渤海西部海面风速预报方法的探讨

２０１１年第３期　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　科学观察　郭鸿鸣　杜建双王鑫（河北省秦皇岛市气象局秦皇岛０６６０００）　（天津市滨海新区气象预警中心天津３００４５７）　渤海西部海面风速预报方法的探讨　【摘要】用秦皇岛、塘沽、海上平台等５个自动站３年的逐小时风速历史资料对渤海和秦皇岛地区的风速　的相互关系和自身变化进行研究和探讨。通过使用气象统计方法，总结出大风的年变化和日变化，对以前已　经研究过的结论进行论证，同时通过对比研究塘沽和海上平台站的资料，提出本地大风的年变化趋势预报　和近海地区风速短时预报方法，在原有基础上进一步设想，总结出近海海区风速预报方法的理想数学假设　方程。　【关冀词】气象统计方法近海地区风速短时预报方法渤海西部　海面风　０引言　大风是河北省的主要灾害性天气之一，一年四季都可能　皇岛尚有一定距离，天气尺度、系统的影响在时间和空间上会　有细微的差别，在用５４４４９和５４６４６站作比较的时候，发现两　者的相关性不是很好，所以没有直接用５４４４９和５４６４６站作出　比较，而是选取塘沽站和平台做统计，从而做出指导秦皇岛的　预报方法。　发生。夏季多雷雨大风，秋冬季多偏北大风，春季渤海和东部　沿海多偏东大风。内陆和沿海岸线地区（渤海西部海面）以及　近海地区的大风对秦皇岛来说意义重大，直接影响到造船厂、　近海海上作业、海上捕鱼业、沿岸的旅游业。但是目前没有任　何关于海上大风的历史资料为气象预报提供依据。为了更好　的进行预报提供专业服务，总结出一个适合本地的海Ｅ风速　的预报厅法是十分必要的。　１＿２月报表前期处理　首先使用自己编写的ＶＢ软件程序提取月报表中风速的　要素数值，按预定的格式保存好提取结果。生成结果文件有每　月逐小时风速文本（共５　Ｘ　１２　Ｘ　３：１８０个）。再通过程序计算提　取出逐月日平均风速文本（共５　Ｘ　１２　Ｘ　３＝１８０个）和日逐小时　近年来，已经有科研人员对渤海沿海地区的风速做过一　些研究，得出ｒ重要的结论，但是现在的实况资料是否仍然符　平均风速文本（共５　Ｘ　１２　Ｘ　３＝１８０个），然后通过使用气象统计　方法计算要素之间的相关性。　合以前的那些经验，是否有重要的变化，需要对已经研究过的　结论进行论证。　２探讨风速的月变化　一与秦皇岛临近的塘沽也受渤海大风影响，在天气尺度系　统影响渤海地区的情况下，两个近海岸线观测站的风速应该　有相似的地方。由于秦皇岛近海海区没有风速的资料，统计研　究塘沽和海上平台（５４６４６）这两个自动站的风速变化关系，对　于指导其他类似近海岸线和近海海区的风速相互关系有着重　要的作用，同样，也可以从中总结出秦皇岛的海区风速预报　方法。　年１２个月，不同的季节月份受到的气象系统的影响各　不相同，比如：偏北风类天气系统（阻高崩溃型、脊前下滑型、超　极地型、西风槽型），偏东大风类天气系统（脊前偏东型、超极地　型、平直型），偏南风类天气系统（西北气流型、蒙古低压型、人　海高压后部型），那么风速的大小变化也是不同的。但是从气　候角度来说，这些天气系统应该是以年为周期，基本是重复发　生的，所以经过统计，对月平均风速的这５个站进行比较，查找　相互关系（说明，图１～８横坐标是月份，纵坐标是风速，单位　是ｍ／ｓ）。　１资料的选择　１．１　自动站选站原因　本文使用２００５－－２００７年这３年的秦皇岛（５４４４９）、卢龙　（５４４３８）、抚宁（５４５４１）、塘沽（５４６２３）、海上平台（５４６４６）５个自　动站逐小时资料。