浙江沿海海岛台风阵风系数的分析

浙江沿海海岛台风阵风系数的分析

近地面风特征的预报途径台风影响时风，使雨动力变得更严重，经济损失更加造成。风的研究受到了高度重视。许多科学家使用不同的模型和数据研究了近地面风的空间发展特征。利用模式输出是目前大风预报主要途径,但模式计算的变量是基于一定空间格点和时间步长的平均,对瞬时阵风的预报能力明显不足。因此利用模式输出来估算极大风速的方法得到了开展,如W.CdeRooy1阵风系数的测定提取由浙江省信息网络中心提供的浙江沿海9个常规气象站的逐小时极大风速和整点10min平均风速资料,然后将两者相除得到阵风系数。9个气象站的具体地理信息及分布见表1。大风数据提取的时间为:2004—2013年影响浙江的38个台风所对应的影响时段(具体时间列表略)。2风观测数据的统计特征2.1阵风系数与平均风速的关系由于平均风速与阵风系数对应统计关系是以不同概率分布在某个区间范围内,采用分位数回归方法,它利用解释变量的多个分位数(例如5%,25%,50%等)来得到被解释变量的条件分位数分布,从而得到解释变量和被解释变量之间存在的区间关系。对平均风速与阵风系数进行分位数回归统计,回归方程通过了0.05的显著性检验(图1),图中等值线代表与平均风速所对应的不同阵风系数的频次分布,从下到上5条虚线分别对应5%,25%,50%,75%和95%分位数的二阶回归线。可见,总体上来看,平均风速较大时对应的阵风系数变化范围要小些,比如风速小于10m/s时,其系数跨越的区间一般可达1.5~2.5,风速超过15m/s时,阵风系数振幅减小到1.0左右。一般随着平均风速的增加,所对应的阵风系数有减小的趋势,但当平均风速较大时阵风系数减小趋势趋于缓和。此外,58760、58484、58477三个站点的阵风系数明显要大些,而58764、58472、58473三站的系数要偏小些,可见阵风系数的局地差异性明显。2.2阵风系数与网点的距离关系为了了解各站点在台风大风出现情况下对应阵风系数的局地性差异,考虑到离海岸较近的站点台风影响风力要小一些,针对同量级大风对比,分别绘制了平均风速10.1~20m/s和20.1~30m/s区间对应的阵风系数与站点离海岸线距离、所处纬度和海拔高度的关系图(图2和图3),图2a反映平均风速10.1~20m/s对应的阵风系数与站点离海岸线最短距离的关系,可见距离海岸线25km内的站点比以外站点的阵风系数要偏大些,其系数中位数一般为1.6~1.8,说明海岸地形对系数影响较明显,距离超过25km站点阵风系数较相对小些,其阵风系数中位数一般为1.3~1.5。图2b反映阵风系数与站点所处纬度关系,可见两者并无明显相关之处。图2c反映阵风系数与站点海拔高度的关系,可见海拔小于700m站点的阵风系数要大些,其系数中位数一般为1.8左右,而对于大于700m的站点,其中位数一般为1.5左右,说明低海拔区站点受地形的影响要大些,风速容易形成狭管效应。图3则反映了平均风速为20.1~30m/s所对应的阵风系数的统计,与平均风速10.1~20m/s对应的阵风系数特征相比,其与海岸线距离、所处纬度和海拔高度对应的平均阵风系数关系总体类似,但平均阵风系数要小一些,各站阵风系数的95%与5%分位数均值之间的区间普遍要小。2.3阵风系数与台风位置关系台风作为一类特定的大气环流系统,其阵风系数必然与自身结构密切关联。图4a为台风7级风圈半径(r)与站点和台风中心之间直线距离(d)的比率(r/d)与阵风系数的关系。可见,随着r/d增加,阵风系数有增大趋势,其50%分位数平均阵风系从1.3增大到1.5,且系数振幅也有所扩大,说明随着台风的逼近,站点出现极端瞬时风速概率将会增大。图4b为台风中心气压(p)与站点和台风中心直线距离(d)的比率(p/d)与阵风系数的关系,可见p/d小于等于4hPa/km时,阵风系数有增大趋势,其50%分位数平均阵风系数从1.3增大到1.6,但随后阵风系数变化基本稳定,50%分位数平均阵风系数在1.6附近,说明p/d与阵风系数的关系没有r/d联系紧密。图4c为站点离台风中心距离与阵风系数的关系,可见距离少于300m时,50%平均分位数基本稳定在1.5左右,然后随着距离增大,50%分位数平均阵风系数减少到1.4附近,总体上来看,其50%分位数平均阵风系数单调趋势也没有图4a来得明显。