富春江浮标站风况特征及周边站点对比分析

蒋立加 李凯 施凯 朱延爱

(富阳区气象局,浙江 杭州 311400)

0 引 言

富阳全区范围内已建有57个地面区域自动气象观测站,全面开展陆地气象要素观测,但富春江综合气象水文要素观测一直是一个空白。2015年富阳区气象局响应政府“五水共治”中心工作,为实现富阳气象灾害监测预警全覆盖,为富春江航运和运动休闲等提供富春江气象数据支撑,增强富春江气象灾害的预测预警能力,建成了全省领先的气象浮标综合观测站,实时观测江面温湿度、雨量、风向风速、气压、水温、流速8个气象要素数据。

2022年杭州亚运会皮划艇、赛艇项目选址富春江,做好浮标站相关要素的分析研究,也是为亚运会精细化预报预警服务提供一些理论基础。

近年来,浮标站凭借其机动灵活、准确度高、测量参数多等优势,在海洋资源开发、环境监测、海上运动、国防建设等领域得到了广泛应用。孙喜艳利用汕尾红海湾大型浮标站的观测资料,统计分析了汕尾红海湾近海海面风的日变化特征、季节变化特征和大风特点[1],同时通过与周边自动站观测资料对比分析[2],探索发现特定时段平均风速和阵风偏大的现象。李庆宝也针对青岛奥帆赛竞赛海域浮标站风力与背景气压场的关系进行了分析[3],找出了不利于帆船赛开赛的弱风成因。而实际业务工作中,对海上或者内陆江湖面的预报往往受环境限制,浮标站资料缺少。

而在国外,一些发达国家很早就有利用浮标站进行观测,用较长时间内观测到的大风数据与陆地数据进行对比,找出海面风与陆地风之间的关系,得到由陆地风推导出海面风理论模式或半经验模式[4]。国内对海风的研究也并非停滞不前,黄容曾根据大尺度背景地转风将海风分为7个类型,建立了预报青岛夏季近岸海风的统计分型方法[5]。

1 浮标站结构与地理位置

浮标是一种对水文气象环境进行长期、定点、实时、立体监测的重要设备。富春江浮标站主体为船型结构,可测量江面温湿度、雨量、风向风速、气压、富春江水温、流速8个气象要素数据。浮标锚泊系统是浮标采集系统的载体。它是由浮标体、锚系等组成。浮标体为船型钢制框架结构,长4 m,宽2 m,吃水1 m。

浮标站位于城区东南方富春江江面上,119°55′～120°02′E,30°01′～30°03′N,海拔5.0 m。北面为城区国家气象站,东南面分别为新沙岛站以及江南站。

2 浮标站风况特征分析

2.1 浮标站风频、风速特征

图2a为富春江浮标站2016年全年风频玫瑰图,可以看出,主导风向主要有两个：第一主导风向为东北方向,占全年总风频的1/3；第二主导风向为西南方向。分析东北、西南这两个方向风频较高的原因,主要受江流分布限制,富春江富阳段基本以西南—东北走向为主,这两个方向的风受地形因素限制最少。从浮标站风速玫瑰图(图2b)也能很好地验证上述问题,西南、东北方向上风速明显高于其它方向风速。

图2 富春江浮标站2016年风频(a)、风速(b)玫瑰图

2.2 浮标站风速日变化

图3a为浮标站平均风速的日变化情况,整体风速都不大,且能看出很明显的变化波动曲线。夜间风速值较小,日出后风速开始增大,到午后会进一步发展,极大值一般出现在16时左右,之后有一个衰退过程,从滑动平均曲线(图中实线)也能很好地看出风速的峰谷波动变化。平均风速较大的时间点出现较大阵风的概率也会相应增加,将日极大风速出现的时间点做一个频率分析,图3b即为日极大风速出现时间的频率情况,同样存在峰谷变化规律。由此可以得出,日极大风速出现时间的频率与平均风速存在一定正相关性,平均风速较大的时间点出现日极大风速的概率也会相应增加。结合日常预报工作,可在当日平均风速的基础上适当提高午后到傍晚这一段时间的风力预报等级。

