魏晓琳,王德立,贺佳佳,程正泉
(1.深圳市气象台,深圳南方强天气研究重点实验室,广东深圳 518040;2.广东省气象台,广东广州 510080)
深圳沿海地区阵风系数的特征
魏晓琳1,王德立1,贺佳佳1,程正泉2
(1.深圳市气象台,深圳南方强天气研究重点实验室,广东深圳 518040;2.广东省气象台,广东广州 510080)
利用深圳沿海站点的风速观测资料,按季风及热带气旋2种类型探讨了阵风和阵风系数的统计特征,结果表明,季风影响下,盐田港站和流花111平台站出现6~9级风的频率明显高于热带气旋型,在9级风以上,热带气旋型略偏高;妈湾港站的阵风系数随平均风变化稳定,而盐田港站和海上石油平台站受地形和下垫面影响,与妈湾港有显著差异;7级以上强风的频率日变化显示盐田港在夜间出现强风的概率显著增加。
阵风系数;季风;热带气旋;沿海地区;深圳
强劲的阵风是指风速骤然增强或风向突然改变,它主要是快速不规则的湍流所引起的。阵风长期的趋势预测对楼宇及桥梁的结构性设计甚为重要[1],而阵风的短期变化对风速敏感的行业如货柜业、港口码头等的作业安全影响不容忽视[2-3]。海洋产业是深圳重要的支柱产业之一[4],据统计,对海洋产业构成影响的各类自然灾害中,海上强风及其引起的涌浪破坏力是最大的。因此对于深圳海上强风的研究具有显著的意义[5]。用阵风风速与平均风速的比例(简称为阵风系数)来估计阵风强度适用于季风和热带气旋的阵风特征研究[6],并已有一定的研究基础,如对广东沿海近地层大风特性的观测研究指出,热带气旋大风的阵风系数较冷锋大风偏大[7-8],且与下垫面的特征和地势特性存在密切的关系[9]。江苏沿海在冷空气影响下阵风系数的波动主要出现在风速相对低值时期,而在风速相对高值时期,阵风系数变化平缓[10]。对位于海上、近海、偏内陆等不同位置的对比发现阵风系数存在明显的差异[1],在离岸海岛及开阔的高地站显著低于具有复杂地形和建筑的内陆站点[12]。也有对中国沿海多个站点的阵风系数对比发现,指出热带气旋影响下,阵风系数均值略小于未受热带气旋影响的阵风系数均值[13]。
至目前为止,对深圳沿海地区在热带气旋及季风影响下,阵风系数的特征及差异的研究还比较少见,本研究利用深圳近海有代表性的3个站点,研究了在季风和热带气旋影响下阵风系数的特征,研究结果对深圳本地近海工程及港口码头有针对性的大风防御提供了科学的依据。
1.1 分析数据
根据深圳的东西两侧有海湾,南侧与香港接壤,毗邻南海的海陆分布情况,选取了位于深圳西部沿海的妈湾港站、东部沿海的盐田港站,和距离岸边有260 km的流花111石油平台站进行深圳沿海地区阵风系数的分析(站点位置见图1)。
图1 深圳地形高度图(单位:m)
风速的研究数据选取了2009—2014年共6年的观测资料,考虑到地形高度对风的影响,选取的3个自动站海拔高度相差不大,介于24~26 m之间。
1.2 天气分型
在广东沿海,热带气旋和季风是对阵风影响最为显著的天气系统[14],为分析其对阵风的影响,参考前人研究方法[15]并结合深圳实际,采用了如下标准作为天气分型的指标:
1)季风型规则:深圳市气象台发布了大风预警信号同时未发布雷暴预警信号,且10 min平均风速≥5 m/s。去除发布了雷暴预警信号期间的数据的目的是为了排除强对流天气造成的阵风的影响,因强对流天气与季风形成的阵风在机理上有显著的区别。这样筛选出来的个例可能包括东北季风。
2)热带气旋型规则:深圳市气象台发布了台风预警信号且10 min平均风速≥5 m/s。
1.3 阵风系数
目前广泛接受和使用的阵风系数的计算公式为[8]:GF=G/U,其中 GF是阵风系数;G是阵风风速(m/s);U为10 min平均风速(m/s)。本研究所指的阵风是指极大风速,即小时内出现的最大3 s平均风速值,单位为m/s,10 min平均风速是指小时内出现的最大10 min平均风速值。
2.1 阵风分析统计
表1给出了妈湾港、盐田港、流花111石油平台3个站点在季风型和热带气旋型影响下阵风系数的统计结果。妈湾港位于深圳的西部、珠江口的东侧。由表1可知,在阵风系数的各项统计指标的比较中,热带气旋型阵风系数都高于季风型阵风系数,这与前人的研究结果[7-8]是一致的,说明该站点在热带气旋系统影响下,对平均的风力扰动要高于季风系统的影响。即在同等的平均风速条件影响下,热带气旋系统的影响会带来更大的阵风。
