南海港口大風的環(huán)流特征及其預報指標
——以海南洋浦港為例

魏曉雯 陳亮 趙蕾 陳明

(1 海南省氣象服務中心,?？?570203； 2 海南省南海氣象防災減災重點實驗室，?？?570203)

引言

南海是世界上最繁忙的海上運輸通道之一,是我國與亞洲其他國家、歐洲、非洲開展海上貿(mào)易的必經(jīng)之道。近年來，在全球氣候變暖背景下，臺風、強對流、海上大風等災害性天氣頻發(fā)，其中海上大風對南海各港口造成嚴重影響，威脅著港口作業(yè)和航行安全。船舶進入大風浪區(qū)域航行時，大風可導致船舶劇烈的運動、降速、航向不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)難以意料的危險。大風不僅直接影響船舶的離靠港，也會影響港區(qū)作業(yè)，造成集裝箱或貨架的傾斜等危險。災害性大風的監(jiān)測診斷和預報預警已成為氣象預報部門的業(yè)務重點，也是港口、運輸?shù)刃袠I(yè)的關(guān)注重點。

關(guān)于近海大風的研究主要集中在對資料的統(tǒng)計分析和對個例的動力學診斷研究上。呂愛民等[1]對我國近海6級及以上大風的氣候特征和環(huán)流形勢進行了分析，將其歸納為冷空氣型、溫帶氣旋型和熱帶氣旋型3種類型。吳海英等[2]在研究冷空氣大風過程時指出，強冷平流引起的地面變壓和變壓梯度的增加是導致近海大風的重要原因。黃彬等[3]和韓永清等[4]強調(diào)了高空動量下傳在冷空氣大風過程中的重要作用。吳紫煜等[5]研究發(fā)現(xiàn)，颮線大風往往是在高空冷空氣南下、低層暖濕氣流北上、中低空急流、位勢不穩(wěn)定、高對流有效位能和較強的低層風垂直切變環(huán)境下發(fā)展起來的。孫密娜等[6]對颮線雷暴大風的研究表明，中高層有干空氣滲透，具有條件不穩(wěn)定層結(jié)，且低層水汽充沛，有利于雷暴大風和濕對流的產(chǎn)生。董海鷹等[7]和東高紅等[8]分別指出海風鋒對強對流大風的加強作用。王黌等[9]在論述臺風大風時強調(diào)，臺風眼壁及螺旋雨帶的中小尺度強對流系統(tǒng)也可在局地產(chǎn)生很強的陣風。近年來各地氣象部門也廣泛開展了沿海大風的預報服務工作，有的側(cè)重于數(shù)值預報產(chǎn)品的解釋應用[10-11]，有的側(cè)重于天氣系統(tǒng)、物理量等分析[12-14]。石雪[15]根據(jù)大連及周邊沿海大風的主要影響系統(tǒng)建立了高壓型、冷鋒型、氣旋型大風三維概念模型，并得出相應的大風預報指標。項素清[16]通過天氣學和統(tǒng)計量分析用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立了浙江沿海氣旋大風的預報模型。陳崢蓉等[17]利用ECWMF細網(wǎng)格模式產(chǎn)品和TREC反演風場資料制定了北部灣沿海港口作業(yè)氣象服務大風預報指標。

洋浦港位于海南島西北岸的洋浦灣內(nèi)，是目前海南省開發(fā)程度最高配套設施最好的深水良港，年貨運吞吐量超4000萬噸。隨著“一帶一路”倡議和海南自由貿(mào)易港建設方案的提出，洋浦港將被打造為西部陸海新通道國際航運樞紐。然而，目前對于沿海和海上大風的預報能力仍較為薄弱，在精細度、準確度和時效性等方面遠不能滿足港口作業(yè)精準化需求。為此本文以洋浦港為例，從氣候角度出發(fā)，按照影響系統(tǒng)對大風過程進行分類，深入探討各類大風的發(fā)生機制及其預報著眼點，并尋找合適的預報指標，以期為南海港口大風的精細化預報和服務提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

