曾瑾瑜, 韓 美, 吳幸毓, 林 青, 廖 廓

(1. 福建省氣象臺(tái), 福建 福州 350001; 2. 福建省寧德市氣象局, 福建 寧德 352100)

目前, 我國(guó)海洋氣象業(yè)務(wù)發(fā)展面臨難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn), 中國(guó)氣象局對(duì)發(fā)展現(xiàn)代海洋氣象業(yè)務(wù)、增強(qiáng)海洋氣象保障服務(wù)能力越來越重視。福建沿海地區(qū)處于南下冷流與臺(tái)灣暖流交匯處, 所經(jīng)海域暗礁、孤島星羅棋布, 水下地貌復(fù)雜多變、起伏交錯(cuò), 時(shí)常出現(xiàn)大風(fēng)、大浪等各種海上災(zāi)害性天氣現(xiàn)象, 對(duì)海洋工程、安全生產(chǎn)、航運(yùn)作業(yè)及海上船只安全構(gòu)成極大威脅。提高沿海大風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)能力, 尤其是大風(fēng)預(yù)報(bào)精確度, 對(duì)避免或減少大風(fēng)等氣象災(zāi)害有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)氣象學(xué)者對(duì)西北部的陸地大風(fēng)的研究較多, 對(duì)沿海大風(fēng)的研究相對(duì)較少[1-4]。而沿海大風(fēng)的預(yù)報(bào)方法則以經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)[5]和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)[6-8]居多, 數(shù)值產(chǎn)品釋用[9-15]偏少。福建本省學(xué)者開展的相關(guān)研究也較少, 如: 劉京雄等[5]研究了浙閩沿海和臺(tái)灣海峽冬季大風(fēng)風(fēng)速計(jì)算方法, 論證了運(yùn)用陸地大風(fēng)推算海區(qū)大風(fēng)風(fēng)速計(jì)算式的可靠性。陳春忠等[16]通過統(tǒng)計(jì)分析表明莆田市沿海冬季大風(fēng)的時(shí)空分布極為不均, 沿海風(fēng)力的脈動(dòng)性、跳躍性、局地性特征突出。葉賓賓等[17]通過T213(T213L31)模式的1 000 hPa風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)與崇武實(shí)況風(fēng)向、風(fēng)速的檢驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)T213的預(yù)報(bào)風(fēng)速偏小于實(shí)況的極大風(fēng)速, T213對(duì)冷空氣過程帶來的大風(fēng)的預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于對(duì)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣引起的大風(fēng); 風(fēng)速預(yù)報(bào)中, 春季預(yù)報(bào)誤差小, 但風(fēng)向誤差大。陳德花等[18]利用MM5(Meso-scale Model5)模式輸出的福建沿海 6個(gè)氣象站的風(fēng)速預(yù)報(bào)和實(shí)況資料, 按照風(fēng)速大小分類建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并將該模型應(yīng)用于預(yù)報(bào)并對(duì)效果進(jìn)行檢驗(yàn), 經(jīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訂正后, 沿海風(fēng)速預(yù)報(bào)比MM5模式預(yù)報(bào)有很大改善。

為滿足海洋建設(shè)需求, 福建省氣象局于2013年4月正式開展海洋氣象精細(xì)化氣象要素預(yù)報(bào)業(yè)務(wù), 選取11個(gè)沿海海區(qū)和26個(gè)港灣島嶼質(zhì)量評(píng)定站, 對(duì)近海、沿岸、沿海海區(qū), 重要港灣海島, 漁業(yè)漁場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)化預(yù)報(bào)。目前在福建省業(yè)務(wù)運(yùn)行中, 用于提供風(fēng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的數(shù)值模式, 主要有中央氣象臺(tái)下發(fā)的 EC(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) thin、T639(TL639L60)的全球譜模式產(chǎn)品, 本省引進(jìn)的有限區(qū)域 WRF(Weather Research and Forecast)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品。針對(duì)這些產(chǎn)品的數(shù)值釋用研究目前基本沒有, 為了更好地預(yù)報(bào)沿海風(fēng), 增強(qiáng)海洋氣象保障服務(wù)能力, 有必要對(duì)現(xiàn)有的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)進(jìn)行釋用研究, 使其更好地應(yīng)用于預(yù)報(bào)。

1 資料與方法

通過整理統(tǒng)計(jì) 2011～2012年冬半年福建沿海和港灣島嶼32個(gè)代表站(注: 港灣島嶼與沿海代表站中有 5個(gè)重復(fù))風(fēng)場(chǎng)資料, 分析沿海地區(qū)風(fēng)力的時(shí)空分布特征; 將EC-thin、T639和WRF三個(gè)模式(預(yù)報(bào)時(shí)效0～72 h)不同時(shí)效的地面10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)插值到32個(gè)代表站上, 將代表站風(fēng)場(chǎng)資料與插值好的模式風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)行對(duì)比與統(tǒng)計(jì)分析, 比較不同數(shù)值模式產(chǎn)品誤差, 探討全球模式和區(qū)域模式對(duì)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)能力的優(yōu)劣性, 提高數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的使用能力。

