李宏江,吳志彥,王佳明,呂守敏,李旭杰
(威海市氣象臺(tái),山東威海 264200)
山東半島位于我國北方海岸線的中偏南段,北與遼東半島形成環(huán)抱渤海之勢(shì),突出在黃海之中,是中國北方延伸向太平洋的前緣。由于特殊的地理環(huán)境,半島沿海一年四季都易產(chǎn)生大風(fēng)天氣,尤其在冬季容易出現(xiàn)偏北大風(fēng),而春季則易出現(xiàn)偏南大風(fēng),呈明顯的季節(jié)變化。以位于半島東端的成山頭為例,1981—2010年30 a間,日最大風(fēng)速大于17.0 m/s的日數(shù)達(dá)到986 d,位于半島北部的威海日最大風(fēng)速大于12.0 m/s的日數(shù)達(dá)到2266 d;進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明,各方位都有大風(fēng)出現(xiàn)(見圖1)。對(duì)1980—1999年渤海和北黃海大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析表明[1],冬季主要以偏北方向?yàn)橹鳎谶^渡季節(jié)既有偏北大風(fēng)也有偏南大風(fēng)的出現(xiàn)。當(dāng)渤海海峽的大風(fēng)到達(dá)山東半島的成山頭,受陸地的抬升作用產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動(dòng),風(fēng)速再次加大;冬季渤海低空特殊的淺對(duì)流,對(duì)大風(fēng)加強(qiáng)起了促進(jìn)作用。對(duì)2010—2012年山東沿海海區(qū)逐時(shí)最大風(fēng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),山東東部海區(qū)平均風(fēng)速最大,大風(fēng)日數(shù)和大風(fēng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度都為全省最高[2]。2001—2010年山東沿海偏北大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析表明,冬季、秋季和春季偏北大風(fēng)次數(shù)多、風(fēng)力大,偏北大風(fēng)的持續(xù)時(shí)間較長,有時(shí)持續(xù)一天,最多可達(dá)7 d[3]。
圖1 1981—2010年威海和成山頭各方位最大風(fēng)速(藍(lán))和風(fēng)向頻率(紅)玫瑰圖
渤海海峽大風(fēng)的強(qiáng)危害性和頻發(fā)性對(duì)周邊地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)和海上航運(yùn)造成了極大的影響。威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成,航線氣象保障也是相關(guān)省市日常預(yù)報(bào)服務(wù)的重要項(xiàng)目。近年來,隨著航線氣象服務(wù)的深入開展,以及沿海觀測資料進(jìn)一步豐富,渤海海峽航線大風(fēng)的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)逐漸積累,航線風(fēng)的一些觀測事實(shí)和變化規(guī)律也被揭示。對(duì)煙臺(tái)、大連沿海幾個(gè)臺(tái)站的測風(fēng)資料的分析表明,渤海海峽以偏北風(fēng)和偏南風(fēng)較大,偏東風(fēng)和偏西風(fēng)較小[4],大風(fēng)日數(shù)存在逐年減少的變化趨勢(shì),且海島站能較好的代表渤海海峽大風(fēng)的情況[5];對(duì)煙臺(tái)海域海島站和沿岸站的對(duì)比分析表明,在不同風(fēng)向下各海島站對(duì)海面大風(fēng)的代表性不同[6],由于海島站和沿岸站的風(fēng)力極值相差較大,綜合應(yīng)用海島站和沿岸站大風(fēng)記錄,能更加準(zhǔn)確反映渤海海峽大風(fēng)的氣候特征[7];海島測站觀測值與模擬值的對(duì)比分析指出,若通過海面實(shí)測資料與海島測風(fēng)資料直接的對(duì)比分析,求得的訂正效果可能最佳,但是極難得到大風(fēng)情形下海面實(shí)測風(fēng)資料[8]。衛(wèi)星反演資料也應(yīng)用到海峽風(fēng)的對(duì)比研究中。對(duì)海峽附近QuikSCAT散射計(jì)矢量風(fēng)與浮標(biāo)站風(fēng)的對(duì)比分析表明,兩者風(fēng)速大小基本吻合,但風(fēng)向偏差較大[9],對(duì)1971—2008年大連沿海測站的統(tǒng)計(jì)分析表明,該海區(qū)大風(fēng)呈減少趨勢(shì)[10],大連附近浮標(biāo)站和內(nèi)陸測站的個(gè)例對(duì)比分析表明,最大風(fēng)速海陸差異都比極大風(fēng)速海陸差異明顯,最大風(fēng)速海陸差異最小1級(jí),最大5級(jí),而極大風(fēng)速只差1級(jí)左右[11]。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)氣象觀測的投入也日漸增多。有別于傳統(tǒng)的沿岸站,眾多自動(dòng)氣象觀測站紛紛建立,這為沿海大風(fēng)的觀測提供了更加豐富的資料來源。2009年開始,建立在往返于威海-大連航線的客輪“生生-1”號(hào)上的自動(dòng)氣象站,更是對(duì)渤海海峽氣象觀測資料的進(jìn)一步豐富。
