寒潮與雷雨大風(fēng)天氣個例風(fēng)浪分析

張瑞光，許嫻， 楊紅梅，李中林，孫克渠

(1. 連云港市氣象局,江蘇 連云港222006；2. 連云港海洋環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 連云港222042)

【海洋科技與裝備】

寒潮與雷雨大風(fēng)天氣個例風(fēng)浪分析

張瑞光1，許嫻2， 楊紅梅1，李中林1，孫克渠2

(1. 連云港市氣象局,江蘇 連云港222006；2. 連云港海洋環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 連云港222042)

選取2008年12月21日寒潮天氣與2010年5月30日雷雨大風(fēng)天氣兩個個例，探討了寒潮天氣與雷雨大風(fēng)天氣對連云港近岸海域風(fēng)力、海況和海浪等要素產(chǎn)生的影響。寒潮天氣，風(fēng)速逐漸增大，海況、海浪也隨之逐漸增大；雷雨大風(fēng)天氣，風(fēng)速快速增大，海況、海浪也隨之快速增大；雷雨大風(fēng)天氣比寒潮天氣造成的風(fēng)浪變化來得突然，不易判斷和預(yù)防。針對寒潮天氣，應(yīng)用Wilson公式估算海浪波高和利用數(shù)值預(yù)報模擬推算海浪波高的計算比較準(zhǔn)確，與實(shí)際觀測值的誤差小于10%。

寒潮；雷雨大風(fēng)；海浪

連云港市地處蘇北沿海，時常面臨災(zāi)害性海風(fēng)海浪的侵襲。目前對于海風(fēng)海浪的研究已經(jīng)有了許多科研成果，姚圣康[1]指出臺風(fēng)浪的大小、范圍、臺風(fēng)浪區(qū)的對稱性不僅和臺風(fēng)的強(qiáng)度、移動速度、外圍大尺度天氣系統(tǒng)有關(guān)，也受島嶼及海底地形等環(huán)境條件的影響，其中影響臺風(fēng)浪的主要因素是風(fēng)速、風(fēng)時和風(fēng)區(qū)，三者之間相互影響相互制約。齊義泉等[2]提出了臺風(fēng)的風(fēng)速及波高隨相對臺風(fēng)中心距離變化的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。張存勇等[3]根據(jù)主要致災(zāi)因子，把連云港市的海洋災(zāi)害分為海洋水文氣象災(zāi)害、海洋地質(zhì)災(zāi)害、海洋生態(tài)災(zāi)害。范飛等[4]統(tǒng)計出江蘇海域年平均有效波高最大值為1.5 m，最大年平均周期為4.6 s，常浪向?yàn)镹E或SE方向，四季中冬季浪最大，強(qiáng)浪向?yàn)镹E-NNE方向；曹兵等[5]給出了最優(yōu)組合下連云港海域不同重現(xiàn)期的設(shè)計波高值。另外還有許多相關(guān)研究成果[6-13]，但對于連云港近岸海域風(fēng)浪的研究還缺少一些典型的大風(fēng)天氣的個例分析。

本文針對連云港近岸海域風(fēng)浪，選取了2008年12月21日大尺度的寒潮天氣與2010年5月30日中小尺度的雷雨大風(fēng)天氣的個例狀況進(jìn)行了探討，力求增加對連云港近岸海域風(fēng)浪的認(rèn)識。

1 資料選取與分析方法

應(yīng)用的數(shù)據(jù)是連云港西連島氣象站與海洋站(34°46′39″N,119°26′32″E)的觀測資料(風(fēng)速數(shù)據(jù)是10分鐘平均資料，海浪波高數(shù)據(jù)是H1/10資料)，以及2008年12月21日寒潮天氣、2010年5月30日雷雨大風(fēng)天氣的歷史天氣圖。

根據(jù)天氣學(xué)原理與方法，判斷天氣形勢的類型并分析數(shù)據(jù)，采用Wilson公式，結(jié)合分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)，測算海浪波高[14]。

