雷州半岛东部沿海风况的特征

2020-07-09于洲张文萌符靖茹陈辰

广东气象 2020年3期

于洲，张文萌，符靖茹，陈辰

（1.湛江市气象局，广东湛江 524000；2.佛山市气象局，广东佛山 528000）

雷州半岛地处低纬，三面环海，海洋资源丰富是其最突出的发展优势［1］。沿海地区的风浪是影响旅游、生产生活、资源开发的重要因素，因而掌握其风场的变化特征，需求迫切［2-4］。近年来，对于广东沿海、南海周边海域风场研究较多。齐义泉等［5］利用卫星高度计资料，得出南海风场全年月平均风速分布特征为，东北季风期较大、冬季风向夏季风转换的时期较小；宋丽莉等［6］将遥感资料应用于海面风场的研究中，对广东沿海近地层大风特征进行分析，发现广东沿海出现的8级以上大风，多由热带气旋引发，且不同天气系统所造成的大风阵性系数具有明显的差异；王静等［7］利用海岛站和常规站资料分析海南岛沿海风场特征，得出大部分站点夏季风速最弱，春、冬季常出现最大风速，沿海风速南部大于北部，东部大于西部；廖菲等［8］利用南海北部的浮标、石油平台站点的海面风资料，发现对于与海岸距离较近的区域，海面风速分布基本符合双参数的Weibull分布，而对于100 km以外的海域，则与Weibull分布存在明显差异。目前，对于雷州半岛沿海风场特征的研究仍然较少。对于沿海风力的预报来说，在所有可利用的方式中，利用常规沿海或海岛自动站数据是最直接的方式，因此，本研究通过分析雷州半岛东部沿海海岛自动站近4年的观测资料，以得到雷州半岛东部沿海风的时间变化规律，同时选取热带气旋、冷空气引起的海面大风个例，分析沿海的大风天气特征，为湛江海洋气象台预报服务以及为湛江海洋经济发展提供参考。

1 资料与方法

数据选取湛江市硇洲岛自动站（海岛站，海拔高度62 m，地势平坦，无建筑物遮挡）的2015年1月—2018年12月共4年的风向风速数据。数据频率为1 h 1组，包含平均风速和风向、最大风速和风向、极大风速和风向。站点数据维护良好，数据完整性强，输出数据已经过筛选，数据缺测率为0.54%。本研究中出现的某年的冬季为该年的12月至次年1、2月，春季为3到5月，夏季为6到8月，秋季为9到11月。大风天气定义为所选取的观测站当天内最少出现一次6级或以上最大风速（5 min），则定义该日出现大风天气［9］。

各时次的多日平均风速为

2 风的变化特征

雷州半岛东部沿海风的变化，同时受到背景风场和海陆效应的影响。当背景风较强时，沿海风取决于背景风的风向和风速；而当背景风不明显时，海陆效应起主导作用，即夜间以陆风为主，午后转为海风，风速大小跟海陆效应强弱有关［10-11］。

2.1 平均风速变化

1）年变化。

统计可知，硇洲岛站2015—2018年的多年年平均风速为3.3 m／s，其中，2017年最大，为3.4 m／s，2016年和2018年最小，为3.2 m／s，二者差值为0.2 m／s。

2）月变化

如图1所示，平均风速的月际变化特征明显，即冬季月份的平均风速最大，夏季月份最小，春秋季月份介于两者之间。具体从各月来看，1月风速最大，为4.4 m／s，8月风速最小，为2.4 m／s，相差2 m／s。从各月平均风速变化趋势来看，1—5月逐渐减小，5—8月基本维持3 m／s左右的较小风速，8到12月则呈现明显增大趋势。

图1 2015—2018年月平均风速变化

全年各月的风速上限值变化特征，基本跟各月的平均风速变化一致，而各月风速的下限值除了7—10月呈现出逐渐减小的明显变化趋势之外，其它各月均维持在1 m／s左右。分析冬季风速大、夏季风速小的明显变化特征，可以看出，雷州半岛东部沿海的月平均风速的大小，与冷空气强度和频率呈现出明显的正相关关系；雷州半岛夏秋季常出现海上强对流、西南季风爆发、热带气旋等易引起海上大风的系统，特别是全年最大风速往往是由台风引起的，但相对于冬季最为频繁且持续时间较长的冷空气所引起的海面大风，其出现频率低，持续时间短，对于月均值贡献不够，因而，与冷空气出现频率和强度的变化一致，冬季风速要明显大于夏季。

3）日变化。

平均风速的日变化特征明显，如图2所示，其日变化幅度较小，维持在3～4 m／s之间，呈现出中间高两头低的形状，即正午前后的风速较大，而夜间到次日早上风速较小。00：00（北京时，下同）前后平均风速最小，且风速的离散度最小；12：00前后平均风速最大，且风速离散度最大，这主要是由于该时次风速上限值较大，统计这个时次的风速极值也可以发现，这个时段较容易出现较强风；其它时次平均风速基本维持平稳值，且风速上下限也变化不大。