在沿海海區(qū)11個(gè)預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定站中, 有3個(gè)浮標(biāo)站, 分別位于北、中、南距海岸線50 km左右的海上, 代表福建省的3個(gè)近海海區(qū)風(fēng)力, 其中平潭浮標(biāo)和廈門浮標(biāo)分別位于臺(tái)灣海峽的北部和南部; 而另外 8個(gè)代表站或位于海島的邊緣, 或位于沿海岸線上, 一面靠海, 地勢(shì)平坦開闊, 具有較好的代表性,將其歸類為海島站。而港灣島嶼26個(gè)代表站除了個(gè)別站點(diǎn)是海島站外, 位置相對(duì)而言較為靠近內(nèi)陸,以緊靠近海岸線的近海站和位于海岸線5 km以內(nèi)的偏內(nèi)陸站為主。32個(gè)代表站包含了不同地理位置的站點(diǎn), 能真實(shí)反映冬半年沿海大風(fēng)的變化特征。

1.1 實(shí)況資料

定義沿海大風(fēng)為沿海出現(xiàn)極大風(fēng)≥7級(jí)(≥13.9 m/s)[19]。在自動(dòng)站大風(fēng)資料的統(tǒng)計(jì)中, 我們采用 2011～2012年冬半年沿海和港灣島嶼代表區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)的極大風(fēng)速的資料作為研究對(duì)象。使用的自動(dòng)站資料為每小時(shí)一次的風(fēng)速資料。

1.2 模式資料

選取三個(gè)模式包括全球模式(我國(guó)的T639模式、歐洲EC細(xì)網(wǎng)格模式)和福建引進(jìn)開發(fā)的WRF中尺度數(shù)值模式, 其中 T639模式分辨率為 1°×1°, 數(shù)據(jù)格式是Micaps 2類格式, 輸出間隔為3 h; EC細(xì)網(wǎng)格模式分辨率為 0.25°×0.25°, 數(shù)據(jù)格式是 Micaps 11類格式, 輸出間隔為3 h; WRF模式分辨率為0.094 6°×0.076 5°, 數(shù)據(jù)格式是netCDF格式, 輸出間隔為1 h。

1.3 檢驗(yàn)方法

為統(tǒng)一預(yù)報(bào)時(shí)效, 選取三個(gè)模式對(duì) 20: 00起報(bào)的72 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的10 m風(fēng)進(jìn)行檢驗(yàn)。為了考慮各模式結(jié)果檢驗(yàn)的公平性, 統(tǒng)一采用雙線性插值方法將各模式格點(diǎn)資料插值到32個(gè)代表站上, 對(duì)各模式和實(shí)況資料求0～72 h內(nèi)的極大風(fēng)。對(duì)模式而言, 因模式輸出的10 m風(fēng)場(chǎng)是平均風(fēng), 我們?nèi)∑骄L(fēng)的最大值來進(jìn)行研究對(duì)比, 在24、48、72 h時(shí)效內(nèi)分別取一最大風(fēng)速值代表該時(shí)效內(nèi)極大風(fēng)預(yù)報(bào), 風(fēng)向即取這個(gè)最大風(fēng)速值對(duì)應(yīng)的風(fēng)向; 對(duì)實(shí)況而言, 將24、48、72 h時(shí)效內(nèi)風(fēng)速的極大值作為日極大風(fēng)速, 風(fēng)向即取出現(xiàn)極大風(fēng)速時(shí)的風(fēng)向。

主要采用目前氣象部門應(yīng)用廣泛的平均絕對(duì)誤差(RMAE)對(duì)上述數(shù)值模式10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)分析, 具體計(jì)算公式如下:

其中Fi為第i站次預(yù)報(bào)風(fēng)速(風(fēng)向),Oi為第i站次實(shí)況風(fēng)速(風(fēng)向),N表示相應(yīng)的樣本量。

2 福建省冬半年沿海大風(fēng)時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

2.1.1 沿海海區(qū)空間分布特征

統(tǒng)計(jì)2011～2012年冬半年福建省沿海地區(qū)11個(gè)預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定站(圖 1)觀測(cè)的大風(fēng)資料, 由圖 2可明顯看出沿海地區(qū)風(fēng)力時(shí)空分布有以下特征。

由于狹管效應(yīng)的疊加影響, 福建省中部沿海是福建省大風(fēng)的重災(zāi)區(qū)。從分布情況來看, 代表近海海區(qū)的3個(gè)浮標(biāo)站, 風(fēng)力大小依次是平潭、廈門、寧德,臺(tái)灣海峽風(fēng)力明顯大于福建北部海區(qū), 與預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)相符。而從沿海海區(qū)其余8個(gè)站的對(duì)比中可以看出,中部沿海海區(qū)大風(fēng)時(shí)數(shù)最多, 其次是北部、南部沿海區(qū)域, 呈紡錘型分布。位于中部沿海的莆田西高和三佛山極大風(fēng)速 7級(jí)以上的各級(jí)大風(fēng)時(shí)數(shù)相近, 出現(xiàn)10級(jí)以上大風(fēng)的頻數(shù)最多, 是沿海海區(qū)中風(fēng)速最大的代表站。位于北部沿海海區(qū)的福鼎灶澳與北部近海海區(qū)的寧德浮標(biāo)大風(fēng)時(shí)數(shù)相近, 可見北部沿海和外海的風(fēng)相差不大。其余海區(qū) 2個(gè)代表站的風(fēng)力則出現(xiàn)較大差異, 比如泉州和漳州的 2個(gè)代表站點(diǎn)之間, 泉州市北部的惠安崇武和漳州市南部的漳浦古雷頭極大風(fēng)速 7級(jí)以上的大風(fēng)時(shí)數(shù)以百小時(shí)計(jì), 而泉州市南部的晉江圍頭和漳州市北部的龍海鎮(zhèn)海角則以千小時(shí)計(jì)。表明沿海風(fēng)力空間分布不均。

