上海沿岸海域?yàn)?zāi)害性大風(fēng)特征研究與預(yù)報檢驗(yàn)

蔡曉杰，王琴，朱智慧，沈其艷

（上海海洋中心氣象臺，上海201306）

1 引言

上海背靠長江，面朝東海，是長江東西運(yùn)輸通道與海上南北運(yùn)輸通道的交匯點(diǎn)，不僅是中國沿海的主要樞紐港，更是中國參與國際經(jīng)濟(jì)大循環(huán)的重要口岸。海上作業(yè)對大風(fēng)、低能見度、強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣尤為敏感，尤其是海上大風(fēng)，四季頻發(fā)，嚴(yán)重影響海上航行與作業(yè)安全，風(fēng)浪還會造成船只側(cè)翻等事故[1-2]。海上大風(fēng)的預(yù)報需要結(jié)合地形對大風(fēng)特征有全面的認(rèn)識[3-4]，但是針對性的對上海沿岸災(zāi)害性大風(fēng)特征的分析仍較少。要建立對災(zāi)害性大風(fēng)的全面認(rèn)識，需要將海上的浮標(biāo)站、船舶站、石油平臺、海島站等觀測資料進(jìn)行有效的整合，使觀測資料充分為預(yù)報所用。本文利用海上觀測資料，將對上海沿岸海域?yàn)?zāi)害性大風(fēng)進(jìn)行時空特征分析，并進(jìn)行海浪對風(fēng)的滯后響應(yīng)分析。

海上大風(fēng)的精細(xì)化預(yù)報離不開數(shù)值模式的發(fā)展，對數(shù)值模式進(jìn)行檢驗(yàn)可以將不同模式的預(yù)報能力反饋給預(yù)報員和模式開發(fā)人員。不同地區(qū)的大風(fēng)特征不同，氣象學(xué)者對各家模式預(yù)報進(jìn)行了檢驗(yàn)和對比。福建省沿海冬半年大風(fēng)的盛行風(fēng)向以東北風(fēng)為主，大風(fēng)的時空分布極為不均，歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）細(xì)網(wǎng)格的預(yù)報效果較好[5]。應(yīng)用模式輸出統(tǒng)計方法（Model Output Statistics，MOS）對福建寧德海區(qū)風(fēng)向風(fēng)速的預(yù)報，可顯著改進(jìn)夏季風(fēng)速和冬季風(fēng)向的預(yù)報效果[6]。對渤海7級以上且持續(xù)6 h以上的大風(fēng)個例進(jìn)行統(tǒng)計，ECMWF集合預(yù)報對于7級以上大風(fēng)有所低估[7]。當(dāng)黃渤海預(yù)報有氣旋、或預(yù)報大風(fēng)時間長范圍大時，實(shí)況風(fēng)將增大1—2個量級；對于大風(fēng)的開始時間預(yù)報略偏早，而對于大風(fēng)的結(jié)束時間和最大風(fēng)速的開始和結(jié)束時間預(yù)報均略偏晚[8]。基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法對華北地區(qū)ECMWF預(yù)測的10 m風(fēng)速進(jìn)行訂正，LASSO回歸、隨機(jī)森林和深度學(xué)習(xí)3種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訂正效果均好于MOS方法[9]。數(shù)值模式朝著時間和空間分辨率更為精細(xì)化的方向發(fā)展，上海臺風(fēng)研究所在2013年對原華東區(qū)域中尺度模式（SMS-WARMS V1.0）進(jìn)行了升級改進(jìn)，包括擴(kuò)大了模式預(yù)報區(qū)域，增加了垂直層次，升級了同化系統(tǒng)，新一代區(qū)域中尺度模式（SMS-WARMS V2.0）于2014年開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，預(yù)報性能得到明顯改善，但是仍缺乏大風(fēng)精細(xì)化的檢驗(yàn)[10-11]。本文在海上大風(fēng)特征研究的基礎(chǔ)上，還將針對大風(fēng)過程對SMSWARMS V2.0進(jìn)行檢驗(yàn)，使模式更好的為預(yù)報所用，力求為海洋氣象預(yù)報提供可靠定量的參考數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

