2011年世界大学生运动会海上基地选址方案对比分析

2011年世界大学生运动会海上基地选址方案对比分析

1气象条件分析第26届世界学生运动协会（以下简称大演讲比赛）于2011年8月在深圳举行。海上运动基地是深圳处理大演动物运动的主要建设项目。深圳市规划局确定了三个选址方案:首选桔钓沙,次选沙鱼涌,备选官湖。深圳市气象局重点分析桔钓沙海域的气象条件是否适合海上帆船、帆板运动,以期为海上基地选址提供科学依据。海风、海浪、海流是影响帆船、船板运动的重要因素,其中风是最重要的。按深圳市体育局提供的海上运动风需满足风速在3～20m/s、小时内风向摆动角度<50°的要求,本文在分析深圳50多年来8月对赛事高影响天气的基础上,利用深圳市自动气象站网和实时观测的海上气象资料,用数理统计和数值模拟等方法,着重分析桔钓沙海区域8月的风环境场状况,并与另二个选址方案进行对比,得出海上基地选址的综合分析报告。2数据和方法2.1深圳台风图2(1)1952—2006年深圳市地面气象观测资料;(2)1952—2006年热带气旋资料取自深圳气象局编制的《历年影响深圳市台风一览表》;(3)深圳市自动站网中距离桔钓沙海域最近(3km左右)的岭下站1997—2006年逐时风速、风向,2008年8月19日—9月8日分钟风速、风向资料。为了真实反映海上基地的风场情况,2008年8月19日—9月8日08时—17:30在桔钓沙近海距离海岸线3km处的固定地点,利用巡航船开展海上实时气象观测(22—23日因台风影响未观测)。2.2海底风速和风向风速从海岸线向内陆呈递减分布,衰减规律的研究一般采用比值法和空间相关法。本文利用2008年海上实时观测资料,用比值法和有条件概率方法分别对海区风速和风向进行订正。计算同步观测期间陆地代表站平均风速与海面平均风速的平均比值K,就是海面风速相对于陆地代表站风速的增大系数,K=1.4。大运会海上运动基地选址的气象评估采用数理统计分析与数值模拟相结合的方法。3带旋回8月—大运会期间高影响天气概况深圳市处在南海之滨,属亚热带海洋性气候。大运会期间正值深圳的雨季,降水频繁、天气炎热,是台风、暴雨、雷暴、高温热浪等灾害性天气的多发季节,台风、暴雨、雷暴将对海上赛程和赛事造成一定的影响。据1953—2006年资料统计发现,深圳8月平均热带气旋影响个数为1.2个,最多为4个(1973年),8月受热带气旋影响概率约为72%,但各日影响概率较小为10%左右;平均暴雨日数为1.9d,最多6d(1995年),月暴雨概率为85%;8月是深圳雷暴的高峰期,平均雷暴日数为14.5d,最多25d(1955年),日频率高达47%。台风、暴雨和雷电出现时,将对赛事的安全造成影响,不宜进行赛事,特别是雷暴在高影响天气中概率最高,因此应充分考虑雷暴天气对赛事可能造成的影响,提前做好应急防御措施。4通过分析橙色水域的风环境条件，澄清4.1海底风速风速按风速订正系数对岭下站的平均风速和极大风速进行订正,得到近似的海面风速。需要注意的是,由于海上观测时间较短,风速订正系数与实际情况可能存在一定误差,因此在今后的工作中有必要开展更长时间的海上实时观测,以便更真实地反映海面风环境场情况。4.1.1平均风速的日变化图1为1997—2006年8月桔钓沙陆地代表站(岭下)和风速订正后海面逐时平均风速变化曲线。可见桔钓沙海域平均风速具有明显的日变化特征:夜间风速逐渐减小,早晨开始加大,午后达到最大,这与海陆效应有关。陆地站10—19时的平均风速均≥3m/s,13—15时是风速最大时段,维持在3.5m/s以上。因此从陆地代表站的情况来看,海上赛事适宜安排在10时后进行,而订正后的海面风速全天各时次均可达到赛事的要求。4.1.2极大风速概率通过对1997—2006年代表站及订正后海面上逐时极大风速逐日资料分析发现,陆地代表站仅在2006年8月3—4日出现了极大风速≥20m/s的情况,出现概率仅有0.32%,这是0606号台风“派比安”造成的,而在其他年份的极大风速均<20m/s。订正后海面上极大风速超过20m/s有31次,概率约为10%,全部由热带气旋影响引起。而比赛进行的白天时段09—20时的极大风速≥20m/s出现23次,概率为7.4%。因此海上项目比赛期间风速≥20m/s的强风出现概率不大,只有受到热带气旋影响时才会出现,据统计热带气旋影响深圳的持续时间一般为1～2d,因此桔钓沙海域能够满足海上赛事对风速的要求。4.2橙色水域的风向4.2.1风向频率图采用条件概率方法对桔钓沙海域的风向进行订正,图2为订正后桔钓沙海域风向频率图。可见8月份桔钓沙海域的风主要来自二个方向,即方向Ⅰ:东-东南风,方向Ⅱ:西南西-西南风,频率分别为48%和29%,桔钓沙海域的主导风向为东南东风,概率为34%。4.2.2稳定di表1风是受地形、地貌和下垫面性质影响最为敏感的因子,一般情况下陆地上风向的稳定性比海面差。经过对2008年海面和陆地同时次风向的对比分析发现,虽然陆地和海上风向存在不一致性,但海面和陆地小时风向摆角<50°的概率大致相当,因此以桔钓沙陆地代表站的风向摆动情况代替海面的情况加以分析。4.2.2.