深圳沿海風(fēng)特性的觀測(cè)分析

深圳沿海風(fēng)特性的觀測(cè)分析

強(qiáng)因子是指風(fēng)速突然升高或突然變化，主要是由于快速不規(guī)則的水流。陣風(fēng)長(zhǎng)期的趨勢(shì)預(yù)測(cè)對(duì)樓宇及橋梁的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)甚為重要至目前為止,對(duì)深圳沿海地區(qū)在熱帶氣旋及季風(fēng)影響下,陣風(fēng)系數(shù)的特征及差異的研究還比較少見(jiàn),本研究利用深圳近海有代表性的3個(gè)站點(diǎn),研究了在季風(fēng)和熱帶氣旋影響下陣風(fēng)系數(shù)的特征,研究結(jié)果對(duì)深圳本地近海工程及港口碼頭有針對(duì)性的大風(fēng)防御提供了科學(xué)的依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1深圳沿海地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)的測(cè)定根據(jù)深圳的東西兩側(cè)有海灣,南側(cè)與香港接壤,毗鄰南海的海陸分布情況,選取了位于深圳西部沿海的媽灣港站、東部沿海的鹽田港站,和距離岸邊有260km的流花111石油平臺(tái)站進(jìn)行深圳沿海地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)的分析(站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1)。風(fēng)速的研究數(shù)據(jù)選取了2009—2014年共6年的觀測(cè)資料,考慮到地形高度對(duì)風(fēng)的影響,選取的3個(gè)自動(dòng)站海拔高度相差不大,介于24~26m之間。1.2未發(fā)布雷暴預(yù)警信號(hào)在廣東沿海,熱帶氣旋和季風(fēng)是對(duì)陣風(fēng)影響最為顯著的天氣系統(tǒng)1)季風(fēng)型規(guī)則:深圳市氣象臺(tái)發(fā)布了大風(fēng)預(yù)警信號(hào)同時(shí)未發(fā)布雷暴預(yù)警信號(hào),且10min平均風(fēng)速≥5m/s。去除發(fā)布了雷暴預(yù)警信號(hào)期間的數(shù)據(jù)的目的是為了排除強(qiáng)對(duì)流天氣造成的陣風(fēng)的影響,因強(qiáng)對(duì)流天氣與季風(fēng)形成的陣風(fēng)在機(jī)理上有顯著的區(qū)別。這樣篩選出來(lái)的個(gè)例可能包括東北季風(fēng)。2)熱帶氣旋型規(guī)則:深圳市氣象臺(tái)發(fā)布了臺(tái)風(fēng)預(yù)警信號(hào)且10min平均風(fēng)速≥5m/s。1.3矩陣系數(shù)目前廣泛接受和使用的陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)算公式為2結(jié)果與分析2.1陣風(fēng)系數(shù)表1給出了媽灣港、鹽田港、流花111石油平臺(tái)3個(gè)站點(diǎn)在季風(fēng)型和熱帶氣旋型影響下陣風(fēng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。媽灣港位于深圳的西部、珠江口的東側(cè)。由表1可知,在陣風(fēng)系數(shù)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的比較中,熱帶氣旋型陣風(fēng)系數(shù)都高于季風(fēng)型陣風(fēng)系數(shù),這與前人的研究結(jié)果鹽田港位于深圳東部,北鄰800余米高的梧桐山系(圖1),對(duì)比顯示,在季風(fēng)型影響下陣風(fēng)系數(shù)的任一指標(biāo)均高于熱帶氣旋型的影響,即在同等的平均風(fēng)速條件影響下,季風(fēng)型天氣系統(tǒng)的影響會(huì)帶來(lái)更大的陣風(fēng),這與同處深圳沿海的媽灣港的陣風(fēng)系數(shù)有很大區(qū)別。流花111平臺(tái)站熱帶氣旋型陣風(fēng)系數(shù)除最大值比季風(fēng)型更高外,其它均不如季風(fēng)型的陣風(fēng)系數(shù)高。熱帶氣旋的影響下,大氣穩(wěn)定度和湍流程度發(fā)生劇烈的變化,導(dǎo)致風(fēng)速出現(xiàn)急劇的擾動(dòng),有利于記錄到最大值,但從中值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)看,均為季風(fēng)型陣風(fēng)系數(shù)更高。吳濱等2.2陣風(fēng)、3風(fēng)頻率圖2給出了季風(fēng)和熱帶氣旋影響下陣風(fēng)的頻率分布,媽灣港站在兩種天氣型影響下,最大的陣風(fēng)頻率都出現(xiàn)在陣風(fēng)10m/s左右,而且2種類(lèi)型影響的陣風(fēng)頻率分布曲線比較一致;鹽田港站在熱帶氣旋影響下,陣風(fēng)頻率的峰值集中在陣風(fēng)10m/s左右,但是在季風(fēng)影響下,最大的陣風(fēng)頻率則出現(xiàn)在陣風(fēng)14~15m/s,并且在陣風(fēng)12~22m/s的范圍內(nèi),季風(fēng)型的陣風(fēng)頻率均高于熱帶氣旋型,尤其在陣風(fēng)14~18m/s之間的頻率,兩者相差約3%~4%,只有在23m/s以上的陣風(fēng)范圍內(nèi),熱帶氣旋影響下陣風(fēng)頻率略高,即鹽田港站出現(xiàn)6~9級(jí)風(fēng)概率季風(fēng)型明顯高于熱帶氣旋型,但在更高級(jí)別的風(fēng)力上,兩者的差距不大。