所用的資料包括：①海南省氣象信息中心提供的2015—2019年儋州洋浦港原油碼頭自動氣象站(M1175)逐小時極大風速資料。②歐洲中心ERA5逐小時再分析資料，包括高空風場、溫度場、濕度場、地面風場、氣壓場等。③2015—2019年NCEP/NCAR第2套逐日再分析資料，包括風場、高度場、溫度場、地面氣壓場。④2015—2019年海南省氣象臺提供的逐日實況天氣圖和天氣報告。

所用數(shù)據(jù)均經(jīng)過極值檢查、時間一致性檢查、內(nèi)部一致性檢查和人工審核等質(zhì)量控制，對缺測數(shù)據(jù)以及質(zhì)量控制后可疑或錯誤數(shù)據(jù)予以剔除，以確保資料的準確性和可用性。

根據(jù)國家氣象局的規(guī)定，在氣象觀測中，近地表10 m高度測站的瞬時風速達到或超過17 m/s，或目測估計風力達到或超過8級作為大風標準。為此本文規(guī)定，當洋浦港原油碼頭自動站(109.14°E，19.79°N)(圖1)10 m風場的小時極大風速連續(xù)達到8級及以上時記為1次大風過程，或即使中間有間斷，但間斷時間不超過3 h且極大風速達到6級及以上，仍算作1次大風過程。下文以此為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計分析。

圖1 洋浦港和原油碼頭自動站所在及空間分布(實心點表示洋浦港，五角星表示原油碼頭自動站)

按照上述標準，2015—2019年洋浦港共出現(xiàn)113次大風過程，平均每年22.6次。從大風過程的日變化來看(圖2a)，清晨05:00—07:00是大風過程發(fā)生頻次最高的時段，而傍晚19:00前后大風過程發(fā)生頻次最低，其他時次大風過程的發(fā)生頻次較為平均。從影響時長來看(圖2b)，洋浦港大風過程的持續(xù)時間具有明顯的季節(jié)變化特征，春季大風過程的持續(xù)時間較短，5月大風過程的平均持續(xù)時間最短，僅為2 h，而秋季大風過程持續(xù)時間較長，10月大風過程的平均持續(xù)時間長達10.5 h。

圖2 2015—2019年洋浦港大風過程發(fā)生頻次的日變化(a)及影響時長的年變化(b)

根據(jù)海南省氣象臺提供的實況天氣圖和天氣報告，將洋浦港大風過程的影響系統(tǒng)劃分為4種類型，分別為：冷空氣型、切變線型、熱低壓型(非熱帶氣旋對流型)以及熱帶氣旋型。從發(fā)生頻次來看(圖3a)，冷空氣型和切變線型(均為39次)出現(xiàn)頻次最高，各占過程總數(shù)的34.5%，熱帶氣旋型(25次)次之，占過程總數(shù)的22.1%，熱低壓型(10次)發(fā)生頻次最少，占過程總數(shù)的8.9%；從季節(jié)分布來看(圖3b)，冷空氣型大風過程出現(xiàn)在10月至次年4月，其中11、12、1月的發(fā)生頻次最高，切變線型大風過程在春、夏、秋季均有發(fā)生，但主要集中在6—8月的夏季，熱低壓型大風過程出現(xiàn)在春、夏季，以6、7月居多，熱帶氣旋型大風過程發(fā)生在6—10月，與海南島的臺風季相對應；從持續(xù)時間來看(圖略)，熱帶氣旋型大風過程的平均持續(xù)時間最長，為11.3 h，冷空氣型和切變線型次之，平均持續(xù)時間分別為4.9 h 和3.5 h，熱低壓型的平均持續(xù)時間最短，僅為1.5 h。

圖3 2015—2019年洋浦港各類大風過程發(fā)生頻次占比(a)及各月各類大風過程的發(fā)生頻次(b)

