PPM方法在馬跡山港船舶靠離泊臨界值預報中的應(yīng)用＊

李曉麗 唐 躍 范其平 許映明

(1.舟山市海洋氣象臺,浙江舟山316021;2.寶鋼股份公司運輸部,浙江嵊泗202450)

0 引 言

寶鋼馬跡山港是我國礦石中轉(zhuǎn)專業(yè)港口,它位于我國東部沿海舟山群島的嵊泗列島(見圖 1),就是在東經(jīng) 122°25′,北緯 30°41′,港口分兩期建設(shè)。一期陸域總面積46.2萬m2,裝卸碼頭各1個;二期裝碼頭1個、卸碼頭2個,一、二兩期碼頭泊位總長度為1737 m;泊位水深一期裝卸碼均為26.0 m,二期裝卸碼分別為11.5 m和13.5 m。靠泊等級裝(0.5～5)萬t級、卸30萬t級。目前年度吞吐量實績提升至6500萬t以上,進入世界礦石吞吐量規(guī)模一流碼頭(見表1)。

表1 馬季山港各碼頭設(shè)計等級及能力

但由于舟山處于中緯度,災害性天氣四季頻繁。平均每年有4.3個臺風或熱帶風暴影響,對舟山造成災害的臺風或熱帶風暴平均每年有1.2個。年平均8級以上(含8級),大風日數(shù)142.7 d,其中8～9級大風日數(shù)129.2 d,10～11級大風日數(shù)12.7 d,12級及以上大風日數(shù)0.8 d[1]。如果寶鋼馬跡山港仍以舟山沿海海面風力預報作為船舶靠離泊的依據(jù),就會導致船舶經(jīng)常滯港,增加港口的成本,減少港口的吞吐量,降低港口的生產(chǎn)效率,制約港口的健康發(fā)展。

1 資料處理

1.1 資料來源

資料來源于2005年8月至2007年的位于港口附近海島自動站每小時最大風、極大風數(shù)據(jù)和美國NCEP全球模式的10 mU,V風實況再分析資料(以下簡稱NCEP資料)。自動站位置見表2。

圖1 馬季山港所處的地理位置及馬季山港全景

1.2 樣本的選取

NCEP資料每6 h發(fā)布一次,預報間隔為3 h,網(wǎng)格間距1°×1°。根據(jù)舟山海域和馬跡山港口的地理位置 ,資料范圍取 121°E～123°E,29°N～31°N之間,共9個點作為預報因子樣本的原始數(shù)據(jù)。取與NCEP資料時間相對應(yīng)的前、后各3 h內(nèi)自動站資料的最大風速和極大風速分別作為一個預報量樣本,樣本數(shù)約1800個。

1.3 資料的處理

在 30°N附近 ,121°E基本位于大陸上 ,122°E附近為海島,123°E附近是海面,這些經(jīng)度上的U,V風有比較大的差別,呈東大西小分布。NCEP資料已經(jīng)考慮了地形對風的影響,但是由于精確度的關(guān)系,地形處理比較簡單。為了更好地將NCEP資料內(nèi)插到自動站站點上,需要知道NCEP資料在自動站站點上受地形影響的程度,并將其訂正到地表為海平面(123°E)的狀態(tài)。為此,我們假設(shè)NCEP資料在121°E～123°E,29°N～31°N 范圍內(nèi)。

(1)在沒有地形影響的情況下,該區(qū)域在樣本取得期間同一緯度上的平均風速相同;

(2)在同一地點,NCEP資料的 U,V風受地形影響相同;

(3)在海平面上,附近區(qū)域 U,V風速分布符合拋物線公式。

我們計算出樣本取得期內(nèi)NCEP再分析資料在各網(wǎng)格點上的 U,V風速平均值,根據(jù)假設(shè)(1)計算出各經(jīng)度上的值與123°E(下墊面是海面)的數(shù)值之比,這些值就是各經(jīng)度上 U,V風速受地形的縮小比例系數(shù)。為了更有可比性,我們將NCEP資料在121°E,122°E上的 U,V風速值受地形影響情況全部按比例訂正到假設(shè)下墊面是海面時的值(以下簡稱理想值),然后將9個點的U,V風速數(shù)值根據(jù)該點與自動站的距離按權(quán)重內(nèi)插到自動站站點上(詳見2.1),得到理想狀態(tài)下的NCEP資料在該站點的全風速。圖2是各緯度上 U,V風速及全風速東西向平均分布圖。

圖2 各緯度上 U,V風速及全風速東西向平均分布圖

自動站資料根據(jù)站點的高度公式,將最大風和極大風直接訂正到10 m高度。根據(jù)舟山梯度風塔觀測資料分析,粗糙度系數(shù)取0.28。

2 關(guān)系式的建立

為了反映馬跡山港口實際地形對風速的影響,我們將樣本根據(jù)16方位進行細分,分別統(tǒng)計,得到站點各方位的NCEP全風速理想值與實際最大風和極大風的關(guān)系式。表3是NCEP資料在123°E上 U,V的平均風與同緯度各格點上U,V平均風之比,即各格點上的轉(zhuǎn)化成理想值時的放大比例。