圖1 沿海預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定站Fig. 1 Coastal forecast quality assessment stations

圖2 2011～2012年冬半年福建省沿海地區(qū)11個(gè)預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定代表站的極大風(fēng)力分布圖Fig. 2 Maximum wind speed distribution of 11 coastal forecast quality assessment stations in the winter half year of 2011～2012

2.1.2 港灣島嶼空間分布特征

港灣島嶼中(圖3), 統(tǒng)計(jì)26個(gè)質(zhì)量評(píng)定站觀測(cè)的大風(fēng)資料(圖略), 中部港灣島嶼代表站大風(fēng)時(shí)數(shù)和站數(shù)也最多, 依次為莆田、福州、泉州; 其次是北部港灣島嶼的寧德; 最后是南部港灣島嶼的漳州和廈門。南部港灣島嶼風(fēng)力都較小, 廈門以土嶼最大, 極大風(fēng)速7級(jí)以上的大風(fēng)時(shí)數(shù)為811 h; 漳州則以東山最大, 為1 463 h。同一個(gè)地區(qū)的港灣島嶼出現(xiàn)七級(jí)以上大風(fēng)時(shí)數(shù)差距懸殊的情況, 最多則上千小時(shí),最少才幾十小時(shí)。

圖3 港灣島嶼預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定站Fig. 3 Harbour Island forecast quality assessment stations

港灣島嶼的大風(fēng)呈現(xiàn)出明顯的局地性特征, 同一地區(qū)的港灣, 處于外海的島嶼風(fēng)力明顯較大, 特別是風(fēng)力越強(qiáng), 其局地性特征越為突出。與港灣和島嶼所處位置和自動(dòng)站本身類型有密切關(guān)系, 值得各個(gè)地區(qū)于實(shí)地進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1.3 風(fēng)向分布特征

福建省處東亞季風(fēng)區(qū), 是東、西風(fēng)帶交替影響的過渡區(qū), 風(fēng)的季節(jié)性特征明顯。主導(dǎo)風(fēng)向軸明顯以東北偏北風(fēng)—西南偏南風(fēng)(NNE—SSW)為主, 且以東北偏北風(fēng)(NNE)占優(yōu)勢(shì)地位。將 16個(gè)風(fēng)向簡(jiǎn)化為 4個(gè): 0～90°為東北風(fēng)(NE)、91°～180°為東南風(fēng)(SE)、181°～270°為西南風(fēng)(SW)、271°～360°為西北風(fēng)(NW)。沿海指標(biāo)站統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2011～2012年冬半年福建省沿海地區(qū)11個(gè)預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定代表站7級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)分布圖Fig. 4 The statistical distribution of direction of wind greater than class 7 of the 11 coastal forecast quality assessment stations in the winter half year of 2011～2012

福建省沿海大風(fēng)多為冷空氣引起, 而本次研究的時(shí)間為冬半年, 從圖 4可以看出, 與經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相符,福建省冬半年的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng), 頻數(shù)最大, 其次為西北風(fēng); 而位于臺(tái)灣海峽北部的平潭浮標(biāo)站,其東南風(fēng)與西北風(fēng)頻數(shù)相當(dāng), 這與冷高壓底部偏東氣流, 在臺(tái)灣海峽誘生地形低壓有關(guān)。

港灣島嶼方面, 主導(dǎo)風(fēng)向也以東北風(fēng)為主, 與經(jīng)驗(yàn)結(jié)論一致。

2.2 時(shí)間分布特征

2011～2012年冬半年逐日的天氣形勢(shì)普查分析結(jié)果表明: 福建沿海的大風(fēng)大部分是由北方冷空氣南下引發(fā)的, 也有冷空氣和臺(tái)風(fēng)共同作用引發(fā)大風(fēng)的例子, 冷空氣越強(qiáng)風(fēng)力越大。表1、表2分別是沿海和港灣島嶼代表站點(diǎn)的平均值。

不同風(fēng)力級(jí)別活動(dòng)頻率各月份分布不同, 對(duì)于沿海代表站來說, 7級(jí)以上大風(fēng)活動(dòng)頻率是12月份次數(shù)最多, 1月份次之; 8級(jí)以上大風(fēng)活動(dòng)頻率是12月份次數(shù)最多, 2月份次之; 9級(jí)以上大風(fēng)活動(dòng)頻率是10月份最多, 分布在 1119號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼格”和冷空氣共同影響的日子, 說明區(qū)域內(nèi)風(fēng)速極值由熱帶氣旋造成。不同級(jí)別大風(fēng)活動(dòng)頻率都是3月份最少。

對(duì)于港灣島嶼代表站來說, 7級(jí)以上大風(fēng)和8級(jí)以上大風(fēng)活動(dòng)頻率都是12月份次數(shù)最多, 2月份次之,9級(jí)以上大風(fēng)冷空氣活動(dòng)頻率也是 10月份最多, 同樣說明區(qū)域內(nèi)風(fēng)速極值由熱帶氣旋造成。不同級(jí)別大風(fēng)活動(dòng)頻率都是3月份最少。