Wilson公式：

式中，H,C分別為波高和波速；L為風(fēng)區(qū)長度；g為重力加速度；V是海面以上10 m 高度處的風(fēng)速。

2 天氣與海浪資料分析

2.1 寒潮天氣個例

北京時間2008年12月21日08時，連云港高空有較強(qiáng)的偏西北的冷平流(圖1)，持續(xù)至20時。2008年12月21日14時地面天氣圖(圖2)繼續(xù)顯示地面冷高壓東移南下，連云港處于冷高壓移動的前方。西連島觀測站出現(xiàn)大風(fēng)天氣，14時20分最大風(fēng)速19.6 m/s(N向)，14時59分極大風(fēng)速26.0 m/s(N向)。伴隨大風(fēng)，還出現(xiàn)上午0.5 mm的降雨，下午微量的降雪天氣現(xiàn)象。

圖1 2008年12月21日08時85 kPa天氣圖Fig.1 Weather chart of 85 kPa at 08:00 of December 21, 2008

圖2 2008年12月21日14時地面天氣圖Fig.2 Surface weather chart at14:00 of December 21, 2008

西連島當(dāng)日的風(fēng)速與海浪波高等要素變化見表1，21日白天地面風(fēng)速與海浪波高等要素的變化逐漸增大。

風(fēng)速：08時6.3 m/s， 14、15時增大到18.7 m/s；

海況：08時2級， 14、17時增大到5級；

最大波高：08時0.9 m， 17時增大到2.6 m；

海浪波型：08時以涌浪為主，而11、14、17時變成以風(fēng)浪為主，風(fēng)向隨時間持續(xù)比較穩(wěn)定，形成風(fēng)向與風(fēng)浪向相近。

隨著風(fēng)速的逐漸增大，海況、海浪也逐漸增大。

表1 2008年12月21日觀測站天氣與海浪要素變化

注：方向WNW——西北偏西、NW——西北、NNW——西北偏北、N——北、NNE東北偏北、W——西、NE——東北；U/F——涌浪為主的波型、F/U——風(fēng)浪為主的波型。

2.2 雷雨大風(fēng)天氣個例

2010年5月30日08時，連云港處于低空切變線前，有較明顯的暖平流，50 kPa高空橫槽在下午轉(zhuǎn)豎南甩經(jīng)過連云港時，有冷平流侵襲，上冷下暖，產(chǎn)生了較明顯的強(qiáng)對流天氣，見圖3。

2010年5月30日14時，早08時地面低壓處于連云港西北并向東南移動，連云港處于低壓移動的前方，低壓移動過程中逐漸演變成偏西南至東北向的輻合帶，經(jīng)過連云港。地面天氣圖見圖4。

西連島觀測站出現(xiàn)大風(fēng)天氣，15時01分最大風(fēng)速23.4 m/s(NE向)，14時55分極大風(fēng)速31.1 m/s(NNE向)。伴隨大風(fēng)西連島觀測站下午還出現(xiàn)13.4 mm的雷陣雨天氣現(xiàn)象。

西連島當(dāng)日的風(fēng)速與海浪波高等要素變化見表2，30日白天地面風(fēng)速與海浪波高等要素的變化，出現(xiàn)了明顯的突變。

風(fēng)速：08時至14時，風(fēng)速為3.5 m/s至6.8 m/s，而15時突然增大到22.9 m/s；

海況：08、11時的1級，14時的2級，陡然增大到17時的5級；

最大波高：08、11、14時的0.8、0.6、0.3 m，陡然增大到17時的3.1 m；

海浪波型：08、11時以涌浪為主，而14、17時變成風(fēng)浪。海浪波型的變化，是因?yàn)轱L(fēng)隨時間變大并有風(fēng)向變化，使涌浪不再明顯，在較大風(fēng)力持續(xù)作用下形成明顯風(fēng)浪。

隨著風(fēng)速突然增大，海況、海浪也陡然增大。

圖3 2010年5月30日08時85 kPa天氣圖Fig.3 Weather chart of 85 kPa at 08:00 of May 30, 2010

圖4 2010年5月30日14時地面天氣圖Fig.4 Surface weather chart at 14:00 of May 30, 2010

整點(diǎn)時間風(fēng)向風(fēng)速/(m·s-1)海況(級)波型風(fēng)浪向涌浪向周期/s最大波高/m06SW6．2??????07SW6．4??????08SSW4．61U/FCENE4．70．809SW7．6??????10SSW4．3??????11SSW3．51U/FCENE4．60．612SSW4．8??????13SSW6．8??????14SSW6．02FWC2．00．315NE22．9??????16E17．3??????17ESE16．55FEC5．13．118ESE17．7??????

