第19屆亞運會帆船賽區(qū)風(fēng)場特征及其強風(fēng)概率推算

潘婧茹， 錢燕珍， 申華羽， 方艷瑩， 史學(xué)凡， 胡夢影

(1.寧波市氣象服務(wù)中心，浙江 寧波315012； 2.寧波市氣象臺，浙江 寧波315012； 3.寧波市北侖區(qū)氣象局，浙江 寧波315012)

引 言

第19屆亞洲運動會將于2022年9月10-25日在中國杭州舉行。其中，亞運會帆船(板)比賽項目(簡稱亞帆賽)將落戶寧波象山縣松蘭山長咀頭區(qū)域，海域整體氣候溫和濕潤且地理條件優(yōu)異，擁有多處寬闊無障礙、無條件限制的深水海域，常年風(fēng)向風(fēng)速穩(wěn)定，年平均風(fēng)速約4.5 m/s，這也是浙江省首個符合舉辦國際A級水上運動比賽條件的地區(qū)。

帆船(板)是所有比賽項目中對風(fēng)依賴最大的賽事[1]。風(fēng)是比賽的主要動力條件，風(fēng)速對比賽起著決定性作用，風(fēng)的變化規(guī)律對帆船比賽有至關(guān)重要的影響。首先，比賽需要依據(jù)風(fēng)向制定航線計劃，每輪比賽的風(fēng)向擺動不能超過50°。比賽期間要求風(fēng)速在3～20 m/s范圍內(nèi)，當(dāng)風(fēng)力持續(xù)達(dá)到3 m/s以上時才適宜比賽，而風(fēng)力超過20 m/s時，鑒于水上安全需停止比賽[2]。其次，要求競賽海域能見度>1500 m，且要避開雷雨等突發(fā)災(zāi)害性天氣。

國內(nèi)對水上運動項目和氣象條件的關(guān)系，以及氣象預(yù)報服務(wù)等方面的研究較多。2008年第29屆北京奧運會帆船賽在青島順利舉行[3]，奧帆賽對氣象服務(wù)提出了精細(xì)化的高要求。洪光等[4]利用統(tǒng)計學(xué)方法對青島奧帆賽期間的天氣氣候背景作了全面分析。朱燕君等[5]分析了北京奧運會期間的氣象條件特征。盛春巖等[6]對奧帆賽賽場附近的海陸風(fēng)特征及海風(fēng)的三維結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)分析。李慶寶等[7]利用高分辨率模式對相關(guān)個例進行模擬試驗，進一步研究比賽海域海陸風(fēng)的發(fā)展條件。高分辨率數(shù)值模式產(chǎn)品是實現(xiàn)精細(xì)化預(yù)報的基礎(chǔ)。楊育強等[8]建立了以MM5、WRF等多種模式為基礎(chǔ)的精細(xì)化預(yù)報系統(tǒng)，提供賽場內(nèi)4個浮標(biāo)站的逐時風(fēng)速和風(fēng)向的定量預(yù)報，全面提高了海面風(fēng)場的預(yù)報能力。苗世光等[9]利用青島市500 m分辨率的土地覆蓋數(shù)據(jù)，建立了奧帆賽高分辨率數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，便于研究不同下墊面對近海海面風(fēng)場的影響。為了實現(xiàn)賽場定點、定量化精準(zhǔn)預(yù)報，高榮珍[10]和林行[11]等基于MM5模式預(yù)報產(chǎn)品，分別開發(fā)了針對風(fēng)的MOS預(yù)報方法和動態(tài)集合MOS預(yù)報方法，預(yù)報方法在奧帆賽期間起到了關(guān)鍵作用。

以上研究大都是針對不同氣象要素和比賽項目關(guān)系的研究，以及高分辨率數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，但針對與帆船比賽有關(guān)的風(fēng)的日變化特征和精細(xì)化風(fēng)場氣候背景的研究相對較少。由于地形、風(fēng)場和探測資料的差異化，本文旨在研究亞帆賽期間賽區(qū)精細(xì)化小尺度風(fēng)場氣候背景。國內(nèi)外帆船比賽常在強風(fēng)中進行，目前最常使用極值I型分布函數(shù)計算不同等級的強風(fēng)概率[12]。因此本文基于寧波象山石浦國家氣象站和南韭山自動監(jiān)測站風(fēng)資料，采用統(tǒng)計分析、相關(guān)比值法和極值I型分布參數(shù)估計方法，分析寧波帆船賽區(qū)風(fēng)場的氣候背景概況，研究亞帆賽期間風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)頻的變化規(guī)律和強風(fēng)概率情況，以期為亞運會帆船比賽預(yù)報研究和精細(xì)化氣象服務(wù)提供有益參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