因福建省沿海冬半年大風(fēng)主要是由冷空氣引發(fā)的, 所以從時(shí)間分布可間接看出冬半年影響福建省沿海的冷空氣活動(dòng)頻率和強(qiáng)度的規(guī)律如下: 12月份冷空氣活動(dòng)最為頻繁, 強(qiáng)度最強(qiáng), 7級(jí)、8級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多, 9級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)則僅次于10月份; 1月份和2月份緊隨其后, 2月份冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度較強(qiáng), 8級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)僅次于12月份。福建省沿海的冷空氣活動(dòng)時(shí)間分布特征與福建省氣溫季節(jié)變化規(guī)律相吻合, 即福建的寒潮過程發(fā)生最多的月份是 12月, 對(duì)應(yīng)冷空氣活動(dòng)頻繁, 強(qiáng)度最強(qiáng), 其次是1月[20]; 而近海岸和海島地方, 常年2月份上旬的平均氣溫往往是一年中最低的時(shí)段[21], 所以對(duì)應(yīng)冷空氣強(qiáng)度也較為強(qiáng)烈。

3 模式誤差對(duì)比分析

研究不同模式預(yù)報(bào)的風(fēng)的誤差, 以不同地形條件下不同時(shí)距來劃分較為合理。第 1節(jié)資料與方法中已經(jīng)將代表站按其地理位置分為海上浮標(biāo)站、海島站、近海站、偏內(nèi)陸站4種情況。11個(gè)沿海海區(qū)代表站按照浮標(biāo)站、海島站進(jìn)行分類; 26個(gè)港灣島嶼代表站則按照海島站、近海站、偏內(nèi)陸站進(jìn)行分類。

表1 2011～2012年冬半年沿海代表站觀測(cè)的大風(fēng)資料Tab. 1 The observed data of wind of coastal stations in the winter half year of 2011～2012

表2 2011～2012年冬半年港灣島嶼代表站觀測(cè)的大風(fēng)資料Tab. 2 The observed data of wind of harbor island stations in the winter half year of 2011～2012

本節(jié)以預(yù)報(bào)風(fēng)速(向)和實(shí)際風(fēng)速(向)之差的絕對(duì)值即平均絕對(duì)誤差RMAE作為主要研究對(duì)象。

3.1 WRF誤差分析

3.1.1 風(fēng)速誤差

總體來說, 風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差, 24 h的預(yù)報(bào)誤差最大, 甚至是各時(shí)次誤差最大的。

如圖5a所示, 沿海11個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為4.09 m/s, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差均大于海島站。圖5b所示, 港灣島嶼26個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為2.96 m/s, 風(fēng)速誤差依次是海島站>近海站>偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差小于沿海代表站, 離陸地越遠(yuǎn), 風(fēng)速的誤差越大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況極大風(fēng)速相比, 大部分偏小。沿海 11個(gè)代表站中, 24～72 h時(shí)次風(fēng)速偏小的分別占92.9%, 89.4%, 87.7%。港灣島嶼26個(gè)站中, 24～72 h風(fēng)速偏小的分別占76.4%, 70.0%, 67.8%。

因此在日常預(yù)報(bào)沿海和港灣島嶼站的極大風(fēng),可以根據(jù)不同情況在 WRF預(yù)報(bào)風(fēng)速的基礎(chǔ)上加大3～4 m/s。

圖5 沿海代表站(a)與港灣島嶼代表站(b)風(fēng)速絕對(duì)誤差Fig. 5 The absolute error of wind speed of coastal stations (a) and harbor island stations (b)

我們以地形分類做更細(xì)致的討論。沿海11個(gè)代表站中, 對(duì)于海上浮標(biāo)站而言, 3個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差介于 4.31～5.60 m/s, 空間分布為南北小于中部,這可能由于海面粗糙度不同引起的, 中部海域由于風(fēng)速較大, 海面粗糙度大于南北兩地。對(duì)于海島站而言, 8個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在1.23～5.99 m/s, 低于浮標(biāo)站, 大多數(shù)自動(dòng)站(75%)在 3.22～5.99 m/s。超過3.22 m/s的有 6個(gè)島嶼, 空間分布特征為中部的莆田、北部的寧德沿海以及福州沿海較大, 其他地區(qū)較小, 最小的是泉州的惠安崇武。

港灣島嶼 26個(gè)代表站中, 對(duì)于海島站而言, 10個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在 2.10～6.23 m/s, 大多數(shù)自動(dòng)站(80%)在3.21～5.99 m/s。超過3.21的有8個(gè)島嶼, 空間分布特征仍以中部的莆田、北部的寧德沿海以及福州沿海較大, 其他地區(qū)較小。對(duì)于近海站而言, 10個(gè)近海站的風(fēng)速誤差在1.27～3.67 m/s , 小于海島站,空間分布特征為中部的莆田沿海較大, 其次為南部漳州沿海的東山和泉州沿海的石湖。偏內(nèi)陸站的風(fēng)速誤差則最小, 集中在 1.50～1.96 m/s, 其中北部的福州沿海和寧德沿海最大, 大部分在 1.9 m/s以上,其次是南部的廈門沿海在 1.82 m/s以上, 其他地區(qū)小于1.7 m/s, 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需根據(jù)局地地形情況考慮。