采用航線附近沿岸站、海島站和船舶站測風(fēng)資料,尤其通過對(duì)海島站、船舶站資料進(jìn)行檢查、去噪、去誤、優(yōu)選、整理和預(yù)處理,對(duì)海島站、船舶站、沿岸站測風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比、統(tǒng)計(jì),分析海島站、沿岸站在海上航線大風(fēng)特征方面不同程度的代表性,對(duì)海上航線服務(wù)具有重要意義。
目前的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,按照魯氣辦發(fā)[2010]45號(hào)《關(guān)于開展海洋氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)定試運(yùn)行的通知》的要求,將劉公島作為威海-大連航線風(fēng)預(yù)報(bào)的參考站點(diǎn),而在以往的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)中,又往往以成山頭作為海上風(fēng)預(yù)報(bào)的參考站點(diǎn)。因此本文對(duì)航線風(fēng)的研究,將劉公島、成山頭的測風(fēng)資料同時(shí)納入研究范圍,這不僅是對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)的再次考證,也是對(duì)沿岸站、海島站測風(fēng)資料對(duì)航線風(fēng)不同代表性的對(duì)比研究。
圖2 2011年12月“生生-1”號(hào)船舶站觀測記錄
本文選取2011年1—12月劉公島、成山頭、威海-大連航線“生生-1”船舶站(以下稱船舶站)測風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比分析。船舶站使用江蘇無線電科學(xué)研究所的ZQZ-A自動(dòng)站,該站建立于2009年,2011年6月后,觀測時(shí)間加密為10 min,本文采用的要素包括:最大風(fēng)、極大風(fēng)、2 min平均風(fēng)。以2011年12月為例,觀測數(shù)據(jù)樣本量為3237個(gè),數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖2。劉公島采用華云CAWS600B自動(dòng)站,測風(fēng)資料包含逐時(shí)最大風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)向、風(fēng)速。成山頭國家基本站測風(fēng)資料包含逐時(shí)最大、極大風(fēng)、2 min平均風(fēng)。以上測風(fēng)資料均符合《地面氣象觀測規(guī)范》要求,風(fēng)向采用360°方位表示,風(fēng)速以m/s為單位,保留一位小數(shù)。
船舶站測風(fēng)資料已經(jīng)去除船風(fēng)因素。首先對(duì)船舶站資料進(jìn)行普查、去誤和優(yōu)選。具體方案如下:
(1)對(duì)船舶站資料的普查表明:氣象條件允許的情況下,觀測船只大致航行時(shí)間:9:00大連—18:00威海;21:00威海—次日5:00大連。當(dāng)船只進(jìn)/出港時(shí),處于減速/加速狀態(tài),航速一般較低,且此時(shí)船舶站位于海灣內(nèi),相較海島站或沿岸站不具備代表性;而當(dāng)船只航行于海面時(shí),航速趨于穩(wěn)定,約為7—8 m/s。因此設(shè)置臨界航速=6.5 m/s,當(dāng)航速≥6.5 m/s時(shí),認(rèn)為船只位于航線上,此時(shí)的觀測記錄為航線觀測記錄;
(2)去誤和優(yōu)選。普查表明,船舶站測風(fēng)記錄偶有缺失或不齊。本文在對(duì)船舶站數(shù)據(jù)進(jìn)行普查的基礎(chǔ)上再進(jìn)行去誤和優(yōu)選。一些時(shí)次記錄的最大風(fēng)、極大風(fēng)和平均風(fēng)記錄三者缺一或缺二,一些時(shí)次只記錄了經(jīng)緯度、航向航速等而無測風(fēng)記錄,本文將這些時(shí)次的記錄予以舍棄。普查還表明,一些時(shí)次的風(fēng)記錄風(fēng)向?yàn)?80°,風(fēng)速為0,且這一記錄與同時(shí)次的其他測風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比偏差都較大;從出現(xiàn)頻率看,例如2011年5月,745個(gè)時(shí)次每個(gè)時(shí)次5組(包含2 min平均風(fēng)、10 min平均風(fēng)、最大風(fēng)、瞬時(shí)風(fēng)、極大風(fēng))共3275個(gè)測風(fēng)記錄,存在14個(gè)測風(fēng)記錄將風(fēng)向和風(fēng)速分別記為180°和0。本文認(rèn)為這些記錄不可靠,予以舍棄;