表1 三站点季风型和热带气旋型影响下的阵风系数
盐田港位于深圳东部,北邻800余米高的梧桐山系(图1),对比显示,在季风型影响下阵风系数的任一指标均高于热带气旋型的影响,即在同等的平均风速条件影响下,季风型天气系统的影响会带来更大的阵风,这与同处深圳沿海的妈湾港的阵风系数有很大区别。
流花111平台站热带气旋型阵风系数除最大值比季风型更高外,其它均不如季风型的阵风系数高。热带气旋的影响下,大气稳定度和湍流程度发生剧烈的变化,导致风速出现急剧的扰动,有利于记录到最大值,但从中值、平均值、标准偏差来看,均为季风型阵风系数更高。吴滨等[11]对热带气旋影响下,福建沿海从海上到近海阵风系数分别取值为1.2和1.5,与本研究表1中统计的中值对比,位于海上的流花111平台站热带气旋型的阵风系数中值是1.2,妈湾港和盐田港的中值分别为1.62和1.35。在热带气旋影响下,海上站点的阵风系数的中值和平均值低于沿海站点,这种空间分布特征与前人研究一致。但与沿海站点的阵风系数的中值相差0.12和0.15,从本研究的数据来看,说明受到周边环境及地形的影响,位于沿海地区的站点比海上站点的阵风特征具有更大的空间差异性。
2.2 阵风系数特征分析
1)阵风频率。
图2给出了季风和热带气旋影响下阵风的频率分布,妈湾港站在两种天气型影响下,最大的阵风频率都出现在阵风10 m/s左右,而且2种类型影响的阵风频率分布曲线比较一致;盐田港站在热带气旋影响下,阵风频率的峰值集中在阵风10 m/s左右,但是在季风影响下,最大的阵风频率则出现在阵风14~15 m/s,并且在阵风12~22 m/s的范围内,季风型的阵风频率均高于热带气旋型,尤其在阵风14~18 m/s之间的频率,两者相差约3%~4%,只有在23 m/s以上的阵风范围内,热带气旋影响下阵风频率略高,即盐田港站出现6~9级风概率季风型明显高于热带气旋型,但在更高级别的风力上,两者的差距不大。一般来说,阵风达到7级以上,港口码头等行业的作业会受到显著的影响,因此东部的港口码头等行业在季风天气系统影响下,需更加关注。
对于离岸的流花111平台站,当阵风在11 m/s以下,热带气旋影响下的阵风概率较高,反之,当阵风介于12~20 m/s之间时,季风影响下的阵风频率更高;当阵风>21 m/s以上时,热带气旋型的概率高于季风型。说明在6级以下的较低风速区和9级以上的较高风速区,对于海上的站点,热带气旋型的阵风频率较高,而季风型影响下,海上观测站点的阵风更多的集中于6~8级之间。
图2 季风和热带气旋影响下阵风的频率分布
2)阵风系数与10 min平均风关系。
图3给出了阵风系数与10 min平均风的关系,反映在不同的平均风力水平下,风的扰动幅度,除了散点图之外,还给出了在3级及以上,阵风系数的平均值(用带标记的线表示),横坐标为蒲氏风力等级的中间值,即3级:4.4 m/s、4级:6.7 m/s、5级:9.35 m/s,余以此类推。妈湾港的阵风系数在不同的平均风力水平下,季风型和热带气旋型的阵风系数随平均风的变化比较稳定,8级风以上的数据较少,不具有很好的代表性。热带气旋型影响下的阵风系数在平均风介于3~6级风之间均略高于季风型阵风。盐田港季风型的阵风系数普遍高于热带气旋型。从盐田港所处的地形来看(如图1),它处于山谷的西北-东南向通道上,容易在季风型天气系统的影响下,叠加地形的狭管效应,导致风力的明显加大,这可能是盐田港站季风型影响下阵风系数显著高于热带气旋型的原因。
与陆地不同,海面的粗糙度会随着风速的改变而改变,有研究表明,平均风速在9 m/s以下时,湍流强度随着平均风力的加大迅速下降,超过9 m/s这个临界值后,湍流强度的变化趋于稳定,且临界值的变化与离岸距离有关[16]。流花111平台站反映出了类似的特征,平均风在6级(10.8~13.8 m/s)以下,2种天气系统影响下,阵风系数随着风力的增大有显著的下降趋势,而6级风以上,两者的变化趋于稳定。
图3 季风型与热带气旋型影响下阵风系数与10 min平均风的散点图
3)7级以上阵风频率的日变化规律。