表3 NCEP資料在各網(wǎng)格點上的放大比例

2.1 求站點上NCEP資料風的理想值

在確定3個點的數(shù)值情況下,可以解出一條拋物線。

我們首先將各格點上的 U,V風根據(jù)放大比例轉(zhuǎn)化成理想值,然后根據(jù)1.3中假設(shè)條件(3)在海平面上,附近區(qū)域 U,V風速分布符合拋物線公式:

取y坐標于122°E經(jīng)線,x坐標于29°N緯線,x表示經(jīng)度-122,精確到0.01°,y表示u風的理想值,再分別用同一緯度上3個經(jīng)度上(格點)的 u風(分別用 u1,u2,u3表示)代入 y,用經(jīng)度代入 x,得到方程組:

解此方程組得 a,b,c,再用站點的經(jīng)度代入方程(1)求出得到29°N上與站點同一經(jīng)度上的 u風理想值。將 x坐標移至30°N和31°N得到另外2個緯度上與站點同一經(jīng)度上的 u風理想值。

在得到3個緯度的 u風理想值后,再將30°N作為y坐標,站點所在經(jīng)線為 x坐標,用剛剛得到的3個值代入方程(1)得到 a,b,c,即可求得站點上NCEP資料的 u風理想值。同理得到v風理想值,合成后得到全風速理想值和風向。

2.2 站點實況最大風、極大風訂正到海平面

由于站點高度較高,不能代表海平面的風,一般以10 m風代表海平面風比較好。

利用高度訂正公式：V10= (log(10)-log(Z0))/(log(h)-log(Z0))×Vh

根據(jù)舟山梯度風觀測數(shù)據(jù)分析,Z0=0.028。

2.3 站點上NCEP風資料的理想值與實況最大風、極大風訂正值關(guān)系的建立

根據(jù)流體力學原理,地形對風的影響是比較復雜的,但是最主要項的作用是線性。因此只要找到兩者之間比例系數(shù)就行了。但是由于地形的山脈走向,其對各風向的作用是不同的,因此,我們在各個風向上分別求NCEP資料的理想值與實際最大風、極大風的關(guān)系。風向劃分為16個方位,由于實際風向與NCEP資料的風向可能存在不一致,我們按照后者取值。結(jié)果顯示,對于大部分風向,兩者之間具有非常高的相關(guān)性,一般在80%～90%。表4為各風向NCEP資料與馬跡山站實況資料的相關(guān)系數(shù)。

表4 各風向NCEP資料與馬跡山站實況資料的相關(guān)系數(shù) (R)

根據(jù)某時次的資料,對前3 h和后3 h的自動站實況資料分別建立對應(yīng)關(guān)系(見表5),相當于某3 h時段內(nèi)實況風分別與開始時刻和結(jié)束時刻的理想資料建立對應(yīng)關(guān)系,取預報值的平均數(shù)作為該時段的最大(極大)風速集合預報結(jié)論,再將結(jié)論訂正到站點高度上。考慮到風向變化的趨勢,風向以結(jié)束時刻的理想資料預報值為準。

表5 馬跡山各風向前、后3 h與NCEP資料對應(yīng)關(guān)系

在建立馬跡山站點預報方程的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)有的舟山自動站的資料,并考慮資料的代表性,我們另外建立了39個點的預報方程。

3 預報產(chǎn)品制作

我們每天分別于1時、7時、13時和19時4次自動下載美國NCEP發(fā)布的以5 h前資料為初始資料的GFS模式的10 mU,V風場預報資料,預報資料時間步長3 h。因此港口測站每3 h的風預報值可以分別用起始和結(jié)束二個時刻的NCEP發(fā)布的 GFS模式10 mU,V風預報資料,根據(jù)第2章節(jié)得到的關(guān)系式計算出的二個值,再用最簡單的集合方法取得。預報結(jié)果自動加入到數(shù)據(jù)庫中,終端軟件通過讀取預報數(shù)據(jù),并將風速轉(zhuǎn)換成風力等級后提供給馬跡山港口管理部門參考。

目前NCEP GFS模式在60 h內(nèi)10 m風的預報準確率相對較高,因此取最長預報時效為48 h比較合適。

本方法應(yīng)用于馬跡山港船舶靠離泊預警、預報服務(wù)系統(tǒng)中的預報準確率見表6(風力臨界值說明見第4章節(jié))。

將馬跡山港口預報結(jié)論會同其它39個站點的預報值,以分辨率為0.1經(jīng)緯度內(nèi)插到網(wǎng)格點上,得到某時段舟山海域的風力(極大風速、最大風速)分布預報圖,供馬跡山港口參考。該預報圖每3 h 1張,共16×2張,如圖3。

