中國近海全潮測驗的氣象保障分析

熊學軍，胡筱敏，趙惠芳，張藺廉

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061；2.福建省晉江市氣象局，福建晉江362200；3.浙江省舟山市氣象局，浙江舟山316021）

中國近海全潮測驗的氣象保障分析

熊學軍1，胡筱敏1，趙惠芳2，張藺廉3

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061；2.福建省晉江市氣象局，福建晉江362200；3.浙江省舟山市氣象局，浙江舟山316021）

基于我國近海全潮測驗氣象保障的迫切需求，根據我們在現場調查中積累的有效經驗，把影響中國近海的天氣過程看成是大背景場上氣壓單體的運動，冬季的基本態是氣壓單體的向海運動，夏季的基本態是氣壓單體的向陸運動。具體到調查海區，首先把握調查時段天氣過程的基本態，關注大背景場中氣壓單體的運動趨勢，推判可能影響到調查海區的氣壓單體的活動規律以及它們之間的相互作用，確定調查區調查時段天氣形勢的極端情況；基于可以獲得的公益氣象預報信息，通過對調查現場基本背景場的踏勘和分析研究，形成局地性修正因子，從而進行調查海區的局地補充訂正預報；用現場氣象觀測站的資料進行驗證與反饋，不斷改進局地性修正因子；充分結合諸如風動能在一定時段內積分總量準守恒的周期規律性等經驗規律，進行調查現場的氣象保障服務。

全潮測驗；氣象保障；動力學分析；氣壓單體,局地性修正

1 引言

全潮測驗是陸架淺海區域性海洋調查的經典觀測，它采用大中小潮三個時段、周日連續、多要素同步、多船同步的調查方式，努力用最少的時間、最小的成本，獲得區域性海洋系統基本的水動力、水文和氣象環境特征。所以，若干年來，全潮測驗一直是我國近海海洋工程設計論證中的例行觀測。

全潮測驗原則上采用大中小潮或小中大潮的順序，正常情況下要持續8天左右，對于具體的觀測海區，大中小潮的潮時基本上是固定的，每個潮時的起始觀測時間也只有1天左右的機動期，一旦錯過，一般要等半個月左右。而中國近海地處世界最大的大陸亞歐大陸和世界最大的大洋太平洋之間，并與印度洋遙相呼應，受季風影響相當顯著，具有7天左右的準周期性天氣過程，該過程包括了天氣由壞及好或由好及壞的系列變化。所以，中國近海的全潮測驗受天氣過程的影響巨大，要保證全潮測驗期間各潮期觀測時段的天氣狀況都具有相對的良好性，具有相當的難度。由于比較惡劣的氣象條件嚴重影響到全潮測驗的人員安全、儀器安全和資料安全，必須做好全潮測驗期間調查海區的天氣預報，并形成相應的氣象保障體系。但截止到目前，從公開渠道可以免費得到的氣象預報信息，在空間范圍和時間分辨率方面都滿足不了全潮測驗的要求，依靠職業化的氣象預報團隊提供全潮測驗期間調查海區的精細化天氣預報還少有可能，這就要求開展全潮測驗團隊的自身能夠主動進行調查海區的局地補充訂正預報，形成相應的保障體系。

本文基于我們多年在我國近海進行全潮測驗并進行相應局地補充訂正預報的有效實踐經驗，分析我國近海全潮測驗時段氣象保障的基本操作和可能實現。由于全潮測驗多選擇在冬季和夏季兩個極端季節進行，這里就只分析冬季和夏季的情況。

