得到v风理想值,合成后得到全风速理想值和风向。

2.2 站点实况最大风、极大风订正到海平面

由于站点高度较高,不能代表海平面的风,一般以10 m风代表海平面风比较好。

利用高度订正公式：V10= (log(10)-log(Z0))/(log(h)-log(Z0))×Vh

根据舟山梯度风观测数据分析,Z0=0.028。

2.3 站点上NCEP风资料的理想值与实况最大风、极大风订正值关系的建立

根据流体力学原理,地形对风的影响是比较复杂的,但是最主要项的作用是线性。因此只要找到两者之间比例系数就行了。但是由于地形的山脉走向,其对各风向的作用是不同的,因此,我们在各个风向上分别求NCEP资料的理想值与实际最大风、极大风的关系。风向划分为16个方位,由于实际风向与NCEP资料的风向可能存在不一致,我们按照后者取值。结果显示,对于大部分风向,两者之间具有非常高的相关性,一般在80%～90%。表4为各风向NCEP资料与马迹山站实况资料的相关系数。

表4 各风向NCEP资料与马迹山站实况资料的相关系数 (R)

根据某时次的资料,对前3 h和后3 h的自动站实况资料分别建立对应关系(见表5),相当于某3 h时段内实况风分别与开始时刻和结束时刻的理想资料建立对应关系,取预报值的平均数作为该时段的最大(极大)风速集合预报结论,再将结论订正到站点高度上。考虑到风向变化的趋势,风向以结束时刻的理想资料预报值为准。

表5 马迹山各风向前、后3 h与NCEP资料对应关系

在建立马迹山站点预报方程的基础上,根据现有的舟山自动站的资料,并考虑资料的代表性,我们另外建立了39个点的预报方程。

3 预报产品制作

我们每天分别于1时、7时、13时和19时4次自动下载美国NCEP发布的以5 h前资料为初始资料的GFS模式的10 mU,V风场预报资料,预报资料时间步长3 h。因此港口测站每3 h的风预报值可以分别用起始和结束二个时刻的NCEP发布的 GFS模式10 mU,V风预报资料,根据第2章节得到的关系式计算出的二个值,再用最简单的集合方法取得。预报结果自动加入到数据库中,终端软件通过读取预报数据,并将风速转换成风力等级后提供给马迹山港口管理部门参考。

目前NCEP GFS模式在60 h内10 m风的预报准确率相对较高,因此取最长预报时效为48 h比较合适。

本方法应用于马迹山港船舶靠离泊预警、预报服务系统中的预报准确率见表6(风力临界值说明见第4章节)。

将马迹山港口预报结论会同其它39个站点的预报值,以分辨率为0.1经纬度内插到网格点上,得到某时段舟山海域的风力(极大风速、最大风速)分布预报图,供马迹山港口参考。该预报图每3 h 1张,共16×2张,如图3。

表6 2008年临界风速在7级、8级、9级风速下的预报准确率 %

4 马迹山港船舶靠离泊风力临界值

根据马迹山港船舶靠离泊规程规定[3]：港口的靠离泊临界值均建立在马迹山港口最小能见度≥500 m;涌浪 H≤1.5 m(台风影响时涌浪H ≤2.0 m)的条件下。

4.1 靠泊临界值

当≤5000 t船舶装船码头时,靠泊风力的临界为：南风、东南风 ≤6～7级,阵风8级;北风、西北风≤7级,阵风8～9级。

当≥5000 t船舶装船码头时,靠泊风力的临界为：南风、北风≤6级,阵风7级。

4.2 离泊风力临界值

南风、东南风≤6～7级,阵风8级;北风、西北风≤8级,阵风9级。

图3 舟山海域最大风速、极大风速分布预报图

5 马迹山港针对性船舶靠离泊临界值风力预报与舟山沿海海面风力预报对比

根据表7得出,阵风8级风港区增加作业天数94 d(公众预报舟山沿海海面≥阵风8级为273 d,针对性船舶靠离泊临界值风力预报≥阵风8级为179 d),阵风9级风减少离泊天数41 d。(公众预报舟山沿海海面≥阵风9级为127 d,针对性船舶靠离泊临界值风力预报≥阵风9级为86 d,减少离泊天数41 d。)

表7 马迹山风力(阵风)预报与舟山沿海风力(阵风)对比表

6 预报应用

我们专门建立了马迹山港口气象服务系统,该系统界面友好,操作简便,功能齐全,性能稳定。系统不仅能及时显示该港口的实时气象要素和每隔3 h绘出最大风、极大风分布图,有马迹山港针对性船舶靠离泊临界值客观风力预报,还有应用该客观预报再结合预报员多年积累的海上大风预报经验,制作的人机结合的3～5 d的针对港口风力主观天气预报。遇突发性、灾害性天气时及时做好临近预报服务,同时我们还建立了港口预警平台,遇突发性、灾害性天气时,能通过短信发送,实现对港口管理人员自动提前预警,有效提高了他们对突发性、灾害性天气的应急处置能力。

7 结 语

本文利用美国NCEP的全球模式资料与宝钢马迹山港自动气象站实况资料进行对比分析,得到测站不同风向最大风、极大风与马迹山港口特殊环境场的关系,并将此关系用PPM方法应用到宝钢马迹山港口日常船舶靠离泊的风向风速预报中。通过对美国NCEP样本的选取、资料的处理,建立关系式,再根据宝钢马迹山港船舶港靠、离泊在不同风向时的临界值,进行针对性的预报服务,不仅提升了舟山市海洋气象台在港口精细化预警预报的服务能力,而且为港口有效减少了滞港费用 ,增加了港口的吞吐量。为提高港口的生产效率和经济效益,提供了有力保障。

按照港口作业规定：不能及时顺利靠离泊为滞港。一条船每天的滞港费用为4万美金。舟山市海洋气象台2005年9月至2007年12月以来为马迹山港口提供的专项靠离泊风力临界值预报,使宝钢马迹山港增加作业天数135 d,按每天只停靠一条船计算(实际更多),减少港口滞港费用约540万美金。

马迹山港针对性船舶靠离泊临界值风力预报仅仅是我们在精细化专业交通预报上的起步,离交通运输业在提高经济效益和安全性方面的需求仍有距离,我们会不断面对挑战,继续努力。

参考文件：

[1] 王 雷,黄 辉,何文岳.舟山群岛海域航线气象预报.气象科技,2002,30(4)：241-245.

[2] 魏松林,杜春英.大兴安岭森林火险等级中期PPM预报方法.气象 ,1989,15(2) ：49-53.

[3] 宝钢运输部.马迹山港船舶靠离泊规程.2004,11(2)：1-22.

[4] 林 伟,何志军,李晓丽.舟山群岛大风实时监测警报网.气象 ,2005,31(5)：85-87.