選取2011—2017年上海沿岸海域5個浮標(biāo)站站點(diǎn)（見圖1紅色標(biāo)注），取逐小時極大風(fēng)速、2 min平均風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)、海浪數(shù)據(jù)，取2014—2017年20個站點(diǎn)（含5個浮標(biāo)站，另外15個站點(diǎn)見圖1綠色標(biāo)注）的逐小時2 min平均風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。風(fēng)場預(yù)報數(shù)據(jù)來自上海臺風(fēng)研究所提供的SMSWARMS V2.0，預(yù)報時效為72 h，時間分辨率為1 h，空間分辨率為9 km×9 km，預(yù)報空間范圍為：117°～127°E，22°～41°N。本文對于災(zāi)害性大風(fēng)的定義為2 min平均風(fēng)速≥14 m/s。

圖1 上海沿岸海域20個站點(diǎn)分布及2014—2017年大風(fēng)時數(shù)百分率分布（紅色：5個浮標(biāo)站，綠色：15個站點(diǎn)）

模式檢驗(yàn)運(yùn)用TS（Threat Score）評分方法，依次計算風(fēng)速誤差、風(fēng)速準(zhǔn)確率、風(fēng)速偏強(qiáng)率、風(fēng)速偏弱率、風(fēng)向準(zhǔn)確率、風(fēng)向誤差[12]。

3 上海沿岸海域?yàn)?zāi)害性大風(fēng)空間和時間特征

3.1 空間分布

統(tǒng)計2014—2017年上海沿岸海域20個站點(diǎn)大風(fēng)時數(shù)占總時數(shù)的百分率，再用克里金法將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到格點(diǎn)，繪制等值線圖，大風(fēng)時數(shù)百分率的分布情況如圖1等值線所示，等值線的數(shù)值表示大風(fēng)時數(shù)占所有時數(shù)的百分比，2 min平均風(fēng)速的大風(fēng)時數(shù)較少，但是仍可看出上海沿岸海域的大風(fēng)空間分布。由圖可見，越往東部海域，大風(fēng)時數(shù)越多，與實(shí)際預(yù)報保持一致，長江口區(qū)有兩個站風(fēng)速較大，一個是九段沙，一個是雞骨礁，這兩個站風(fēng)速大可能與海拔和地理位置有關(guān)，九段沙位于長江口區(qū)，由于峽管效應(yīng)造成風(fēng)速較大，雞骨礁海拔33 m，造成風(fēng)速較大。

3.2 大風(fēng)與海浪極值

2011—2017年上海沿岸海域5個浮標(biāo)站逐小時極大風(fēng)速和最大波高極值見表1，風(fēng)速極值都在11～12級，風(fēng)向西北風(fēng)和東北風(fēng)居多，8月最多，以臺風(fēng)過程為主，出現(xiàn)時段都為傍晚到半夜；浪高極值海礁浮標(biāo)最大是怒濤級別，其他站都是狂浪級，浪向以東北到東南向居多。期間風(fēng)速極值出現(xiàn)在海礁浮標(biāo)，出現(xiàn)時間為2015年7月11日，是受1509號臺風(fēng)“燦鴻”影響，極值為36.7 m/s（12級），風(fēng)向偏南，同時海礁浮標(biāo)的最大波高也出現(xiàn)了13.6 m的極值。南槽燈船和長江口燈船的大風(fēng)與最大波高極值都出現(xiàn)在2012年8月27日，受1214號臺風(fēng)“天秤”和1215號臺風(fēng)“布拉萬”的共同影響，造成了持續(xù)性的大風(fēng)過程。

表1 2011—2017年5個浮標(biāo)站極大風(fēng)速和最大波高極值

3.3 月際變化

2011—2017年5個浮標(biāo)站災(zāi)害性大風(fēng)總時數(shù)的月變化統(tǒng)計如圖2，可以看出，大風(fēng)出現(xiàn)頻率有明顯的季節(jié)變化，秋冬季大風(fēng)時數(shù)多，大風(fēng)比較高的時間集中在10—12月，12月大風(fēng)最多，5—6月大風(fēng)時數(shù)最少。海礁浮標(biāo)（A5906）大風(fēng)時數(shù)明顯高于其他站點(diǎn)，這與海礁浮標(biāo)的位置有關(guān)，位置最為靠外，風(fēng)浪較大。黃澤洋燈船（A5905）大風(fēng)時數(shù)最少，并且秋冬季大風(fēng)時數(shù)無明顯增加，因?yàn)辄S澤洋燈船西北側(cè)有群島遮擋，冬季的冷空氣過程造成的西北向大風(fēng)對此站點(diǎn)影響不大。