2 調查現場氣象保障的動力學分析

影響全潮測驗海上作業安全的主要是風，以及由風、海流直接或間接引起的波浪，其次是海流、水位等其它因子。

既然風是影響全潮測驗現場調查安全的首要因子，直觀、主動地理解風的動力學成因至關重要。由于太陽輻射加熱、太陽直射點南北移動以及海陸熱力性質差異等因素的綜合作用，形成了不同地域的氣壓差異。這種氣壓差的存在，或者說是壓強梯度力的作用，可以直接導致大氣從高壓區向低壓區流動，由于柯氏力的作用，流動方向并不是直接從高壓指向低壓，而是在壓強梯度力和柯氏力作用下，流動方向和壓強梯度力的方向有一定交角，這就是風，其大小與壓強梯度力成正比。在北半球地面氣壓分布圖上，風在總體上表現為圍繞高壓中心的順時針氣體流動和圍繞低壓中心的逆時針氣體流動，為了敘述的方便，這里把它們稱之為氣壓單體或者是風單體。全球范圍，特別是冬、夏季節大洋與大陸之間由于氣壓差而導致的氣體交換，主要是通過這些風單體來實現的，特別表現在冬季高壓單體的向海運動（如寒潮）和夏季低壓單體的向陸運動（如臺風）。而無論是高壓單體或低壓單體，其準環狀運動都是非對稱的，冬季，向海運動的高壓單體的向海分支與向海輸運的大背景同相，偏北風強勁，而其向陸分支與向海輸運的大背景反相，偏南風較弱；夏季，向陸運動的低壓單體的向陸分支與向陸輸運的大背景同相，偏南風強勁，而其向海分支與向陸輸運的大背景反相，偏北風較弱。

根據全潮測驗的實際需要，下面具體分析中國近海冬、夏季節觀測時段的氣象保障。

2.1 冬季觀測時段的氣象保障分析

對于中國近海而言，全潮測驗冬季時段的氣象保障最為困難。

冬季，太陽直射點南移，北半球降溫，陸地降溫比海洋快，亞歐大陸上由于地面冷卻迅速易形成氣體堆積，逐漸形成亞洲高壓，其中心位于副極地地區的蒙古-西伯利亞，稱為蒙古-西伯利亞高壓[1-2]；而在太平洋上，降溫較慢，海面氣體因冷卻而下沉的趨勢不夠顯著，海面氣壓相對較低，這就表現出一個相比較而出現的太平洋區的低壓。如此以來，本來存在于副極地地區的副極地低壓帶被陸地上的高壓所切斷，只保留在海洋上，即是太平洋上的阿留申低壓。所以，在亞洲高壓和太平洋低壓這個大背景上，蒙古-西伯利亞高壓與阿留申低壓這兩個壓力區中心遙相呼應，形成了冬季風場的基本態。

對中國近海而言，亞歐大陸上是高壓區，環亞歐大陸的太平洋、南海和印度洋是低壓區，基本的風通量輸運是高壓單體的向海運動，而由于風矢量方向與氣壓場配置的關系，中國近海盛行西北季風和東北季風。

冬季，作為陸海過渡區的中國近海，其最主要的天氣形勢就是亞歐大陸的高壓單體持續不斷地向海運動，它們有時單個、有時是幾個互相加強或連成一串，總體上來說，一般具有7天左右的準周期性。在臺灣海峽和華南沿海，等壓線經常呈現出近與海岸平行的態勢，東北風出現概率很大。

因為這樣背景，冬季全潮測驗的難度很大，根據天氣過程變化情況合理安排各個潮時的觀測時段至關重要。一般情況下，需要全潮測驗的氣象保障人員提前進入調查現場，提前進行觀測海區的氣象跟蹤與預判，把中國近海天氣過程7天左右的準周期性基本規律和調查海區當地的天氣過程變化規律充分結合，根據海陸氣壓場形勢進行周、旬、月等時段的氣象預報。關于各個潮時觀測時段的時間安排，建議首先選擇大潮時段天氣情況相對較好的期間進行，最好選擇風尾時段的大潮期，這樣中潮期天氣情況一般會較好，小潮期即使遇到下一個天氣過程，堅持觀測的可能性也相對較大。

2.2 夏季觀測時段的氣象保障分析

較冬季而言，全潮測驗夏季時段的氣象保障相對簡單。

夏季，太陽直射點北移，陸地增溫比海洋快，亞歐大陸上由于地面氣體受熱上升，逐漸形成亞洲低壓，其中心位于副熱帶地區的印度半島西北部，稱為印度低壓[3-5]；而在太平洋上，由于海洋熱容量大、升溫較慢，海面氣體因受熱而上升的可能顯然小于大陸，海面氣壓相對較高，這就表現出一個相比較而出現的太平洋區的高壓。如此以來，本來存在于副熱帶地區的副熱帶高壓帶被陸地上的低壓所切斷，只保留在海洋上，即是太平洋上的夏威夷高壓。所以，在亞洲低壓和太平洋高壓這個大背景上，印度低壓與夏威夷高壓這兩個壓力區中心遙相呼應，形成了夏季風場的基本態。