可以看出, 風(fēng)速誤差由沿海向內(nèi)陸逐漸減小,空間分布總的特點(diǎn)是中部、北部沿海的誤差最大, 其他地區(qū)較小。

3.1.2 風(fēng)向誤差

預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)效增加逐漸加大。如圖 6a所示,沿海 11個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為 48°, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差均大于海島站。如圖6b所示, 港灣島嶼 26個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為 53°, 風(fēng)向平均誤差依次是海島站<近海站<偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)向的平均絕對(duì)誤差大于沿海代表站。因港灣島嶼代表站的位置相對(duì)而言更靠近內(nèi)陸, 受地形和下墊面影響較大, 風(fēng)向的角度變化較大。其中又以浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差最大, 偏內(nèi)陸站次之。浮標(biāo)站位于海上無遮擋, 而內(nèi)陸站受地形影響較大, 其風(fēng)向的瞬時(shí)性和脈動(dòng)性比較強(qiáng)。

另外, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 沿海 11個(gè)代表站中,24～72 h風(fēng)向角度偏大的占6成左右, 偏小的占4成左右。港灣島嶼26個(gè)站中, 24～72 h風(fēng)向角度偏大的占4成左右, 偏小的占6成左右。

因此在日常預(yù)報(bào)沿海和港灣島嶼站的極大風(fēng),可以根據(jù)不同情況在WRF預(yù)報(bào)風(fēng)向的基礎(chǔ)上考慮加大或減小 45°～50°。

在沿海11個(gè)代表站中, 對(duì)于海上浮標(biāo)站而言, 3個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差介于 57.40°～112.12°, 空間分布為南北小于中部, 這是由于臺(tái)灣海峽的狹管效應(yīng)影響, 風(fēng)向的瞬時(shí)性較大。對(duì)于海島站而言, 8個(gè)海島站的風(fēng)向誤差在17.67°～52.67°, 低于浮標(biāo)站。除福州過嶼島風(fēng)向誤差超過45°, 其余站誤差都在45°以內(nèi),可參考性比較強(qiáng)。

圖6 沿海代表站(a)與港灣島嶼代表站(b)風(fēng)向絕對(duì)誤差Fig. 6 The absolute error of wind direction of coastal stations (a) and harbor island stations (b)

在港灣島嶼 26個(gè)代表站中, 對(duì)于海島站而言,10個(gè)海島站的風(fēng)向誤差在 18.16°～97.65°, 北部寧德沿海的沙埕南鎮(zhèn)、福鼎臺(tái)山以及福州沿海的過嶼島風(fēng)向誤差超過 45°, 誤差較大, 其他地區(qū)誤差較小。對(duì)于近海站和偏內(nèi)陸站而言, 風(fēng)向誤差各地差異較大, 其中北部的福州沿海和寧德沿海最大, 其次是南部的漳州沿海和廈門沿海, 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮局地地形情況和所處的地理位置?？梢钥闯? 對(duì)風(fēng)速這種連續(xù)的、有規(guī)律變化的氣象要素, 預(yù)報(bào)效果相對(duì)較好, 而對(duì)于風(fēng)向這種離散型、脈動(dòng)明顯的氣象要素,它們的形成既與大型環(huán)流背景有關(guān), 又與中小尺度天氣系統(tǒng)密切相聯(lián), 并受地形、地貌、地理位置、觀測(cè)環(huán)境等眾多因素的影響, 模式很難精細(xì)反映它們的變化, 預(yù)報(bào)效果差。

3.1.3 大風(fēng)預(yù)報(bào)誤差

WRF大風(fēng)預(yù)報(bào)(指 7級(jí)及以上大風(fēng))中, 風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增大而減小。沿海代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá) 3.67、5.10、6.82和8.88 m/s; 港灣島嶼代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá)3.31、4.79、7.1和9.28 m/s。可以看出, 隨著級(jí)數(shù)的增加, 平均誤差增加。其中7級(jí)風(fēng)的平均誤差略小于總體樣本誤差, 7級(jí)風(fēng)和8級(jí)風(fēng)的平均誤差約為4 m/s, 接近1級(jí), 可參考性較高。大風(fēng)分級(jí)風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差與總體樣本誤差相比, 均較小, 且平均絕對(duì)誤差都在 45°以內(nèi), 具有良好的參考性; 港灣島嶼代表站的風(fēng)向誤差明顯小于沿海代表站的風(fēng)向誤差。說明在WRF的大風(fēng)預(yù)報(bào)中, 風(fēng)向的可預(yù)報(bào)能力比較強(qiáng)。

綜上所述, 當(dāng) WRF預(yù)報(bào) 10～12 m/s的風(fēng)速時(shí),可以考慮沿海和港灣島嶼代表站出現(xiàn) 7級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào) 14 m/s的風(fēng)速時(shí), 可以考慮出現(xiàn) 8級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)16 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn)9級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)18 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn)10級(jí)陣風(fēng)。風(fēng)向可直接參考預(yù)報(bào)的風(fēng)向。

3.2 EC細(xì)網(wǎng)格誤差分析

3.2.1 風(fēng)速誤差

總體來說, 風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差隨時(shí)效增大, 72 h的預(yù)報(bào)誤差最大。