(3)對(duì)時(shí)間分辨率進(jìn)行調(diào)整。由于成山頭和劉公島測風(fēng)資料的時(shí)間分辨率為1 h,因此相應(yīng)地,將船舶站逐10 min測風(fēng)資料處理為逐時(shí)資料。具體方法為:對(duì)最大風(fēng)和極大風(fēng),分別選取每小時(shí)6個(gè)測值中的最大的風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)向?yàn)橹饡r(shí)最大風(fēng)和極大風(fēng);對(duì)平均風(fēng),與成山頭平均風(fēng)相對(duì)應(yīng)地,取整點(diǎn)前2 min平均風(fēng)作為該時(shí)次的平均風(fēng);
(4)普查表明,研究時(shí)段內(nèi)劉公島、成山頭站均存在缺測情況,這可能是自動(dòng)站故障、通訊中斷等原因所致,這些個(gè)別的缺測情況不影響較長時(shí)間序列樣本的連續(xù)性。為方便對(duì)比研究,在對(duì)船舶站資料進(jìn)行去誤和優(yōu)選的基礎(chǔ)上,再次舍棄劉公島、成山頭站缺測時(shí)船舶站的同時(shí)次資料。
因此,經(jīng)以上處理得到的測風(fēng)資料,不僅排除了所涉測站的缺測情況,也排除了船舶站測風(fēng)資料不具備航線代表性的情況,即同時(shí)保證劉公島、成山頭、船舶站這3個(gè)測站參與對(duì)比研究的測風(fēng)資料真實(shí)并且有效。
基于以上預(yù)處理,得到2011年1—12月船舶站逐時(shí)風(fēng)(包含平均風(fēng)、最大風(fēng)、極大風(fēng)),逐月樣本量如圖3所示。就樣本量而言,1月最少,這是由于船舶站在1月19日前觀測數(shù)據(jù)缺失所致。其余月份樣本量均在300—400左右,其中7月份最多,為458個(gè)。由于篇幅的限制,同時(shí)考慮樣本量和季節(jié)因素,選擇4月、7月、10月、12月的最大風(fēng)分別代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié),考察各季節(jié)風(fēng)向、風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向的變化規(guī)律。各月風(fēng)玫瑰圖如圖4所示。
圖3 船舶站2011年各月逐時(shí)最大風(fēng)樣本量
從圖4可見,各季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向各不相同。春季以西南風(fēng)最多,其次為西北風(fēng);風(fēng)力以4—5級(jí)為主,偏南風(fēng)、偏西風(fēng)和西北風(fēng)均有出現(xiàn)6—7級(jí)風(fēng)力,反映了春季作為過渡季節(jié)南北大風(fēng)交替出現(xiàn)的特點(diǎn)。夏季各風(fēng)向的頻率差別較春季小得多,但以偏南風(fēng)和東南風(fēng)最多;風(fēng)力以4—5級(jí)為最多,3級(jí)以下風(fēng)頻率較春季明顯增多,6—7級(jí)風(fēng)主要出現(xiàn)在東南-南風(fēng)-偏西風(fēng)方向。秋季以偏南風(fēng)-偏西風(fēng)-西北風(fēng)為主,其中以偏西和西北風(fēng)最多;風(fēng)力以4—5級(jí)為主,6—7級(jí)風(fēng)主要出現(xiàn)在偏西風(fēng)附近。冬季則以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向,且6—7級(jí)大風(fēng)的出現(xiàn)頻率較另外3個(gè)季節(jié)明顯增多。綜觀以上分析,發(fā)現(xiàn)船舶站主導(dǎo)風(fēng)向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律,且與季節(jié)特征相符;風(fēng)力以4—5級(jí)為主,夏季3級(jí)以下風(fēng)頻率最多,秋冬季6—7級(jí)大風(fēng)明顯增多。
圖4 2011年船舶站最大風(fēng)玫瑰圖
上一節(jié)的分析表明,船舶站作為渤海海峽航線海上風(fēng)的代表,其變化規(guī)律與季節(jié)特征相符。那么船舶站測風(fēng)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)沿岸站、海島站對(duì)比,有何異同?本節(jié)從風(fēng)向和風(fēng)速兩個(gè)方面進(jìn)行分析。為了更清晰地了解所涉測風(fēng)資料的偏差程度,分別計(jì)算了各月逐時(shí)風(fēng)速的平均偏差、絕對(duì)偏差和均方差偏差。計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)速、風(fēng)向的均方差偏差分布與絕對(duì)偏差相似,因此本節(jié)將均方差偏差序列圖略去,僅給出平均偏差和絕對(duì)偏差序列。
