富春江浮標站風況特征及周邊站點對比分析

蔣立加 李凱 施凱 朱延愛

(富陽區(qū)氣象局,浙江 杭州 311400)

0 引 言

富陽全區(qū)范圍內已建有57個地面區(qū)域自動氣象觀測站,全面開展陸地氣象要素觀測,但富春江綜合氣象水文要素觀測一直是一個空白。2015年富陽區(qū)氣象局響應政府“五水共治”中心工作,為實現富陽氣象災害監(jiān)測預警全覆蓋,為富春江航運和運動休閑等提供富春江氣象數據支撐,增強富春江氣象災害的預測預警能力,建成了全省領先的氣象浮標綜合觀測站,實時觀測江面溫濕度、雨量、風向風速、氣壓、水溫、流速8個氣象要素數據。

2022年杭州亞運會皮劃艇、賽艇項目選址富春江,做好浮標站相關要素的分析研究,也是為亞運會精細化預報預警服務提供一些理論基礎。

近年來,浮標站憑借其機動靈活、準確度高、測量參數多等優(yōu)勢,在海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、海上運動、國防建設等領域得到了廣泛應用。孫喜艷利用汕尾紅海灣大型浮標站的觀測資料,統(tǒng)計分析了汕尾紅海灣近海海面風的日變化特征、季節(jié)變化特征和大風特點[1],同時通過與周邊自動站觀測資料對比分析[2],探索發(fā)現特定時段平均風速和陣風偏大的現象。李慶寶也針對青島奧帆賽競賽海域浮標站風力與背景氣壓場的關系進行了分析[3],找出了不利于帆船賽開賽的弱風成因。而實際業(yè)務工作中,對海上或者內陸江湖面的預報往往受環(huán)境限制,浮標站資料缺少。

而在國外,一些發(fā)達國家很早就有利用浮標站進行觀測,用較長時間內觀測到的大風數據與陸地數據進行對比,找出海面風與陸地風之間的關系,得到由陸地風推導出海面風理論模式或半經驗模式[4]。國內對海風的研究也并非停滯不前,黃容曾根據大尺度背景地轉風將海風分為7個類型,建立了預報青島夏季近岸海風的統(tǒng)計分型方法[5]。

1 浮標站結構與地理位置

浮標是一種對水文氣象環(huán)境進行長期、定點、實時、立體監(jiān)測的重要設備。富春江浮標站主體為船型結構,可測量江面溫濕度、雨量、風向風速、氣壓、富春江水溫、流速8個氣象要素數據。浮標錨泊系統(tǒng)是浮標采集系統(tǒng)的載體。它是由浮標體、錨系等組成。浮標體為船型鋼制框架結構,長4 m,寬2 m,吃水1 m。

浮標站位于城區(qū)東南方富春江江面上,119°55′～120°02′E,30°01′～30°03′N,海拔5.0 m。北面為城區(qū)國家氣象站,東南面分別為新沙島站以及江南站。

2 浮標站風況特征分析

2.1 浮標站風頻、風速特征

圖2a為富春江浮標站2016年全年風頻玫瑰圖,可以看出,主導風向主要有兩個：第一主導風向為東北方向,占全年總風頻的1/3；第二主導風向為西南方向。分析東北、西南這兩個方向風頻較高的原因,主要受江流分布限制,富春江富陽段基本以西南—東北走向為主,這兩個方向的風受地形因素限制最少。從浮標站風速玫瑰圖(圖2b)也能很好地驗證上述問題,西南、東北方向上風速明顯高于其它方向風速。

圖2 富春江浮標站2016年風頻(a)、風速(b)玫瑰圖

2.2 浮標站風速日變化

圖3a為浮標站平均風速的日變化情況,整體風速都不大,且能看出很明顯的變化波動曲線。夜間風速值較小,日出后風速開始增大,到午后會進一步發(fā)展,極大值一般出現在16時左右,之后有一個衰退過程,從滑動平均曲線(圖中實線)也能很好地看出風速的峰谷波動變化。平均風速較大的時間點出現較大陣風的概率也會相應增加,將日極大風速出現的時間點做一個頻率分析,圖3b即為日極大風速出現時間的頻率情況,同樣存在峰谷變化規(guī)律。由此可以得出,日極大風速出現時間的頻率與平均風速存在一定正相關性,平均風速較大的時間點出現日極大風速的概率也會相應增加。結合日常預報工作,可在當日平均風速的基礎上適當提高午后到傍晚這一段時間的風力預報等級。