亞帆賽松蘭山賽區(qū)、亞帆中心、石浦國家氣象站，以及南韭山自動監(jiān)測站的分布如圖1。賽場周邊地形復(fù)雜，沒有已建成的觀測站，附近的石浦站建有全國首座海島大風(fēng)預(yù)警塔，是寧波歷史最悠久且觀測環(huán)境保護最好的氣象站，其觀測數(shù)據(jù)參與亞太地區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)交換；南韭山站地處海島邊緣，其觀測環(huán)境與象山松蘭山海域環(huán)境相似，該氣象站測風(fēng)資料對附近海域風(fēng)況具有較好的代表性，因此本研究選取南韭山氣象站作為亞帆賽賽區(qū)的代表站。

圖1 亞帆賽區(qū)、亞帆中心、石浦站和南韭山站分布示意圖

使用的資料包括象山石浦站1974-2019年9月的逐日最大風(fēng)向、風(fēng)速資料，石浦站和南韭山站2006-2019年9月的逐時和逐日風(fēng)向、風(fēng)速資料。石浦站海拔高度為129.2 m，南韭山站海拔高度為41.7 m，兩個氣象站之間相距為34.1 km。

1.2 方 法

1.2.1 極值Ⅰ型分布函數(shù)

某特定事件的重現(xiàn)期指大于或等于該事件特定強度可能出現(xiàn)一次的平均間隔時間，單位是年，重現(xiàn)期與頻率成反比[13]。極值Ⅰ型(Gumbel)分布函數(shù)常用于計算重現(xiàn)期分布[14]:

F(x)=exp(-exp(-a(x-u)))
a>0,-∞

(1)

式中,a為分布的尺度參數(shù)，u為分布的位置參數(shù)，只要利用已有的最大風(fēng)速序列x1,x2，…，xn合理估計出參數(shù)a、u的數(shù)值，則F(x)被唯一確定。

重現(xiàn)期為R(概率為1/R)時最大風(fēng)速為

(2)

耿貝爾法是一種直接與經(jīng)驗頻率相結(jié)合的參數(shù)估計方法，參數(shù)a、u的估算多數(shù)情況下選用耿貝爾法擬合效果最好[15]。

假定最大風(fēng)速有序序列為：x1≤x2≤…≤xn，則經(jīng)驗分布函數(shù)為

(3)

取序列

yi=-ln(-ln(F°(xi)))i=1,2,…,n

(4)

可得

(5)

在實際計算中可以用有限樣本容量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為E(x)和σ(x)的估計值。

1.2.2 柯爾莫哥洛夫擬合適度檢驗指標(biāo)

柯爾莫哥洛夫擬合適度檢驗指標(biāo)：

(6)

Dn=max{|Fo(xi)-F(xi)|}

(7)

式中，n為樣本容量，xi為有序樣本，Dn表示在所有各點上，經(jīng)驗分布與假設(shè)的理論分布之差的最大值。取顯著性水平為0.05，查表得出只要Kf<1.35，則認(rèn)為樣本最大風(fēng)速服從極值I型分布，且指標(biāo)數(shù)值越小表示擬合效果越好[16]。

1.2.3 相關(guān)比值法

當(dāng)基本站和訂正站相距不遠(yuǎn)，兩站同一氣象要素關(guān)聯(lián)密切，并且要素的離散程度與平均值正相關(guān)的氣候資料序列訂正，常采用相關(guān)比值法[17]。當(dāng)基本站風(fēng)速與參照代表站風(fēng)速之間通過相關(guān)性檢驗時，兩者將滿足以下關(guān)系：

(8)

式中，a、b為經(jīng)驗系數(shù)，y為基本站風(fēng)速，x為參照代表站風(fēng)速。

試驗計算顯示，當(dāng)x較大時(風(fēng)速大于5 m/s)，k(x)趨于常數(shù)。利用相關(guān)比值法進行風(fēng)速訂正時，宜按季節(jié)或風(fēng)向進行分類訂正[18-19]。

1.2.4 風(fēng)速廓線指數(shù)律

磁化焙燒主要是利用某些金屬在特殊價態(tài)下的磁性，從而起到篩分作用，通常用于采礦和選礦[32]。低溫磁化焙燒對于提取高爐粉塵或高爐渣中的鋅有較大作用，在焙燒過程中，使鐵粉帶有磁性，并借助磁選機，可將鐵元素富集，則鋅元素隨之富集。該反應(yīng)的溫度在1 000～1 100 ℃，因此，低溫焙燒非常重要，通過精確控溫使鐵元素發(fā)生反應(yīng)，留下氧化鋅，達(dá)到回收的目的。