3.4 風(fēng)向分布

2011—2017年5個浮標(biāo)站災(zāi)害性大風(fēng)風(fēng)向頻率如圖3，分為16個風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計，灰色圓形虛線表示各風(fēng)向所占百分率，由圖可見除黃澤洋燈船外，其余各站大風(fēng)風(fēng)向以西北到東北風(fēng)為主。其中口外浮標(biāo)以北風(fēng)為主；南槽燈船以東北風(fēng)為主；黃澤洋燈船以偏東風(fēng)居多，由于西北側(cè)有群島遮擋，偏北和西北大風(fēng)頻率較其他站少，反而偏東大風(fēng)居多；海礁浮標(biāo)以西北風(fēng)為主；長江口燈船以西到西北風(fēng)為主。

圖2 2011—2017年5個浮標(biāo)站災(zāi)害性大風(fēng)時數(shù)月變化

圖3 2011—2017年5個浮標(biāo)站災(zāi)害性大風(fēng)風(fēng)向頻率

3.5 海浪響應(yīng)時間

海上大風(fēng)的持續(xù)作用會使得浪涌加大，增加船舶航行和港口作業(yè)危險性，一般認(rèn)為海浪的成長滯后于風(fēng)，下面將對上海沿岸海域5個浮標(biāo)站的大浪過程進(jìn)行篩選，并按照風(fēng)向分類，定量計算其風(fēng)浪關(guān)系。

假設(shè)海浪成長過程中，其能量的獲取（用有效波高Hs表征）正比于風(fēng)能（用風(fēng)速的平方U2表征）的輸入。海浪成長過程與起風(fēng)過程的相對滯后時間，用滑動相關(guān)分析方法來計算，以海礁浮標(biāo)2017年12月24日的一次過程為例（見圖4）：首先通過斜率變化找出海浪的成長過程主要時間段，本文將連續(xù)6 h或以上海浪持續(xù)增大的過程選為一次海浪成長過程，此次過程海浪連續(xù)12 h持續(xù)增大，有效波高從1.2 m增加到3.4 m；將2017年12月24日07—18時的有效波高Hs與同時間段的風(fēng)速（2 min平均）的平方（U2）進(jìn)行擬合獲得相關(guān)系數(shù)R0，此過程R0=0.91，然后將風(fēng)速對應(yīng)時間向前滑動1 h，風(fēng)速時間段取06—17時，求取R1=0.92，以此類推R2=0.93，R3=0.84，求至 N次，獲得 RN；最后比較 R0至RN，其中最大值Rn表示兩者相關(guān)系數(shù)最高，其下標(biāo)即視為海浪成長滯后的時間n小時，并且兩者相關(guān)系數(shù)需大于0.76，通過99%置信區(qū)間[13-15]，此次過程R2=0.93最大，通過置信區(qū)間檢驗(yàn)，即得到海浪滯后2 h。

2011—2017年5個站點(diǎn)海浪達(dá)到6 h以上成長時間的過程個數(shù)依次為：海礁浮標(biāo)282次，口外浮標(biāo)151次，長江口燈船149次，南槽燈船104次，黃澤洋燈船51次，可見，海浪的成長過程與地理位置密切相關(guān)，越往東部海域，大風(fēng)時數(shù)多，成長空間大，故海浪成長過程越多。

對這些海浪成長過程再進(jìn)行8個風(fēng)向分類，各站點(diǎn)風(fēng)向百分比分布如圖5，總體來說，風(fēng)向分布是東南-西北走向，除長江口燈船以西到西北風(fēng)為主，其他站都以風(fēng)向以東到東南風(fēng)為主，離岸距離較遠(yuǎn)的海礁浮標(biāo)和口外浮標(biāo)對于風(fēng)向敏感性最低。長江口燈船偏西風(fēng)和西北風(fēng)分別占31%和27%；口外浮標(biāo)東北風(fēng)和偏東風(fēng)分別占25%和17%；海礁浮標(biāo)偏東風(fēng)和偏南風(fēng)分別占23%和18%；南槽燈船偏東風(fēng)占42%；黃澤洋燈船偏東風(fēng)占41%，風(fēng)向?yàn)槠焙臀鞅睍r沒有海浪充分成長過程。