首先對(duì)3個(gè)測站的風(fēng)向偏差進(jìn)行對(duì)比。偏差取同時(shí)次船舶站風(fēng)向角度減去劉公島/成山頭風(fēng)向角度。偏差正值表示順時(shí)針偏差,負(fù)值表示逆時(shí)針偏差。對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行偏差控制,偏差絕對(duì)值≤180°[12]。例如當(dāng)風(fēng)向在北風(fēng)附近時(shí),若船舶站為350°,劉公島為5°,則偏差取-15°而非345°。
2011年逐月船舶站和成山頭平均風(fēng)向、最大風(fēng)向、極大風(fēng)向的對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。可見除了樣本量最小的1月份,其余各月的平均偏差都在20°以下,可以認(rèn)為船舶站和成山頭的風(fēng)向偏差不大。無論平均風(fēng)、最大風(fēng)還是極大風(fēng),在1—6月,風(fēng)向平均偏差為負(fù)值,即船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差;在8—12月平均偏差均為正值,表示船舶站風(fēng)向較成山頭有順時(shí)針偏差。從絕對(duì)偏差看,偏差值12月最小,2月最大。均方差偏差12月最小,3月最大。綜合以上分析可知,船舶站和成山頭的風(fēng)向平均偏差不大;12月的偏差最小,即在12月,成山頭的風(fēng)向與船舶站最接近,用成山頭的風(fēng)向代表海上航線風(fēng)向是可行的。
圖5 船舶站和成山頭逐月風(fēng)向偏差
圖6 船舶站和劉公島逐月風(fēng)向偏差
船舶站和劉公島的風(fēng)向偏差分析如圖6所示。最大風(fēng)和極大風(fēng)的平均偏差在3、4月份最小,且在4—12月,風(fēng)向偏差均為正值,表示船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差;從偏差值看,除1月份外,其余各月份絕大部分情況偏差都在20°以內(nèi),10月份偏差雖然略大一些,但也僅為28°左右。絕對(duì)偏差在12月最小。綜合以上分析可見,船舶站和劉公島的風(fēng)向平均偏差不大,尤其在春季,兩者風(fēng)向偏差最小。
以上結(jié)果表明,除了樣本量較小的1月份,其余11個(gè)月船舶站和成山頭/劉公島的風(fēng)向平均偏差大多都在20°以下。在1—6月,船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差,在8—12月則為順時(shí)針偏差;而4—12月,船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差。12月成山頭的風(fēng)向與船舶站更接近,可用成山頭的風(fēng)向代表海上航線風(fēng)向;而劉公島與船舶站的風(fēng)向偏差在4月最小??梢娫诓煌募竟?jié),海島站和沿岸站對(duì)航線風(fēng)的代表性有所不同。在春季(尤其4月),劉公島和船舶站風(fēng)向較接近;而在冬季(尤其12月),成山頭和船舶站風(fēng)向更接近。
首先考察船舶站和成山頭/劉公島的逐月風(fēng)速序列的相關(guān)性,取置信度α=0.01,對(duì)各月相關(guān)系數(shù)作檢驗(yàn),如表1所示。結(jié)果表明,船舶站和成山頭的平均風(fēng)除了1月、3月、10月、12月之外均顯著相關(guān),最大風(fēng)和極大風(fēng)除了1月和3月外均顯著相關(guān);船舶站和劉公島的最大風(fēng)在4—12月顯著相關(guān),極大風(fēng)除了1月和3月均顯著相關(guān)。
船舶站和成山頭的風(fēng)速偏差如圖7所示。從圖7a可以看出,平均偏差除了4月的最大風(fēng)速偏差為負(fù)外,其它均為正值。平均風(fēng)速偏差在0.15 m/s(9月)—6.5 m/s(1月)之間,最大風(fēng)速偏差在-0.57(4月)—5.32(2月)之間,極大風(fēng)偏差在0.61 m/s(4月)—6.37 m/s(2月)之間,平均偏差值1月、2月最大,4—9月相對(duì)較小;3—12月的偏差值大多在2 m/s以下。從4—12月的偏差對(duì)比看,極大風(fēng)速的偏差較平均風(fēng)速和最大風(fēng)速偏差大1 m/s左右,即船舶站風(fēng)速往往大于成山頭,且極大風(fēng)速較成山頭偏差更大。從絕對(duì)偏差看依舊是1月和2月最大,極大風(fēng)速偏差較平均風(fēng)速、最大風(fēng)速偏差大,1—3月偏大1—2 m/s,4—12月偏大1 m/s以下;相對(duì)最小值出現(xiàn)在7月份。