如圖7a所示, 沿海11個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為4.98 m/s, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差均大于海島站。圖7b所示, 港灣島嶼26個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為3.95 m/s, 風(fēng)速平均誤差依次是海島站>近海站>偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差小于沿海代表站。離陸地越遠(yuǎn), 風(fēng)速的誤差越大。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況極大風(fēng)速相比, 大部分偏小。沿海11個(gè)代表站中, 其中24～72 h時(shí)次風(fēng)速偏小的分別占96.8%, 96.1%, 96.5%。港灣島嶼26個(gè)站中,其中24～72 h風(fēng)速偏小的分別占93.3%, 92.7%, 92.7%。

因此在日常預(yù)報(bào)沿海和港灣島嶼站的極大風(fēng),可以根據(jù)不同情況在 EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)速的基礎(chǔ)上加大4～5 m/s。

在沿海11個(gè)代表站中, 對(duì)于海上浮標(biāo)站而言, 3個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差介于 4.55～6.37 m/s, 空間分布為南北小于中部。對(duì)于海島站而言, 8個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在 1.69～6.56 m/s, 低于浮標(biāo)站, 大多數(shù)自動(dòng)站(75%)在4.14～6.56 m/s。超過4.14的有6個(gè)島嶼, 空間分布特征為中部的莆田、北部的寧德沿海以及漳州沿海較大, 其他地區(qū)較小, 最小的是泉州的惠安崇武。

在港灣島嶼 26個(gè)代表站中, 對(duì)于海島站而言,10個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在2.53～7.70 m/s, 大多數(shù)自動(dòng)站(80%)在4.14～7.7 m/s。超過4.14 m/s的有8個(gè)島嶼, 空間分布特征為中部的莆田、北部的寧德沿海以及福州沿海較大, 其他地區(qū)較小。對(duì)于近海站而言,10個(gè)近海站的風(fēng)速誤差在1.09～5.67 m/s, 小于海島站?？臻g分布特征為中部的莆田沿海較大, 其次為南部漳州沿海的東山和泉州沿海的石湖。偏內(nèi)陸站的風(fēng)速誤差為最小, 集中在 1.80～3.85 m/s, 其中北部的福州沿海和寧德沿海最大, 大部分在 3.68 m/s以上, 其次是南部的廈門沿海, 在2.64 m/s以上, 在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)局地地形情況考慮。

圖7 沿海代表站(a)和港灣島嶼代表站(b)風(fēng)速絕對(duì)誤差Fig. 7 The absolute error of wind speed of coastal stations (a)and harbor island stations (b)

可以看出, 風(fēng)速誤差由沿海向內(nèi)陸逐漸減小,空間分布總的特點(diǎn)是中部、北部沿海的誤差最大, 其他地區(qū)較小。EC細(xì)網(wǎng)格模式風(fēng)速誤差的空間分布與WRF模式相同, 誤差略大于WRF模式。

3.2.2 風(fēng)向誤差

預(yù)報(bào)誤差大致隨時(shí)間逐漸加大。如圖 8a所示,沿海 11個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為 42°, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差均大于海島站。圖8b所示, 港灣島嶼26個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為 51°, 風(fēng)向平均誤差依次是海島站<近海站<偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)向的平均絕對(duì)誤差大于沿海代表站。其中以偏內(nèi)陸站的風(fēng)向誤差最大, 浮標(biāo)站次之。

另外, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 沿海 11個(gè)代表站中,24～72 h風(fēng)向角度偏大的占6成左右, 偏小的占4成左右。港灣島嶼26個(gè)站中, 24～72 h風(fēng)向角度偏大的占4成左右, 偏小的占6成左右。

因此在日常預(yù)報(bào)沿海和港灣島嶼站的極大風(fēng),可以根據(jù)不同情況在 EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)向的基礎(chǔ)上考慮加大或減小45°～50°。

沿海11個(gè)代表站中, 對(duì)于海上浮標(biāo)站而言, 3個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差介于33.1°～111.1°, 空間分布為南北小于中部。對(duì)于海島站而言, 8個(gè)海島站的風(fēng)向誤差在16.76°～57.17°, 低于浮標(biāo)站。除福州過嶼島和莆田西高風(fēng)向誤差超過45°, 其余站誤差都在45°以內(nèi), 可參考性比較強(qiáng)。

港灣島嶼 26個(gè)代表站中, 對(duì)于海島站而言, 10個(gè)海島站的風(fēng)向誤差在 13.85°～95.95°, 北部寧德沿海的沙埕南鎮(zhèn)、福鼎臺(tái)山、福州沿海的過嶼島以及莆田西高風(fēng)向誤差超過 45°, 誤差較大, 其他地區(qū)誤差較小。對(duì)于近海站和偏內(nèi)陸站而言, 風(fēng)向誤差各地差異較大, 其中北部的福州沿海和寧德沿海最大,其次是南部的漳州沿海和廈門沿海, 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需考慮局地地形情況和所處的地理位置。

圖8 沿海代表站(a)與港灣島嶼代表站(b)風(fēng)向絕對(duì)誤差Fig. 8 The absolute error of wind direction of coastal stations (a) and harbor island stations (b)