注：方向SW——西南、SSW——西南偏南、NE——東北、E——東、ESE——東南偏東、C——靜風(fēng)、W——西、ENE——東北偏東；波型F——風(fēng)浪波型、U/F——涌浪為主的波型。

3 海浪最大波高估算

由于海浪本身的復(fù)雜性、發(fā)生的隨機(jī)性和形態(tài)的不規(guī)則性，以及地形、水深、風(fēng)況的變化多端，海浪波高預(yù)報不可能達(dá)到十分準(zhǔn)確的程度。這里采用計算結(jié)果與實(shí)測資料吻合較好的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報Wilson公式進(jìn)行估算，計算公式中海面10 m處風(fēng)速的選取，考慮到高度影響和下墊面的差異等各因素，直接采用了西連島觀測站實(shí)測值代入計算。

3.1 寒潮天氣的估算

查看2008年12月21日寒潮天氣圖與地理位置，發(fā)現(xiàn)該日出現(xiàn)長時間大范圍的偏北風(fēng)，因此選取西連島至北方山東陸地的距離作為風(fēng)區(qū)的長度值，風(fēng)距L≈58 km；因浪對風(fēng)的滯后關(guān)系，選取16時與17時觀測風(fēng)速的均值作為風(fēng)速值，V=17.4 m/s；重力加速度g=9.8 m/s2。

數(shù)據(jù)帶入Wilson公式，估算最大波高H≈2.5 m。計算結(jié)果小于17時的觀測值2.6 m。實(shí)測值與估算值相差0.1 m，相對誤差為3.8%，估算結(jié)果較滿意。

3.2 雷雨大風(fēng)天氣的估算

2010年5月30日雷雨大風(fēng)天氣風(fēng)向出現(xiàn)明顯改變，風(fēng)速突然增大，觀測數(shù)據(jù)14時是6.0 m/s(SSW向)，而15時是22.9 m/s(NE向)，15時01分當(dāng)日最大風(fēng)速23.4 m/s(NE向)，這給風(fēng)區(qū)長度選取判斷帶來一定難度。

考查地面天氣圖出現(xiàn)的輻合帶，分析其主要風(fēng)區(qū)，主要寬度區(qū)域一般在100 km以內(nèi)，取其一半作為風(fēng)距L=50 km；當(dāng)日16時與17時觀測風(fēng)速的均值V=16.9 m/s。

應(yīng)用Wilson公式，估算最大波高H≈2.3 m。計算結(jié)果小于17時的觀測值3.1 m。實(shí)測值與估算值相差0.8 m，相對誤差為25.8%，估算結(jié)果不理想，主要原因可能是代入公式的風(fēng)速值沒有較好地反映出風(fēng)速的短時間劇烈變化。