對中國近海而言，亞歐大陸上是低壓區，環亞歐大陸的太平洋、南海和印度洋是高壓區，基本的風通量輸運是氣壓單體的向陸運動，由于地理緯度和海陸分布的具體差異，中國近海杭州灣以北主要盛行東南季風、以南盛行西南季風。

和冬季高壓單體頻繁孤立而出的情況不同，夏季，由于海洋性質相對而言比較均一，高壓區往往連成一體。而在低緯度地區的熱帶大洋上，往往出現這樣的情況，海面上強烈的太陽輻射使氣體加熱上升，局地較熱會在海面上形成相對低氣壓區，周圍氣體于是就向該相對低氣壓區補充，受柯氏力作用，逐漸在海面附近形成氣旋式的風場結構，然后，受熱上升和氣旋式結構互相加強，這種正相迭加促進上升運動迅速發展，在海面形成強的低壓中心，更確切的說是一個超低壓單體，當氣旋區最大風力達到12級及以上，就成為臺風。臺風一旦形成，就會在海陸氣壓差的大背景下，發生向陸向的運動。所以，在中國近海海陸交換的前沿海區，特別是臺灣周邊海區，臺風經過的頻率很高。

臺風是全潮測驗夏季觀測時段必須重點關注的現象，或者說，做好了臺風對調查海區影響的局地補充訂正預報，就基本解決了全潮測驗夏季觀測時段的氣象保障問題。由于臺風是強天氣系統，衛星監測不到的概率極小，對其路徑和移動速度的短期預報一般也不會出現較大偏差，所以，我們對臺風的防范原則是：

（1）密切關注西太及南海低緯洋區低壓中心的生成，一旦形成為熱帶風暴和臺風，必須保持持續跟蹤。

（2）充分估計它到達調查區域的可能性，并基此做好調查安排，如果它可能影響到調查區，一般的底線原則是，在其7級風區距離300 km之前必須做好撤退準備，距離100 km之前必須完成撤離。

（3）臺風對調查區的具體影響不能籠統對待，如果把臺風對地面的影響結構分為臺風中心區（包括臺風眼和臺風墻）、臺風右側區（指臺風方向右側區）和臺風左側區，臺風對調查區的影響因經過調查區的臺風結構位不同而不同，一般而言，如果臺風中心或臺風右翼經過調查區時對調查區影響較大，臺風左翼經過時對調查區影響則較小。具體說來，臺風中心經過時，氣流的水平運動和垂直運動都很大，風大、雨大、電閃雷鳴，調查區大風、大浪，能見度低，海水攪動劇烈，含沙量很高；臺風右側經過時，天氣狀況也相當惡劣，但氣流的上升運動相對較弱，由于輻合帶以及與副熱帶高壓的相互作用，天氣變化也相對復雜，但臺風過境后，一般情況下受高壓所控制，天氣轉好；臺風左側經過時，一般情況首先是偏北大風，隨臺風過境，北風減小，出現無風期，然后偏南風起，有降雨過程，隨后天氣轉好。所以，臺風中心區及臺風右側區過境時，海況惡劣，必須等天氣轉好后方可下海作業；臺風左側區過境后，無風期是短暫的，不能見風小就下海作業，而應等待風轉向及雨帶經過之后，天氣穩定轉好后再下海作業。

另外，從全潮測驗的代表性考慮，觀測期間的降水會帶來表層鹽度、溫度的變化，所以，對降水的預報也比較重要，針對工程建設的實際需要，要么是要避開降水時段進行觀測，要么是針對降水時段進行觀測。夏季，鋒面雨帶和臺風過程降雨最為常見，在近岸海區，若有低壓區滯留或經過，一般會有明顯的降雨發生；一段時間內較持續的加熱也會引發局地強對流的發生，沿海地區常出現的午后陣雨就與此有關。