3.2.3 大風(fēng)預(yù)報(bào)誤差

EC細(xì)網(wǎng)格大風(fēng)預(yù)報(bào)中, 風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增大而減小。沿海代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá)4.89、6.56、8.48和10.79 m/s。港灣島嶼代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá)5.27、7.03、9.61和10.78 m/s?？梢钥闯? 隨著級(jí)數(shù)的增加, 平均誤差增加。其中7級(jí)風(fēng)的平均誤差略小于總體樣本誤差, 7級(jí)風(fēng)的平均誤差約為4 m/s,接近1級(jí), 可參考性較高。大風(fēng)分級(jí)風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差與總體樣本誤差相比, 均較小, 且平均絕對(duì)誤差都在45°以內(nèi), 具有良好的參考性。港灣島嶼代表站的風(fēng)向誤差, 明顯小于沿海代表站的風(fēng)向誤差。說明 EC細(xì)網(wǎng)格大風(fēng)預(yù)報(bào)中, 風(fēng)向的可預(yù)報(bào)能力也比較強(qiáng)。

綜上所述, 沿海代表站方面, 當(dāng)EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)10～12 m/s的風(fēng)速時(shí), 可以考慮出現(xiàn)7級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)14 m/s的風(fēng)速時(shí), 可以考慮出現(xiàn)8級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)16 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn)9～10級(jí)陣風(fēng)。港灣島嶼代表站方面, 預(yù)報(bào)10 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn)7級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào) 12 m/s的風(fēng)速時(shí), 可以考慮出現(xiàn) 8級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)14 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn) 9級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào) 16 m/s的風(fēng)速時(shí), 考慮出現(xiàn)10級(jí)陣風(fēng)。風(fēng)向可直接參考預(yù)報(bào)的風(fēng)向。

3.3 T639誤差分析

3.3.1 風(fēng)速誤差

總體來說, 風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差, 48 h的預(yù)報(bào)誤差最大。

如圖9a所示, 沿海11個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為11 m/s, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差均大于海島站。圖9b所示, 港灣島嶼 26個(gè)代表站的平均絕對(duì)誤差為8.25 m/s, 風(fēng)速平均誤差依次是海島站>近海站>偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差小于沿海代表站。離陸地越遠(yuǎn), 風(fēng)速的誤差越大。T639的風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差遠(yuǎn)超過WRF和EC細(xì)網(wǎng)格模式, 可參考性較低。

圖9 沿海代表站(a)與港灣島嶼代表站(b)風(fēng)速絕對(duì)誤差Fig. 9 The absolute error of wind speed of coastal stations (a) and harbor island stations (b)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況極大風(fēng)速相比,大部分偏小。沿海11個(gè)代表站中, 其中24～72 h時(shí)次風(fēng)速偏小的分別占98.7%, 98.5%, 98.6%。港灣島嶼26個(gè)站中, 其中24～72 h風(fēng)速偏小的分別占95.6%,95.4%, 95.3%。

在沿海11個(gè)代表站中, 對(duì)于海上浮標(biāo)站而言, 3個(gè)浮標(biāo)站的風(fēng)速誤差介于 10.06～13.89 m/s, 空間分布為南北小于中部。對(duì)于海島站而言, 8個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在 6.81～12.67 m/s, 低于浮標(biāo)站, 大多數(shù)自動(dòng)站(75%)在8.43～12.67 m/s。超過8.43 m/s的有6個(gè)島嶼, 空間分布特征為中部的莆田、北部的寧德沿海以及漳州沿海較大, 其他地區(qū)較小, 最小的是泉州的惠安崇武。

在港灣島嶼 26個(gè)代表站中, 對(duì)于海島站而言,10個(gè)海島站的風(fēng)速誤差在4.97～12.94 m/s, 大多數(shù)自動(dòng)站(70%)在10.39～12.94 m/s。超過10.39 m/s的有7個(gè)島嶼, 空間分布特征為中部的莆田、北部的福州沿海較大, 其他地區(qū)較小。對(duì)于近海站而言, 10個(gè)近海站的風(fēng)速誤差在1.86～12.32 m/s, 小于海島站?？臻g分布特征為南部漳州沿海的東山最大, 其次中部的莆田沿海。偏內(nèi)陸站的風(fēng)速誤差為最小, 集中在 4.23～6.96 m/s, 其中南部的廈門沿海最大, 其次是漳州沿海。

可以看出, 風(fēng)速誤差由沿海向內(nèi)陸逐漸減小, 空間分布總的特點(diǎn)是中部和南部沿海的誤差較大, 尤其是南部的誤差偏大, 這一點(diǎn)與上述兩個(gè)模式有所不同。

3.3.2 風(fēng)向誤差

預(yù)報(bào)誤差大致隨時(shí)間逐漸加大。如圖10a所示,沿海 11個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為 161°, 其中浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差均大于海島站。圖10b所示, 港灣島嶼26個(gè)代表站的平均風(fēng)向誤差為141°, 風(fēng)向平均誤差依次是海島站>近海站>偏內(nèi)陸站。港灣島嶼代表站風(fēng)向的平均絕對(duì)誤差小于沿海代表站。以浮標(biāo)站的風(fēng)向誤差最大, 但偏內(nèi)陸站卻最小。另外, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,沿海11個(gè)代表站中, 24～72 h風(fēng)向角度偏大的占8成左右, 偏小的占2成左右。港灣島嶼26個(gè)站中, 24～72 h風(fēng)向角度偏大的占7成左右, 偏小的占3成左右。

