深圳沿海碼頭瞬時高大風與熱帶氣旋的特性分析

深圳沿海碼頭瞬時高大風與熱帶氣旋的特性分析

0帶風場陣風預報模型的應用熱帶雨林（又稱臺風）是最具破壞力的自然災害之一。目前科學家及氣象預報者們預報臺風和臺風引發(fā)區(qū)域大風的最主要方法是基于動力學的數(shù)值模式熱帶氣旋引發(fā)的區(qū)域大風具有明顯的陣性特點,陣風與平均風速差有時可達30m·s本研究將對深圳地區(qū)安裝有自動氣象站時間較長的蛇口碼頭站、媽灣港站以及鹽田港站的歷史數(shù)據(jù)進行分析,并建立熱帶氣旋影響下的陣風預報模型,再用近2年對深圳有影響的熱帶氣旋個例,來驗證陣風預報模型對深圳市重點防護單位陣風預報的應用,從而滿足目前從氣象要素預報到行業(yè)氣象風險預報轉變的迫切需求。1熱帶氣旋的風力影響本論文針對深圳的3個重點港灣碼頭站:鹽田港、媽灣港、蛇口碼頭站,在熱帶氣旋影響下的陣風歷史數(shù)據(jù)進行分析并建模,3個站的地形位置見圖1,3個氣象站分別于2007,2006和2004年建站。本研究用3個站2014年6月以前的歷史記錄建立預報模型,用2014年7月以后的臺風個例來檢驗預報模型的應用效果。根據(jù)中央氣象臺定義,陣風,即瞬時風速,為3s的平均風。本研究采用氣象站的小時極大風,即每小時內(nèi)的最大瞬時風值,其觀測資料來源于深圳市氣象臺的歷史記錄,臺風的觀測資料來源于中央氣象臺發(fā)布的實時臺風路徑數(shù)據(jù)。本研究使用的建模方法同Li等的研究。一般來講,熱帶氣旋的風力影響決定于熱帶氣旋的強度和尺寸大小,熱帶氣旋強度越強,給地方帶來的災害越大;熱帶氣旋的尺寸大小,即7級風圈的大小范圍,往往也決定了熱帶氣旋的潛在破壞范圍。根據(jù)中央氣象臺的分類標準,熱帶氣旋分為:超強臺風(supertyphoon,SuperTY)、強臺風(severetyphoon,STY)、臺風(typhoon,TY)、強熱帶風暴(severetropicalstorm,STS)、熱帶風暴(tropicalstorm,TS)、熱帶低壓(tropicaldepression,TD)?？拷A南沿海及登陸的超強臺風和強臺風相對其他強度類別的熱帶氣旋要少一些,所以本研究中將這兩者合并為一類,給其命名為SSTY。所有歷史上靠近觀測氣象站700km范圍以內(nèi)的N個熱帶氣旋先按其不同強度發(fā)展階段劃分成SSTY熱帶氣旋對局地的風力影響,一般情況下是距離越近,影響越大,臺風眼內(nèi)除外其中,S是地球上兩點間距離(km);R是地球的半徑(km);Lα為A、B兩點間的方位角,公式(2)中θ滿足以下要求:當B點位于相對于A點的第一象限時,方位角=α;當B點位于第二象限時,方位角=360+α;當B點位于第三和第四象限時,方位角=180-α?；谏鲜龉接嬎銦釒庑窂近c相對于氣象觀測站的距離以及方位角,熱帶氣旋的路徑點就可以畫在以氣象站為圓心的角坐標系上,熱帶氣旋位置點可以用不同深淺顏色表示氣旋對氣象站小時極大風的影響,700km范圍的空間可以通過基于歷史路徑點的臺站觀測風力進行插值運算得到。另外,一個特定強度級別的熱帶氣旋通過距離氣象站700km范圍內(nèi)一個1°×1°的格點,可能需要幾個小時,在這幾個小時期間,氣象臺站的極大風不會保持恒定大小。鑒于氣象預報關注的是熱帶氣旋對區(qū)域可能帶來的最大災害,因此,篩選氣象臺站這幾個小時當中的小時極大風觀測的最大值留在數(shù)據(jù)庫中,用于預報未來同樣強度級別的熱帶氣旋通過鄰近位置時可能引發(fā)的氣象站最大陣風影響。2結果與討論2.1熱帶氣旋對港區(qū)港的風力影響按第1節(jié)所述的方法,基于3個沿海自動站2014年6月以前的所有歷史臺風及自動站風力觀測數(shù)據(jù),計算不同級別熱帶氣旋在700km范圍內(nèi)不同位置對3個港灣碼頭站最大小時極大風影響,因為熱帶低壓對區(qū)域的大風影響相對較小,此處只顯示了SSTY、STY、STS與TS對3個港口碼頭站的最大小時極大風影響,如圖2所示。從圖2中可以看出,各級別的熱帶氣旋引發(fā)各港口碼頭的最大極大風,隨著熱帶氣旋強度級別的增加,引發(fā)極大風影響越大;熱帶氣旋引發(fā)各站極大風具有間歇性,有時熱帶氣旋位置相差不大,引發(fā)極大風大小有差別;此外,熱帶氣旋位于各站的西南方向,對港灣碼頭的影響遠遠大于熱帶氣旋位于其他方位時對港口極大風的影響。比較深圳3個觀測站,熱帶氣旋對鹽田港的風力影響遠遠大于其對媽灣港和蛇口碼頭的影響。