3 調查海區局地補充訂正預報的實現

對于全潮測驗的非專業氣象預報人員來說，進行調查海區的局地補充訂正預報，需要充分參考與借鑒相關氣象臺站和其它專業機構提供的實時和預報產品，充分利用目前的網絡信息資源，收集整理局地補充訂正預報需要的基本資料，主要包括：中央氣象臺網站公開發布的與調查海區有關的氣象信息產品；調查海區周邊氣象臺網站公開發布的氣象信息產品；韓國天氣圖產品；日本氣象傳真圖的系列產品；以及其它相關的氣象信息資源。

然而，如果只根據這些從公開渠道可以免費得到的氣象預報信息，進行全潮測驗觀測計劃的制定，往往是很困難的，甚至沒法進行。原因不是它們預報的不對，而是因為它們預報的海區范圍往往比調查海區大很多，預報的時間范圍也往往比調查需求的時間分辨長很多，這樣預報的極值就會相應增大，也不能較好地分辨天氣過程的發展變化，從而與調查海區的實際情況產生一定的誤差。事實上，這就是進行全潮測驗必須進行調查海區局地補充訂正預報的主要原因。

對調查海區進行局地補充訂正預報，具體就是對這些大范圍的預報結果針對調查海區進行局地性修正：

（1）在調查現場附近設立對調查海區有充分代表性的氣象觀測站，掌握調查海區的地理區位，特別是該區位的海陸關系以及和周圍氣象臺站的分布關系。

（2）對調查海區所在的背景場，最好是盡可能大的背景場，進行總體趨勢的把握和極端天氣形勢的界定。在季節層次上理清海陸基本氣壓場的分布，把握該時段氣壓單體的基本運動趨勢，明確大范圍場內可能存在的極端天氣形勢。

（3）明確調查海區所處的氣壓場性質，若是低壓區則注意降水的預報，分析等壓線的分布與可能的疏密變化，量化可能最大氣壓梯度，密切關注調查海區氣象上游區的氣壓單體，跟蹤它與周圍氣壓單體的相互作用及發展變化，推測調查海區可能發生的天氣過程發展趨勢，綜合現有預報結果給出主動性的判斷。

（4）參考以上判斷，在公開發布的有關調查海區的預測結果之間進行比較，進一步判斷調查海區更可能的天氣情況，形成初步的局地性修正措施。例如，海壇海峽位于平潭、福清和長樂三個預報區的交界處，根據它們之間的區位關系，多數情況下，海壇海峽的風速要小于平潭預報區，大于福清或長樂預報區。

（5）將公開發布的預報信息和局地性修正措施相結合，進行調查海區的現場預報，用現場氣象觀測站的資料進行驗證與反饋，明確差異，分析原因，不斷改進局地性修正措施。

另外，一些經驗性的規律，也可以用在全潮測驗局地補充訂正預報的局地性修正上，例如：

（1）對于一個具體的區域而言，風動能不是持續不變的，而是有著從大到小、又從小到大的變化過程，根據經驗粗略判斷，在非特殊情況下，具體一個調查區在特定季節的風動能，具有在一定時段內積分總量準守恒的周期規律性。以此推斷，強風過后，一般會是弱風期。這個規律可以用在冬季時段全潮測驗的局地補充訂正預報，在冬季，冷空氣過境后，會有一段時間的弱風期，可以趁冷空氣的風尾出海調查。

（2）海上風速的大小會隨著不同潮時潮運動的狀況而發生變化。實際的觀測經驗表明，風表現為背景風和漲/落潮風的迭加，流表現為背景流和漲/落潮流的迭加。當背景風和漲/落潮風一致時，風力加大，風向穩定；當背景風和漲/落潮風不一致時，風力減小，風向不穩定。當背景流和漲/落潮流一致時，流速加大，流向穩定，有壓浪效果；當背景流和漲/落潮流不一致時，流速減小，流向不穩定，有增浪效果。當背景風和漲/落潮風一致，背景流和漲/落潮流一致，且風和流一致時，壓浪效果顯著；當背景風和漲/落潮風不一致，背景流和漲/落潮流不一致，且風和流不一致時，增浪效果顯著。另外，小潮時段的海況一般不會太差，即使有天氣過程經過，海況的惡化程度也比較有限，而大潮期則反之。所以，全潮測驗的局地補充訂正預報，要根據不同潮期和潮時的情況區別對待。

