南海港口大风的环流特征及其预报指标——以海南洋浦港为例

魏晓雯 陈亮 赵蕾 陈明

(1 海南省气象服务中心,海口 570203； 2 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203)

引言

南海是世界上最繁忙的海上运输通道之一,是我国与亚洲其他国家、欧洲、非洲开展海上贸易的必经之道。近年来，在全球气候变暖背景下，台风、强对流、海上大风等灾害性天气频发，其中海上大风对南海各港口造成严重影响，威胁着港口作业和航行安全。船舶进入大风浪区域航行时，大风可导致船舶剧烈的运动、降速、航向不稳定，甚至出现难以意料的危险。大风不仅直接影响船舶的离靠港，也会影响港区作业，造成集装箱或货架的倾斜等危险。灾害性大风的监测诊断和预报预警已成为气象预报部门的业务重点，也是港口、运输等行业的关注重点。

关于近海大风的研究主要集中在对资料的统计分析和对个例的动力学诊断研究上。吕爱民等[1]对我国近海6级及以上大风的气候特征和环流形势进行了分析，将其归纳为冷空气型、温带气旋型和热带气旋型3种类型。吴海英等[2]在研究冷空气大风过程时指出，强冷平流引起的地面变压和变压梯度的增加是导致近海大风的重要原因。黄彬等[3]和韩永清等[4]强调了高空动量下传在冷空气大风过程中的重要作用。吴紫煜等[5]研究发现，飑线大风往往是在高空冷空气南下、低层暖湿气流北上、中低空急流、位势不稳定、高对流有效位能和较强的低层风垂直切变环境下发展起来的。孙密娜等[6]对飑线雷暴大风的研究表明，中高层有干空气渗透，具有条件不稳定层结，且低层水汽充沛，有利于雷暴大风和湿对流的产生。董海鹰等[7]和东高红等[8]分别指出海风锋对强对流大风的加强作用。王黉等[9]在论述台风大风时强调，台风眼壁及螺旋雨带的中小尺度强对流系统也可在局地产生很强的阵风。近年来各地气象部门也广泛开展了沿海大风的预报服务工作，有的侧重于数值预报产品的解释应用[10-11]，有的侧重于天气系统、物理量等分析[12-14]。石雪[15]根据大连及周边沿海大风的主要影响系统建立了高压型、冷锋型、气旋型大风三维概念模型，并得出相应的大风预报指标。项素清[16]通过天气学和统计量分析用人工神经网络方法建立了浙江沿海气旋大风的预报模型。陈峥蓉等[17]利用ECWMF细网格模式产品和TREC反演风场资料制定了北部湾沿海港口作业气象服务大风预报指标。

洋浦港位于海南岛西北岸的洋浦湾内，是目前海南省开发程度最高配套设施最好的深水良港，年货运吞吐量超4000万吨。随着“一带一路”倡议和海南自由贸易港建设方案的提出，洋浦港将被打造为西部陆海新通道国际航运枢纽。然而，目前对于沿海和海上大风的预报能力仍较为薄弱，在精细度、准确度和时效性等方面远不能满足港口作业精准化需求。为此本文以洋浦港为例，从气候角度出发，按照影响系统对大风过程进行分类，深入探讨各类大风的发生机制及其预报着眼点，并寻找合适的预报指标，以期为南海港口大风的精细化预报和服务提供技术支撑。

1 资料与方法

所用的资料包括：①海南省气象信息中心提供的2015—2019年儋州洋浦港原油码头自动气象站(M1175)逐小时极大风速资料。②欧洲中心ERA5逐小时再分析资料，包括高空风场、温度场、湿度场、地面风场、气压场等。③2015—2019年NCEP/NCAR第2套逐日再分析资料，包括风场、高度场、温度场、地面气压场。④2015—2019年海南省气象台提供的逐日实况天气图和天气报告。

所用数据均经过极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查和人工审核等质量控制，对缺测数据以及质量控制后可疑或错误数据予以剔除，以确保资料的准确性和可用性。