2 結(jié)果與分析

2.1 冷空氣型大風過程

圖4 2015—2019年冷空氣型大風過程環(huán)流形勢(a)及冷空氣型大風過程發(fā)生前后氣象要素逐小時變化沿105°～110°E的經(jīng)向時間剖面(b)(圖a、b中等值線為海平面氣壓(單位：hPa)，陰影為925 hPa溫度平流，箭頭為925 hPa風場;圖a中紅色實心點為洋浦港所在位置；圖b橫坐標為時間，“-”代表超前時間，0代表大風過程開始時間，單位為h，下同)

從氣象要素沿105°～110°E平均的逐小時演變可以看出(圖4b)，在大風過程發(fā)生前6 h，22°N附近的冷平流和偏北風均得到顯著加強，這是否與洋浦港大風過程有著必然聯(lián)系呢？為此將大風過程發(fā)生前6 h 925 hPa的24 h變溫場和經(jīng)向風場分別與大風過程強度作相關(guān)分析(圖5)，結(jié)果表明，在紅色實線框區(qū)域(107°～109°E,22°～23°N)，大風過程發(fā)生前6 h二者均與大風過程強度呈顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了0.05的顯著性水平檢驗，因此將這一區(qū)域作為冷空氣型大風過程的關(guān)鍵區(qū)。大風過程發(fā)生前6 h，925 hPa關(guān)鍵區(qū)24 h降溫超過5 ℃，北風分量大于10 m/s。在業(yè)務應用中為了減少空報率，反復試驗后將預報指標分別提高至6 ℃、11.5 m/s，即925 hPa關(guān)鍵區(qū)24 h降溫超過6 ℃且北風分量大于11.5 m/s，6 h后洋浦港將發(fā)生冷空氣型大風過程。按照這一指標對2015—2019年冷空氣型大風過程進行回報試驗，準確率為76.6%，漏報率為23.4%，空報率為33.3%。

圖5 2015—2019年冷空氣型大風過程發(fā)生前6 h的925 hPa 24 h變溫場(a,等值線，單位：℃)和925 hPa經(jīng)向風場(b,等值線，單位：m·s-1)(圖a、b中的陰影由淺到深分別表示24 h變溫場、經(jīng)向風場與大風過程強度的相關(guān)系數(shù)通過0.1、0.05、0.01的顯著性水平檢驗，紅色實心點為洋浦港所在位置，紅色實線框為影響冷空氣型大風過程的關(guān)鍵區(qū)(107°～109°E,22°～23°N))

2.2 切變線型大風過程

圖6 2015—2019年冷式切變型(a)和暖式切變型(b)大風過程合成的大尺度環(huán)流(圖中等值線為海平面氣壓(單位：hPa)，陰影為925 hPa溫度平流，箭頭為925 hPa風場，紅色實心點為洋浦港所在位置)

在有利的大尺度環(huán)境條件下，進一步根據(jù)對流有效位能(CAPE)和對流抑制能量(CIN)判斷強對流發(fā)生的潛勢。在大風過程發(fā)生前1 h合成的探空圖上(圖7)，冷式切變和暖式切變大風過程的CAPE分別為1460 J·kg-1和1416 J·kg-1，表明二者均具有較好的不穩(wěn)定層結(jié)條件。暖式切變型大風過程的CIN較小為6 J·kg-1，有利于對流性天氣的發(fā)生；冷式切變型大風過程發(fā)生時，下冷上暖的平流(圖略)在低層形成逆溫層，加強了CIN為47 J·kg-1，使不穩(wěn)定能量在此積聚，易爆發(fā)更強烈的對流天氣[20]。

圖7 2015—2019年冷式切變型(a)和暖式切變型(b)大風過程發(fā)生前1 h洋浦港(109°E，20°N)合成T-lnp圖

預報切變線型大風過程時，當925 hPa低空切變線、500 hPa南支槽等天氣尺度系統(tǒng)出現(xiàn)有利配置時，應根據(jù)中尺度環(huán)境條件判別雷暴大風、颮線發(fā)生的可能性?？紤]到CAPE對氣塊抬升的溫度、露點非常敏感[21]，業(yè)務中可根據(jù)預報的地面溫度和露點對08:00探空得到的CAPE和CIN進行訂正，判斷強對流發(fā)生的潛勢。