船舶站和劉公島的風(fēng)速對(duì)比如圖8所示。平均偏差除了4月和6月的最大風(fēng)偏差外均為正值,最大風(fēng)速偏差在-0.18(4月)—6.67(1月)之間,極大風(fēng)速偏差在1.19 m/s(4月)—7.62 m/s(2月)之間。4—12月的極大風(fēng)速偏差較最大風(fēng)速偏差大,相對(duì)而言,4—9月偏差較小,冬季(12、1、2月)偏差較大。絕對(duì)偏差最小值出現(xiàn)在6、7月份,極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速。無論平均偏差還是絕對(duì)偏差,都是1、2月的偏差最大。
以上對(duì)比分析表明,船舶站和成山頭/劉公島風(fēng)速相關(guān)顯著,尤其在4—12月,最大風(fēng)和極大風(fēng)顯著相關(guān)。船舶站風(fēng)速往往大于成山頭和劉公島,且1月、2月偏差最大,4—9月相對(duì)較小,極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速偏差。4—12月,船舶站和成山頭的極大風(fēng)速偏差較平均風(fēng)速和最大風(fēng)速偏差大,其中3—12月的平均偏差值大多在2 m/s以下。船舶站和劉公島的極大風(fēng)速平均偏差在1.19—7.62 m/s之間,2月最大,4月最?。豢傮w而言,成山頭與船舶站的風(fēng)速差異較劉公島小一些。
表1 船舶站和成山頭和劉公島風(fēng)速相關(guān)系數(shù)(加粗?jǐn)?shù)值表示通過α=0.01的信度檢驗(yàn))
圖7 船舶站和成山頭逐月風(fēng)速偏差
圖8 船舶站和劉公島逐月風(fēng)速偏差
威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成,航線保障服務(wù)一直是專業(yè)氣象服務(wù)重點(diǎn)之一。為了分析業(yè)務(wù)常用參考站點(diǎn)對(duì)航線風(fēng)的代表性,本文對(duì)威海-大連航線“生生-1”號(hào)船舶站測風(fēng)資料進(jìn)行了普查、優(yōu)選和預(yù)處理,首先考察了船舶站測風(fēng)資料所代表的航線風(fēng)的變化規(guī)律;然后結(jié)合目前海上航線保障服務(wù)和現(xiàn)行參考站點(diǎn),對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析了2011年1—12月船舶站、劉公島、成山頭的風(fēng)向、風(fēng)速偏差,以期為海上航線的風(fēng)預(yù)報(bào)提供一些參考。本文主要結(jié)論如下:
(1)船舶站主導(dǎo)風(fēng)向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律,且與季節(jié)特征相符。春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和西北風(fēng),夏季為偏南和東南風(fēng)、秋季為偏西和西北風(fēng),冬季為西北風(fēng)。風(fēng)力以4—5級(jí)為主,夏季3級(jí)以下風(fēng)頻率最多,秋冬季6—7級(jí)大風(fēng)明顯增多;
(2)除了樣本量較小的1月份,其余11個(gè)月船舶站和成山頭/劉公島的風(fēng)向平均偏差不大,大多都在20°以下。在不同的季節(jié),海島站和沿岸站對(duì)航線風(fēng)的代表性有所不同。在春季(尤其4月),劉公島和船舶站風(fēng)向較接近;而在冬季(尤其12月),成山頭和船舶站風(fēng)向更接近。在1—6月,船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差,在8—12月則為順時(shí)針偏差;而4—12月,船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差;
(3)船舶站和成山頭/劉公島風(fēng)速相關(guān)顯著,尤其在4—12月,最大風(fēng)和極大風(fēng)顯著相關(guān)。船舶站風(fēng)速往往大于成山頭和劉公島,且1月、2月偏差最大,4—9月相對(duì)較小,極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速偏差。總體而言,成山頭與船舶站的風(fēng)速差異較劉公島小一些。
由于冬季強(qiáng)冷空氣引起的偏北大風(fēng)往往造成威海-大連航線停航,強(qiáng)風(fēng)天氣背景下的船舶站測風(fēng)資料無法獲取。盡管引進(jìn)了船載自動(dòng)站的觀測資料,但受觀測樣本量限制,本文涉及的資料范圍仍然較短。不同測站對(duì)航線風(fēng)代表性的分析,以及航線風(fēng)在不同天氣背景下的的變化規(guī)律,有賴于收集更為多源的、長時(shí)間的海上觀測資料進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析,以及在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬的進(jìn)一步揭示。
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