一般情況下，近地面層風(fēng)隨高度的變化取決于地表粗糙度和低層大氣的層結(jié)狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，僅需確定一個特定的參數(shù)，運用指數(shù)律和對數(shù)律公式可以將據(jù)一個高度的風(fēng)速推算出另一個高度的風(fēng)速[20-21]。研究表明，舟山地區(qū)的風(fēng)速廓線指數(shù)律模式較適用于風(fēng)速隨高度變化的研究[22]。新修訂的2006版《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[23]指出，華南沿海地區(qū)使用指數(shù)律可以精準(zhǔn)地擬合垂直風(fēng)廓線。施密特(Schmit)半經(jīng)驗理論導(dǎo)出的風(fēng)速廓線指數(shù)律公式為

(9)

式中，V2為高度Z2處的風(fēng)速(m/s)；V1為高度Z1處的風(fēng)速(m/s)；α為風(fēng)速隨高度的切變指數(shù)，它取決于下墊面狀況和大氣穩(wěn)定度，其值表征風(fēng)速垂直切變的強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞帆賽期間風(fēng)場特征

2.1.1 平均風(fēng)向風(fēng)速

風(fēng)、浪、流是影響帆船(板)運動的重要因素，風(fēng)向、風(fēng)速的變化對比賽成績起著決定性作用，因此全面分析賽場海域風(fēng)場特征對比賽具有十分重要的指導(dǎo)意義。依據(jù)2006-2019年石浦站和南韭山站9月逐日和逐時風(fēng)資料統(tǒng)計得出，石浦站和南韭山站9月月平均風(fēng)速分別為4.6 m/s和5.5 m/s，極端最大風(fēng)速分別為23.7 m/s和24 m/s(均出現(xiàn)在2014年9月22日)，兩站的主導(dǎo)風(fēng)向均以NE(東北風(fēng))為主(圖2)。14年間石浦站和南韭山站最大風(fēng)速大于20 m/s的大風(fēng)日分別出現(xiàn)1次和4次，出現(xiàn)概率分別為0.248%和0.990%，全都是由臺風(fēng)影響造成的大風(fēng)天氣，因此歷史上出現(xiàn)比賽中斷大風(fēng)(大于20 m/s)天氣的概率較低。

圖2 2006-2019年石浦站(a)和南韭山站(b)9月風(fēng)玫瑰圖

2.1.2 不同等級風(fēng)速頻率

帆船(板)賽事的啟動風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)速大于20 m/s時需要中斷比賽，因為太大的風(fēng)可能會導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生，不能比賽；而過小的風(fēng)則不足以驅(qū)動帆船前進，無法比賽。國際帆船比賽經(jīng)常在強風(fēng)中進行，比賽時的最佳風(fēng)速為5～10 m/s，利于保持航向和把握航速。

夏季風(fēng)速往往偏小，多數(shù)時間風(fēng)向不定。依據(jù)帆船比賽關(guān)注的風(fēng)速等級，可將風(fēng)速分為禁止比賽風(fēng)速(小于3 m/s和大于20 m/s)、符合比賽風(fēng)速(3～5 m/s和10～20 m/s)和最優(yōu)比賽風(fēng)速(5～10 m/s)等三類。統(tǒng)計分析2006-2019年石浦站和南韭山站9月三類風(fēng)速條件出現(xiàn)頻率(表1)，得出兩站滿足比賽條件的風(fēng)頻超87%，達(dá)到最優(yōu)比賽風(fēng)速條件的超44%，其中南韭山站的更高(接近50%)。此外，兩站禁止比賽的風(fēng)速頻率都在13%以下。進一步分析兩站三類比賽條件的逐時風(fēng)速頻率(圖略)，可以明顯看出兩站13-19時滿足比賽條件的風(fēng)頻均超90%。其中，13-17時出現(xiàn)最優(yōu)比賽風(fēng)速頻率均超50%。因此賽事安排在午后到傍晚舉行有利于比賽的順利開展。