根据国家气象局的规定，在气象观测中，近地表10 m高度测站的瞬时风速达到或超过17 m/s，或目测估计风力达到或超过8级作为大风标准。为此本文规定，当洋浦港原油码头自动站(109.14°E，19.79°N)(图1)10 m风场的小时极大风速连续达到8级及以上时记为1次大风过程，或即使中间有间断，但间断时间不超过3 h且极大风速达到6级及以上，仍算作1次大风过程。下文以此为基础进行统计分析。

图1 洋浦港和原油码头自动站所在及空间分布(实心点表示洋浦港，五角星表示原油码头自动站)

按照上述标准，2015—2019年洋浦港共出现113次大风过程，平均每年22.6次。从大风过程的日变化来看(图2a)，清晨05:00—07:00是大风过程发生频次最高的时段，而傍晚19:00前后大风过程发生频次最低，其他时次大风过程的发生频次较为平均。从影响时长来看(图2b)，洋浦港大风过程的持续时间具有明显的季节变化特征，春季大风过程的持续时间较短，5月大风过程的平均持续时间最短，仅为2 h，而秋季大风过程持续时间较长，10月大风过程的平均持续时间长达10.5 h。

图2 2015—2019年洋浦港大风过程发生频次的日变化(a)及影响时长的年变化(b)

根据海南省气象台提供的实况天气图和天气报告，将洋浦港大风过程的影响系统划分为4种类型，分别为：冷空气型、切变线型、热低压型(非热带气旋对流型)以及热带气旋型。从发生频次来看(图3a)，冷空气型和切变线型(均为39次)出现频次最高，各占过程总数的34.5%，热带气旋型(25次)次之，占过程总数的22.1%，热低压型(10次)发生频次最少，占过程总数的8.9%；从季节分布来看(图3b)，冷空气型大风过程出现在10月至次年4月，其中11、12、1月的发生频次最高，切变线型大风过程在春、夏、秋季均有发生，但主要集中在6—8月的夏季，热低压型大风过程出现在春、夏季，以6、7月居多，热带气旋型大风过程发生在6—10月，与海南岛的台风季相对应；从持续时间来看(图略)，热带气旋型大风过程的平均持续时间最长，为11.3 h，冷空气型和切变线型次之，平均持续时间分别为4.9 h 和3.5 h，热低压型的平均持续时间最短，仅为1.5 h。

图3 2015—2019年洋浦港各类大风过程发生频次占比(a)及各月各类大风过程的发生频次(b)

2 结果与分析

2.1 冷空气型大风过程

图4 2015—2019年冷空气型大风过程环流形势(a)及冷空气型大风过程发生前后气象要素逐小时变化沿105°～110°E的经向时间剖面(b)(图a、b中等值线为海平面气压(单位：hPa)，阴影为925 hPa温度平流，箭头为925 hPa风场;图a中红色实心点为洋浦港所在位置；图b横坐标为时间，“-”代表超前时间，0代表大风过程开始时间，单位为h，下同)

从气象要素沿105°～110°E平均的逐小时演变可以看出(图4b)，在大风过程发生前6 h，22°N附近的冷平流和偏北风均得到显著加强，这是否与洋浦港大风过程有着必然联系呢？为此将大风过程发生前6 h 925 hPa的24 h变温场和经向风场分别与大风过程强度作相关分析(图5)，结果表明，在红色实线框区域(107°～109°E,22°～23°N)，大风过程发生前6 h二者均与大风过程强度呈显著的负相关，相关系数通过了0.05的显著性水平检验，因此将这一区域作为冷空气型大风过程的关键区。大风过程发生前6 h，925 hPa关键区24 h降温超过5 ℃，北风分量大于10 m/s。在业务应用中为了减少空报率，反复试验后将预报指标分别提高至6 ℃、11.5 m/s，即925 hPa关键区24 h降温超过6 ℃且北风分量大于11.5 m/s，6 h后洋浦港将发生冷空气型大风过程。按照这一指标对2015—2019年冷空气型大风过程进行回报试验，准确率为76.6%，漏报率为23.4%，空报率为33.3%。