從圖1可以看出,3個氣象站地形不同,當熱帶氣旋位于3個站的西南象限時,3個臺站盛行東南風,區(qū)別于媽灣港和蛇口碼頭,鹽田港站的東南方向直接面朝大海,而媽灣港站和蛇口碼頭站東南方向有香港島存在,因而緩減了熱帶氣旋對媽灣港與蛇口碼頭兩站的風力影響。另外,從圖1中可以看出,鹽田港站的西北方向存在有兩個山脈之間的峽谷,當鹽田港盛行東南風時,其西北方向的峽谷對鹽田港的風有加劇的效應?；谝陨蟽蓚€原因,鹽田港在熱帶氣旋影響下,其風力影響是最大的。此外,從圖2中可以看出,當熱帶氣旋在第三象限時,強臺風、臺風、強熱帶風暴在400km以外,都很有可能給鹽田港站帶來8級以上(>17.2m·s2.2因勢而異,陣風預報系統(tǒng)2014年下半年“海鷗”臺風給深圳帶來比較大的風雨影響。圖3a中的圈實線為“海鷗”的實際路徑。2014年9月15日11時,“海鷗”位于深圳市東南方向的600km左右,此時臺風對深圳地區(qū)基本無風雨影響。根據(jù)歐洲中心中期天氣預報模式(ECMWF,簡稱EC模式)的預報臺風路徑(圖3a中的藍色虛線),“海鷗”將以臺風強度于海南北部或雷州半島附近登陸,經(jīng)過路徑距深圳最近距離大約400km。根據(jù)此預報路徑及預報強度,預報員可以參考圖2中臺風強度熱帶氣旋對各自動站的陣風影響。以鹽田港為例,按統(tǒng)計模型方法預報的鹽田港陣風情況見圖3b,用紅、綠點畫線表示。統(tǒng)計方法預報的鹽田港最大陣風發(fā)生時間在9月16日00—02時,大小約為27m·s2014年下半年除了臺風“海鷗”以外,還有“威馬遜”、“TD465”、“鳳凰”登陸華南沿海,Li等深圳市氣象局在此研究結果基礎上開發(fā)成陣風預報模塊,納入深圳市氣象局熱帶氣旋綜合業(yè)務平臺(圖4)。當一個熱帶氣旋進入氣象站700km范圍,預報員根據(jù)其強度,選定相應的熱帶氣旋類型,根據(jù)數(shù)值模式提供的臺風路徑,該陣風預報模塊就能提供一個沿海自動站的陣風時間序列的預報,并給出相應最佳預警信息、預警發(fā)布時間等信息供預報員參考。再以2016年對深圳影響最大的、登陸深圳市大鵬區(qū)與鹽田區(qū)的“妮妲”臺風為例,檢驗陣風預報模塊的應用。不同于“海鷗”與“彩虹”,妮妲是于深圳的東南方向趨近深圳(圖5),即臺風處于各氣象站的第二象限方位,參考圖2中臺風影響圖,從東南方向移近深圳,臺風要距離鹽田港200km左右,鹽田港才開始8級以上大風,從圖5中看到熱帶氣旋預報模塊預報的大風開始時間大概為8月1日22—23時;模塊預報的最大陣風為29.1m·s同樣,臺風“妮妲”期間,預報模塊對媽灣港、蛇口碼頭也提供了陣風量級以及發(fā)生時間的準確評估(表1)。從表1可以看出,相比較歐洲中心數(shù)值預報模式,基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法預報的“妮妲”臺風對深圳3個沿海港灣碼頭自動站的預報更為精準,不但能準確預報出最大陣風的量級大小,而且對最大陣風發(fā)生的時間也能給出非常準確的預報。3歷史帶空氣狀況和自動站的陣風預報基于歷史觀測數(shù)據(jù),本研究給出3個沿海港灣碼頭自動站在不同級別熱帶氣旋影響下的最大陣風圖,可供業(yè)務預報參考。深圳市氣象局已將統(tǒng)計研究結果開發(fā)成陣風預報模塊,納入氣象局熱帶氣旋綜合業(yè)務平臺。本研究成果在2014年7月—2016年9月臺風影響期間得到了應用和比較好的驗證。需要指出的是,因為自動站的歷史原因,用于統(tǒng)計建模的自動站陣風數(shù)據(jù)還不是太多,所以本研究的統(tǒng)計預報方法會有預報不準的時候,但是隨著將來觀測記錄的增加,陣風樣本的增多,統(tǒng)計方法預報熱帶氣旋對港灣碼頭的陣風影響的準確度會越來越高。另外,在臺風研究中,衛(wèi)星觀測是一個比較可靠的信息來源,地球靜止衛(wèi)星對臺風有非常強的觀測能力。下一步將研究探討衛(wèi)星資料在臺風的災害預報中的應用,以提高臺風災害的預報能力。本研究對深圳3個港灣碼頭觀測站,在熱帶氣旋影響期間的歷史瞬時極大風進行分析。研究發(fā)現(xiàn)瞬時風具有間歇性,其大小受周邊環(huán)境影響大。無阻擋的地方,風最大;地形條件存在狹管效應會進一步加大風力影響。所有方位中,同樣級別熱帶氣旋位于觀測站的西南象限時,對觀測站影響最大,STS級別以上熱帶氣旋在西南象限時引發(fā)鹽田港8級以上大風的距離可以達到400km及以上。本研究的沿海自動氣象站的瞬時極大風與熱帶氣旋強度、熱帶氣旋距離和相對自動氣象站方位三要素之間的統(tǒng)計關系,對深圳市氣象局發(fā)布臺風預警有很大的參考價值,并為港口碼頭的精細化預報、重點防護單