为了研究强阵风的日变化特点,图4给出了7级以上阵风频率的日变化特征。从季风型(图4a)阵风可以看出,流花111平台站记录到的7级以上阵风频率明显高于妈湾港站,但盐田港站的7级以上阵风频率则明显与同属于沿岸站点的妈湾港站有所不同,不仅有明显的日变化,并且在夜间7级以上阵风出现的频率与热带气旋型阵风相当。这可能与盐田港所在的地理位置,一方面容易受到梧桐山地形的影响,同时这种7级以上阵风频率在夜间显著增大,很有可能与海陆风的加强作用有关,需进一步深入研究。热带气旋型(图4b)影响下,妈湾港和盐田港的7级以上阵风出现的时间分布比较相似,全天的时变趋势没有明显的差异,流花111平台站的7级以上阵风的出现概率明显高于沿岸站点,位于东部的盐田港站点出现7级以上阵风的概率略高于位于西部的妈湾港站点。
沿海的港口码头等行业对7级以上大风最为关注,研究表明,7级以上强阵风出现频率,流花111平台(远海)大于妈湾港和盐田港(近海),盐田港(东岸)大于妈湾港(西岸)。但是在季风型影响下,与妈湾港相比,盐田港可能出现更高频率的强阵风,在夜间甚至可能超过流花111平台站,需加强防御。
图4 季风型(a)和热带气旋型(b)7级以上阵风频率的日变化
本研究讨论了基于实况观测资料的阵风系数的特征,它随着平均风的变化并非稳定不变,且位于沿海和离岸不同位置的站点阵风系数的特征也存在显著差异,因此对季风型和热带气旋型影响下阵风的预报问题,天气系统的影响、站点的位置、平均风力的大小均影响到阵风的强度,需综合考虑,才能做出正确的预报预警和相应的防御提示。
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WEI Xiɑo-lin1,WANG De-li1,HE Jiɑ-jiɑ1,CHENG Zheng-quɑn2
(1.Shenzhen Key Laboratory of Severe Weather in South China,Meteorological Bureau of Shenzhen Municipality,Shenzhen 518040,China;2.Guangdong Provincial Meteorological Observatory,Guangzhou 510080,China)
Based on the wind observation data of three meteorological stations of Shenzhen during 2009 -2014,the characteristics of gust factors,based on either the type of monsoons and tropical cyclones,are analyzed.It shows that the frequency of wind force 6 to 9 was higher under the impact of monsoons while that of wind force 9 or above was more frequent with type of tropical cyclones.Gust factors are sensitive to 10-minute mean wind as shown by different stations.Excessively higher nighttime gale frequencies at Yantiangang station need to be studied further.
gust factors;Shenzhen;coastal areas;monsoon;tropical cyclone
P425
A
10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.008
2016-04-02
华南区域气象中心科技攻关项目 (GRMC2012M16);深圳市科技研发资金项目 (ZDSYS20140715153957030,JCYJ20120618114014134)共同资助。
魏晓琳(1979年生),女,博士,高级工程师,从事天气预报预警工作。E-mail:weixiaolin@szmb.gov.cn
魏晓琳,王德立,贺佳佳,等.深圳沿海地区阵风系数的特征[J].广东气象,2016,38(5):33-36.