之所以选择这５个站来研究秦皇岛的海区　风速问题，主要有以下几个原冈：①目前渤海海上自动站很　少，只有５４６４６站的资料较全，而且距离海岸线的距离适中。　②研究秦皇岛的风速必不可少要选择２～３个本地站点，从而　选择了卢龙、抚宁作为内陆站的代表。③由于海　平台站和秦　收稿日期：２０ｌｌ—Ｏ５　０９　图１　图１是海上平台（５４６４６站，黑色代表２００５年，虚线代表　２００６年，点线代表２００７年）２００５－－２００７年这３年的月平均风　速图，图２是３年的平均值。　５　４．５　４　３，５　３　２．５　２　１　５　１　ｏ．５　０　５　４．５　４　３，５　３　２．５　２　ｌ　５　１　ｏ　５　０　图３是塘沽（５４６２３站，黑色代表２００５年，虚线代表２００６　年，点线代表２００７年）２００５－－２００７年这３年的月平均风速图，　图４是３　图５是秦皇岛（５４４４９站，黑色代表２００５年，虚线代表　２００６年，点线代表２００７年）２００５－－２００７年这３年的月平均风　速图，图６是３年的平均值。　科学观察　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＳＣＩＥＮＣ２Ｅ０＆Ｔ１Ｅ１年第３期　ＣＨＮＯＬＯＧＹ　１Ｏ５　图８　图７是卢龙（５４４３８）３年的平均值，图８是抚宁（５４５４１）３　年的平均值。　从以上几个图片数据中可以总结出数据如表１　表１　５个站点风速比较　站名（站号）　风速最大　风速最小　风速最大　风速最小　的几个月份　的几个月份　的月份　的月份　秦皇岛（５４４４９）　３，４，５　７，８，９　４　８　卢龙（５４４３８）　３，４，５　８，９，１０　４　９　抚宁（５４５４１）　３，４，５　７，８，９　４　８　塘沽（５４６２３）　３，４，５　８，９，１０　４　８　３（４月与３　７（８月与７　海上平台（５４６４６）　２，３，４　７，８，９　月相差约　月相差约　１５天）　１５天）　表２秦皇岛和塘沽每月的Ｎ－ｔ速大小的相关系数　２００５焦　２００６钲　２００７正　１月　０．４５９　１７４　Ｏ．６１４　８３４　１　０．７３０　１６２　２月　０．５９９　８ｌ　０．７１６　６６７　３　Ｏ．３７１　６０４　３月　０．４７６　７　０．５７６　１１２　７　０．６５６　６２６　４月　０．４６５　９５３　０．５３０　３５４　３　０．４４０　４９ｌ　５月　０．３４９　９９　０．３６８　０２０　８　０．４７２　０４９　６月　０．２０１　５９２　－０．０４６　７　—０．１４４　６　７月　０．３０５　９３１　０　３０９　８３１　４　０．１７６　３６３　８月　０．４８４　７４５　０．１５６　７０４　６　０．１８６　４３８　９月　０．５６２　８ｌ８　Ｏ．６７５　９７１　４　０．５３０　４８５　１　０月　Ｏ．７０４　１７９　０．７７９　２７７　１　０．７２７　ｌ４８　１　１月　０．６０６　４１４　０．６８８　２２０　８　０．７０４　６１２　ｌ　２月　Ｏ．２１３　４７２　０．４０７　９００　６　０．７２６　９３１　可以看出，陆地上４月为全年风速最大的月份，海上风速　最大的月份比陆地提前半个月，陆地最小的月份基本上是在８　月份，同样海上基本一致，陆地偏前半个月时间。在河北预报员　手册中已经有了一个结论：河北全省各地风速的季节变化亦很　明显，大部分地区，春季风速最大，冬季次之，秋季较小．夏季最　小。