(圖中實線為多項式滑動平均趨勢擬合曲線)圖3 富春江浮標站平均風速日變化分布圖(a)及日極大風速出現時間頻率分布圖(b)

2.3 浮標站風速月變化

圖4a為各個月平均風速和離散程度情況,整體風速都不大,但仍存在一定季節(jié)變化。上半年的峰值出現在3月份,一般亞熱帶季風氣候的特點就是10月到次年2月,偏北風占絕對優(yōu)勢,3月偏北風和偏南風頻率互相消長,也是春季大風出現頻率較高的月份。下半年的峰值在臺風影響時段7—10月。從各個月各自風速值的方差來看,和平均風速存在較好的對應關系,平均風速較大月份風速波動幅度也較大,出現較大陣風的概率也會相應增加。

圖4 富春江浮標站平均風速月變化分布圖(a)及各月5級及以上陣風頻次分布圖(b)

圖4b為浮標站2016年各月小時極大風速≥5級的頻次分布情況,冬春轉換時節(jié)以及臺汛期出現5級以上陣風概率會明顯增加。日常預報工作中,當出現5級及以上陣風時,監(jiān)測責任區(qū)就要進入關注狀態(tài)。

3 浮標站與周邊站點風況對比分析

目前為止,富春江浮標站為富春江上唯一氣象監(jiān)測站,資料的時間序列也有限,而且維護維修程序相對繁瑣,資料的連續(xù)性有時無法得到保障。因此對浮標站和周邊站點的對比分析,找到其與周邊站點一些定性定量的規(guī)律顯得尤為重要。風向對氣象災害的主導作用不明顯,故下面主要對城區(qū)國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)以及新沙島站(K1712)4個站的風速做一定的對比分析。

表1 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)經緯度及海拔情況

3.1 對比站點風況統(tǒng)計分析

從各站各月的平均風速情況看(圖5),各個站點都存在同樣的季節(jié)變化。平均風速最大的站點為國家氣象站(58449),其各月的平均風速基本都高于其它3個站點。

對比浮標站與其它3個站點之間的關系,浮標站(K1600)與新沙島站(K1712)的波動曲線最為接近,這可能與地理因素有一定關系,新沙島站位于富春江中心的新沙島上,周圍的環(huán)境特征和地形分布也極為相似。

圖5 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)各月平均風速對比分布圖(單位:m/s)

為進一步了解浮標站與周邊站點在平均風速上的關系,將各月浮標站與其他3個站點的平均風速的方差進行累加(表2),與之前分析的一致,浮標站與國家站、江南站、新沙島站的累加方差值分別為0.75、0.22及0.19,數據證明新沙島站與浮標站在月平均風速上面存在較好的一致性。

表2 浮標站與國家站、江南站、新沙島站各月平均風速方差值累加之和

進一步分析浮標站在陣風方面與周邊站點的關系,統(tǒng)計2016年各月5級及以上風的頻次(表3),可以看出城區(qū)國家氣象站出現關注狀態(tài)(短臨業(yè)務陣風達到5級進入關注狀態(tài))的概率遠遠高于其它3個站點。存在這一現象的原因主要有兩點,國家站位于城區(qū)鑊子山山頂,本身根據近地面風速規(guī)律,風速值要高于拔海高度較低的站點,加之國家站周邊探測環(huán)境優(yōu)于區(qū)域自動站,對風向風速的干擾比較少,因此對較大陣風的靈敏度相對要高一些。

表3 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)2016年各月5級及以上陣風的頻次 時次

3.2 對比站點風況個例分析

月平均風速以及月強風頻次在較大時間尺度上對各站風速情況做了對比,為了更客觀更全面地比較各站點風速情況,分別挑選臺風、寒潮過程、強對流等3次大風過程做進一步分析。

3.2.1 臺 風

2016年第14號臺風“莫蘭蒂”對本地主要風力影響在9月15日下午至16日早晨,圖6a、圖6b為國家站(58449)和浮標站(K1600)在臺風影響時段平均風速和極大風速對比情況,可以看出,雖然小時平均風速(圖6a)比較接近,但兩個站點在小時極大風速(圖6b)上存在一定差距,國家各個小時的極大風速都大于浮標站,尤其表現在15日傍晚到前半夜,也就是風力影響最明顯的時間段,差距尤為明顯,這也驗證了之前分析的浮標站對較大陣風的靈敏度低于國家站的結論。