(图中实线为多项式滑动平均趋势拟合曲线)图3 富春江浮标站平均风速日变化分布图(a)及日极大风速出现时间频率分布图(b)

2.3 浮标站风速月变化

图4a为各个月平均风速和离散程度情况,整体风速都不大,但仍存在一定季节变化。上半年的峰值出现在3月份,一般亚热带季风气候的特点就是10月到次年2月,偏北风占绝对优势,3月偏北风和偏南风频率互相消长,也是春季大风出现频率较高的月份。下半年的峰值在台风影响时段7—10月。从各个月各自风速值的方差来看,和平均风速存在较好的对应关系,平均风速较大月份风速波动幅度也较大,出现较大阵风的概率也会相应增加。

图4 富春江浮标站平均风速月变化分布图(a)及各月5级及以上阵风频次分布图(b)

图4b为浮标站2016年各月小时极大风速≥5级的频次分布情况,冬春转换时节以及台汛期出现5级以上阵风概率会明显增加。日常预报工作中,当出现5级及以上阵风时,监测责任区就要进入关注状态。

3 浮标站与周边站点风况对比分析

目前为止,富春江浮标站为富春江上唯一气象监测站,资料的时间序列也有限,而且维护维修程序相对繁琐,资料的连续性有时无法得到保障。因此对浮标站和周边站点的对比分析,找到其与周边站点一些定性定量的规律显得尤为重要。风向对气象灾害的主导作用不明显,故下面主要对城区国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)以及新沙岛站(K1712)4个站的风速做一定的对比分析。

表1 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)经纬度及海拔情况

3.1 对比站点风况统计分析

从各站各月的平均风速情况看(图5),各个站点都存在同样的季节变化。平均风速最大的站点为国家气象站(58449),其各月的平均风速基本都高于其它3个站点。

对比浮标站与其它3个站点之间的关系,浮标站(K1600)与新沙岛站(K1712)的波动曲线最为接近,这可能与地理因素有一定关系,新沙岛站位于富春江中心的新沙岛上,周围的环境特征和地形分布也极为相似。

图5 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)各月平均风速对比分布图(单位:m/s)

为进一步了解浮标站与周边站点在平均风速上的关系,将各月浮标站与其他3个站点的平均风速的方差进行累加(表2),与之前分析的一致,浮标站与国家站、江南站、新沙岛站的累加方差值分别为0.75、0.22及0.19,数据证明新沙岛站与浮标站在月平均风速上面存在较好的一致性。

表2 浮标站与国家站、江南站、新沙岛站各月平均风速方差值累加之和

进一步分析浮标站在阵风方面与周边站点的关系,统计2016年各月5级及以上风的频次(表3),可以看出城区国家气象站出现关注状态(短临业务阵风达到5级进入关注状态)的概率远远高于其它3个站点。存在这一现象的原因主要有两点,国家站位于城区镬子山山顶,本身根据近地面风速规律,风速值要高于拔海高度较低的站点,加之国家站周边探测环境优于区域自动站,对风向风速的干扰比较少,因此对较大阵风的灵敏度相对要高一些。

表3 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)2016年各月5级及以上阵风的频次 时次

3.2 对比站点风况个例分析

月平均风速以及月强风频次在较大时间尺度上对各站风速情况做了对比,为了更客观更全面地比较各站点风速情况,分别挑选台风、寒潮过程、强对流等3次大风过程做进一步分析。

3.2.1 台 风

2016年第14号台风“莫兰蒂”对本地主要风力影响在9月15日下午至16日早晨,图6a、图6b为国家站(58449)和浮标站(K1600)在台风影响时段平均风速和极大风速对比情况,可以看出,虽然小时平均风速(图6a)比较接近,但两个站点在小时极大风速(图6b)上存在一定差距,国家各个小时的极大风速都大于浮标站,尤其表现在15日傍晚到前半夜,也就是风力影响最明显的时间段,差距尤为明显,这也验证了之前分析的浮标站对较大阵风的灵敏度低于国家站的结论。

