寒潮与雷雨大风天气个例风浪分析

张瑞光，许娴， 杨红梅，李中林，孙克渠

(1. 连云港市气象局,江苏 连云港222006；2. 连云港海洋环境监测站，江苏 连云港222042)

【海洋科技与装备】

寒潮与雷雨大风天气个例风浪分析

张瑞光1，许娴2， 杨红梅1，李中林1，孙克渠2

(1. 连云港市气象局,江苏 连云港222006；2. 连云港海洋环境监测站，江苏 连云港222042)

选取2008年12月21日寒潮天气与2010年5月30日雷雨大风天气两个个例，探讨了寒潮天气与雷雨大风天气对连云港近岸海域风力、海况和海浪等要素产生的影响。寒潮天气，风速逐渐增大，海况、海浪也随之逐渐增大；雷雨大风天气，风速快速增大，海况、海浪也随之快速增大；雷雨大风天气比寒潮天气造成的风浪变化来得突然，不易判断和预防。针对寒潮天气，应用Wilson公式估算海浪波高和利用数值预报模拟推算海浪波高的计算比较准确，与实际观测值的误差小于10%。

寒潮；雷雨大风；海浪

连云港市地处苏北沿海，时常面临灾害性海风海浪的侵袭。目前对于海风海浪的研究已经有了许多科研成果，姚圣康[1]指出台风浪的大小、范围、台风浪区的对称性不仅和台风的强度、移动速度、外围大尺度天气系统有关，也受岛屿及海底地形等环境条件的影响，其中影响台风浪的主要因素是风速、风时和风区，三者之间相互影响相互制约。齐义泉等[2]提出了台风的风速及波高随相对台风中心距离变化的经验关系式。张存勇等[3]根据主要致灾因子，把连云港市的海洋灾害分为海洋水文气象灾害、海洋地质灾害、海洋生态灾害。范飞等[4]统计出江苏海域年平均有效波高最大值为1.5 m，最大年平均周期为4.6 s，常浪向为NE或SE方向，四季中冬季浪最大，强浪向为NE-NNE方向；曹兵等[5]给出了最优组合下连云港海域不同重现期的设计波高值。另外还有许多相关研究成果[6-13]，但对于连云港近岸海域风浪的研究还缺少一些典型的大风天气的个例分析。

本文针对连云港近岸海域风浪，选取了2008年12月21日大尺度的寒潮天气与2010年5月30日中小尺度的雷雨大风天气的个例状况进行了探讨，力求增加对连云港近岸海域风浪的认识。

1 资料选取与分析方法

应用的数据是连云港西连岛气象站与海洋站(34°46′39″N,119°26′32″E)的观测资料(风速数据是10分钟平均资料，海浪波高数据是H1/10资料)，以及2008年12月21日寒潮天气、2010年5月30日雷雨大风天气的历史天气图。

根据天气学原理与方法，判断天气形势的类型并分析数据，采用Wilson公式，结合分析统计数据，测算海浪波高[14]。

Wilson公式：

式中，H,C分别为波高和波速；L为风区长度；g为重力加速度；V是海面以上10 m 高度处的风速。

2 天气与海浪资料分析

2.1 寒潮天气个例

北京时间2008年12月21日08时，连云港高空有较强的偏西北的冷平流(图1)，持续至20时。2008年12月21日14时地面天气图(图2)继续显示地面冷高压东移南下，连云港处于冷高压移动的前方。西连岛观测站出现大风天气，14时20分最大风速19.6 m/s(N向)，14时59分极大风速26.0 m/s(N向)。伴随大风，还出现上午0.5 mm的降雨，下午微量的降雪天气现象。

图1 2008年12月21日08时85 kPa天气图Fig.1 Weather chart of 85 kPa at 08:00 of December 21, 2008

图2 2008年12月21日14时地面天气图Fig.2 Surface weather chart at14:00 of December 21, 2008

西连岛当日的风速与海浪波高等要素变化见表1，21日白天地面风速与海浪波高等要素的变化逐渐增大。

风速：08时6.3 m/s， 14、15时增大到18.7 m/s；

海况：08时2级， 14、17时增大到5级；

最大波高：08时0.9 m， 17时增大到2.6 m；

海浪波型：08时以涌浪为主，而11、14、17时变成以风浪为主，风向随时间持续比较稳定，形成风向与风浪向相近。

随着风速的逐渐增大，海况、海浪也逐渐增大。

表1 2008年12月21日观测站天气与海浪要素变化

注：方向WNW——西北偏西、NW——西北、NNW——西北偏北、N——北、NNE东北偏北、W——西、NE——东北；U/F——涌浪为主的波型、F/U——风浪为主的波型。