图4d为台风7级风圈半径和站点高度比值(r/h)与阵风系数的关系,总体上随着比值增大,50%分位数平均阵风系数逐渐从1.3增大到1.5,但与r/d结果相比,阵风系数变化范围要大一些。可见台风阵风系数与r/d的关系最好。为了更加具体分析台风阵风系数与r/d的关系,分别统计了r/d在0.5~1.0和1.0~1.5区间时阵风系数变化情况(图略),可知,r/d较小时阵风系数随平均风速增大而减小的变化趋势较缓慢些。3.1建立概率预报模型由于地理分布的差异,各个站点的阵风系数有自己独特的表现特征,考虑基于单站资料,采用分位数回归方法,建立概率预报模型。试报采用交叉循环检验方案,先将资料等分为4份,先使用3/4的资料进行5%,25%,50%,75%和95%分位数拟合回归,其余1/4的资料进行试报,然后进行检验,完成后将原先1/4的试报样本并入拟合样本,而原来拟合样本则拿出1/4进行试报,这样重复试验4次得到最终结果。3.2阵风系数20%概率区间图5a为各站平均风速在10.1~30m/s的阵风系数50%概率区间的分布,可见,大部分站点50%概率区间位于0.15~0.25之间,其中58473、58570、58764、58666、58663站在0.15~0.20之间,具有较窄的范围区间,对应的极大风上下限范围一般在2.0~3.0m/s之间,小于业务上1个风力等级范围(约3.2m/s)。58472、58477和58484站在0.25~0.3之间,对应的极大风上下限范围一般在3.0~5.0m/s,对应业务上略大于1个风力等级范围。图5b为各站平均风速在10.1~30m/s的阵风系数90%概率区间的分布,可见,除58473和58477站外,其他大部分站点90%概率区间位于0.3~0.5之间,对应的极大风上下限范围一般在4.0~6.0m/s之间,基本上在2个风力等级范围以内。图6为各站平均风速在10.1~30m/s区间的50%分位数回归拟合的绝对误差比较,可见,各站误差范围一般在1.6~2.2m/s范围之内,其中以58570、58764最小。3.3预报概率东南角区域下转点交叉试报检验结果见表2,大部分站的50%概率击中率不论是平均风速为10.1~20m/s的检验在10.1~30m/s区间的绝对误差个例,还是20.1~30m/s的检验个例,其准确率均与50%接近,波动范围一般在3%以内,其中10.1~20m/s个例,试报效果较好的有58473、58484、58764、58666等站,击中率一般在50%以上,试报效果相对差的站为58477和58570站,但也达到了48%的准确率;而对于20.1~30m/s的检验个例,58472、58473和58570站击中率一般在50%以上,58477和58484站因为没有此区间数据,没有计算结果,需要指出的是平均风在20.1~30m/s的个例比10.1~20m/s的个例明显偏少。而对于90%概率预报而言,其预报概率击中率均在90%范围附近波动,10.1~20m/s的检验个例较好的有58473、58472、58570、58764、58666站,击中率一般在90%以上。对于20.1~30m/s的检验个例表现较好的站有58472、58570、58666和58760,击中率一般在90%以上。4基于概率区间的分级数回归模型台风阵风是风的瞬时变量,影响因子多,不仅同天气系统相关,还与站点地理位置有关,且不同风力等级的阵风系数相差较大,比如当平均风速小于10m/s时,系数跨越的区间一般可达1.5~2.5,平均风速超过15m/s时,阵风系数振幅减小到1.0左右。距离海岸线较近的站点其阵风系数相对要偏大些,比如25km内的站点其系数的中位数一般为1.6~1.8,而距离超过25km的站点其阵风系数中位数一般为1.3~1.5。另外,海拔高度高的站点其阵风系数要小些,如海拔小于700m的阵风系数中位数一般为1.8左右,而对于大于700m的站点,其中位数一般为1.5左右。可见,瞬时阵风具有很强不确定性,使用常规预报方法进行定量往往有较大偏差,因此考虑使用基于概率区间的方法对大风进行预报具有合理性,其结果能给予决策者带来更多回旋余地。通过分析台风参数与影响阵风的关系,得出阵风系数与台风7级风圈半径和站点离台风中心距离的比值具有最好相关。