圖6 臺風“莫蘭蒂”影響時段國家站與浮標站小時平均風速(a)與小時極大風速(b)

從各風速值的對比列表(表4)看,臺風“莫蘭蒂”這次過程,與浮標站風速情況最接近的仍為新沙島站,而其它兩個站點與其差距較明顯。具體看小時極大風速的平均值,國家站要比浮標站高出2.6 m/s的風速,也就是一個風力等級的大小左右,說明此次過程兩個站點在陣風上基本存在一個風力等級。

表4 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)臺風影響時段各風速值對比情況 m/s

3.2.2 寒 潮

寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強冷空氣活動過程,寒潮天氣的主要特點是劇烈降溫和大風,其中較易出災且難防范的就是大風過程。

2月13—15日的這次寒潮大風過程(圖7)與之前分析的臺風過程情況類似,國家站在小時極大風速這個指標上基本都大于浮標站,尤其是風速較大時段,差距更加明顯,量級上也基本存在一個風力等級。

圖7 2016年2月13—15日寒潮影響時段小時平均風速(a)與小時極大風速(b)對比分析(單位:m/s)

從各個風速的指標看(表5),國家站在各個指標上都大于其它3個站點,也包括浮標站,而與浮標站風速情況最為接近的站點還是新沙島站,過程平均風速、過程極大風速、過程平均小時極大風速3個統(tǒng)計要素都表現出較好的一致性。

表5 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)寒潮影響時段各風速值對比情況m/s

3.2.3 強對流

2016年7月4日傍晚,受強對流云團影響,出現一次明顯雷雨大風過程。各站點強對流影響時段各風速值(表6)表明,國家站與浮標站風速情況較為接近,整體4個站點一致性較差,這也從一定層面反映出,當出現局地性突發(fā)性大風過程的時候,浮標站的陣風情況存在一定偶然性,視大風具體發(fā)展情況而定。而發(fā)生過程性大風過程,例如臺風、冷空氣影響時,浮標站往往與新沙島站風速情況擬合程度較好,而國家站的風速則會大于其它3個站點。

表6 國家站(58449)、浮標站(K1600)、江南站(K1240)及新沙島站(K1712)強對流影響時段各風速值對比情況 m/s

4 結 語

通過客觀分析資料,對富春江浮標站風況特征以及與周邊測站的對比關系進行了分析,得到以下幾點結論。

1)浮標站主導風向主要為東北方向和西南方向,主要受江流分布影響,這兩個方向的干擾因素最少;從各個方位風速情況看,東北、西南方向的風速也高于其它方向。

2)從浮標站風速的日變化看,存在很明顯的波動規(guī)律,夜間和上午風速值相對較小,午后到傍晚出現風速大值區(qū),峰值出現在16時左右,也是日極大風速出現頻率最高的時間點。日常監(jiān)測預報預警工作要尤其關注午后到傍晚時間段浮標站風速的變化情況。

3)從浮標站風速的月變化看,全年共出現兩個峰值,一個是冬春轉換季節(jié)3月份前后；另一個為臺汛期,這兩個時間段出現較大陣風的頻率也是全年中最高的。

4)從浮標站與周邊站點的風速對比分析看,周邊站點與浮標站同樣存在一定的季節(jié)變化,國家站對較大陣風的靈敏度要遠高于其它站點,同時也發(fā)現浮標站與新沙島站存在相對較好的一致性。

5)進一步從3次大風過程來看,出現例如臺風、寒潮等過程性的大風過程時,浮標站與新沙島站有較好的擬合效果,而與國家站在陣風方面基本存在一個風力等級的差距。而出現類似強對流這種突發(fā)性大風過程時,浮標站的風力變化具有一定的偶然性。

本文對富春江浮標站的風況特征進行了初步研究,但仍存在一些問題:使用數據為2016年全年數據,時間序列不夠長,得出的結論代表性不強;主要對風速進行了分析研究,對風向的分析有待加強,同時對浮標站其它監(jiān)測要素的分析也要同步加強。

通過本文的分析,已經初步發(fā)現浮標站和周邊站點一些定性定量的規(guī)律,未來將進一步找出浮標站與周邊站點之間的風力關系,得到由陸地風推導出江面風的理論或半經驗結論,應用于日常業(yè)務工作。