表1 2006-2019年石浦站和南韭山站9月三類風(fēng)速條件出現(xiàn)頻率 %

2.1.3 風(fēng)速日變化

對比2006-2019年石浦站和南韭山站9月逐時平均風(fēng)速的日變化(圖3)，得出兩大特點：(1)石浦站和南韭山站逐時平均風(fēng)速呈較明顯日變化特征，受海陸風(fēng)環(huán)流影響，風(fēng)速具有午后增大、夜間減小的特征。白天時段(09-20時)風(fēng)速變化起伏較夜間的(21時-次日08時)明顯，在16時前兩站的平均風(fēng)速總體呈上升趨勢，10時起風(fēng)速明顯增大，平均風(fēng)速的峰值出現(xiàn)在15時到17時之間，17時開始風(fēng)速逐漸減小。(2)兩站日平均風(fēng)速均大于4 m/s，整體上南韭山站平均風(fēng)速大于石浦站的平均風(fēng)速。造成差異的原因，除了與地理位置有關(guān)外，海拔高度也是各站風(fēng)速差異的一個重要因素?？傮w來看，中午到傍晚期間風(fēng)力較大，風(fēng)速大小更利于開展比賽項目，應(yīng)充分利用風(fēng)速的日變化規(guī)律，合理安排賽程。

圖3 2006-2019年石浦站和南韭山站9月逐時平均風(fēng)速

2.1.4 風(fēng)向擺動幅度

帆船(板)比賽除了對風(fēng)速有一定要求外，對風(fēng)向的擺動也非常關(guān)注，掌握了風(fēng)向的擺動規(guī)律可以幫助選手取得好成績。若以ΔWi代表某一時次的風(fēng)向擺動，則計算公式如下：

(10)

根據(jù)2006-2019年石浦站和南韭山站9月逐時風(fēng)資料，通過計算每一時次的ΔWi的平均值，得出兩站逐時風(fēng)向擺動變化曲線(圖4)。由圖4可以看出，平均狀況下兩站各時次風(fēng)向擺動均低于20°，滿足風(fēng)向擺動低于50°的比賽條件，而且上午風(fēng)向擺動較大，午后時段(13-18時)風(fēng)向擺動相對較小，其中15時前后風(fēng)向擺動最小。

圖4 2006-2019年石浦站和南韭山站9月逐時風(fēng)向擺動

2.1.5 海陸風(fēng)特征

象山縣松蘭山海區(qū)冬夏季風(fēng)交替明顯，海陸風(fēng)現(xiàn)象較顯著，象山的海岸線在亞帆賽區(qū)基本呈南北走向。將東向(1°-179°)來的風(fēng)定義為海風(fēng)，西向(181°-359°)來的風(fēng)定義為陸風(fēng)，分別統(tǒng)計石浦站和南韭山站9月東西風(fēng)向出現(xiàn)頻率的日變化(圖5)。由圖5可看出：(1)兩站夜間西向風(fēng)頻率大，而午后明顯是東向風(fēng)頻率大，這反映了白天吹海風(fēng)，夜間吹陸風(fēng)的海陸風(fēng)特征。(2)對比來看，石浦站海陸風(fēng)現(xiàn)象較南韭山站的顯著，這與兩站的地形環(huán)境有關(guān)。(3)由陸風(fēng)轉(zhuǎn)為海風(fēng)的時間集中在東西向風(fēng)頻較為接近的時段，兩站午后東西向風(fēng)頻率相差最大，說明午后時段(12-19時)風(fēng)向變化相對穩(wěn)定。

圖5 2006-2019年石浦站(a)和南韭山站(b)9月逐時風(fēng)向頻率對比圖白色為東向風(fēng)頻，紅色為西向風(fēng)頻

2.2 賽區(qū)不同等級大風(fēng)的概率推算

2.2.1 石浦站與南韭山站風(fēng)速相關(guān)分析

石浦站與南韭山站相距約34.1 km，氣候背景特征統(tǒng)一，在盛行風(fēng)向以東北風(fēng)為主的9月，兩站風(fēng)速相關(guān)性密切。根據(jù)石浦站與南韭山站2016-2019年9月逐日最大風(fēng)速資料，選擇兩站逐日最大風(fēng)速同時大于5 m/s的樣本進行相關(guān)性檢驗分析(圖6)。結(jié)果顯示，R值為0.79，在0.10的顯著性水平上達(dá)到顯著相關(guān)，進一步計算得到距地面10 m高度風(fēng)速樣本比值V南韭山站/V石浦站為k=1.1199。