图6 台风“莫兰蒂”影响时段国家站与浮标站小时平均风速(a)与小时极大风速(b)

从各风速值的对比列表(表4)看,台风“莫兰蒂”这次过程,与浮标站风速情况最接近的仍为新沙岛站,而其它两个站点与其差距较明显。具体看小时极大风速的平均值,国家站要比浮标站高出2.6 m/s的风速,也就是一个风力等级的大小左右,说明此次过程两个站点在阵风上基本存在一个风力等级。

表4 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)台风影响时段各风速值对比情况 m/s

3.2.2 寒 潮

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程,寒潮天气的主要特点是剧烈降温和大风,其中较易出灾且难防范的就是大风过程。

2月13—15日的这次寒潮大风过程(图7)与之前分析的台风过程情况类似,国家站在小时极大风速这个指标上基本都大于浮标站,尤其是风速较大时段,差距更加明显,量级上也基本存在一个风力等级。

图7 2016年2月13—15日寒潮影响时段小时平均风速(a)与小时极大风速(b)对比分析(单位:m/s)

从各个风速的指标看(表5),国家站在各个指标上都大于其它3个站点,也包括浮标站,而与浮标站风速情况最为接近的站点还是新沙岛站,过程平均风速、过程极大风速、过程平均小时极大风速3个统计要素都表现出较好的一致性。

表5 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)寒潮影响时段各风速值对比情况m/s

3.2.3 强对流

2016年7月4日傍晚,受强对流云团影响,出现一次明显雷雨大风过程。各站点强对流影响时段各风速值(表6)表明,国家站与浮标站风速情况较为接近,整体4个站点一致性较差,这也从一定层面反映出,当出现局地性突发性大风过程的时候,浮标站的阵风情况存在一定偶然性,视大风具体发展情况而定。而发生过程性大风过程,例如台风、冷空气影响时,浮标站往往与新沙岛站风速情况拟合程度较好,而国家站的风速则会大于其它3个站点。

表6 国家站(58449)、浮标站(K1600)、江南站(K1240)及新沙岛站(K1712)强对流影响时段各风速值对比情况 m/s

4 结 语

通过客观分析资料,对富春江浮标站风况特征以及与周边测站的对比关系进行了分析,得到以下几点结论。

1)浮标站主导风向主要为东北方向和西南方向,主要受江流分布影响,这两个方向的干扰因素最少;从各个方位风速情况看,东北、西南方向的风速也高于其它方向。

2)从浮标站风速的日变化看,存在很明显的波动规律,夜间和上午风速值相对较小,午后到傍晚出现风速大值区,峰值出现在16时左右,也是日极大风速出现频率最高的时间点。日常监测预报预警工作要尤其关注午后到傍晚时间段浮标站风速的变化情况。

3)从浮标站风速的月变化看,全年共出现两个峰值,一个是冬春转换季节3月份前后；另一个为台汛期,这两个时间段出现较大阵风的频率也是全年中最高的。

4)从浮标站与周边站点的风速对比分析看,周边站点与浮标站同样存在一定的季节变化,国家站对较大阵风的灵敏度要远高于其它站点,同时也发现浮标站与新沙岛站存在相对较好的一致性。

5)进一步从3次大风过程来看,出现例如台风、寒潮等过程性的大风过程时,浮标站与新沙岛站有较好的拟合效果,而与国家站在阵风方面基本存在一个风力等级的差距。而出现类似强对流这种突发性大风过程时,浮标站的风力变化具有一定的偶然性。

本文对富春江浮标站的风况特征进行了初步研究,但仍存在一些问题:使用数据为2016年全年数据,时间序列不够长,得出的结论代表性不强;主要对风速进行了分析研究,对风向的分析有待加强,同时对浮标站其它监测要素的分析也要同步加强。

通过本文的分析,已经初步发现浮标站和周边站点一些定性定量的规律,未来将进一步找出浮标站与周边站点之间的风力关系,得到由陆地风推导出江面风的理论或半经验结论,应用于日常业务工作。