2.3 熱低壓型大風過程

熱低壓型大風過程主要產(chǎn)生于海陸熱力差異引起的局地環(huán)流[22-23]。從該類型合成的天氣形勢來看(圖8a)，925 hPa海南島為偏南氣流控制，我國西南部與中南半島交界處有熱低壓發(fā)展，中心氣壓低于1005 hPa。海南島附近等壓線稀疏，水平氣壓梯度較小。對逐次個例統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，該類型大風過程均發(fā)生在午后(12:00—17:00)。大風發(fā)生前6 h海南島劇烈升溫(圖8b)，受地形影響[24]西北部地區(qū)升溫幅度超過了3.5 ℃，一方面使大氣層結(jié)不穩(wěn)定度加大，另一方面由于海陸熱力差異，使空氣受到海洋指向陸地的氣壓梯度力，形成偏西方向的向岸風，向岸風在向陸地推進的過程中與偏南背景風場輻合，形成海風鋒，引發(fā)輻合上升運動。垂直環(huán)流場與之對應(圖8c)，陸地為強烈的上升運動，海上為下沉運動，形成一個完整的緯向垂直環(huán)流圈。從物理量參數(shù)隨時間的演變(圖8d)可以看出，強對流發(fā)生前，CAPE逐漸增大，強對流發(fā)生前2 h超過1500 J·kg-1，CIN較小(CIN≤20 J·kg-1)，海風鋒帶來的抬升運動很容易克服對流抑制到達自由對流高度，使強對流發(fā)展起來。強對流發(fā)生后由于不穩(wěn)定能量得到釋放，CAPE迅速減小，CIN開始上升。

圖8 2015—2019年熱低壓型大風過程環(huán)流形勢(a)、前6 h變溫(變壓)場(b)、19.5°N緯向垂直環(huán)流剖面(c)以及物理量參數(shù)隨時間的演變(d)(圖a中等值線為海平面氣壓(單位：hPa)，陰影為925 hPa溫度平流，箭頭為925 hPa風場;圖b中陰影為變溫場、等值線為變壓場(單位：hPa)，紅色實心點為洋浦港所在位置;圖c中黃、藍色陰影分別表示上升、下沉運動通過0.05的顯著性水平檢驗)

熱低壓型大風過程的預報首先應關(guān)注海陸溫差以及海風與背景風的輻合，當海南島西北部與近海海面的6 h變溫之差≥3.5 ℃時，易形成海風鋒。CAPE≥1500 J·kg-1，CIN≤20 J·kg-1時，有利于觸發(fā)強對流，從而引起雷暴大風。

2.4 熱帶氣旋型大風過程

熱帶氣旋型大風過程合成的925 hPa環(huán)流場上(圖9a)，熱帶氣旋(TC)中心位于海南島東南部沿海，洋浦港位于熱帶氣旋中心西北側(cè)的大風區(qū)。經(jīng)統(tǒng)計，60%的熱帶氣旋型大風過程發(fā)生時，洋浦港位于熱帶氣旋7級風圈半徑以內(nèi)，其過程平均持續(xù)時間為14.8 h，另外40%的熱帶氣旋型大風過程發(fā)生時，洋浦港位于TC外圍環(huán)流，平均持續(xù)時間為6 h。研究表明，臺風遠距離前方、臺風外圍常有局地強對流天氣發(fā)展，可在小范圍內(nèi)帶來狂風驟雨[25]。造成熱帶氣旋型大風過程的TC中，有72%生成于我國南海，其余28%來自西太平洋；產(chǎn)生大風過程時，TC強度達到臺風及以上的占24%，熱帶風暴和強熱帶風暴級別的占68%，熱帶低壓的占8%；