2.2 雷雨大风天气个例

2010年5月30日08时，连云港处于低空切变线前，有较明显的暖平流，50 kPa高空横槽在下午转竖南甩经过连云港时，有冷平流侵袭，上冷下暖，产生了较明显的强对流天气，见图3。

2010年5月30日14时，早08时地面低压处于连云港西北并向东南移动，连云港处于低压移动的前方，低压移动过程中逐渐演变成偏西南至东北向的辐合带，经过连云港。地面天气图见图4。

西连岛观测站出现大风天气，15时01分最大风速23.4 m/s(NE向)，14时55分极大风速31.1 m/s(NNE向)。伴随大风西连岛观测站下午还出现13.4 mm的雷阵雨天气现象。

西连岛当日的风速与海浪波高等要素变化见表2，30日白天地面风速与海浪波高等要素的变化，出现了明显的突变。

风速：08时至14时，风速为3.5 m/s至6.8 m/s，而15时突然增大到22.9 m/s；

海况：08、11时的1级，14时的2级，陡然增大到17时的5级；

最大波高：08、11、14时的0.8、0.6、0.3 m，陡然增大到17时的3.1 m；

海浪波型：08、11时以涌浪为主，而14、17时变成风浪。海浪波型的变化，是因为风随时间变大并有风向变化，使涌浪不再明显，在较大风力持续作用下形成明显风浪。

随着风速突然增大，海况、海浪也陡然增大。

图3 2010年5月30日08时85 kPa天气图Fig.3 Weather chart of 85 kPa at 08:00 of May 30, 2010

图4 2010年5月30日14时地面天气图Fig.4 Surface weather chart at 14:00 of May 30, 2010

整点时间风向风速/(m·s-1)海况(级)波型风浪向涌浪向周期/s最大波高/m06SW6．2⁃⁃⁃⁃⁃⁃07SW6．4⁃⁃⁃⁃⁃⁃08SSW4．61U/FCENE4．70．809SW7．6⁃⁃⁃⁃⁃⁃10SSW4．3⁃⁃⁃⁃⁃⁃11SSW3．51U/FCENE4．60．612SSW4．8⁃⁃⁃⁃⁃⁃13SSW6．8⁃⁃⁃⁃⁃⁃14SSW6．02FWC2．00．315NE22．9⁃⁃⁃⁃⁃⁃16E17．3⁃⁃⁃⁃⁃⁃17ESE16．55FEC5．13．118ESE17．7⁃⁃⁃⁃⁃⁃

注：方向SW——西南、SSW——西南偏南、NE——东北、E——东、ESE——东南偏东、C——静风、W——西、ENE——东北偏东；波型F——风浪波型、U/F——涌浪为主的波型。

3 海浪最大波高估算

由于海浪本身的复杂性、发生的随机性和形态的不规则性，以及地形、水深、风况的变化多端，海浪波高预报不可能达到十分准确的程度。这里采用计算结果与实测资料吻合较好的经验预报Wilson公式进行估算，计算公式中海面10 m处风速的选取，考虑到高度影响和下垫面的差异等各因素，直接采用了西连岛观测站实测值代入计算。

3.1 寒潮天气的估算

查看2008年12月21日寒潮天气图与地理位置，发现该日出现长时间大范围的偏北风，因此选取西连岛至北方山东陆地的距离作为风区的长度值，风距L≈58 km；因浪对风的滞后关系，选取16时与17时观测风速的均值作为风速值，V=17.4 m/s；重力加速度g=9.8 m/s2。

数据带入Wilson公式，估算最大波高H≈2.5 m。计算结果小于17时的观测值2.6 m。实测值与估算值相差0.1 m，相对误差为3.8%，估算结果较满意。

3.2 雷雨大风天气的估算

2010年5月30日雷雨大风天气风向出现明显改变，风速突然增大，观测数据14时是6.0 m/s(SSW向)，而15时是22.9 m/s(NE向)，15时01分当日最大风速23.4 m/s(NE向)，这给风区长度选取判断带来一定难度。

