一次黃海溫帶氣旋邊界層氣象條件的分析

一次黃海溫帶氣旋邊界層氣象條件的分析

浙江省地勢(shì)平坦，受氣候條件普遍影響。其中，溫帶氣流、溫帶氣流和冷空氣對(duì)海上生產(chǎn)往往產(chǎn)生重大影響。統(tǒng)計(jì)表明:風(fēng)災(zāi)事故占漁船全損事故的51.85%,冬半年突發(fā)性的冷空氣大風(fēng)是導(dǎo)致木質(zhì)漁船出現(xiàn)風(fēng)災(zāi)事故的主要原因2012年5月30-31日受一次入海溫帶氣旋和弱冷空氣影響,浙江北部陸地出現(xiàn)大范圍災(zāi)害性暴雨,沿海海面普遍出現(xiàn)9~11級(jí)陣風(fēng),3個(gè)自動(dòng)站觀(guān)測(cè)到12級(jí)陣風(fēng)。寧波市涼帽山島上370m高塔不同層次的超聲風(fēng)速儀記錄了本次入海溫帶氣旋邊界層氣象要素的變化,本文基于這些觀(guān)測(cè)事實(shí)結(jié)合天氣形勢(shì)進(jìn)行分析,以加深對(duì)本次入海溫帶氣旋邊界層結(jié)構(gòu)和變化的認(rèn)識(shí)。1觀(guān)測(cè)資料與分析寧波市涼帽山島面積1km本文自動(dòng)站包括浙江全省陸地及所有海島站和浮標(biāo)站,不包括移動(dòng)氣象站,資料來(lái)源于浙江省氣象信息中心。高塔觀(guān)測(cè)資料來(lái)源于寧波市氣象保障中心。資料時(shí)段2012年5月30日0時(shí)至31日08時(shí)。本文大風(fēng)指10min平均風(fēng)速6級(jí)及以上(≥10.8m/s),瞬時(shí)風(fēng)速為1個(gè)采樣周期的采樣值,要素平均值指10min內(nèi)所有采樣值的平均。高塔觀(guān)測(cè)資料保存前進(jìn)行了極值、時(shí)間一致性、空間一致性自動(dòng)檢查,三維超聲風(fēng)速儀觀(guān)測(cè)資料沒(méi)有參與分析,二維超聲風(fēng)資料(風(fēng)速儀為德國(guó)THIES公司生產(chǎn))均經(jīng)過(guò)人工審核,以逐分鐘資料為基礎(chǔ),其中30日00:01塔層52m無(wú)資料,而80,232和283m相對(duì)濕度觀(guān)測(cè)值可能有誤,故10min平均相對(duì)濕度僅6層資料參與了分析。其他資料質(zhì)量總體較好,均參與了本文的分析。2中尺度系統(tǒng)—實(shí)況和天氣形勢(shì)2012年5月30日受入海溫帶氣旋影響浙江北部陸地出現(xiàn)大范圍暴雨,降水主要發(fā)生在30日早晨到下午,普遍累積雨量50~100mm,寧波市區(qū)達(dá)90mm。浙江沿海先后出現(xiàn)7~9級(jí)大風(fēng),51個(gè)自動(dòng)站出現(xiàn)8級(jí)以上大風(fēng),11站出現(xiàn)11級(jí)以上陣風(fēng),其中3站陣風(fēng)達(dá)12級(jí)。圖2為浙江舟山和溫州2個(gè)浮標(biāo)站30日0時(shí)至31日08時(shí)逐小時(shí)最大風(fēng)速序列,舟山浮標(biāo)站30日06時(shí)風(fēng)速達(dá)到6級(jí)(10.8m/s)并持續(xù)增大,09時(shí)達(dá)14.4m/s,南部的溫州浮標(biāo)站21時(shí)最大風(fēng)力也達(dá)7級(jí)(14.7m/s),比舟山浮標(biāo)站滯后12h。天氣圖上本次過(guò)程中高層表現(xiàn)為高空槽的東移南壓,850hPa浙江南部有東西向風(fēng)切變配合,地面圖上雖然沒(méi)有閉合低壓,但有倒槽明顯發(fā)展東移。圖3為30日02時(shí)至31日02時(shí)(北京時(shí),下同)海平面氣壓場(chǎng)變化。30日02時(shí)安徽—江西—廣東北部有倒槽東移,同時(shí)東海中南部海面有倒槽發(fā)展(圖3(a))。陸地上的一支倒槽在東移過(guò)程中給江南地區(qū)帶來(lái)明顯降水。兩支倒槽05時(shí)合并形成低壓倒槽帶,造成高塔第1輪大風(fēng)和降水天氣,同時(shí)東北冷渦后部的偏北氣流引導(dǎo)冷空氣擴(kuò)散南下,地面圖上表現(xiàn)為等壓線(xiàn)明顯南壓,與低壓倒槽共同在浙江沿海形成明顯的氣壓梯度堆積。