而上面统计出２００５－－２００７年这３年的结果也和以前的结　１　Ｏ６　２０１１年第３期　ＴｌＡＮＪＩＮ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　科学观察　论一致，尤其是海区的风速也基本满足，只是时间有１５　ｄ的提　了问题产生的数据差错，这使得这两个相关系数失真。　前。这个结论，从气候角度可以对秦皂岛和其近海海区的风速　气候、旬预报起到一定的帮助，对于提前防范大风的季节发生　有很好的指导作用。　在计算　２００５ｍ２００７年这５个站日平均风速的基础上，　３探讨风速的日变化　风是受多种因子制约的，在下垫面均一的海洋上，由于离　岸的远近而风力各异，在同一个天气系统控制下，海洋风速和　计算以下的相ｌ火系数（见表２）。　两站的相关系数不大，而且不很稳定，说明两站的风速关　系不是很大，尤其是夏季，这有可能是夏季平均风速较小，相　的联动性很差造成的，但是在某些月份，在比较大的、强的　天气尺度系统影响下，相关性还是比较理想的。　基本上所有的相关系数都是很小的正数，说明，秦皇岛和　陆地的风力差异很大。在河北预报员手册中曾对１９７７—１９８１年　的风速资料统计得出：风速的日变化在我省各地表现较为明　显，一般早晨最小日出以后逐渐加大，午后达到最大，傍晚到　夜间趋于减少。海上平台７号和塘沽对比，海面风速上午趋于　减弱，下午１４时最小，黄昏后风速迅速增强，半夜至清晨达到　最大值。陆地与地面相反，上午风速逐渐增大，１４时达到最大　值，傍晚风速迅速减小，清晨５时最小。　海　平台的风速的关系正相关，但是没有很大的联动性，有可　能是距离的问题（见表３）。　表３秦皇岛和海上平台每月的风速大小的相关系数　２００５正　１月　２月　３月　４月　白天，太阳辐射使得地面迅速升温，大气层结区域不稳　定，到了午后尤其明显。所以，１４时前后陆风最大，太阳落“ｊ以　后，地面冷却较快，大气层结趋于稳定，风速逐渐减小。海面温　度常与陆地相反，由于海水热容量、下垫面等原因，海面白天　２００６矩　０．３６６ｌ　７８ｌ　０．１９７　５２７　３　０．３５６　６４５　６　０．１０１　９２９　１　２００７年　０．６１１　１２１】　０　４９１　０７２４　０．７２９　８３５　６　Ｏ．３ｌ９　８１２　３　０．４４０１９　０　６ｌ３　９３８　０．３８６　２３４　０．０６９　７　增温、夜间冷却都较陆地要慢，因此，海面风速的极值与陆地　相反。　５月　６月　７月　８月　０．３９４　０９３　０．１７７　７９ｌ　０．３９８　１５２　０　５４４　３９７　一Ｏ．０２７　８　—Ｏ．０２８　４　Ｏ．２１５　２７６　８　Ｏ．１１２】１９　３　０．２４２　７９９　２　－０．０４０　６　０．５８２　９８５　５　０．０４３　６　下面是对２００５ｍ２００７年的资料的统计：首先说明下面的　３　２　０　３　２　１　图片中的横坐标是时间轴，１～２４数字风别代表时刻２１～２３　４　５　３　５　２　５　ｌ　５　０　０　４　５　３　５　２　５　１　５　０　点，次日ｏ～２０点，所以１８对应ｌ４点。　９月　１　０月　１　１月　１　２月　０．４７３　９０ｌ　０．６２５　５９５　０．４ｌ　８　０９ｌ　Ｏ　ｌ５Ｏ　１５４　０．５１５　４ｌ５　７　０．６５８　８２８　９　０．３２９　２８０６　０．３９０　ｌ９４　６　０．４３７　２６１　８　０．６９４　８７０　２　０．２８３　ｌ９８　ｌ　Ｏ．７５１　９７８　７　基本上所有的相关系数都是大于０．６的正数，说明，塘沽　和海上平台的风速的关系正相关，而且联动性很强，这也是文　章所要研究的期望结果。