圖4 海礁浮標(biāo)2017年12月24日風(fēng)浪觀測分析

圖5 5個浮標(biāo)站海浪充分成長過程8個風(fēng)向百分比分布

圖6 5個浮標(biāo)站海浪對8個風(fēng)向滯后響應(yīng)的時間分布

運(yùn)用滑動相關(guān)分析統(tǒng)計各個風(fēng)向的海浪滯后時間，結(jié)果如圖6所示：總體來看，海浪對風(fēng)的響應(yīng)滯后時間平均為3—4 h，最短的為1 h，最長的為7 h。各站均是東西向風(fēng)比南北向風(fēng)的海浪滯后時間短，東西向風(fēng)平均滯后時間4 h左右，南北向風(fēng)平均滯后時間3 h左右。黃澤洋燈船曲線不閉合，代表沒有西北向風(fēng)的海浪成長過程，而且由于群島遮擋，風(fēng)和浪都比較小，樣本量少。

4 大風(fēng)預(yù)報檢驗(yàn)

在上文大風(fēng)特征研究的基礎(chǔ)上，大風(fēng)的預(yù)報離不開模式的檢驗(yàn)，預(yù)報員對于實(shí)況已出現(xiàn)的大風(fēng)過程與模式預(yù)報進(jìn)行比對，可以有效的積累預(yù)報經(jīng)驗(yàn)。下面將篩選大風(fēng)過程，選用最近距離插值方法將模式的格點(diǎn)預(yù)報數(shù)據(jù)插值到觀測站點(diǎn)，進(jìn)行針對大風(fēng)過程的預(yù)報檢驗(yàn)，包括起風(fēng)時間的預(yù)報提前或滯后量，風(fēng)速誤差、準(zhǔn)確率、偏強(qiáng)率和偏弱率檢驗(yàn)，還有風(fēng)向準(zhǔn)確率和誤差檢驗(yàn)。

首先對2016—2017年5個浮標(biāo)站災(zāi)害性大風(fēng)進(jìn)行過程篩選，將逐小時2 min平均風(fēng)速≥14 m/s且持續(xù)6 h及以上的過程記為一次大風(fēng)過程，5個站點(diǎn)大風(fēng)過程個數(shù)依次為：海礁浮標(biāo)共有14次大風(fēng)過程，平均持續(xù)時長13.8 h；口外浮標(biāo)9次大風(fēng)過程，平均時長13.3 h；黃澤洋燈船8次大風(fēng)過程，平均時長8.4 h；長江口燈船6次大風(fēng)過程，平均時長10.5 h；南槽燈船4次大風(fēng)過程，平均時長10.6 h。海礁浮標(biāo)大風(fēng)過程最多，且過程平均持續(xù)時間最長，黃澤洋燈船雖然大風(fēng)過程個數(shù)多于長江口燈船和南槽燈船，但是大風(fēng)平均持續(xù)時間最短。

4.1 起風(fēng)時間的預(yù)報

根據(jù)實(shí)況大風(fēng)開始的時間，選擇提前一天對應(yīng)的20時或者08時的預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，計算實(shí)況與預(yù)報數(shù)據(jù)的相關(guān)性，結(jié)合風(fēng)速≥14 m/s開始時間，判斷起風(fēng)時間預(yù)報提前或滯后。對5個浮標(biāo)站的每次大風(fēng)過程計算提前或滯后量取時間平均可知，口外浮標(biāo)的9次大風(fēng)過程模式預(yù)報平均滯后0.5 h，南槽燈船4次大風(fēng)過程平均滯后1 h，黃澤洋燈船8次過程均值為0，海礁浮標(biāo)14次大風(fēng)過程平均滯后0.4 h，長江口燈船6次大風(fēng)過程平均滯后1.8 h，可見起風(fēng)時間預(yù)報都比較好，預(yù)報較實(shí)況略有滯后，各站大風(fēng)時間提前和滯后值分布無明顯規(guī)律，具體的預(yù)報提前和滯后量還是要根據(jù)特定過程來分析。

4.2 風(fēng)速檢驗(yàn)

5個浮標(biāo)站大風(fēng)過程檢驗(yàn)風(fēng)速誤差分布如圖7，由圖可見，各項誤差都較小，平均誤差除了黃澤洋燈船為正值，其余各站都為負(fù)值，說明黃澤洋燈船預(yù)報值較實(shí)況偏大，由于地形的阻擋造成黃澤洋燈船實(shí)況風(fēng)較小，與上文大風(fēng)特征分析結(jié)論一致，其余各站預(yù)報值都比實(shí)況值偏小，其中口外浮標(biāo)偏小最為明顯，平均誤差為-1.3 m/s，其余各站平均誤差均在±1 m/s之間；絕對誤差分布在1.2～1.8 m/s之間，均方根誤差在1.4～2.0 m/s之間。其中各項誤差都是長江口燈船最小。