圖3(d)可以看到30日14時(shí)在120°E附近的1015hPa線(xiàn)位于山東境內(nèi),31日02時(shí)南壓到浙江北部(圖3(f))。氣壓梯度的加大導(dǎo)致浙江沿海出現(xiàn)大風(fēng)和降水,是高塔第2輪大風(fēng)的原因?？梢?jiàn)本次大風(fēng)形成原因有2個(gè):一是倒槽發(fā)展,二是北方弱冷空氣擴(kuò)散加大了氣壓梯度。3高邊界層數(shù)據(jù)分析3.1塔層降水特征根據(jù)我國(guó)獨(dú)特的氣候條件,有自然高塔氣溫時(shí)空變化表明:5月30日0-20時(shí)塔層等溫線(xiàn)隨時(shí)間向低層傾斜,20時(shí)開(kāi)始緩慢回升,不同層次氣溫隨時(shí)間變化不同。塔層第1次降水時(shí)段(02-10時(shí),圖4(c))199m以下層次氣溫隨時(shí)間一般為正變溫,而以上層次氣溫隨時(shí)間變化率多小于0,表明塔層上部(199m以上)有弱降溫,而中下部小幅度回暖,最強(qiáng)1小時(shí)降水發(fā)生時(shí)(04-05時(shí))由于水汽凝結(jié)潛熱釋放,52~80m最大增溫率大于0.1℃/10min,導(dǎo)致06-10時(shí)塔層近地層出現(xiàn)明顯溫度突起,并在52~80m形成21.5℃的暖心(圖4(a)),對(duì)應(yīng)暖心處為相對(duì)濕度小于75%的相對(duì)干區(qū)(圖略)。逐小時(shí)雨量和塔基10min平均本站氣壓、氣溫對(duì)比發(fā)現(xiàn),第1輪降水發(fā)生時(shí)氣壓持續(xù)降低,09-10時(shí)氣壓低于1004hPa,可見(jiàn)降水與溫帶氣旋發(fā)展相伴,降水釋放的潛熱導(dǎo)致08-10時(shí)塔基氣溫回升。此后塔層弱冷空氣向下滲透,暖心結(jié)構(gòu)被打破,塔基則表現(xiàn)為本站氣壓的逐漸回升和氣溫的持續(xù)下降,塔層降溫最快的14-15時(shí)降溫率超過(guò)0.3℃/10min,是冷空氣滲透最明顯的時(shí)段。由于冷空氣影響,塔層13-15時(shí)出現(xiàn)第2次降水過(guò)程,但雨強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間都較第1輪弱。19時(shí)前后各塔層均低于18.5℃,此后緩慢回升,原因是低層相對(duì)暖的氣團(tuán)由于邊界層湍流作用向上擴(kuò)散所致。自動(dòng)站資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)寧波市氣溫隨海拔高度垂直變化率平均為-0.51℃/100m3.2第1輪大風(fēng)時(shí)塔層各層風(fēng)速一致性圖5為2012年5月30日0時(shí)至31日08時(shí)塔層逐10min平均風(fēng)向、風(fēng)速演變,6級(jí)及以上大風(fēng)時(shí)段為03:40-11:00和16:30-21:30,7級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)在06:00-10:30和16:30-21:00,表現(xiàn)出大風(fēng)時(shí)段的非連續(xù)性。兩輪大風(fēng)時(shí)塔層風(fēng)向基本相同,前1次為東南風(fēng),后1次以東北偏東風(fēng)為主。由于兩輪大風(fēng)原因不同(第1輪大風(fēng)由于溫帶氣旋發(fā)展導(dǎo)致,而第2輪則由于弱冷空氣擴(kuò)散導(dǎo)致氣壓梯度堆積的結(jié)果),在大風(fēng)強(qiáng)度和時(shí)空變化上表現(xiàn)也有所不同。第1輪大風(fēng)時(shí)塔層各層風(fēng)速增減基本同步,整層7級(jí)及以上大風(fēng)持續(xù)了近5h。30日03:40塔層風(fēng)速一致性增大到10m/s以上,06時(shí)各層均超過(guò)14m/s,08:10和09:10分別在199~232m和109m出現(xiàn)2個(gè)超過(guò)20m/s的風(fēng)速中心,塔基短時(shí)風(fēng)速超過(guò)18m/s。