杭州亞運會帆船賽氣象保障技術要點分析*

徐 彬 蔣璐璐 涂小萍 倪永森 鄭 健

(1.象山縣氣象局，浙江 寧波 315700; 2.寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012;3.寧波市奉化區氣象局，浙江 寧波 315500)

1 概述

2023年9月23日至10月8日，第19屆杭州亞運會帆船帆板比賽(以下簡稱“亞帆賽”)將在寧波市象山縣亞帆中心舉辦。9月份正值寧波的主汛期，天氣復雜多變，高影響天氣事件多，如臺風、暴雨、強對流、大霧、大風等天氣時有發生，甚至不能驅動風帆的小風天氣也有可能發生。作為海上項目，帆船帆板運動很大程度上受天氣影響，特別是對風力和風向的要求較高。一般要求風速持續在3～20 m/s范圍內，風力過小導致帆船帆板缺少前行動力，風力過大時出于安全考慮需要停止比賽；風向是確定航線的標準，從比賽公平角度出發，一輪比賽中風向擺動不應大于50°。風的精細化預報對比賽能否順利進行、運動員的能力發揮起著決定性作用。

帆船賽氣象保障服務的成功經驗已有不少。2008年8月，奧運會帆船比賽(以下簡稱“奧帆賽”)曾在我國青島舉行，洪光等[1]統計了可能對奧帆賽產生影響的天氣出現概率，指出影響奧帆賽的天氣主要是強降雨、雷暴和熱帶氣旋。郭敬天等[2]分析討論了青島奧帆賽氣象服務體系中關鍵性環節的技術要求與技術構成，指出海岸線附近的風向、風速除了受天氣系統、地形走向等影響因素外，還受海陸風的影響[3]。盛春巖等[4]對賽場附近的海陸風特征進行分析，發現青島國際帆船賽期間海陸風發生的頻率非常高，海陸溫差不是決定海風強弱的唯一因子。李慶寶等[5]分析發現地面背景氣流、邊界層中上部徑向氣流和周圍地形、海陸分布等邊界層特征，都對競賽海區海陸風的發展產生影響。另外，強對流天氣及其產生的陣風，都可能對海面比賽項目產生重要影響，甚至會發生一定的危險。李杰等[6]分析了青島八九月份對流性降水過程特征及與之相關的陣性風，以此說明在氣象服務中對強對流天氣及伴隨的陣風進行分析和預報是十分必要的。

2 2022年杭州亞帆賽現有氣象保障條件

亞帆賽區位于象山縣松蘭山海域，賽區南面是松蘭山風景區及大目灣新城，北面是爵溪街道。圖1顯示了賽區附近氣象監測實況，右下角紅色方框是象山亞帆賽區相對于浙江省的區域。由圖1可見，亞帆賽附近可參考的地面自動氣象站距離較近的站點包括爵溪站(K2931，標記1)、小東嶼站(58574，標記2)、西磨盤站(K9527，標記3)和南韭山站(K2926，標記4)，先后建于2005—2008年。2018年底，象山沿海建設了一部風廓線雷達(圖1藍色三角形)。為服務亞帆賽，2021年4月，建設了亞帆中心站(K2962，標記6)。總體而言，賽區附近可參考自動站點較少。

圖1 2022年杭州亞運會象山亞帆賽區附近自動氣象站分布(紅色三角為自動氣象站，藍色三角為風廓線雷達，黑色圓點為ECMWF格點，紅色矩形區域為亞帆賽區)

研究表明，ECMWF對沿海風場已經具備一定的預報能力。常奮華等[7]選取福建沿海5個浮標站的實測風速,對FJ-WRF、EC-thin、華東區域模式三種模式的風速預報結果進行檢驗,結果表明，風速預報效果最好的是EC模式,近海風速的平均絕對誤差均小于遠海。鄧以勤等[8]基于平潭沿海、平潭浮標、臺灣沿海的觀測資料及WRF、EC細網格10m預報風場資料,定量分析模式風場預報產品的有效性和可用性，結果表明，EC細網格預報風向、風速在“海峽號”航線上具有較高精度,可用性強于WRF。吳俞等[9]對ECMWF細網格10m風場產品在南海海域的預報進行了檢驗，結果表明，風速預報比觀測略偏大，風向預報偏差多集中分布在±45°之間，在不同風向、季節預報誤差存在一定差異。對于ECMWF在浙江沿海的風力預報也有相關研究。方艷瑩等[10]評估發現，在臺風影響下,ECMWF對浙江沿海24h預報風力平均誤差為正值,并隨著預報時效的增加逐漸轉為負值。申華羽等[11]利用浙江沿海觀測站資料，對2015—2018年ECMWF細網格10m風預報進行檢驗評估，結果表明，站點預報誤差與離岸距離密切相關，離岸較遠的站點預報與觀測一致性更高，但風速預報偏小，風向預報有逆時針偏差，海岸線附近站點一致性較差，風速略有偏大，風向有順時針偏差。ECMWF細網格10m風預報已有一定的準確率，但還缺乏針對亞帆賽區的精細化風力評估。