一般來(lái)說(shuō),陣風(fēng)達(dá)到7級(jí)以上,港口碼頭等行業(yè)的作業(yè)會(huì)受到顯著的影響,因此東部的港口碼頭等行業(yè)在季風(fēng)天氣系統(tǒng)影響下,需更加關(guān)注。對(duì)于離岸的流花111平臺(tái)站,當(dāng)陣風(fēng)在11m/s以下,熱帶氣旋影響下的陣風(fēng)概率較高,反之,當(dāng)陣風(fēng)介于12~20m/s之間時(shí),季風(fēng)影響下的陣風(fēng)頻率更高;當(dāng)陣風(fēng)>21m/s以上時(shí),熱帶氣旋型的概率高于季風(fēng)型。說(shuō)明在6級(jí)以下的較低風(fēng)速區(qū)和9級(jí)以上的較高風(fēng)速區(qū),對(duì)于海上的站點(diǎn),熱帶氣旋型的陣風(fēng)頻率較高,而季風(fēng)型影響下,海上觀測(cè)站點(diǎn)的陣風(fēng)更多的集中于6~8級(jí)之間。2陣風(fēng)系數(shù)隨平均風(fēng)力的變化圖3給出了陣風(fēng)系數(shù)與10min平均風(fēng)的關(guān)系,反映在不同的平均風(fēng)力水平下,風(fēng)的擾動(dòng)幅度,除了散點(diǎn)圖之外,還給出了在3級(jí)及以上,陣風(fēng)系數(shù)的平均值(用帶標(biāo)記的線表示),橫坐標(biāo)為蒲氏風(fēng)力等級(jí)的中間值,即3級(jí):4.4m/s、4級(jí):6.7m/s、5級(jí):9.35m/s,余以此類(lèi)推。媽灣港的陣風(fēng)系數(shù)在不同的平均風(fēng)力水平下,季風(fēng)型和熱帶氣旋型的陣風(fēng)系數(shù)隨平均風(fēng)的變化比較穩(wěn)定,8級(jí)風(fēng)以上的數(shù)據(jù)較少,不具有很好的代表性。熱帶氣旋型影響下的陣風(fēng)系數(shù)在平均風(fēng)介于3~6級(jí)風(fēng)之間均略高于季風(fēng)型陣風(fēng)。鹽田港季風(fēng)型的陣風(fēng)系數(shù)普遍高于熱帶氣旋型。從鹽田港所處的地形來(lái)看(如圖1),它處于山谷的西北-東南向通道上,容易在季風(fēng)型天氣系統(tǒng)的影響下,疊加地形的狹管效應(yīng),導(dǎo)致風(fēng)力的明顯加大,這可能是鹽田港站季風(fēng)型影響下陣風(fēng)系數(shù)顯著高于熱帶氣旋型的原因。與陸地不同,海面的粗糙度會(huì)隨著風(fēng)速的改變而改變,有研究表明,平均風(fēng)速在9m/s以下時(shí),湍流強(qiáng)度隨著平均風(fēng)力的加大迅速下降,超過(guò)9m/s這個(gè)臨界值后,湍流強(qiáng)度的變化趨于穩(wěn)定,且臨界值的變化與離岸距離有關(guān)3級(jí)以上陣風(fēng)頻率為了研究強(qiáng)陣風(fēng)的日變化特點(diǎn),圖4給出了7級(jí)以上陣風(fēng)頻率的日變化特征。從季風(fēng)型(圖4a)陣風(fēng)可以看出,流花111平臺(tái)站記錄到的7級(jí)以上陣風(fēng)頻率明顯高于媽灣港站,但鹽田港站的7級(jí)以上陣風(fēng)頻率則明顯與同屬于沿岸站點(diǎn)的媽灣港站有所不同,不僅有明顯的日變化,并且在夜間7級(jí)以上陣風(fēng)出現(xiàn)的頻率與熱帶氣旋型陣風(fēng)相當(dāng)。這可能與鹽田港所在的地理位置,一方面容易受到梧桐山地形的影響,同時(shí)這種7級(jí)以上陣風(fēng)頻率在夜間顯著增大,很有可能與海陸風(fēng)的加強(qiáng)作用有關(guān),需進(jìn)一步深入研究。熱帶氣旋型(圖4b)影響下,媽灣港和鹽田港的7級(jí)以上陣風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間分布比較相似,全天的時(shí)變趨勢(shì)沒(méi)有明顯的差異,流花111平臺(tái)站的7級(jí)以上陣風(fēng)的出現(xiàn)概率明顯高于沿岸站點(diǎn),位于東部的鹽田港站點(diǎn)出現(xiàn)7級(jí)以上陣風(fēng)的概率略高于位于西部的媽灣港站點(diǎn)。沿海的港口碼頭等行業(yè)對(duì)7級(jí)以上大風(fēng)最為關(guān)注,研究表明,7級(jí)以上強(qiáng)陣風(fēng)出現(xiàn)頻率,流花111平臺(tái)(遠(yuǎn)海)大于媽灣港和鹽田港(近海),鹽田港(東岸)大于媽灣港(西岸)。但是在季風(fēng)型影響下,與媽灣港相比,鹽田港可能出現(xiàn)更高頻率的強(qiáng)陣風(fēng),在夜間甚至可能超過(guò)流花111平臺(tái)站,需加強(qiáng)防御。本研究討論了基于實(shí)況觀測(cè)資料的陣風(fēng)系數(shù)的特