寒潮與雷雨大風天氣個例風浪分析

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. 連云港海洋環境監測站，江蘇 連云港222042)

【海洋科技與裝備】

寒潮與雷雨大風天氣個例風浪分析

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. 連云港海洋環境監測站，江蘇 連云港222042)

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

寒潮；雷雨大風；海浪

連云港市地處蘇北沿海，時常面臨災害性海風海浪的侵襲。目前對于海風海浪的研究已經有了許多科研成果，姚圣康[1]指出臺風浪的大小、范圍、臺風浪區的對稱性不僅和臺風的強度、移動速度、外圍大尺度天氣系統有關，也受島嶼及海底地形等環境條件的影響，其中影響臺風浪的主要因素是風速、風時和風區，三者之間相互影響相互制約。齊義泉等[2]提出了臺風的風速及波高隨相對臺風中心距離變化的經驗關系式。張存勇等[3]根據主要致災因子，把連云港市的海洋災害分為海洋水文氣象災害、海洋地質災害、海洋生態災害。范飛等[4]統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，常浪向為NE或SE方向，四季中冬季浪最大，強浪向為NE-NNE方向；曹兵等[5]給出了最優組合下連云港海域不同重現期的設計波高值。另外還有許多相關研究成果[6-13]，但對于連云港近岸海域風浪的研究還缺少一些典型的大風天氣的個例分析。

本文針對連云港近岸海域風浪，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天氣的個例狀況進行了探討，力求增加對連云港近岸海域風浪的認識。

1 資料選取與分析方法

應用的數據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(風速數據是10分鐘平均資料，海浪波高數據是H1/10資料)，以及2008年12月21日寒潮天氣、2010年5月30日雷雨大風天氣的歷史天氣圖。

根據天氣學原理與方法，判斷天氣形勢的類型并分析數據，采用Wilson公式，結合分析統計數據，測算海浪波高[14]。

Wilson公式：

式中，H,C分別為波高和波速；L為風區長度；g為重力加速度；V是海面以上10 m 高度處的風速。

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

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

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

風速：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時變成以風浪為主，風向隨時間持續比較穩定，形成風向與風浪向相近。

隨著風速的逐漸增大，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——風浪為主的波型。

2.2 雷雨大風天氣個例

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高空橫槽在下午轉豎南甩經過連云港時，有冷平流侵襲，上冷下暖，產生了較明顯的強對流天氣，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，經過連云港。地面天氣圖見圖4。

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

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

風速：08時至14時，風速為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時變成風浪。海浪波型的變化，是因為風隨時間變大并有風向變化，使涌浪不再明顯，在較大風力持續作用下形成明顯風浪。

隨著風速突然增大，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

整點時間風向風速/(m·s-1)海況(級)波型風浪向涌浪向周期/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、W——西、ENE——東北偏東；波型F——風浪波型、U/F——涌浪為主的波型。

3 海浪最大波高估算

由于海浪本身的復雜性、發生的隨機性和形態的不規則性，以及地形、水深、風況的變化多端，海浪波高預報不可能達到十分準確的程度。這里采用計算結果與實測資料吻合較好的經驗預報Wilson公式進行估算，計算公式中海面10 m處風速的選取，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，發現該日出現長時間大范圍的偏北風，因此選取西連島至北方山東陸地的距離作為風區的長度值，風距L≈58 km；因浪對風的滯后關系，選取16時與17時觀測風速的均值作為風速值，V=17.4 m/s；重力加速度g=9.8 m/s2。

數據帶入Wilson公式，估算最大波高H≈2.5 m。計算結果小于17時的觀測值2.6 m。實測值與估算值相差0.1 m，相對誤差為3.8%，估算結果較滿意。

3.2 雷雨大風天氣的估算

2010年5月30日雷雨大風天氣風向出現明顯改變，風速突然增大，觀測數據14時是6.0 m/s(SSW向)，而15時是22.9 m/s(NE向)，15時01分當日最大風速23.4 m/s(NE向)，這給風區長度選取判斷帶來一定難度。

考查地面天氣圖出現的輻合帶，分析其主要風區，主要寬度區域一般在100 km以內，取其一半作為風距L=50 km；當日16時與17時觀測風速的均值V=16.9 m/s。

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

估算的結果與李秀艷等[14]統計的風速、方位與波高的對應關系表比較，偏大一點，但不明顯。

3.3 數值預報模擬計算

數值預報的模擬計算結果見表3，寒潮天氣個例17時模擬計算結果波高2.8 m，略大于公式估算值與實際觀測值，與實際觀測值比較誤差7.6%。雷雨大風個例17時模擬計算結果波高0.5 m，遠小于17時的Wilson公式估算值與實際觀測值，與實際觀測值比較誤差83.9%。數值預報的模擬計算對寒潮天氣個例有意義，而對雷雨大風個例沒有什么意義，主要原因可能是寒潮天氣個例的系統范圍大與漸進變化明顯，實際風速也持續穩定漸進變化，選用的模式易于準確采集數據推算且產生較小的誤差；而雷雨大風個例的系統范圍小與變化突然，實際風速變化陡然快速，選用的模式不能夠準確采集數據推算且產生較大誤差。

表3 數值預報模擬計算結果

4 討論

寒潮天氣個例，應用Wilson公式估算的波高值與數值預報模擬推算的波高值，在17時與實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。而雷雨大風個例，應用Wilson公式估算的波高值與數值預報模擬推算的波高值，在17時與實際觀測的波高值比較相差較大，還需要進一步探討怎樣選取基本數據與計算方法。

探討合理有效應用Wilson公式與數值預報模擬推算產品，有利于進一步認識連云港近岸海域的風浪變化，以及計算過程中存在的問題。

寒潮天氣、雷雨大風天氣時海況與海浪等要素隨風變化明顯，且都能夠產生較大的風浪，對海洋經濟能夠形成較大的威脅。天氣系統不同，計算波高的主要風區與風距選擇因素也不同，有利于總結經驗與加強認識，逐步提高風浪預報與服務能力。

明顯的大尺度寒潮天氣，風力、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天氣，風力、海況與海浪短時間內快速變化，陡然增大，災害來臨前防范意識容易疏忽，在預報與服務過程中如果因素考慮不足則容易產生失誤[15]。通過這次個例分析發現，雷雨大風天氣的海浪波高的實測數據大于寒潮天氣，提醒我們對于防范雷雨大風天氣的海浪災害也需要給予足夠的重視。

[1]姚圣康.0509“麥莎”臺風浪特征分析[J].海洋預報(增刊),2006,23(S1):73-78.

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[13]洪新,趙瑋,高志波,等.熱帶氣旋風場對海浪分布特征的影響[J].海洋通報,2015,34(1):32-44

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[15]林鎮國,林良根,林永堂.一次海浪預報服務的誤差問題 [J].廣東氣象,2006(1):45-46.

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，研究方向為氣象服務與應用氣象。

P732

A

1002-4026(2016)06-024-06