3 亞帆賽區氣候背景

3.1 氣溫

選取與賽區距離較近的爵溪站建站以來(2006—2021年)9月資料，得到逐日平均氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為23～28℃、30～36℃和16～22℃，總體呈前高后低，隨日期逐漸下降趨勢,最低和最高氣溫分別出現在4—6時和13—15時。極端最高氣溫35.7℃，35℃以上高溫日數僅出現2天，可見亞帆賽期間基本不會出現35℃以上的高溫，氣溫總體適宜比賽。

3.2 風

根據環賽區的爵溪站、小東嶼站、西磨盤站、南韭山站和舟山浮標站(圖1標記5)5個站建站以來每年9月的風向風速數據，作風向風速玫瑰圖(圖2)。如圖2所示，爵溪站和小東嶼站盛行西北風，西磨盤站盛行北到西北風，南韭山站和舟山浮標站盛行偏北風；平均風速從大到小依次為舟山浮標站(5～9m/s)、西磨盤站(2～9m/s)、南韭山站(2～7m/s)、小東嶼站(2～5m/s)、爵溪站(1～4m/s)。可見，9月份亞帆賽區以偏北風為主，N-NW占比達30%(其中N占比11.3%)，S-SE占比18.6%，離陸地越遠的站點平均風速越大。

圖2 9月份風向風速玫瑰圖

圖3給出了9月份逐小時平均最大風速的日變化曲線，可見各站峰值出現時間和日變化幅度不完全一致，最大風主要出現在15—17時，其中位于沿海地區的爵溪站日變化最為明顯，出現峰值的時間最早；而舟山浮標站為海上站點，位置最東，受地形影響小，日變化幅度最小，出現峰值的時間也最晚。

圖3 9月份逐小時平均最大風速日變化

3.3 高影響天氣事件概率統計

災害性天氣對賽事的順利舉行有非常大的影響，是亞帆賽氣象保障需要關注的重點。9月是象山雨量最多的月份之一，平均雨量215.7mm；降水年際變化較大，最多降水量387.7mm，出現在2004年，主要受0421號臺風“海馬”影響，最少降水量2013年僅55.1mm，無臺風影響。9月降水量較最多的梅雨期6月僅少約20mm，主要由于9月是象山受熱帶氣旋影響最多的月份，幾乎每年9月，象山及其沿海都會受到熱帶氣旋影響，與之相伴的是暴雨和大風。因此熱帶氣旋是亞帆賽氣象保障需要關注的重要天氣之一。

9月是副熱帶高壓逐漸南撤東退的季節，浙江總體受到暖氣團控制，浙北地區位于副熱帶高壓北界，其邊緣的弱冷空氣擴散、低層弱輻合等都可能觸發午后強對流[12]。統計表明，9月，象山短時強降水、雷電、雷暴大風等發生概率為7.3%，發生時間主要集中在16—18時，是亞帆賽氣象保障服務需要關注的第二類重要天氣。

統計還發現，9月象山出現海霧的概率約1.0%，35℃以上的高溫概率為0.6%。象山站日最大風速小于3m/s的弱風概率達到5.6%，考慮到站點距離海岸線約7.5km，風力代表性相對較差，而位于沿海的南韭山自動氣象站弱風概率為0%，因此亞帆賽區弱風概率小。海霧、高溫、弱風等發生概率雖然較低，但這些天氣一旦發生，對亞帆賽的順利進行也會產生影響，因此也是亞帆賽氣象保障的關注點之一。

4 ECMWF對亞帆賽區風預報評估

4.1 亞帆中心站與爵溪站的測風資料對比

對亞帆中心站(圖1站點6)與爵溪站(圖1站點1)2021年9月逐小時平均風風速進行相關性分析，得出兩者相關系數為0.803，說明兩者風速相關性較好，但亞帆中心站風速較爵溪站明顯更大，平均偏大約2.1m/s，這是由于前者靠近亞帆賽區，受地形影響小。根據亞帆中心站與爵溪站2021年9月逐小時平均風風矢量分布統計(圖略)，兩者風向分布總體較為一致，只在東南風向分布中爵溪站略多于亞帆中心站。可見爵溪站雖然距亞帆賽區有一定距離，風速偏小，但其風速、風向與亞帆中心基本一致，可以為亞帆賽氣象保障服務提供風資料變化趨勢參考。

