深圳沿海地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)的特征

魏曉琳，王德立，賀佳佳，程正泉

（1.深圳市氣象臺(tái)，深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518040；2.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510080）

深圳沿海地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)的特征

魏曉琳1，王德立1，賀佳佳1，程正泉2

（1.深圳市氣象臺(tái)，深圳南方強(qiáng)天氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518040；2.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510080）

利用深圳沿海站點(diǎn)的風(fēng)速觀測(cè)資料，按季風(fēng)及熱帶氣旋2種類型探討了陣風(fēng)和陣風(fēng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，結(jié)果表明，季風(fēng)影響下，鹽田港站和流花111平臺(tái)站出現(xiàn)6～9級(jí)風(fēng)的頻率明顯高于熱帶氣旋型，在9級(jí)風(fēng)以上，熱帶氣旋型略偏高；媽灣港站的陣風(fēng)系數(shù)隨平均風(fēng)變化穩(wěn)定，而鹽田港站和海上石油平臺(tái)站受地形和下墊面影響，與媽灣港有顯著差異；7級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)的頻率日變化顯示鹽田港在夜間出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)的概率顯著增加。

陣風(fēng)系數(shù)；季風(fēng)；熱帶氣旋；沿海地區(qū)；深圳

強(qiáng)勁的陣風(fēng)是指風(fēng)速驟然增強(qiáng)或風(fēng)向突然改變，它主要是快速不規(guī)則的湍流所引起的。陣風(fēng)長期的趨勢(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［1］，而陣風(fēng)的短期變化對(duì)風(fēng)速敏感的行業(yè)如貨柜業(yè)、港口碼頭等的作業(yè)安全影響不容忽視［2-3］。海洋產(chǎn)業(yè)是深圳重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一［4］，據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)海洋產(chǎn)業(yè)構(gòu)成影響的各類自然災(zāi)害中，海上強(qiáng)風(fēng)及其引起的涌浪破壞力是最大的。因此對(duì)于深圳海上強(qiáng)風(fēng)的研究具有顯著的意義［5］。用陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速的比例（簡(jiǎn)稱為陣風(fēng)系數(shù)）來估計(jì)陣風(fēng)強(qiáng)度適用于季風(fēng)和熱帶氣旋的陣風(fēng)特征研究［6］，并已有一定的研究基礎(chǔ)，如對(duì)廣東沿海近地層大風(fēng)特性的觀測(cè)研究指出，熱帶氣旋大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)較冷鋒大風(fēng)偏大［7-8］，且與下墊面的特征和地勢(shì)特性存在密切的關(guān)系［9］。江蘇沿海在冷空氣影響下陣風(fēng)系數(shù)的波動(dòng)主要出現(xiàn)在風(fēng)速相對(duì)低值時(shí)期，而在風(fēng)速相對(duì)高值時(shí)期，陣風(fēng)系數(shù)變化平緩［10］。對(duì)位于海上、近海、偏內(nèi)陸等不同位置的對(duì)比發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)系數(shù)存在明顯的差異［1］，在離岸海島及開闊的高地站顯著低于具有復(fù)雜地形和建筑的內(nèi)陸站點(diǎn)［12］。也有對(duì)中國沿海多個(gè)站點(diǎn)的陣風(fēng)系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，指出熱帶氣旋影響下，陣風(fēng)系數(shù)均值略小于未受熱帶氣旋影響的陣風(fēng)系數(shù)均值［13］。

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，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 資料與方法

1.1 分析數(shù)據(jù)

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260 km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)位置見圖1）。

圖1 深圳地形高度圖（單位：m）

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24～26 m之間。

1.2 天氣分型

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)［14］，為分析其對(duì)陣風(fēng)的影響，參考前人研究方法［15］并結(jié)合深圳實(shí)際，采用了如下標(biāo)準(zhǔn)作為天氣分型的指標(biāo)：

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10 min平均風(fēng)速≥5 m/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10 min平均風(fēng)速≥5 m/s。

1.3 陣風(fēng)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［8］：GF=G/U，其中 GF是陣風(fēng)系數(shù)；G是陣風(fēng)風(fēng)速（m/s）；U為10 min平均風(fēng)速（m/s）。本研究所指的陣風(fēng)是指極大風(fēng)速，即小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)的最大3 s平均風(fēng)速值，單位為m/s，10 min平均風(fēng)速是指小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)的最大10 min平均風(fēng)速值。

2 結(jié)果與分析

2.1 陣風(fēng)分析統(tǒng)計(jì)

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［7-8］是一致的，說明該站點(diǎn)在熱帶氣旋系統(tǒng)影響下，對(duì)平均的風(fēng)力擾動(dòng)要高于季風(fēng)系統(tǒng)的影響。即在同等的平均風(fēng)速條件影響下，熱帶氣旋系統(tǒng)的影響會(huì)帶來更大的陣風(fēng)。

表1 三站點(diǎn)季風(fēng)型和熱帶氣旋型影響下的陣風(fēng)系數(shù)