首先，这两个站很近，所有的天气系　统影响两站的时候，风速会在２４　ｈ内有相应的变化，做天津近　海海区的风速预报，塘沽是一个很好的陆地选择站点。比较相　父系数的大小还可以对发现，１、２、３、９、１０、ｌ１、１２月的相关系　数都较大，这说明，在这几个月，如果使用塘沽做天津近海海　区的风速预报，准确率会很高。　表４塘沽和海上平台每月的风速大小的相关系数　２００５正　２００６丘　２００７正　图９秦皇岛（５４４４９）站３年每年的２４小时平均日风速变化　１月　２月　０＿８８３　ｌ９　０．７７８　５１１　Ｏ．７３３　６８　０．４６３　８７４　０．９００　２７４　０．６０６　８２　ｌ　３　５　７　９　１１　１３　１５　１７　ｌ９　２１　２３　图１ｏ秦皇岛（５４４４９）站３年的２４小时平均日风速变化曲　线图　３月　４月　５月　６月　７月　８月　９月　１　０月　１　１月　０．６４３　４７７　０．４８０　３１　８　Ｏ．６ｌ７　６２３　０．７４１　８３６　Ｏ．２３８　１７６　０．６６６　３５９　Ｏ　７９１　４３　０．８８７　８２８　Ｏ．７８６　３８６　０．６５７　５４１　Ｏ．３９１　ｌ７７　Ｏ．０３７４　０．４３２　４５３　０．６００　２７７　０．５ｌ９　８６２　Ｏ．７３３　６６７　０．７４０　３７８　０．７４８　０６５　０．７５３　２６９　０．５８４　６０７　Ｏ．６１０　６０３　０．６２６　４０６　０．４３３　７７ｌ　Ｏ．６ｌ２　４２９　０．６５３　２５５　０．８４３　９８　０．７０５　２０３　１　２月　０．９Ｉ７　９Ｉ６　Ｏ．８３２　Ｉ２５　０．９７３　１７　１　３　５　７　９　１１　１　３　１５　１７　１９　２１　２３　作者发现表４中２００６年的５月，２００５年的７月相关系数　很小，经过查阅，发现数据中有很多０．０　ｍ／ｓ，应该是站点出现　图１１塘沽（５４６２３）站３年每年的２４小时平均日风速变化　曲线图　科学观察　ＴｆＡＮＪｌＮ　ＳＣＩＥＮＣ２Ｅ０＆Ｔ１Ｅ１年第３期　ＣＨＮＯＬＯＧＹ　１　０７　图１２塘沽（５４６２３）站３年的２４小时平均日风速变化　图１３海上平台（５４６４６）站３年每年的２４小时平均日风速　变化曲线图　图１４海上平台（５４６４６）站３年的２４小时平均日风速变化　曲线图　统计结果和以前的研究人员得到的结果基本一致，风速变　化的趋势维持原有的状态，最大和最小速度的峰值出现的时间　也基本一致。总结出秦皇岛本地风速变化也是符合规律的特　点，对于短时临近预报，预警具有很大的指示意义。　４寻找近海海区风速和沿海内陆风速的变化关系以　及提出近海海区风速预报方法的假设，并对假设　做出讨论　通过对塘沽和海上平台资料的计算，可以设想，秦皇岛站　和秦皇岛海区的风速应该有相同的关系。所以多研究塘沽和海　上平台的风速的相互关系，对于指导秦皇岛使用本站做海区风　速的预报很有价值。下面是计算２００５－－２００７年３年每月平均　５４６４６（海上平台站）与５４６２３（塘沽站）风速的差值。　从图１５中可以看出，不同月份，差值不同，利用塘沽站点　的预报风速值加上差值（最近上个月的平均差值，这样可以使　得误差减小）可以简单作出海区风速的预报。图ｌ６中显示出塘　沽和秦皇岛站全年平均风速差值很小（０．７～１．８　ｍ／ｓ的变化　范围）。　以前秦皇岛本地作海区风速预报都是在陆地预报的等级　上加上２级风，例如，秦皇岛预报２～３级，海区预报４～５级　风，没有白天和夜间的区分。