圖6 石浦站與南韭山站風(fēng)速相關(guān)顯著性檢驗結(jié)果

2.2.2 不同重現(xiàn)期風(fēng)速推算

依據(jù)概率統(tǒng)計理論，參數(shù)估計的精確度隨著樣本容量的減少而明顯降低，因此需要提供足夠長的歷史序列數(shù)據(jù)來完成重現(xiàn)期風(fēng)速的參數(shù)計算。選取石浦站1974-2019年共44年的9月逐日最大風(fēng)速資料，得出表征參數(shù)估計優(yōu)良性的Kf指標(biāo)值0.954(小于1.35)，即極值I型分布耿貝爾法能得到有效的分布參數(shù)，石浦站逐日最大風(fēng)速資料服從極值Ⅰ型分布。因此計算得出石浦站不同重現(xiàn)期風(fēng)速，依據(jù)大風(fēng)樣本比值系數(shù)K來構(gòu)建南韭山站最大風(fēng)速序列(表2)。

表2 石浦站、南韭山站和松蘭山海區(qū)10 m高度不同重現(xiàn)期風(fēng)速計算結(jié)果

2.2.3 松蘭山海區(qū)10 m高度的強風(fēng)概率推算

南韭山站海拔高度為41.7 m，風(fēng)傳感器高度為10 m，即風(fēng)速觀測高度為51.7 m。由于氣象站海拔高度的不同，各氣象站點在垂直分布上存在較明顯差異。南韭山站10 m高度處計算得出的風(fēng)速并不能完全代表賽區(qū)海域的實際風(fēng)速，運用風(fēng)速廓線指數(shù)律模式將南韭山站海拔高度作訂正推算，使南韭山站的風(fēng)速資料更具有代表性和可應(yīng)用性。

常規(guī)的帆船桅桿高度為5～10 m。文中將南韭山站10 m高度處的重現(xiàn)期風(fēng)速推算至海面10 m高度，即大致代表帆船高度的風(fēng)速。不同下墊面的粗糙程度不同，對應(yīng)風(fēng)速的垂直切變影響也不同，海面屬于Ⅰ類下墊面，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》推薦Ⅰ類下墊面的風(fēng)切變指數(shù)為0.12，因此采用浙江近海平均風(fēng)速的風(fēng)切變指數(shù)約為α=0.12，根據(jù)此α值最終得出松蘭山海區(qū)距海面10 m高度的重現(xiàn)期風(fēng)速(表2)。由表2可看出，9月松蘭山海區(qū)10 m高度出現(xiàn)帆船比賽中斷風(fēng)速(大于20 m/s)的概率約為0.071～0.077(13～14年1遇)。

3 結(jié)論與討論

(1)亞帆賽期間9月主導(dǎo)風(fēng)向以東北風(fēng)為主，平均風(fēng)速為4～5 m/s。一天中石浦站和南韭山站13-17時出現(xiàn)最優(yōu)比賽風(fēng)速頻率最高(均超50%)；兩站均呈現(xiàn)較明顯的日變化特征，即午后風(fēng)速大、夜間風(fēng)速小，風(fēng)速峰值出現(xiàn)在15時到17時之間；15時前后風(fēng)向擺動最小；兩站符合白天吹海風(fēng)、夜間吹陸風(fēng)的海陸風(fēng)特征，且午后時段(12-19時)風(fēng)向變化相對穩(wěn)定。2006-2019年期間石浦站和南韭山站最大風(fēng)速大于20 m/s的大風(fēng)日分別出現(xiàn)1次和4次。綜合來看，午后到傍晚時段利于安排相關(guān)賽事，出現(xiàn)比賽中斷大風(fēng)天氣的概率較低。

(2)象山石浦站與南韭山站的風(fēng)速具有顯著的相關(guān)性，兩站的距地面10 m高度風(fēng)速樣本比值V南韭山站/V石浦站約為1.1199。

(3)根據(jù)石浦氣象站1974-2019年共44年9月最大風(fēng)速極值序列，利用極值Ⅰ型分布函數(shù)計算得出其不同重現(xiàn)期風(fēng)速，通過相關(guān)比值法和風(fēng)速廓線指數(shù)律將南韭山站重現(xiàn)期基本風(fēng)速推算至松蘭山海區(qū)距海面10 m高度的風(fēng)速。結(jié)果顯示，賽區(qū)9月出現(xiàn)帆船比賽中斷風(fēng)速的概率約0.071-0.077(13～14年1遇)。

(4)上述結(jié)論是基于最大風(fēng)速數(shù)據(jù)分析得出的，但仍存在某些不確定因素，特別是風(fēng)廓線法所用的值存在差異性，比如2010年亞帆賽廣東汕尾賽區(qū)，應(yīng)用廣東粵東近海長期實際觀測值α=0.07[18]，α值的最優(yōu)選取需要在以后的研究中進行進一步分析。