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)偏差來看，均為季風(fēng)型陣風(fēng)系數(shù)更高。吳濱等［11］對(duì)熱帶氣旋影響下，福建沿海從海上到近海陣風(fēng)系數(shù)分別取值為1.2和1.5，與本研究表1中統(tǒng)計(jì)的中值對(duì)比，位于海上的流花111平臺(tái)站熱帶氣旋型的陣風(fēng)系數(shù)中值是1.2，媽灣港和鹽田港的中值分別為1.62和1.35。在熱帶氣旋影響下，海上站點(diǎn)的陣風(fēng)系數(shù)的中值和平均值低于沿海站點(diǎn)，這種空間分布特征與前人研究一致。但與沿海站點(diǎn)的陣風(fēng)系數(shù)的中值相差0.12和0.15，從本研究的數(shù)據(jù)來看，說明受到周邊環(huán)境及地形的影響，位于沿海地區(qū)的站點(diǎn)比海上站點(diǎn)的陣風(fēng)特征具有更大的空間差異性。

2.2 陣風(fēng)系數(shù)特征分析

1）陣風(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)10 m/s左右，而且2種類型影響的陣風(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)10 m/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)14～15 m/s，并且在陣風(fēng)12～22 m/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)14～18 m/s之間的頻率，兩者相差約3%～4%，只有在23 m/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。一般來說，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11 m/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12～20 m/s之間時(shí)，季風(fēng)影響下的陣風(fēng)頻率更高；當(dāng)陣風(fēng)＞21 m/s以上時(shí)，熱帶氣旋型的概率高于季風(fēng)型。說明在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。

圖2 季風(fēng)和熱帶氣旋影響下陣風(fēng)的頻率分布

2）陣風(fēng)系數(shù)與10 min平均風(fēng)關(guān)系。

圖3給出了陣風(fēng)系數(shù)與10 min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)：4.4 m/s、4級(jí)：6.7 m/s、5級(jí)：9.35 m/s，余以此類推。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9 m/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9 m/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)［16］。流花111平臺(tái)站反映出了類似的特征，平均風(fēng)在6級(jí)（10.8～13.8 m/s）以下，2種天氣系統(tǒng)影響下，陣風(fēng)系數(shù)隨著風(fēng)力的增大有顯著的下降趨勢(shì)，而6級(jí)風(fēng)以上，兩者的變化趨于穩(wěn)定。

圖3 季風(fēng)型與熱帶氣旋型影響下陣風(fēng)系數(shù)與10 min平均風(fēng)的散點(diǎn)圖

3）7級(jí)以上陣風(fēng)頻率的日變化規(guī)律。

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流花111平臺(tái)站，需加強(qiáng)防御。

圖4 季風(fēng)型（a）和熱帶氣旋型（b）7級(jí)以上陣風(fēng)頻率的日變化

本研究討論了基于實(shí)況觀測(cè)資料的陣風(fēng)系數(shù)的特征，它隨著平均風(fēng)的變化并非穩(wěn)定不變，且位于沿海和離岸不同位置的站點(diǎn)陣風(fēng)系數(shù)的特征也存在顯著差異，因此對(duì)季風(fēng)型和熱帶氣旋型影響下陣風(fēng)的預(yù)報(bào)問題，天氣系統(tǒng)的影響、站點(diǎn)的位置、平均風(fēng)力的大小均影響到陣風(fēng)的強(qiáng)度，需綜合考慮，才能做出正確的預(yù)報(bào)預(yù)警和相應(yīng)的防御提示。

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WEI Xiɑo-lin1，WANG De-li1，HE Jiɑ-jiɑ1，CHENG Zheng-quɑn2
（1.Shenzhen Key Laboratory of Severe Weather in South China，Meteorological Bureau of Shenzhen Municipality，Shenzhen 518040，China；2.Guangdong Provincial Meteorological Observatory，Guangzhou 510080，China）

Based on the wind observation data of three meteorological stations of Shenzhen during 2009 -2014，the characteristics of gust factors，based on either the type of monsoons and tropical cyclones，are analyzed.It shows that the frequency of wind force 6 to 9 was higher under the impact of monsoons while that of wind force 9 or above was more frequent with type of tropical cyclones.Gust factors are sensitive to 10-minute mean wind as shown by different stations.Excessively higher nighttime gale frequencies at Yantiangang station need to be studied further.

gust factors；Shenzhen；coastal areas；monsoon；tropical cyclone

P425

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.008

2016-04-02

華南區(qū)域氣象中心科技攻關(guān)項(xiàng)目 （GRMC2012M16）；深圳市科技研發(fā)資金項(xiàng)目 （ZDSYS20140715153957030，JCYJ20120618114014134）共同資助。

魏曉琳（1979年生），女，博士，高級(jí)工程師，從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)警工作。E-mail：weixiaolin@szmb.gov.cn

魏曉琳，王德立，賀佳佳，等.深圳沿海地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)的特征［J］.廣東氣象，2016，38（5）：33-36.