但是通过以上的研究，应该在白天　对海区预报的等级在陆地基础上加ｌ～２级，夜间应该加２～３　级（最少也要２级）。这样，陆地白天预报３～４级，海区可以预　报４～５级，陆地夜问预报２～３级，海区可以预报５～６级左　右。图１７是塘沽２００５－－２００７年３年平均逐２４小时风速差值，　可以看出，２０点至次日８点，风速差值基本在３～３．５　ｍ／ｓ，有　２～３级的差值，白天只有１～２级的差值。从一个侧面对秦皇　岛本地的预报方法提出疑问。　３　２　１　Ｏ　１　２　３　４　５　６　７　８　４　９　５　１Ｏ　１１　１２　３　５　２　５　１　５　０　图１５　２００５－－２００７年３年每月平均５４６４６与５４６２３风速的差值　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０¨１２　图１６　２００５－－２００７年３年每月平均５４６２３与５４４４９风速的差值　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　ｌ１　１２　１３　１４　１５　１６　１７　１８　１９　２Ｏ　２１　２２　２３　２４　图１７塘沽与海上平台的风速逐小时差　表５　２００５－－２００７年塘沽站风速倍数数据　２００５盘：　２００６正　２００７拄　１月　１．９９８　８８９　１．９３８　４３４　２．１１５　８５３　２月　１．８７６　９０２　１．８４４　４７７　２．１３６　９８５　３月　１．６４６　５７１　１．７１７　３６６　１．７１９　１２６　４月　１．６６８　４５５　１．５４２　ｌＯ２　１．６１３　Ｏ１　５月　１．６０５　３７ｌ　１．５８５　３６８　１．７４３　６８９　６月　１　５２８　０２９　１．６２３　９５５　１．６９７　３９３　７月　１．１４０　５８８　１．３９８　６ｌ５　１．５ｌ８　７ｌ９　８月　１．８６８　６０８　１．７４９　８３９　１．５９ｌ　７ｌ４　９月　１．７４２　６９　１．６２９　３ｌ６　２．００９　６８５　ｌ０月　２．１７３　６９９　１．９８３　７１６　２．３９９　３１９　１１月　２．２０４　６２６　２．４００　６１５　２．３３８　８３８　１　２月　２．１７Ｏ　９５６　２．３４８　６６ｌ　２．４０６　７３４　１　０８　２０１１年第３期　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　科学观察　最后用塘沽和海上平台的风速大小的相互关系提出设想：　假设秦皇岛和秦皇岛近海海区也有相同的经验预报方法，计　算：海Ｅ平台站除以塘沽站风速的倍数大小（每月平均值），结　果见表５。　是很大，现在特意选择一个大风的个例。　２００７年３月４日２０点开始预报，假设预报未来２４小时　风速平均为Ａ，由于２００７年３月平均风速差值为２．７　ｍ／ｓ（准确　数字）和倍数为１．７，则海区风预报为Ａ＋２．７或Ａ　Ｘ　１．７。现在　把２００７年３月４日２１点到３月５日２Ｏ点的塘沽实况假定就　是４日２０点的预报（７．４７５　ｒｉｄｓ＝４级风），则海区预报为　１０．１　ｍ／ｓ（５级风）或１２．６９９　ｒｒｄｓ（６级风），海区实况为１３．５　ｍ／ｓ　（６级风）。　表５中，１、２月份为２倍，３、４、５、６、８、９月份为１．６～１．７　倍，７月份最小，为１．３倍左有，１０、１１、１２月份为２．２倍左右。　