4.2 2015—2020年間9月ECMWF細網格風預報評估

基于前述分析可知，爵溪站風資料對亞帆賽有可參考性，因此選取2015—2020年間9月ECMWF細網格模式(水平分辨率為0.125°×0.125°)每日20時起報0—24小時逐3小時10m平均風資料，利用雙線性差值方法，將10m風場插值到爵溪站，對模式預報進行評估。從風矢量分布統計圖[圖4(a)]可以看到，期間爵溪站盛行風向為偏西北風，最大平均風速為偏東風，ECMWF細網格預報盛行風向同為偏西北風，風向預報偏差0.6°，表明ECMWF細網格預報的風向一致性較好。預報平均風速與觀測平均風速的相關系數為0.654，表明ECMWF細網格預報的平均風速與實況風速一致性較好[圖4(b)]，但預報平均風速較實況整體偏大，且在南北方向上偏大較多，東西風向上與實況偏差較小[圖4(a)]。

通過計算2015—2020年間9月每日20時ECMWF細網格預報的0—24h逐3小時平均風預報誤差[圖4(c)]，得出平均風預報平均誤差在1.68～2.56m/s之間，但最大誤差也可以達到8 m/s左右，出現在2017年9月14日，受第18號臺風“泰利”影響，由于ECMWF預報臺風路徑較實況偏東，導致寧波沿海風力預報偏大。因此，在預報臺風影響期間風力時，要特別注意臺風路徑及強度的預報，臺風路徑及強度的預報偏差可能導致風力出現明顯大于模式系統偏差的預報偏差。從[圖4(c)]也可以看出，ECMWF細網格24h內平均風預報誤差較為穩定，預報誤差隨時間推移沒有明顯的增長。

(a)ECMWF細網格預報平均風與實況風矢量分布統計圖(條帶寬度代表風向頻率)

從ECMWF細網格預報的24h平均風平均誤差逐年結果看(表1)，ECMWF細網格逐年預報整體較為穩定，24h平均風平均誤差均在2～3m/s之間。

表1 2015—2020年間9月ECMWF細網格預報24h平均風平均誤差 單位：m/s

4.3 2021年9月ECMWF細網格預報檢驗

亞帆中心站建成于2021年4月，本文利用2021年9月ECMWF細網格對爵溪和亞帆中心的10m風預報能力進行單獨對比。由圖5可見，爵溪站ECMWF細網格預報平均風仍是較實況偏大，兩者相關系數為0.749，0—24小時逐3小時平均風預報誤差在1.23～2.29m/s之間。亞帆中心站ECMWF細網格預報平均風較實況值略偏小，兩者相關系數達到0.809，0—24小時逐3小時平均風預報誤差在-0.14～-1.2m/s之間，模式預報效果較爵溪站好，這與亞帆中心站更靠近亞帆賽區，受地形影響更小有關[圖5(a)～(f)]。

(a)爵溪站預報平均風與實況風矢量分布統計 (b)亞帆中心站預報平均風與實況風矢量分布統計

根據2015—2020年9月ECMWF細網格對爵溪站預報檢驗評估結果開展風力訂正，需要在爵溪站模式預報平均誤差基礎上加上亞帆中心站與爵溪站風力系統誤差，計算得出訂正偏差約為0.13m/s，而亞帆中心站模式預報平均偏差約為-0.63m/s，因此，訂正效果略好于模式本身預報結果。

5 結論

對第19屆杭州亞運會期間象山帆船賽區氣象資料進行統計分析，研究亞帆賽區氣候背景特征和氣象保障服務主要關注點，利用2015—2020年ECMWF細網格對象山沿海風力預報能力進行評估，為亞帆賽氣象保障提供參考。

①9月亞帆賽區氣溫總體適宜比賽。賽區以偏北風為主，風速呈現日變化特征，最大風出現在15—17時。亞帆賽期間，首先重點關注的高影響天氣是熱帶氣旋及其相伴的8級以上大風和暴雨，其次是強對流，最后是海霧、弱風和高溫等低概率事件。

②亞帆中心站與爵溪站9月平均風速相關性較好，且平均風速較爵溪站偏大約2.1m/s，兩者風向分布總體較為一致。亞帆中心站地處海邊，可為亞帆賽風力保障提供監測參考。

③ECMWF細網格預報的爵溪站風向一致性較好，預報平均風速較實況整體偏大，0—24小時逐3小時平均風預報平均誤差在1.68～2.56m/s之間，24h內預報誤差較為穩定，預報誤差隨時間推移沒有明顯的增長。亞帆中心站ECMWF細網格預報平均風較實況值略偏小，0—24小時逐3小時平均風預報誤差在-0.14～-1.2m/s之間，模式預報效果較爵溪站好。基于爵溪站長時間序列資料模式檢驗，訂正效果略好于模式本身預報結果。