一种北方近海海域极大风风速的估算方法与流程

1.本发明属于气象探测技术领域，具体涉及一种北方近海海域极大风风速的估算方法。


背景技术：

2.黄、渤海是我国航运、能源开发和海洋渔业等的重要海域，其大陆性和海洋性的双重气候特征使其海区和沿岸陆地大风灾害天气频发。平均风速达到6级(10.8～13.8m/s)及以上的风，称为大风，而造成严重灾害的通常为某个时间段内的极大风。环渤海、黄海北部沿岸陆地全年日极大风速达6级以上的大风日数近80天，出现8级以上(≥17.2m/s)的大风日数近70天、最多超过100天。大风是北方海域及其沿海地区的危险性天气，它严重影响海洋运输、海上作业等的交通安全及渔业养殖等的海洋资源开发。随着北方海域沿海经济的发展，大风天气的精准预报具有重要意义。
3.目前，极大风的预报方法有统计学方法、天气学方法、数值预报方法和数值预报订正方法。其中统计学方法通常以气压、温度、风向和风速等为自变量，通过多元回归建立极大风速与气象影响因子的数学表达式，以此作为极大风的预报。该方法忽略了不同下垫面对大风的影响，精准度有待提高。
4.天气学方法根据造成大风的地面主要影响系统和高空环流特征进行天气学分型和诊断研究，提取不同影响系统下的预报指标，结合沿岸大风实况进行极大风预报。该方法对引发大风的天气背景和物理过程进行了深入研究，但同统计学方法类似，并不能考虑下垫面对风的增幅作用，且该方法更依赖于预报员主观经验，因预报员个体差异明显影响预报精准度。
5.数值预报方法是通过描述大气运动特征的偏微分方程组，利用风速与气象影响因子之间的数学关系进行数值计算，是一种客观、定量的精细化预报方法。该方法已广泛应用于大风预报业务。但因各模式所依赖的参数化方案对下垫面的描述、海气耦合、极大风的中尺度物理过程等的描述不尽完善，模式输出的极大风速与实况风场偏差较大，其精准度与预报预警需求还存在一定的差距。
6.数值预报订正方法多是利用北方海域沿岸监测站、海上石油平台站、海岛站、浮标站及遥感产品反演的风场等多源数据，基于不同模式、不同算法，在阵风预报基础上进行偏差订正，确定权重系数，建立预报方程。该方法虽然进行了实况订正，但其更依赖于数值预报产品，同样具有数值预报方法的欠缺。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供一种北方近海海域极大风风速的估算方法。采用此预报方法既兼顾强、弱冷空气大风的预报，又考虑中尺度强风区风速的增幅，可提高北方海域大风预报度准确率。
8.本发明是这样实现的，提供一种北方近海海域极大风风速的估算方法，包括如下
步骤：
9.步骤1)：基于北方近海海域的极大风风场实况风速与ec-thin模式预报的不同气压条件下的风速进行对比，选择与极大风风场实况风速平均绝对误差最小的风速的气压条件；
10.步骤2)：选取北方近海海域若干探空站测得的、在步骤1)选取的气压条件下的实况风速，与ec-thin模式预报的相同气压条件下的、同时刻的、与若干探空站距离最近的格点风速进行对比，计算风速偏差；
11.步骤3)：利用步骤2)得到的风速偏差对下一时刻ec-thin模式预报的相同气压条件下的、与若干探空站距离最近的格点风速进行偏差订正，将订正后的格点风场数据作为北方近海海域极大风初始预报场；
12.步骤4)：根据北方近海海域不同地形情况在全年不同时间段、不同风向对极大风的增幅作用，设定不同的动态增幅阈值，利用动态增幅阈值对步骤3)得到的极大风初始预报场进行格点风场数据订正，估算出北方近海海域极大风的风速。
13.优选的，步骤1)中，基于北方近海海域的自动站、海岛站、浮标站和钻井平台站测得的极大风风场实况风速与ec-thin模式预报的阵风风速、925hpa和850hpa风速进行对比，925hpa气压条件下的风速与极大风风场实况风速平均绝对误差最小。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于：
15.极大风风速预报初始场是基于ec-thin模式预报风场和多源观测实况风场搭建，获得过程不依赖于个人经验，更加客观、定量。地形增幅订正基于不同时间、不同区域、不同风向，既减少了数值预报模式的动态误差，又减少弱冷空气引发大风的漏报，且地形的风速增幅进一步精准、精细地预报了中尺度强风区的分布，预报结果更接近实况。
具体实施方式
16.下面结合具体的实施方案，对本发明进行进一步的解释说明，但并不用于限制本发明的保护范围。