由此可見, T639對(duì)于風(fēng)向的預(yù)報(bào), 十分不理想。最直接的原因, 應(yīng)與其模式的分辨率有關(guān)。

3.3.3 大風(fēng)預(yù)報(bào)誤差

T639大風(fēng)預(yù)報(bào)中, 隨著級(jí)數(shù)的增加, 風(fēng)速的平均誤差增加。沿海代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá)11.31、14.54、18.28和22.16 m/s。港灣島嶼代表站中, 7、8、9、10級(jí)風(fēng)的平均誤差分別達(dá)10.97、14.15、18.28和20.12 m/s。大風(fēng)分級(jí)風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差總體較大, 參考不佳。

綜上所述, 當(dāng)T639預(yù)報(bào)8 m/s的風(fēng)速時(shí), 即可考慮出現(xiàn)8級(jí)陣風(fēng); 預(yù)報(bào)10 m/s的風(fēng)速時(shí), 可以考慮出現(xiàn)9～10級(jí)陣風(fēng)。

4 總結(jié)

綜合全文代表站的統(tǒng)計(jì)分析, 可以得出以下結(jié)論:

1) 福建沿海冬半年大風(fēng)的盛行風(fēng)向比較集中,以東北風(fēng)為主。大風(fēng)由冷空氣引發(fā), 就頻數(shù)而言: 12月份最多, 強(qiáng)度最強(qiáng), 其次是1月份和2月份。

圖10 沿海代表站(a)與港灣島嶼代表站(b)風(fēng)向絕對(duì)誤差Fig.10 The absolute error of wind direction of coastal stations (a) and harbor island stations (b)

2) 統(tǒng)計(jì)表明福建省沿海冬半年大風(fēng)的空間分布極為不均, 中部海區(qū)大風(fēng)時(shí)數(shù)最多, 其次是北部、南部海區(qū), 呈紡錘型分布。同一海區(qū)的港灣, 處于外海的島嶼風(fēng)力明顯較大, 特別是風(fēng)力越強(qiáng), 其局地性特征越為突出。沿海風(fēng)力的脈動(dòng)性、跳躍性、局地性突出。

在分析模式模擬結(jié)果時(shí)我們注意到模擬風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速存在一定的誤差, 模擬風(fēng)向與實(shí)測(cè)風(fēng)向也不完全一致, 這些誤差的產(chǎn)生可能有 3個(gè)原因: 一是模式的系統(tǒng)性誤差, 數(shù)值模式由于網(wǎng)格距和積分時(shí)間步長(zhǎng)等因素, 模擬風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速不可能完全一致, 只是在一定程度上代表實(shí)際風(fēng)速, 誤差的存在不可避免;二是與模式調(diào)試過程中參數(shù)的選取有關(guān), 敏感性試驗(yàn)表明, 下墊面參數(shù)(植被高度, 土地利用等)的變化對(duì)模擬風(fēng)速變化影響較為明顯; 三是觀測(cè)場(chǎng)局地環(huán)境的變化對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也有一定影響, 用不準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 也會(huì)帶來虛假誤差。

從模式的對(duì)比分析, 我們可以看出:

1) 從風(fēng)速的模擬效果來看, 預(yù)報(bào)效果最好的模式是 WRF模式, 平均絕對(duì)誤差為 3～4 m/s; 其次是EC細(xì)網(wǎng)格模式, 平均絕對(duì)誤差為4～5 m/s; T639誤差最大, 可參考性最小。3個(gè)模式的預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)況極大風(fēng)速相比, 總體來說都偏小。港灣島嶼代表站風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差均小于沿海代表站。風(fēng)速誤差由沿海向內(nèi)陸逐漸減小, 空間分布總的特點(diǎn) EC和 WRF是中部、北部沿海的誤差最大, 而T639是中部、南部沿海的誤差最大。

2) 從風(fēng)向的模擬效果來看, 預(yù)報(bào)效果最好的模式是 EC細(xì)網(wǎng)格模式, 其次是 WRF模式, 平均絕對(duì)誤差是45°～50°; T639誤差最大, 無可參考性。WRF和EC細(xì)網(wǎng)格的預(yù)報(bào)風(fēng)向, 沿海站預(yù)報(bào)的角度偏大的占的比例較多, 而港灣島嶼站則預(yù)報(bào)角度偏小的占的比例較多; T639的預(yù)報(bào)風(fēng)向以偏大的為主。港灣島嶼代表站風(fēng)向的平均絕對(duì)誤差大于沿海代表站。風(fēng)向誤差以浮標(biāo)站最大。

3) 當(dāng)觀測(cè)風(fēng)速出現(xiàn) 7級(jí)及以上風(fēng)速時(shí), 對(duì)大風(fēng)進(jìn)行分級(jí)檢驗(yàn), 統(tǒng)計(jì)特征分析顯示較低風(fēng)速條件下的檢驗(yàn)結(jié)果一般優(yōu)于高風(fēng)速, 即隨著級(jí)數(shù)的增加,風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差增加。大風(fēng)分級(jí)風(fēng)向預(yù)報(bào)誤差與總體樣本誤差相比, 均較小, 且平均絕對(duì)誤差都在45°以內(nèi), 具有良好的參考性。

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