表6 2008年臨界風速在7級、8級、9級風速下的預報準確率 %

4 馬跡山港船舶靠離泊風力臨界值

根據(jù)馬跡山港船舶靠離泊規(guī)程規(guī)定[3]：港口的靠離泊臨界值均建立在馬跡山港口最小能見度≥500 m;涌浪 H≤1.5 m(臺風影響時涌浪H ≤2.0 m)的條件下。

4.1 靠泊臨界值

當≤5000 t船舶裝船碼頭時,靠泊風力的臨界為：南風、東南風 ≤6～7級,陣風8級;北風、西北風≤7級,陣風8～9級。

當≥5000 t船舶裝船碼頭時,靠泊風力的臨界為：南風、北風≤6級,陣風7級。

4.2 離泊風力臨界值

南風、東南風≤6～7級,陣風8級;北風、西北風≤8級,陣風9級。

圖3 舟山海域最大風速、極大風速分布預報圖

5 馬跡山港針對性船舶靠離泊臨界值風力預報與舟山沿海海面風力預報對比

根據(jù)表7得出,陣風8級風港區(qū)增加作業(yè)天數(shù)94 d(公眾預報舟山沿海海面≥陣風8級為273 d,針對性船舶靠離泊臨界值風力預報≥陣風8級為179 d),陣風9級風減少離泊天數(shù)41 d。(公眾預報舟山沿海海面≥陣風9級為127 d,針對性船舶靠離泊臨界值風力預報≥陣風9級為86 d,減少離泊天數(shù)41 d。)

表7 馬跡山風力(陣風)預報與舟山沿海風力(陣風)對比表

6 預報應(yīng)用

我們專門建立了馬跡山港口氣象服務(wù)系統(tǒng),該系統(tǒng)界面友好,操作簡便,功能齊全,性能穩(wěn)定。系統(tǒng)不僅能及時顯示該港口的實時氣象要素和每隔3 h繪出最大風、極大風分布圖,有馬跡山港針對性船舶靠離泊臨界值客觀風力預報,還有應(yīng)用該客觀預報再結(jié)合預報員多年積累的海上大風預報經(jīng)驗,制作的人機結(jié)合的3～5 d的針對港口風力主觀天氣預報。遇突發(fā)性、災害性天氣時及時做好臨近預報服務(wù),同時我們還建立了港口預警平臺,遇突發(fā)性、災害性天氣時,能通過短信發(fā)送,實現(xiàn)對港口管理人員自動提前預警,有效提高了他們對突發(fā)性、災害性天氣的應(yīng)急處置能力。

7 結(jié) 語

本文利用美國NCEP的全球模式資料與寶鋼馬跡山港自動氣象站實況資料進行對比分析,得到測站不同風向最大風、極大風與馬跡山港口特殊環(huán)境場的關(guān)系,并將此關(guān)系用PPM方法應(yīng)用到寶鋼馬跡山港口日常船舶靠離泊的風向風速預報中。通過對美國NCEP樣本的選取、資料的處理,建立關(guān)系式,再根據(jù)寶鋼馬跡山港船舶港靠、離泊在不同風向時的臨界值,進行針對性的預報服務(wù),不僅提升了舟山市海洋氣象臺在港口精細化預警預報的服務(wù)能力,而且為港口有效減少了滯港費用 ,增加了港口的吞吐量。為提高港口的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益,提供了有力保障。

按照港口作業(yè)規(guī)定：不能及時順利靠離泊為滯港。一條船每天的滯港費用為4萬美金。舟山市海洋氣象臺2005年9月至2007年12月以來為馬跡山港口提供的專項靠離泊風力臨界值預報,使寶鋼馬跡山港增加作業(yè)天數(shù)135 d,按每天只停靠一條船計算(實際更多),減少港口滯港費用約540萬美金。

馬跡山港針對性船舶靠離泊臨界值風力預報僅僅是我們在精細化專業(yè)交通預報上的起步,離交通運輸業(yè)在提高經(jīng)濟效益和安全性方面的需求仍有距離,我們會不斷面對挑戰(zhàn),繼續(xù)努力。

參考文件：

[1] 王 雷,黃 輝,何文岳.舟山群島海域航線氣象預報.氣象科技,2002,30(4)：241-245.

[2] 魏松林,杜春英.大興安嶺森林火險等級中期PPM預報方法.氣象 ,1989,15(2) ：49-53.

[3] 寶鋼運輸部.馬跡山港船舶靠離泊規(guī)程.2004,11(2)：1-22.

[4] 林 偉,何志軍,李曉麗.舟山群島大風實時監(jiān)測警報網(wǎng).氣象 ,2005,31(5)：85-87.