图2 2015—2018年平均风速日变化

2.2 风向分布特征

从2015—2018年的风向频率图（图3）可以看出，硇洲岛站全年主导风向为东南、东北和偏东风（图3a）。而分季节来看，各季节主导风向差异明显。春季盛行风向为东南、偏东风和东北风，春季是冬夏季节的过渡季节，既有冷空气引起的偏北、偏东风，又有夏季过渡时期东南气流影响下的东南风；夏季主要以东南风为主导，此外，还有风向频率相对小很多的偏东和西南风，这与雷州半岛低层夏季主要受东南气流影响有关，夏季常见影响系统还包括西南气流和东风回流，但相对来说，东南气流影响时段更长；秋季与春季类似，为夏冬季节的中间过渡季节，以东北和偏东风为主导风向，东南风相对频率较小，秋季前期主要受东南气流影响，中后期冷空气逐渐频繁，东北和偏东风的频率逐渐加大，成为主导风向；冬季冷空气最为频繁，因此以东北和偏东风为主导风向。

图3 2015—2018年年平均和各季节平均风向频率图

3 大风天气特点

统计2015—2018年的大风的各月分布，如表1所示，并逐天分析当天引起大风的天气形势。

表1 2015—2018年大风天各月分布 d

3.1 大风时间分布特征

4年中共出现33个大风天，从天数的月度分布上看，除了2月份，各月均有6级以上的大风天。9月（6 d）和10月（6 d）最多；最少为2月（0 d）和4月（1 d）。

天气形势，1—3、11和12月引发大风天气的主要因素是冷空气，而4和5月的大风则主要是由强对流天气所引发，6—10月的大风主要是热带气旋所引起的［2］。综合来看，总计33个大风天中，11 d的大风是由冷空气造成的，占总大风天数的33.3%；16 d的大风是由热带气旋系统导致的，占总天数的48.5%；其余6 d的大风则是由强对流天气造成的，占18.2%。由此可知，热带气旋和冷空气是造成雷州半岛东部沿海大风两个主要因素［2］。

大风天气的持续时间和变化趋势与影响系统的持续时间和位置、移动方向息息相关。从持续时间上看，强对流天气所引发的大风，其持续时间相对较短，与强对流天气本身生命史较短相一致；而影响时段较长的热带气旋和冷空气所引发的大风天气则能持续较长时间。从变化趋势上看，强对流天气所引发的大风，是在短时间内迅速增大和减小，大风时段短而集中；而热带气旋和冷空气引发的大风存在逐渐变化的过程，如图4所示。

图4 2015年超强台风“彩虹”影响时（a）和2016年冷空气影响时（b）的风速变化

在热带气旋或冷高压中心距离较远时，测站风力较小，随着系统的逐渐靠近，风速也逐渐增大，达到峰值后，随着系统的远离，风速逐渐减小［12］。从图4中还可以看出，热带气旋和冷空气影响下的大风天气的不同特征，主要是热带气旋造成的大风，其增大和减小的速度比冷空气所引发的要更快；热带气旋影响下的大风一般是单极值点的；而对于冷空气来说，过程中可能出现一个或多个大小不一的极值点，相对应则是一股或几股或强或弱的冷空气的前后补充影响，几股冷空气间隔时段的风速较小，冷高压中心移近时风速较大。

3.2 大风的阵风系数分析

阵风系数是描述大风阵性特征和相对强度的数学统计参数，目前，我国气象及风电工程领域，常以极大瞬时风速与10 min平均风速的比值表示阵风系数［13-14］：

其中，vmax为瞬时极大风速（m／s）；v为10 min平均风速（m／s）。

为计算雷州半岛东部沿海大风的阵风系数，选取4年中热带气旋和冷空气过程的大风数据，分别计算热带气旋和冷空气影响下的大风的阵风系数。分析可知，热带气旋影响下的平均阵风系数和冷空气影响下的平均阵风系数分别为1.86和1.64。热带气旋影响下的大风的阵风系数明显大于冷空气影响下的阵风系数，跟宋丽莉等［6］对广东沿海近地层大风特性的观测分析结果相一致，即两类天气系统影响下的大风的阵风系数具有明显的差异。热带气旋所致大风的阵风系数在1.22～3.83，相差2.61，而在冷空气所致大风的阵风系数相差较小，介于1.27～2.44，相差1.17；两者的标准差相差较大（热带气旋0.36，冷空气0.21），即热带气旋和冷空气影响下的大风的阵风系数的离散度也存在明显差异，热带气旋样本明显大于冷空气样本。