（3）向岸風與離岸風對觀測海區的不同影響也是全潮測驗局地補充訂正預報必須考慮的問題。在向岸風情況下，即使風速不大，海況也相對較差；在離岸風情況下，即使風速很大，海況卻相對較好。

（4）調查海區的局地性中小尺度過程也須得到全潮測驗局地補充訂正預報的關注。例如，夏季海面的持續加熱，有時會引發局地強對流的發生，伴隨著局地性陣風和陣雨；如果調查海區位于較大山的附近，需要關注落山風過程的發展變化。

4 全潮測驗現場氣象保障個例

采取如上的思路和措施，多年來我們在全潮測驗的現場主動進行調查海區的局地補充訂正預報，并形成相應的調查現場氣象保障體系，收到良好效果。這里以我們新近執行的海壇海峽全潮測驗任務為例，簡述其現場氣象保障關鍵性的節點。

（1）基本場概況：計劃于2011年2月執行冬季全潮觀測，2月初，就派遣人員進駐現場，進行現場踏勘與氣象觀測，進行氣象保障的先期準備。基本情況表明，總體背景場呈向東、向南輸運的態勢，高壓單體的基本移動規律也是向東、向南運動，高壓中心的移動速度多在10—50 km/h之間變化，可能造成調查區大風天氣的是高壓單體的南下分支，表現在調查海區為東北風。所以，關注可能影響到調查區的高壓單體的活動規律，是做好該時段氣象保障的關鍵。

（2）調查海區基本概況：海壇海峽西倚長樂和福清，東接平潭，北口通過大練島、小練島周圍的水道與外海相接，南口通過塘嶼、草嶼與外海相接，漲潮時海水從兩端向中間漲，落潮時海水從中間向兩端落。在東北風情況下，大練島、小練島以北海區由于風區長、深水波向該處傳播等影響，海況較差，海況預報需正相修正（累加型修正）；以南海區海域窄狹，除中央航道外水深較淺，加上于大練島、小練島的屏障作用，海況較好，海況預報需負相修正（減弱型修正）。基于調查海區的區位布局，需要對福清預報區和長樂預報區進行正相修正，需要對平潭預報區進行負相修正。

（3）前期階段天氣形勢：2月上旬，調查海區天氣狀況良好，但由于正值春節，觀測船只及現場協助等難以準備就緒。根據天氣過程波動變化的規律性判斷，2月中旬天氣狀況較差是大概率事件，根據序列天氣圖和預報圖進行動力學分析的結論也是如此。但該時段是冬季全潮測驗的理想時段，須盡可能擇機調查。2月中旬的頭幾天，調查海區天氣情況基本都不好，但高壓入海的趨勢是明顯的，所以，15日前后是天氣過程的轉折期，做好這一階段的局地補充訂正預報，對下海時間的決策至關重要。

（4）現場決策：臨近中潮的2月15日，天氣預報稱次日風速七到八級，陣風九級。從天氣圖上（見圖1）看，高壓中心已入海，調查區次日有風力減少的趨勢，15日當晚，風力增強，我們根據風動能在一定時段內積分總量準守恒的經驗規律性，判斷這個行將蛻變的冷高壓當下在調查區出現的強風不會持續太久，且強風過后會有一定時段的弱風期，于是，我們計劃次日上午9時（北京時，下同）出航，這樣可以保證中潮觀測的理想時段。出航現場，風力六到七級，陣風八級，已較夜間有所減小，說明弱風期很快就到要到來，所以決定按計劃出航；2小時后，調查現場風力減為四級，現場觀測正式開始；4小時后，風力減為2級，海況趨于平穩。海上觀測進行期間，考慮漲/落潮風、漲/落潮流等時變因子，結合背景風場和流場，及時進行海況預報，通告各現場觀測船。