從大風發(fā)生時刻熱帶氣旋位置散點圖(圖9b)可以看出，大部分熱帶氣旋位于洋浦港的東南象限，東北象限次之，西南和西北象限較少?？蓪⒃斐蔁釒庑痛箫L過程的TC路徑分為3類，第1類(40%)：從海南島東南部登陸后向西或西北方向移動，此類大風過程的平均持續(xù)時間為8.7 h，平均極大風速為20.1 m/s；第2類(36%)：偏北路徑，從海南島北部的瓊州海峽或華南沿海經(jīng)過，過程平均持續(xù)時間14.8 h，平均極大風速為21.0 m/s；第3類(24%)：偏南路徑，從海南島南部近海經(jīng)過，過程平均持續(xù)時間11.5 h，平均極大風速為19.6 m/s。

對于熱帶氣旋大風的預報能力很大程度上依賴于數(shù)值模式對于臺風路徑和強度的預報準確率，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律以及衛(wèi)星、雷達等實況監(jiān)測資料預報風力等級。

綜上所述，各類影響系統(tǒng)作用下洋浦港大風過程的預報指標見表1。

表1 海南洋浦港各類影響系統(tǒng)大風過程的預報指標

3 結(jié)論和討論

本文以洋浦港為例，根據(jù)不同影響系統(tǒng)對港口大風過程進行分類，探討了不同類型大風過程的環(huán)流背景及其預報指標，主要得到以下結(jié)論：

(1)2015—2019年洋浦港平均每年發(fā)生22.6次大風過程，按照影響系統(tǒng)可將其分為冷空氣型、切變線型、熱低壓型和熱帶氣旋型4種類型。

(2)冷空氣型大風過程是由于強冷平流引起地面氣壓場的變化；切變線型大風過程主要產(chǎn)生于強對流引發(fā)的雷暴大風、颮線等；熱低壓型大風過程是由于海陸熱力差異引起的海風鋒而導致的；熱帶氣旋型大風過程主要發(fā)生在TC中心附近的等壓線密集帶以及外圍螺旋雨帶的中小尺度對流系統(tǒng)中。

(3)當925 hPa關(guān)鍵區(qū)24 h降溫超過6 ℃且北風分量大于11.5 m/s時，預示洋浦港6 h后將發(fā)生冷空氣型大風過程；當925 hPa低空切變線、500 hPa 南支槽等天氣尺度系統(tǒng)出現(xiàn)有利配置, CAPE≥1500 J·kg-1，且具有較合適的CIN時，易發(fā)生切變線型大風過程；當海南島西北部陸地與近海海面6 h變溫之差≥3.5 ℃，CAPE≥1500 J·kg-1，CIN≤20 J·kg-1時，海風鋒易觸發(fā)雷暴大風等強對流天氣，從而發(fā)生熱低壓型大風過程；對于切變線型和熱低壓型這兩類大風過程，由于CAPE對氣塊抬升的溫度、露點非常敏感，在判別強對流發(fā)生潛勢時應注意探空訂正；熱帶氣旋型大風過程可在數(shù)值預報的基礎(chǔ)上結(jié)合統(tǒng)計規(guī)律以及衛(wèi)星、雷達等實況監(jiān)測資料綜合判定風力等級。

相較于以往關(guān)于近海大風的研究[7,8,13]，本文針對不同影響系統(tǒng)分別制訂了各類大風過程的預報指標，這有助于更準確地把握大風過程的天氣特征、系統(tǒng)配置及動力熱力條件，從而提高災害性大風的預報預警水平。但值得注意的是，在預報強對流引發(fā)的切變線型和熱低壓型大風過程時，在環(huán)流背景和物理量參數(shù)條件滿足的前提下，短臨預報還應重點關(guān)注多普勒天氣雷達的回波特征，弓形回波、鉤狀回波、陣風鋒和中低層徑向速度輻合等雷達回波特征對雷暴大風具有較好的指示意義[26-29]。