估算的結(jié)果與李秀艷等[14]統(tǒng)計的風(fēng)速、方位與波高的對應(yīng)關(guān)系表比較，偏大一點(diǎn)，但不明顯。

3.3 數(shù)值預(yù)報模擬計算

數(shù)值預(yù)報的模擬計算結(jié)果見表3，寒潮天氣個例17時模擬計算結(jié)果波高2.8 m，略大于公式估算值與實(shí)際觀測值，與實(shí)際觀測值比較誤差7.6%。雷雨大風(fēng)個例17時模擬計算結(jié)果波高0.5 m，遠(yuǎn)小于17時的Wilson公式估算值與實(shí)際觀測值，與實(shí)際觀測值比較誤差83.9%。數(shù)值預(yù)報的模擬計算對寒潮天氣個例有意義，而對雷雨大風(fēng)個例沒有什么意義，主要原因可能是寒潮天氣個例的系統(tǒng)范圍大與漸進(jìn)變化明顯，實(shí)際風(fēng)速也持續(xù)穩(wěn)定漸進(jìn)變化，選用的模式易于準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)推算且產(chǎn)生較小的誤差；而雷雨大風(fēng)個例的系統(tǒng)范圍小與變化突然，實(shí)際風(fēng)速變化陡然快速，選用的模式不能夠準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)推算且產(chǎn)生較大誤差。

表3 數(shù)值預(yù)報模擬計算結(jié)果

4 討論

寒潮天氣個例，應(yīng)用Wilson公式估算的波高值與數(shù)值預(yù)報模擬推算的波高值，在17時與實(shí)際觀測的波高值是接近的，誤差小于10%，具有一定的參考意義。而雷雨大風(fēng)個例，應(yīng)用Wilson公式估算的波高值與數(shù)值預(yù)報模擬推算的波高值，在17時與實(shí)際觀測的波高值比較相差較大，還需要進(jìn)一步探討怎樣選取基本數(shù)據(jù)與計算方法。

探討合理有效應(yīng)用Wilson公式與數(shù)值預(yù)報模擬推算產(chǎn)品，有利于進(jìn)一步認(rèn)識連云港近岸海域的風(fēng)浪變化，以及計算過程中存在的問題。

寒潮天氣、雷雨大風(fēng)天氣時海況與海浪等要素隨風(fēng)變化明顯，且都能夠產(chǎn)生較大的風(fēng)浪，對海洋經(jīng)濟(jì)能夠形成較大的威脅。天氣系統(tǒng)不同，計算波高的主要風(fēng)區(qū)與風(fēng)距選擇因素也不同，有利于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)與加強(qiáng)認(rèn)識，逐步提高風(fēng)浪預(yù)報與服務(wù)能力。

明顯的大尺度寒潮天氣，風(fēng)力、海況與海浪逐漸增大，容易引起注意；而中小尺度的雷雨大風(fēng)天氣，風(fēng)力、海況與海浪短時間內(nèi)快速變化，陡然增大，災(zāi)害來臨前防范意識容易疏忽，在預(yù)報與服務(wù)過程中如果因素考慮不足則容易產(chǎn)生失誤[15]。通過這次個例分析發(fā)現(xiàn)，雷雨大風(fēng)天氣的海浪波高的實(shí)測數(shù)據(jù)大于寒潮天氣，提醒我們對于防范雷雨大風(fēng)天氣的海浪災(zāi)害也需要給予足夠的重視。

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Case analysis of wind and wave for cold wave and thunder storm weather

ZHANG Rui-guang1, XU Xian2, YANG Hong-mei1, LI Zhong-lin1, SUN Ke-qu2

(1. Lianyungang Meteorological Bureau, Lianyungang 222006, China; 2. Lianyungang Marine Environment Monitoring Station, Lianyungang 222042, China)

∶ We addressed the impact of cold wave and thunder storm weather on off-shore wind power, sea state and sea wave of Lianyungang sea area based on cold wave on December 21, 2008, and thunder storm on May 30, 2010. For cold wave weather, sea state and wave gradually increased with the increase of wind speed. For thunder storm weather, sea state and wave rapidly increased with the quick increase of wind speed. Thunder storm caused more prompt variation of sea wave than cold wave, difficult to judge and prevent. For cold wave weather, we employed Wilson formula to estimate wave height of sea wave, and numerical forecasting to simulate the calculation of wave height of sea wave. This is more accurate than practical observed value, less than 10% error.

∶ cold wave; thunder storm; sea wave

10.3976/j.issn.1002-4026.2016.06.004

2015-10-12

張瑞光(1962—)，工程師，研究方向?yàn)闅庀蠓?wù)與應(yīng)用氣象。

P732

A

1002-4026(2016)06-024-06