图5 2015—2019年冷空气型大风过程发生前6 h的925 hPa 24 h变温场(a,等值线，单位：℃)和925 hPa经向风场(b,等值线，单位：m·s-1)(图a、b中的阴影由浅到深分别表示24 h变温场、经向风场与大风过程强度的相关系数通过0.1、0.05、0.01的显著性水平检验，红色实心点为洋浦港所在位置，红色实线框为影响冷空气型大风过程的关键区(107°～109°E,22°～23°N))

2.2 切变线型大风过程

图6 2015—2019年冷式切变型(a)和暖式切变型(b)大风过程合成的大尺度环流(图中等值线为海平面气压(单位：hPa)，阴影为925 hPa温度平流，箭头为925 hPa风场，红色实心点为洋浦港所在位置)

在有利的大尺度环境条件下，进一步根据对流有效位能(CAPE)和对流抑制能量(CIN)判断强对流发生的潜势。在大风过程发生前1 h合成的探空图上(图7)，冷式切变和暖式切变大风过程的CAPE分别为1460 J·kg-1和1416 J·kg-1，表明二者均具有较好的不稳定层结条件。暖式切变型大风过程的CIN较小为6 J·kg-1，有利于对流性天气的发生；冷式切变型大风过程发生时，下冷上暖的平流(图略)在低层形成逆温层，加强了CIN为47 J·kg-1，使不稳定能量在此积聚，易爆发更强烈的对流天气[20]。

图7 2015—2019年冷式切变型(a)和暖式切变型(b)大风过程发生前1 h洋浦港(109°E，20°N)合成T-lnp图

预报切变线型大风过程时，当925 hPa低空切变线、500 hPa南支槽等天气尺度系统出现有利配置时，应根据中尺度环境条件判别雷暴大风、飑线发生的可能性。考虑到CAPE对气块抬升的温度、露点非常敏感[21]，业务中可根据预报的地面温度和露点对08:00探空得到的CAPE和CIN进行订正，判断强对流发生的潜势。

2.3 热低压型大风过程

热低压型大风过程主要产生于海陆热力差异引起的局地环流[22-23]。从该类型合成的天气形势来看(图8a)，925 hPa海南岛为偏南气流控制，我国西南部与中南半岛交界处有热低压发展，中心气压低于1005 hPa。海南岛附近等压线稀疏，水平气压梯度较小。对逐次个例统计发现，该类型大风过程均发生在午后(12:00—17:00)。大风发生前6 h海南岛剧烈升温(图8b)，受地形影响[24]西北部地区升温幅度超过了3.5 ℃，一方面使大气层结不稳定度加大，另一方面由于海陆热力差异，使空气受到海洋指向陆地的气压梯度力，形成偏西方向的向岸风，向岸风在向陆地推进的过程中与偏南背景风场辐合，形成海风锋，引发辐合上升运动。垂直环流场与之对应(图8c)，陆地为强烈的上升运动，海上为下沉运动，形成一个完整的纬向垂直环流圈。从物理量参数随时间的演变(图8d)可以看出，强对流发生前，CAPE逐渐增大，强对流发生前2 h超过1500 J·kg-1，CIN较小(CIN≤20 J·kg-1)，海风锋带来的抬升运动很容易克服对流抑制到达自由对流高度，使强对流发展起来。强对流发生后由于不稳定能量得到释放，CAPE迅速减小，CIN开始上升。

图8 2015—2019年热低压型大风过程环流形势(a)、前6 h变温(变压)场(b)、19.5°N纬向垂直环流剖面(c)以及物理量参数随时间的演变(d)(图a中等值线为海平面气压(单位：hPa)，阴影为925 hPa温度平流，箭头为925 hPa风场;图b中阴影为变温场、等值线为变压场(单位：hPa)，红色实心点为洋浦港所在位置;图c中黄、蓝色阴影分别表示上升、下沉运动通过0.05的显著性水平检验)

热低压型大风过程的预报首先应关注海陆温差以及海风与背景风的辐合，当海南岛西北部与近海海面的6 h变温之差≥3.5 ℃时，易形成海风锋。CAPE≥1500 J·kg-1，CIN≤20 J·kg-1时，有利于触发强对流，从而引起雷暴大风。