17.北方海域偏北大风的触发机制是大尺度环境场中的穿越等压线运动，大风的维持与否主要取决于低层的天气尺度与次天气尺度系统之间的动能和涡度转换。低层大气获得动能，消耗正涡度，有利于地面动能的补充，从而造成动能输入地区大风维持甚至产生增幅，消耗动能则大风停止。同时，环渤海地形对渤海偏南大风和黄海北部偏北大风、山东半岛地形对渤海海峡和黄海北部偏南和偏北大风均有增幅作用；其中，渤海东北部偏南大风和山东半岛东北部海域偏北风增幅最大，可达4m/s，而辽东半岛东部海域偏北大风和山东半岛东北部海域偏南大风均增幅2m/s。
18.大风期间，北方海域上空存在明显的次天气尺度波动特征。强辐散由中低层大气下传至边界层以下，是触发大风形成维持的关键因素。边界层从次天气尺度获得的次天气系统动能明显增大，沿岸出现中尺度强风区。边界层大气消耗次天气尺度正涡度，获得动能，有利于大风的形成、维持甚至产生增幅。850hpa以下的低层大气从次天气尺度系统获得动能的多少与偏北风的强度密切相关。
19.基于黄渤海沿海自动站、海岛站、浮标站和钻井平台站的极大风风场实况与欧洲中心细网格(ec-thin)模式预报的阵风风速、925hpa和850hpa风速进行对比分析，结果表明
925hpa风速与极大风风速的平均绝对误差最小，相关性最好。首先提取北方海域沿岸三个探空站(大连站、锦州站、荣成站)925hpa实况风速，将其与ec-thin模式预报的与其同时刻、最近的3个925hpa格点(121.5
°
e、41.25
°
n，121.5
°
e、39.0
°
n，122.25
°
e、37.5
°
n)风速进行对比，计算风速差值，利用风速偏差对下一时刻的925hpa格点风速进行偏差订正，将订正后的925hpa格点风场数据作为北方海域极大风初始预报场。
20.北方海域沿岸地形对大风有明显增幅作用。辽东半岛地形对渤海偏南大风和黄海北部偏北大风、山东半岛地形对渤海海峡和黄海北部偏南和偏北大风均有增幅作用；其中，渤海北部偏南大风和山东半岛东北部海域偏北风增幅最大，可达4m/s，而辽东半岛东部海域偏北大风和山东半岛东北部海域偏南大风均增幅2m/s。北方海域沿岸地形对大风增幅作用随季节变化有所差异，因此，在采用动态增幅阈值进行格点订正。在11月至翌年3月，地形增幅作用明显高于其它季节，在订正后的925hpa格点风速上分海区和风向进行增幅；北风时，渤海风速增幅2-4m/s，渤海海峡、黄海北部风速增幅4-6m/s；南风时，渤海风速增幅2-4m/s，渤海海峡、黄海北部风速同925hpa格点风速。在4-10月，各海区极大风速同订正后的925hpa格点风速。
21.结合所述预报方法，基于ec-thin对925hpa风速进行订正，订正后的925hpa风速作为极大风风速初始预报场，针对不同季节、不同海区和不同风向进行风速增幅订正，最终确定极大风风速。
22.实施例1、
23.在大风的日常预报中，冬季北方海域强、弱冷空气引发的偏北大风，容易出现预报偏弱或漏报的现象。2020年4月4日01时至傍晚、2021年3月5日20时至6日傍晚、2022年1月19日01时至21时、2022年2月26日08时至17时、2022年3月18日20时至19日09时，渤海、渤海海峡和黄海北部出现偏北大风，前四次最大阵风达8～9级、第五次最大阵风达9～11级。对这五次大风过程，各种数值预报产品对地面气压场的预报接近实况；前两次大风过程模式预报黄、渤海海面偏北风平均风力为5～6级、阵风7～8级，后三次大风过程模式预报黄、渤海海面偏北风平均风力为6～7级、阵风8～9级，数值预报和经验预报与实况存在较大误差。
24.五次大风期间，黄、渤海区域边界层大气消耗次天气尺度正涡度，获得动能，有利于大风的形成维持甚至产生增幅。
25.利用本发明所述订正方法，基于ec-thin对925hpa风速进行订正，订正后的925hpa风速作为极大风风速初始预报场。针对几次大风过程的发生时间、风向，对不同海区进行风速增幅订正，最终确定前四次极大风风速为20～24m/s(8～9级)，最后一次为24～30m/s(9～11级)，更接近实况风速。在对流层低层风场和散度场的数值预报产品基础上，利用黄、渤海冬季偏北大风期间动能和涡度转换的次天气尺度特征研究成果，根据黄渤海海岸线的特点及预报海区大风的订正阈值，输出黄渤海大风的定量预报，能够提高数值预报产品对黄渤海大风的释用能力，进而提高北方海域大风预报精准度。

