深圳沿海風特性的觀測分析

深圳沿海風特性的觀測分析

強因子是指風速突然升高或突然變化，主要是由于快速不規(guī)則的水流。陣風長期的趨勢預測對樓宇及橋梁的結構性設計甚為重要至目前為止,對深圳沿海地區(qū)在熱帶氣旋及季風影響下,陣風系數的特征及差異的研究還比較少見,本研究利用深圳近海有代表性的3個站點,研究了在季風和熱帶氣旋影響下陣風系數的特征,研究結果對深圳本地近海工程及港口碼頭有針對性的大風防御提供了科學的依據。1數據和方法1.1深圳沿海地區(qū)陣風系數的測定根據深圳的東西兩側有海灣,南側與香港接壤,毗鄰南海的海陸分布情況,選取了位于深圳西部沿海的媽灣港站、東部沿海的鹽田港站,和距離岸邊有260km的流花111石油平臺站進行深圳沿海地區(qū)陣風系數的分析(站點位置見圖1)。風速的研究數據選取了2009—2014年共6年的觀測資料,考慮到地形高度對風的影響,選取的3個自動站海拔高度相差不大,介于24~26m之間。1.2未發(fā)布雷暴預警信號在廣東沿海,熱帶氣旋和季風是對陣風影響最為顯著的天氣系統(tǒng)1)季風型規(guī)則:深圳市氣象臺發(fā)布了大風預警信號同時未發(fā)布雷暴預警信號,且10min平均風速≥5m/s。去除發(fā)布了雷暴預警信號期間的數據的目的是為了排除強對流天氣造成的陣風的影響,因強對流天氣與季風形成的陣風在機理上有顯著的區(qū)別。這樣篩選出來的個例可能包括東北季風。2)熱帶氣旋型規(guī)則:深圳市氣象臺發(fā)布了臺風預警信號且10min平均風速≥5m/s。1.3矩陣系數目前廣泛接受和使用的陣風系數的計算公式為2結果與分析2.1陣風系數表1給出了媽灣港、鹽田港、流花111石油平臺3個站點在季風型和熱帶氣旋型影響下陣風系數的統(tǒng)計結果。媽灣港位于深圳的西部、珠江口的東側。由表1可知,在陣風系數的各項統(tǒng)計指標的比較中,熱帶氣旋型陣風系數都高于季風型陣風系數,這與前人的研究結果鹽田港位于深圳東部,北鄰800余米高的梧桐山系(圖1),對比顯示,在季風型影響下陣風系數的任一指標均高于熱帶氣旋型的影響,即在同等的平均風速條件影響下,季風型天氣系統(tǒng)的影響會帶來更大的陣風,這與同處深圳沿海的媽灣港的陣風系數有很大區(qū)別。流花111平臺站熱帶氣旋型陣風系數除最大值比季風型更高外,其它均不如季風型的陣風系數高。熱帶氣旋的影響下,大氣穩(wěn)定度和湍流程度發(fā)生劇烈的變化,導致風速出現急劇的擾動,有利于記錄到最大值,但從中值、平均值、標準偏差來看,均為季風型陣風系數更高。吳濱等2.2陣風、3風頻率圖2給出了季風和熱帶氣旋影響下陣風的頻率分布,媽灣港站在兩種天氣型影響下,最大的陣風頻率都出現在陣風10m/s左右,而且2種類型影響的陣風頻率分布曲線比較一致;鹽田港站在熱帶氣旋影響下,陣風頻率的峰值集中在陣風10m/s左右,但是在季風影響下,最大的陣風頻率則出現在陣風14~15m/s,并且在陣風12~22m/s的范圍內,季風型的陣風頻率均高于熱帶氣旋型,尤其在陣風14~18m/s之間的頻率,兩者相差約3%~4%,只有在23m/s以上的陣風范圍內,熱帶氣旋影響下陣風頻率略高,即鹽田港站出現6~9級風概率季風型明顯高于熱帶氣旋型,但在更高級別的風力上,兩者的差距不大。一般來說,陣風達到7級以上,港口碼頭等行業(yè)的作業(yè)會受到顯著的影響,因此東部的港口碼頭等行業(yè)在季風天氣系統(tǒng)影響下,需更加關注。對于離岸的流花111平臺站,當陣風在11m/s以下,熱帶氣旋影響下的陣風概率較高,反之,當陣風介于12~20m/s之間時,季風影響下的陣風頻率更高;當陣風>21m/s以上時,熱帶氣旋型的概率高于季風型。說明在6級以下的較低風速區(qū)和9級以上的較高風速區(qū),對于海上的站點,熱帶氣旋型的陣風頻率較高,而季風型影響下,海上觀測站點的陣風更多的集中于6~8級之間。2陣風系數隨平均風力的變化圖3給出了陣風系數與10min平均風的關系,反映在不同的平均風力水平下,風的擾動幅度,除了散點圖之外,還給出了在3級及以上,陣風系數的平均值(用帶標記的線表示),橫坐標為蒲氏風力等級的中間值,即3級:4.4m/s、4級:6.7m/s、5級:9.35m/s,余以此類推。媽灣港的陣風系數在不同的平均風力水平下,季風型和熱帶氣旋型的陣風系數隨平均風的變化比較穩(wěn)定,8級風以上的數據較少,不具有很好的代表性。熱帶氣旋型影響下的陣風系數在平均風介于3~6級風之間均略高于季風型陣風。鹽田港季風型的陣風系數普遍高于熱帶氣旋型。從鹽田港所處的地形來看(如圖1),它處于山谷的西北-東南向通道上,容易在季風型天氣系統(tǒng)的影響下,疊加地形的狹管效應,導致風力的明顯加大,這可能是鹽田港站季風型影響下陣風系數顯著高于熱帶氣旋型的原因。與陸地不同,海面的粗糙度會隨著風速的改變而改變,有研究表明,平均風速在9m/s以下時,湍流強度隨著平均風力的加大迅速下降,超過9m/s這個臨界值后,湍流強度的變化趨于穩(wěn)定,且臨界值的變化與離岸距離有關3級以上陣風頻率為了研究強陣風的日變化特點,圖4給出了7級以上陣風頻率的日變化特征。從季風型(圖4a)陣風可以看出,流花111平臺站記錄到的7級以上陣風頻率明顯高于媽灣港站,但鹽田港站的7級以上陣風頻率則明顯與同屬于沿岸站點的媽灣港站有所不同,不僅有明顯的日變化,并且在夜間7級以上陣風出現的頻率與熱帶氣旋型陣風相當。這可能與鹽田港所在的地理位置,一方面容易受到梧桐山地形的影響,同時這種7級以上陣風頻率在夜間顯著增大,很有可能與海陸風的加強作用有關,需進一步深入研究。熱帶氣旋型(圖4b)影響下,媽灣港和鹽田港的7級以上陣風出現的時間分布比較相似,全天的時變趨勢沒有明顯的差異,流花111平臺站的7級以上陣風的出現概率明顯高于沿岸站點,位于東部的鹽田港站點出現7級以上陣風的概率略高于位于西部的媽灣港站點。沿海的港口碼頭等行業(yè)對7級以上大風最為關注,研究表明,7級以上強陣風出現頻率,流花111平臺(遠海)大于媽灣港和鹽田港(近海),鹽田港(東岸)大于媽灣港(西岸)。但是在季風型影響下,與媽灣港相比,鹽田港可能出現更高頻率的強陣風,在夜間甚至可能超過流花111平臺站,需加強防御。本研究討論了基于實況觀測資料的陣風系數的特