2.4 热带气旋型大风过程

热带气旋型大风过程合成的925 hPa环流场上(图9a)，热带气旋(TC)中心位于海南岛东南部沿海，洋浦港位于热带气旋中心西北侧的大风区。经统计，60%的热带气旋型大风过程发生时，洋浦港位于热带气旋7级风圈半径以内，其过程平均持续时间为14.8 h，另外40%的热带气旋型大风过程发生时，洋浦港位于TC外围环流，平均持续时间为6 h。研究表明，台风远距离前方、台风外围常有局地强对流天气发展，可在小范围内带来狂风骤雨[25]。造成热带气旋型大风过程的TC中，有72%生成于我国南海，其余28%来自西太平洋；产生大风过程时，TC强度达到台风及以上的占24%，热带风暴和强热带风暴级别的占68%，热带低压的占8%；

从大风发生时刻热带气旋位置散点图(图9b)可以看出，大部分热带气旋位于洋浦港的东南象限，东北象限次之，西南和西北象限较少。可将造成热带气旋型大风过程的TC路径分为3类，第1类(40%)：从海南岛东南部登陆后向西或西北方向移动，此类大风过程的平均持续时间为8.7 h，平均极大风速为20.1 m/s；第2类(36%)：偏北路径，从海南岛北部的琼州海峡或华南沿海经过，过程平均持续时间14.8 h，平均极大风速为21.0 m/s；第3类(24%)：偏南路径，从海南岛南部近海经过，过程平均持续时间11.5 h，平均极大风速为19.6 m/s。

对于热带气旋大风的预报能力很大程度上依赖于数值模式对于台风路径和强度的预报准确率，在此基础上再根据统计规律以及卫星、雷达等实况监测资料预报风力等级。

综上所述，各类影响系统作用下洋浦港大风过程的预报指标见表1。

表1 海南洋浦港各类影响系统大风过程的预报指标

3 结论和讨论

本文以洋浦港为例，根据不同影响系统对港口大风过程进行分类，探讨了不同类型大风过程的环流背景及其预报指标，主要得到以下结论：

(1)2015—2019年洋浦港平均每年发生22.6次大风过程，按照影响系统可将其分为冷空气型、切变线型、热低压型和热带气旋型4种类型。

(2)冷空气型大风过程是由于强冷平流引起地面气压场的变化；切变线型大风过程主要产生于强对流引发的雷暴大风、飑线等；热低压型大风过程是由于海陆热力差异引起的海风锋而导致的；热带气旋型大风过程主要发生在TC中心附近的等压线密集带以及外围螺旋雨带的中小尺度对流系统中。

(3)当925 hPa关键区24 h降温超过6 ℃且北风分量大于11.5 m/s时，预示洋浦港6 h后将发生冷空气型大风过程；当925 hPa低空切变线、500 hPa 南支槽等天气尺度系统出现有利配置, CAPE≥1500 J·kg-1，且具有较合适的CIN时，易发生切变线型大风过程；当海南岛西北部陆地与近海海面6 h变温之差≥3.5 ℃，CAPE≥1500 J·kg-1，CIN≤20 J·kg-1时，海风锋易触发雷暴大风等强对流天气，从而发生热低压型大风过程；对于切变线型和热低压型这两类大风过程，由于CAPE对气块抬升的温度、露点非常敏感，在判别强对流发生潜势时应注意探空订正；热带气旋型大风过程可在数值预报的基础上结合统计规律以及卫星、雷达等实况监测资料综合判定风力等级。

相较于以往关于近海大风的研究[7,8,13]，本文针对不同影响系统分别制订了各类大风过程的预报指标，这有助于更准确地把握大风过程的天气特征、系统配置及动力热力条件，从而提高灾害性大风的预报预警水平。但值得注意的是，在预报强对流引发的切变线型和热低压型大风过程时，在环流背景和物理量参数条件满足的前提下，短临预报还应重点关注多普勒天气雷达的回波特征，弓形回波、钩状回波、阵风锋和中低层径向速度辐合等雷达回波特征对雷暴大风具有较好的指示意义[26-29]。