5個浮標(biāo)站風(fēng)速準(zhǔn)確率、偏弱率和偏強(qiáng)率檢驗(yàn)分布如圖8，由圖可見，南槽燈船準(zhǔn)確率最高，達(dá)99%，對應(yīng)偏弱率最低，口外浮標(biāo)準(zhǔn)確率最低，準(zhǔn)確率僅為50%，對應(yīng)偏弱率最高，偏弱率為50%，其余各站準(zhǔn)確率均在70%～90%之間，偏弱率對應(yīng)在10%～30%之間；各站偏強(qiáng)率均為0。由此可見，風(fēng)速預(yù)報的準(zhǔn)確率總體在70%以上，大部分過程預(yù)報都較實(shí)況偏弱，口外浮標(biāo)偏弱最明顯。

圖7 5個浮標(biāo)站風(fēng)速誤差檢驗(yàn)分布

圖8 5個浮標(biāo)站風(fēng)速準(zhǔn)確率、偏弱率和偏強(qiáng)率檢驗(yàn)分布

4.3 風(fēng)向檢驗(yàn)

5個浮標(biāo)站風(fēng)向誤差和準(zhǔn)確率檢驗(yàn)分布如圖9，總體而言風(fēng)向預(yù)報準(zhǔn)確率低，誤差大，準(zhǔn)確率最高的站為黃澤洋燈船，為48%，長江口燈船和南槽燈船，準(zhǔn)確率都為0，長江口燈船誤差最大，達(dá)到了116°。大風(fēng)過程往往伴隨著轉(zhuǎn)風(fēng)，模式對于轉(zhuǎn)風(fēng)開始和持續(xù)時間預(yù)報較差，所以造成誤差比較大，并且本文的風(fēng)速評分標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，相鄰風(fēng)向即算錯誤，會造成評分偏低。

圖9 5個浮標(biāo)站風(fēng)向誤差和準(zhǔn)確率檢驗(yàn)分布

由以上檢驗(yàn)結(jié)果可知，SMS-WARMS V2.0模式對于大風(fēng)風(fēng)速預(yù)報較好，準(zhǔn)確率高，雖然存在預(yù)報偏弱的情況，但是誤差基本都在2 m/s以內(nèi)，預(yù)報員可以根據(jù)各站地理位置、大風(fēng)特征和檢驗(yàn)誤差，在模式預(yù)報的基礎(chǔ)上來訂正預(yù)報；風(fēng)向預(yù)報準(zhǔn)確率較低，誤差大，模式對于大風(fēng)過程的風(fēng)向預(yù)報還有待提高，同時在今后的風(fēng)向檢驗(yàn)評分標(biāo)準(zhǔn)中可以提高預(yù)報相鄰風(fēng)向的得分。

5 結(jié)果與討論

本文分析了上海沿岸海域?yàn)?zāi)害性大風(fēng)的時空特征、風(fēng)浪關(guān)系，并且對大風(fēng)過程做了檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

越往東部海域，大風(fēng)時數(shù)越多，長江口區(qū)東部風(fēng)速較大；大風(fēng)極值風(fēng)向西北風(fēng)和東北風(fēng)居多，8月最多，以臺風(fēng)過程為主，出現(xiàn)時段都為傍晚到半夜，大浪極值浪向以東北到東南向?yàn)橹鳎磺锒敬箫L(fēng)時數(shù)多，主要集中在10—12月，5—6月大風(fēng)時數(shù)最少；大風(fēng)風(fēng)向以西北到東北風(fēng)為主。

海浪成長過程風(fēng)向分布是東南-西北走向，除長江口燈船以西到西北風(fēng)為主，其他站都以東到東南風(fēng)為主，海浪對風(fēng)的響應(yīng)滯后時間平均為3—4 h，東西向風(fēng)比南北向風(fēng)的海浪滯后時間短。

起風(fēng)時間預(yù)報都比較好，預(yù)報較實(shí)況略有滯后，風(fēng)速預(yù)報的準(zhǔn)確率總體在70%以上，預(yù)報值較實(shí)況值偏小，口外浮標(biāo)偏小最為明顯，偏強(qiáng)率都為0，預(yù)報員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在模式預(yù)報的基礎(chǔ)上來訂正預(yù)報；風(fēng)向預(yù)報準(zhǔn)確率低，誤差大，今后的檢驗(yàn)中可以調(diào)整風(fēng)向檢驗(yàn)評分標(biāo)準(zhǔn)。