考查地面天气图出现的辐合带，分析其主要风区，主要宽度区域一般在100 km以内，取其一半作为风距L=50 km；当日16时与17时观测风速的均值V=16.9 m/s。

应用Wilson公式，估算最大波高H≈2.3 m。计算结果小于17时的观测值3.1 m。实测值与估算值相差0.8 m，相对误差为25.8%，估算结果不理想，主要原因可能是代入公式的风速值没有较好地反映出风速的短时间剧烈变化。

估算的结果与李秀艳等[14]统计的风速、方位与波高的对应关系表比较，偏大一点，但不明显。

3.3 数值预报模拟计算

数值预报的模拟计算结果见表3，寒潮天气个例17时模拟计算结果波高2.8 m，略大于公式估算值与实际观测值，与实际观测值比较误差7.6%。雷雨大风个例17时模拟计算结果波高0.5 m，远小于17时的Wilson公式估算值与实际观测值，与实际观测值比较误差83.9%。数值预报的模拟计算对寒潮天气个例有意义，而对雷雨大风个例没有什么意义，主要原因可能是寒潮天气个例的系统范围大与渐进变化明显，实际风速也持续稳定渐进变化，选用的模式易于准确采集数据推算且产生较小的误差；而雷雨大风个例的系统范围小与变化突然，实际风速变化陡然快速，选用的模式不能够准确采集数据推算且产生较大误差。

表3 数值预报模拟计算结果

4 讨论

寒潮天气个例，应用Wilson公式估算的波高值与数值预报模拟推算的波高值，在17时与实际观测的波高值是接近的，误差小于10%，具有一定的参考意义。而雷雨大风个例，应用Wilson公式估算的波高值与数值预报模拟推算的波高值，在17时与实际观测的波高值比较相差较大，还需要进一步探讨怎样选取基本数据与计算方法。

探讨合理有效应用Wilson公式与数值预报模拟推算产品，有利于进一步认识连云港近岸海域的风浪变化，以及计算过程中存在的问题。

寒潮天气、雷雨大风天气时海况与海浪等要素随风变化明显，且都能够产生较大的风浪，对海洋经济能够形成较大的威胁。天气系统不同，计算波高的主要风区与风距选择因素也不同，有利于总结经验与加强认识，逐步提高风浪预报与服务能力。

明显的大尺度寒潮天气，风力、海况与海浪逐渐增大，容易引起注意；而中小尺度的雷雨大风天气，风力、海况与海浪短时间内快速变化，陡然增大，灾害来临前防范意识容易疏忽，在预报与服务过程中如果因素考虑不足则容易产生失误[15]。通过这次个例分析发现，雷雨大风天气的海浪波高的实测数据大于寒潮天气，提醒我们对于防范雷雨大风天气的海浪灾害也需要给予足够的重视。

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[13]洪新,赵玮,高志波,等.热带气旋风场对海浪分布特征的影响[J].海洋通报,2015,34(1):32-44

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[15]林镇国,林良根,林永堂.一次海浪预报服务的误差问题 [J].广东气象,2006(1):45-46.

Case analysis of wind and wave for cold wave and thunder storm weather

ZHANG Rui-guang1, XU Xian2, YANG Hong-mei1, LI Zhong-lin1, SUN Ke-qu2

(1. Lianyungang Meteorological Bureau, Lianyungang 222006, China; 2. Lianyungang Marine Environment Monitoring Station, Lianyungang 222042, China)

∶ We addressed the impact of cold wave and thunder storm weather on off-shore wind power, sea state and sea wave of Lianyungang sea area based on cold wave on December 21, 2008, and thunder storm on May 30, 2010. For cold wave weather, sea state and wave gradually increased with the increase of wind speed. For thunder storm weather, sea state and wave rapidly increased with the quick increase of wind speed. Thunder storm caused more prompt variation of sea wave than cold wave, difficult to judge and prevent. For cold wave weather, we employed Wilson formula to estimate wave height of sea wave, and numerical forecasting to simulate the calculation of wave height of sea wave. This is more accurate than practical observed value, less than 10% error.

∶ cold wave; thunder storm; sea wave

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.004

2015-10-12

张瑞光(1962—)，工程师，研究方向为气象服务与应用气象。

P732

A

1002-4026(2016)06-024-06