技术特征：
1.一种北方近海海域极大风风速的估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)：基于北方近海海域的极大风风场实况风速与ec-thin模式预报的不同气压条件下的风速进行对比，选择与极大风风场实况风速平均绝对误差最小的风速的气压条件；步骤2)：选取北方近海海域若干探空站测得的、在步骤1)选取的气压条件下的实况风速，与ec-thin模式预报的相同气压条件下的、同时刻的、与若干探空站距离最近的格点风速进行对比，计算风速偏差；步骤3)：利用步骤2)得到的风速偏差对下一时刻ec-thin模式预报的相同气压条件下的、与若干探空站距离最近的格点风速进行偏差订正，将订正后的格点风场数据作为北方近海海域极大风初始预报场；步骤4)：根据北方近海海域不同地形情况在全年不同时间段、不同风向对极大风的增幅作用，设定不同的动态增幅阈值，利用动态增幅阈值对步骤3)得到的极大风初始预报场进行格点风场数据订正，估算出北方近海海域极大风的风速。2.根据权利要求1所述的北方近海海域极大风风速的估算方法，其特征在于，步骤1)中，基于北方近海海域的自动站、海岛站、浮标站和钻井平台站测得的极大风风场实况风速与ec-thin模式预报的阵风风速、925hpa和850hpa风速进行对比，925hpa气压条件下的风速与极大风风场实况风速平均绝对误差最小。

技术总结
本发明属于气象探测技术领域，具体涉及一种北方近海海域极大风风速的估算方法，极大风风速预报初始场是基于EC-thin模式预报风场和多源观测实况风场搭建，地形增幅订正基于不同时间、不同区域、不同风向。本发明提供的极大风风速的估算方法获得过程不依赖于个人经验，更加客观、定量，既减少了数值预报模式的动态误差，又减少弱冷空气引发大风的漏报，且地形的风速增幅进一步精准、精细地预报了中尺度强风区的分布，预报结果更接近实况。预报结果更接近实况。


技术研发人员：梁军 李昱茜 张黎红 贾旭轩 冯呈呈 刘晓初 程航
受保护的技术使用者：大连市气象台
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/25