圖1 2011年2月15日17時的地面氣壓分布圖

（5）補充介紹：冬季其它潮段天氣狀況良好，沒有爭議性問題影響對氣象預報的判斷，就不贅述。而該海區夏季時段的全潮觀測在2011年6月下旬至7月上旬進行，根據天氣形勢的總體判斷，計劃從6月25日或26日開始依小潮、中潮、大潮的次序觀測，但6月22日05號臺風米雷在菲律賓以東洋面上形成，密切關注米雷的活動規律并作出其對觀測海區影響的判斷，是現場氣象保障的重點。從2011年6月25日7時第05號臺風米雷實況圖（見圖2）和5時的地面氣壓分布圖（見圖3）可以看出，米雷正在經過臺灣東北海域，其七級風圈半徑基本影響不到位于臺風中心左側區的調查海區，而由于臺風這個超低壓的存在，其附近風場的氣壓梯度力大于柯氏力，輻合的趨勢大于沿等壓線運動的趨勢，所以該時刻調查海區是離岸的偏北風。隨后在9點左右出現無風期。針對這種情況，我們的現場分析認為，該無風期過后應該是偏南風，之后會有陣雨發生，陣雨過后，可以下海作業，所以決定26日上午開始現場觀測。隨后調查現場的天氣變化基本符合我們的判斷，現場觀測順利。

圖2 2011年6月25日7時第05號臺風米雷實況

圖3 2011年6月25日5時的地面氣壓分布圖

5 結語

開展全潮測驗的團隊，因地制宜主動性地進行調查海區的局地補充訂正預報，不僅可以有效保障自身現場調查的安全，更能豐富和完善全潮測驗的內容和內涵，其中，總結如下建議：

（1）充分利用公開發布的各類相關氣象預報信息；

（2）理清有范圍區別的控制層次，其一是整體背景場，關注調查海區所在的海陸交換的大背景場，確定基本態；其二是研究分析可能影響到調查海區的氣壓單體的活動規律以及它們之間的相互作用；其三是針對調查海區的局地補充訂正預報；

（3）根據動力學分析，將引起天氣結果的成因分解成一系列正、反相因子，再針對具體的海區、時段和天氣過程等進行因地制宜的組合，特別是局地補充訂正預報需要的局地性修正因子；

（4）建立現場氣象觀測站，及時驗證與反饋。

[1]Ding Y H.Build-up airnlass transformation and propagation of Siberian high and its relations to cold surge in East Asia[J].MeteorAtmos Phys,1990,44(1)：281-292.

[2]武炳義,王佳.冬季北極濤動和北極海冰變化對東亞氣候變化的影響[J].極地研究,2004,19(2)：297-318.

[3]拉梅奇G S.季風氣象學[M.]馮秀藻,譚丁,歐陽海譯.北京：科學出版社,1978：100-101.

[4]涂長望.我國低氣壓的成因與來源[J].氣象學報,1936,2：83-95.

[5]王紹武.東亞大氣活動中心的多年變化與我國氣候振動[J].氣象學報,l962,32(1)：19-36.

Analysis on the meteorological support of the hydrologic measurements over the entire tidal cycle in the China coast

XIONG Xue-jun1，HU Xiao-min1，ZHAO Hui-fang2，ZHANG Lin-lian3
(1.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061 China；2.The Jingjiang Meteorological Bureau of Fujian Province,Jingjiang 362200 China；3.The Zhoushan Meteorological Bureau of Zhejiang Province,Zhoushan 316021 China)

With the requirement for the meteorological support of the inshore hydrologic measurements over the entire tidal cycle in our country,we attribute the synoptic processes in the offshore of our country to the motion of the air-pressure monomers on the large scale background.The basic situation is the seaward movements of the air-pressure monomers in winter,and landward in summer.First of all,we should understand the basic situation of the synoptic processes during the investigation period,pay attention to the movement trends of the air-pressure monomers on the large scale background,predict the variations and interactions of the air-pressure monomers which may influence the investigated sea area,and determine the extreme weather situations during the investigation period for this area.With the help of the meteorological forecast information,we can obtain the local correction factors required for the local weather forecast by analyzing the basic background of the field.The in-situ data acquired by local weather station can be used for verification and feedback to improve the local correction factors.Such experiences as the quasi-conservation of the integral of the wind kinetic energy over a certain period are recommended being involved in the fine meteorological suppprt service in the field survey.

hydrologic measurements of entire tidal cycle；meteorological support；dynamical analysis；air-pressure monomer；local correction

book=290,ebook=290

P456

：A

：1003-0239（2012）05-0078-07

2011-11-22

“973”計劃資助（2012CB955601）；公益專項（200905024）

熊學軍（1976-），男，副研究員，主要從事區域海洋學與調查技術研究。E-mail：xiongxj@fio.org.cn