实时风向摆动角度图3为岭下站1997—2006年8月09—18时平均时风向摆角及时风向摆角>50°出现概率的日变化曲线。由风向摆角变化曲线可知,10年平均的小时风向摆转角均<50°,集中在25～35°之间。且各日小时风向摆动角度≥50°的概率<20%,即各日小时风向摆动角度符合海上赛事要求的概率>80%。据统计风向摆动>50°的持续时间一般不超过2小时,因此比赛时如遇风向摆动较大时,赛程推迟1～2小时,比赛即可继续进行。4.2.2.风向摆动角度由1997—2006年8月09—18时逐时风向摆动角度逐日变化曲线(图略)可知,各时次10年平的时风向摆角都不大,集中在15～45°。09、18时风向摆角是各个时次中最大的,31天中有6天小时风向摆动角度>50°,10—17时各时次仅有1～2d风向摆角>50°,其中10、12时的风向摆动角度最小。因此从风向摆动来看,大运会海上赛事适宜安排在10—17时进行。4.3深圳副热带高压边缘影响下的数值模拟不同天气系统以及处在系统的不同位置会产生不同的天气,风场的变化更为明显。为了解在不同天气系统影响下桔钓沙海域的风向、风速变化情况,对2006年8月影响深圳的天气系统进行分型,得到8月影响深圳的典型形势场有:副热带高压控制、副热带高压边缘、热带气旋、热带辐合带,其中副热带高压是影响深圳最多的天气系统。由于在热带气旋和辐合带影响下一般会给深圳带来强降水或强风天气,比赛很难如期举行。对2006年8月28—30日一次副热带高压加伸西伸过程中,深圳由副热带高压边缘影响逐渐转为副高控制的过程进行数值模拟,以期直观、真实地反映副热带高压影响下桔钓沙海区域风场情况,为本项评估的开展提供科学依据。通过对比分析发现,MM5模式成功预报了副热带高压加强西伸的过程,与实际形势场相符。4.3.1沙鱼涌-官湖海域风速、风向和风向2006年8月28日深圳处在副热带高压南缘,位于国家基本观测站的竹子林站的白天时段吹2～3m/s的东北-东南风。图4为2006年8月28日10时和14时风模拟场,由图可知,深圳市区10时和14时为东-东南风,风速为2～4m/s,风场模拟结果与实际观测结果相符。在副热带高压边缘影响下,三个待选海上运动基地的风场明显不同,从风速来看,沙鱼涌-官湖海域风速由南到北递减,10时由6m/s递减为2m/s,14时由8m/s递减为3m/s;桔钓沙海域内风速稳定,由10时的6m/s加大到14时的8m/s;沙鱼涌-官湖海域风向存在明显角度摆动,由偏东风向南逐渐转为东南风,而桔钓沙海域的10时和14时均为一致的东南风。为更清楚地了解各待选海域风向、风速随时间的变化,选取W和E点分别代表沙鱼涌-官湖和桔钓沙海域,制作风速和风向随时间的变化曲线(图5)。由图5可知,沙鱼涌-官湖海域09—18时风速随时间变化不大,为3～4m/s,12时前风向摆动较小,但12时后风向发生明显转变,12—13时由东南东转为南风,时风向摆角接近90°,之后又逐渐转为东南风。桔钓沙海域09—18时的风速情况与上述海域一致;风向在东南-西南之间摆动,但各小时内风向未出现大幅度转变,时风向摆角大致在35～45°之间。由模拟结果可知,在副热带高压边缘影响下桔钓沙海域内风速比沙鱼涌-官湖区域的大,风向小时摆动角度较小,符合赛事的要求,而沙鱼涌-官湖海域风向大幅摆动,不利于赛事。4.3.2风速随时间的变化副热带高压继续加强西伸,30日强大的副热带高压控制在华南上空,深圳早晨为微弱的西南风,11时风速加大到3m/s,下午达到5m/s。图6为10时和14时地面风模拟场,从模拟结果来看,市区以西南-偏南风为主,风速为2～4m/s,模拟结果与实际观测基本一致。三个待选海域10时的风速小、风向较紊乱;14时的风速加大到8m/s,风向基本稳定,其中桔钓沙区域以偏南风为主,官湖和沙鱼涌区域为西南风。由沙鱼涌-官湖和桔钓沙海域内的风速和风向随时间的变化曲线(图7)可知,沙鱼涌-官涌海域09—18时风速由5m/s逐渐加大到8m/s,09—15时风向摆动角度较小,但15—17时摆动角度较大。桔钓沙海域09—18时风速变化与上述海域基本一致,但风向摆动始终保持在35°以内。由模式模拟结果分析可知,副热带高压控制下,三个待选海域的风速均明显大于市区,09时起风速已达到5m/s以上,符合赛事对风速的要求;三个待选海域的时风向摆角能够满足比赛时风向摆动<50°的要求,但桔钓沙海域的风向更为稳定。5地面观测结果分析(1)8月对海上赛事有影响的高影响天气中,雷电日出现频率最高,达47%,台风和暴雨影响的平均个数和日数分别是1.9个和1.2天。虽然台风、暴雨影响时间不多,雷电持续时间不长,但一旦出现时就会对赛事的安全造成影响,不宜进行比赛,因此届时必须根据季度、月、旬、周、日各种不同时效的天气预报的结果来安排赛事。(2)桔钓沙海域的风速比陆地大,约为陆地的1.4倍,平均风速>3m/s,极大风速>20m/s的概率为<10%,且小时风向摆角符合比赛条件的概率>80%,因此桔钓沙海域的风条件可以满足海上赛事的要求;从逐时风向、风速变化的情况来看,比赛适宜安排在10—17时进行。(3)通过典型气象场的数值模拟