总结以上的统计结果，综合得出近海海区风速预报方法的　理想数学假设方程：①近海海区风速（２４小时平均值）÷沿海　陆地风速（２４小时平均值）＝倍数（不同月份，倍数不同）；②近　海海区风速（２４小时平均值）一沿海陆地风速（２４小时平均值）　＝差值（不同月份，差值不同）；③同时在２４小时内没有强天气　系统的影响下，Ｅｔ变化的风速仍然具有图１０、图１２、图１４的变　化趋势，２４小时内风速极值、平均值满足图１０、图１２、图１４；④　以上方法求得海区风速数值是一个月平均值基础上的校正，结　果基本也是一个月平均值，所以预报员还需要针对天气系统的　强弱做简单的订正。　对于塘沽沿海海区的预报，南于海区资料的存在，使得倍　数和差值都是可以计算的，但对于秦皇岛来说，没有近海地区　的资料，无法制做预报的检验和倍数表、差值图，只能利用表５　和图８的关系做出风速等级的预报，加强秦皇岛海区的资料收　集，然后对预报做出科学检验，计算总结出本地的表５和　网１５。　由于秦皇岛海区没有资料，所以无法对假设做出验证。现　在对塘沽和海上平台做出验证，资料使用２００７年２月１　Ｅｌ下　午２０点对末来２４小时海区的风速做出预报，再用实况做出　检验。　２００７年２月１日２０点开始预报，假设预报未来２４小时　风速平均为Ａ，由于２００７年１月平均风速差值为２．９５　ｍ／ｓ（准　确数宁）则海区风预报为Ａ＋２．９５，现在把２００７年２月１日２１　点刮２月２　Ｅｔ　２０点的的塘沽实况假定就是１日２０点的预报　（１．７　ｍ／ｓ＝２级风），则海区预报为４．７　ｍ／ｓ（３级风），海区实况　为５．１　ｒｉｄｓ（３级风）。　在预报的等级上基本一致，但是这里要说明一点：等级预　报是风速的范围预报，这个也许会在这次检验中显得很准确，　可在量化到具体的数字上面就会有偏差，比如此次预报是在预　报塘沽未来２４小时风速准确率为１００％的情况下，海区风速　偏差０．４　ｍ／ｓ，占预报比重的９％。由于随机选择的个例风速不　在预报风速上面一般有比较大的偏差，实况风速越大偏差　越大，但是如果用上面的方法预报风速等级，应该只有最大１　级的预报偏差，效果还是可以的。　５结论　通过对２００５－－２００７年３年秦皇岛、卢龙、抚宁、塘沽、海上　平台５个自动站逐小时风速资料的研究和统计，总结出以下几　点，对于预报近海海区风速具有指导帮助作用：①风速的变化　具有以年为周期变化的特征，这对于风速的旬预报、大风的多　发季节预报具有非常大的帮助。②沿海地区的风速日变化仍然　和河北预报员手册中总结的结果相似并吻合，再一次说明了由　于海水和陆地下垫面的不同导致风速日变化的不同。这对于指　导短时风速变化的预报有指导意义。③研究塘沽和海上平台风　速的相关系数，证实了沿海地区的风速变化和近海海区风速的　变化具有很好的联动性。④通过计算和比较总结，指出沿海地　区的风速和近海海区风速简单的理想数学方程关系（即本文所　说的近海海区风速预报方法）。并且对历史个例进行验证，对总　结的预报方法进行检验。⑤虽然预报方法不是非常准确，但是　对于秦皇岛本地沿海地区的风速和近海海区风速的预报，尤其　对近海海区风速的预报具有突破性的见地，并且对以往简单的　加２级风的经验预报方法提出不同的意见。■　参考文献　［１］朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等．天气学原理与方法［Ｍ］．北京：气　象出版社，２ＯＯ０（１０）：２１　７—２２１．　［２］河北省气象局．河北省天气预报手册［Ｈ］．北京：气象出版社，　１９８７：１　１９－ｌ２０．　［３３中国气象局科教司．省地气象台短期预报岗位培训教材［Ｈ］．　北京：气象出版社，１９９８：２１０．