10:30以后塔層風(fēng)速迅速減小,11時(shí)塔層風(fēng)速減小到6m/s以下,第1輪大風(fēng)過(guò)程結(jié)束。11:00-16:30為兩輪大風(fēng)間歇期,塔層風(fēng)速雖有起伏,但低層風(fēng)速一般小于10m/s,中上層風(fēng)速稍大,但不超過(guò)13m/s。16:30塔層第2輪7級(jí)大風(fēng)開(kāi)始,首先在199~232m的中上層出現(xiàn)14m/s以上的風(fēng)速中心,中心值逐漸增強(qiáng),范圍上下擴(kuò)展,20時(shí)前后塔層各層平均風(fēng)速均超過(guò)7級(jí),199~232m的中心風(fēng)速超過(guò)20m/s。本輪大風(fēng)7級(jí)以上大風(fēng)范圍和持續(xù)時(shí)間均明顯小于第1輪,80m以下的近地層7級(jí)風(fēng)力持續(xù)時(shí)間僅1h左右。21:30以后各層風(fēng)速明顯減小,22時(shí)后各層風(fēng)速一般不超過(guò)8m/s?？梢?jiàn)溫帶氣旋發(fā)展引起的大風(fēng)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間比氣壓梯度堆積造成的大風(fēng)更明顯。本次大風(fēng)是溫帶氣旋和弱冷空氣共同作用的結(jié)果,與劉小紅等水平風(fēng)速切變(圖略)分析,溫帶氣旋在塔層邊界層切變不強(qiáng),絕對(duì)值一般小于0.02/s,超過(guò)0.04/s的正切變范圍比較零散,主要出現(xiàn)在80~109m和199~232m。23時(shí)后隨著溫帶氣旋遠(yuǎn)離,塔層風(fēng)速正切變中心抬升,在283m出現(xiàn)0.06/s的切變中心,而199m出現(xiàn)-0.04/s的負(fù)切變中心,159m以下層次水平風(fēng)速切變很弱。3.3塔層風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)序列分析一般認(rèn)為邊界層風(fēng)速隨高度變化服從指數(shù)或?qū)?shù)分布,對(duì)數(shù)律主要適用于中性條件下的近地層,指數(shù)律則可推廣至非中性大氣,研究認(rèn)為指數(shù)律更符合平均風(fēng)速隨高度的變化式中:a為風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù),也稱(chēng)粗糙度指數(shù),與摩擦系數(shù)和大氣穩(wěn)定度有關(guān)。高塔處不同時(shí)刻風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)變化反映了大氣穩(wěn)定度的變化。塔層逐10min風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)序列分析:30日00:00至21:30風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)變化平穩(wěn),129個(gè)指數(shù)中,大于0.50的85個(gè),小于0有10次,其中7次出現(xiàn)在2次大風(fēng)間歇期。大風(fēng)結(jié)束后風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)明顯減小,63次中29次小于0。分3個(gè)時(shí)段:大風(fēng)前(00:00-03:30)、大風(fēng)時(shí)(03:40-11:00和16:30-21:30)和大風(fēng)后(11:10-16:20和21:40-08:00)分別進(jìn)行風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)律擬合平均,得到平均風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)為0.093,0.067和0.041,其中大風(fēng)前指數(shù)接近張淮水等的研究結(jié)果3.4水平風(fēng)速湍流強(qiáng)度風(fēng)速脈動(dòng)和湍流強(qiáng)度變化是風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行必須考慮的溫帶氣旋影響時(shí),塔層159m以下的中低層和283m以上層次水平風(fēng)速湍流強(qiáng)度一般不超過(guò)0.10,圖7c中選擇繪制了a組中的232m和b組中的50m分別代表2組湍流強(qiáng)度時(shí)間變化序列,在2次7級(jí)大風(fēng)間歇時(shí)段和大風(fēng)結(jié)束后a組層次湍流強(qiáng)度起伏較大,短時(shí)甚至超過(guò)0.50,而b組湍流起伏小。3.5陣風(fēng)強(qiáng)度與陣風(fēng)系數(shù)風(fēng)速的陣性特點(diǎn)可以陣風(fēng)系數(shù)和陣風(fēng)強(qiáng)度來(lái)表達(dá):陣風(fēng)系數(shù)定義為給定時(shí)段內(nèi)最大風(fēng)速與平均風(fēng)速之比,而陣風(fēng)強(qiáng)度則定義為時(shí)段內(nèi)最大風(fēng)速與最小風(fēng)速差值與平均風(fēng)速之比3.6不同時(shí)間尺度渦流對(duì)陣風(fēng)周期的貢獻(xiàn)風(fēng)速陣性變化是不同尺度渦旋共同作用的結(jié)果,瞬時(shí)風(fēng)速的周期變化分析對(duì)于了解不同時(shí)間尺度渦旋對(duì)陣風(fēng)周期的貢獻(xiàn)是有幫助的。分別對(duì)大風(fēng)時(shí)(30日03:31-11:00和16:21-21:30)和大風(fēng)后(30日21:31至31日08:00)兩個(gè)時(shí)段塔層逐分鐘瞬時(shí)風(fēng)速進(jìn)行連續(xù)功率譜分析4邊界層水平風(fēng)速隨高度變化特征通過(guò)寧波市涼帽山高塔對(duì)2012年5月30-31日一次浙江省入海溫帶氣旋邊界層觀(guān)測(cè)分析得到以下結(jié)論:(1)氣旋在高塔處造成的災(zāi)害性大風(fēng)分為2個(gè)時(shí)段:第1輪大風(fēng)是溫帶氣旋形成的倒槽引起的,第2輪大風(fēng)是弱冷空氣與溫帶氣旋形成的氣壓梯度堆積所致。兩輪大風(fēng)時(shí)塔層風(fēng)向均表現(xiàn)出一致性變化,大風(fēng)前后均伴有明顯降水,但第1輪大風(fēng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和降水強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于第2輪,并且邊界層風(fēng)速增減一致,而第2輪大風(fēng)時(shí)7級(jí)以上風(fēng)力首先出現(xiàn)在199~232m的中上層,后范圍逐漸上下擴(kuò)展。(2)每10min邊界層風(fēng)速隨高度變化指數(shù)律擬合發(fā)現(xiàn),溫帶氣旋和冷空氣大風(fēng)前和大風(fēng)時(shí)風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)變化平穩(wěn),大風(fēng)后風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)明顯減小,不同時(shí)段塔層邊界層風(fēng)速隨高度的變化近似于指數(shù)律變化,大風(fēng)前、大風(fēng)時(shí)和大風(fēng)后平均風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)分別為0.093,0.067和0.041。(3)塔層水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差和湍流強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn):199m和232m層次水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨風(fēng)速增大分布零散,湍流強(qiáng)度呈乘冪指數(shù)減小,而其他7