徐 彬 蔣璐璐 涂小萍 倪永森 鄭 健

(1.象山縣氣象局，浙江 寧波 315700; 2.寧波市氣象臺，浙江 寧波 315012;3.寧波市奉化區(qū)氣象局，浙江 寧波 315500)

1 概述

2023年9月23日至10月8日，第19屆杭州亞運(yùn)會帆船帆板比賽(以下簡稱“亞帆賽”)將在寧波市象山縣亞帆中心舉辦。9月份正值寧波的主汛期，天氣復(fù)雜多變，高影響天氣事件多，如臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流、大霧、大風(fēng)等天氣時(shí)有發(fā)生，甚至不能驅(qū)動風(fēng)帆的小風(fēng)天氣也有可能發(fā)生。作為海上項(xiàng)目，帆船帆板運(yùn)動很大程度上受天氣影響，特別是對風(fēng)力和風(fēng)向的要求較高。一般要求風(fēng)速持續(xù)在3～20 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)力過小導(dǎo)致帆船帆板缺少前行動力，風(fēng)力過大時(shí)出于安全考慮需要停止比賽；風(fēng)向是確定航線的標(biāo)準(zhǔn)，從比賽公平角度出發(fā)，一輪比賽中風(fēng)向擺動不應(yīng)大于50°。風(fēng)的精細(xì)化預(yù)報(bào)對比賽能否順利進(jìn)行、運(yùn)動員的能力發(fā)揮起著決定性作用。

帆船賽氣象保障服務(wù)的成功經(jīng)驗(yàn)已有不少。2008年8月，奧運(yùn)會帆船比賽(以下簡稱“奧帆賽”)曾在我國青島舉行，洪光等[1]統(tǒng)計(jì)了可能對奧帆賽產(chǎn)生影響的天氣出現(xiàn)概率，指出影響奧帆賽的天氣主要是強(qiáng)降雨、雷暴和熱帶氣旋。郭敬天等[2]分析討論了青島奧帆賽氣象服務(wù)體系中關(guān)鍵性環(huán)節(jié)的技術(shù)要求與技術(shù)構(gòu)成，指出海岸線附近的風(fēng)向、風(fēng)速除了受天氣系統(tǒng)、地形走向等影響因素外，還受海陸風(fēng)的影響[3]。盛春巖等[4]對賽場附近的海陸風(fēng)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)青島國際帆船賽期間海陸風(fēng)發(fā)生的頻率非常高，海陸溫差不是決定海風(fēng)強(qiáng)弱的唯一因子。李慶寶等[5]分析發(fā)現(xiàn)地面背景氣流、邊界層中上部徑向氣流和周圍地形、海陸分布等邊界層特征，都對競賽海區(qū)海陸風(fēng)的發(fā)展產(chǎn)生影響。另外，強(qiáng)對流天氣及其產(chǎn)生的陣風(fēng)，都可能對海面比賽項(xiàng)目產(chǎn)生重要影響，甚至?xí)l(fā)生一定的危險(xiǎn)。李杰等[6]分析了青島八九月份對流性降水過程特征及與之相關(guān)的陣性風(fēng)，以此說明在氣象服務(wù)中對強(qiáng)對流天氣及伴隨的陣風(fēng)進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)是十分必要的。

2 2022年杭州亞帆賽現(xiàn)有氣象保障條件

亞帆賽區(qū)位于象山縣松蘭山海域，賽區(qū)南面是松蘭山風(fēng)景區(qū)及大目灣新城，北面是爵溪街道。圖1顯示了賽區(qū)附近氣象監(jiān)測實(shí)況，右下角紅色方框是象山亞帆賽區(qū)相對于浙江省的區(qū)域。由圖1可見，亞帆賽附近可參考的地面自動氣象站距離較近的站點(diǎn)包括爵溪站(K2931，標(biāo)記1)、小東嶼站(58574，標(biāo)記2)、西磨盤站(K9527，標(biāo)記3)和南韭山站(K2926，標(biāo)記4)，先后建于2005—2008年。2018年底，象山沿海建設(shè)了一部風(fēng)廓線雷達(dá)(圖1藍(lán)色三角形)。為服務(wù)亞帆賽，2021年4月，建設(shè)了亞帆中心站(K2962，標(biāo)記6)。總體而言，賽區(qū)附近可參考自動站點(diǎn)較少。

圖1 2022年杭州亞運(yùn)會象山亞帆賽區(qū)附近自動氣象站分布(紅色三角為自動氣象站，藍(lán)色三角為風(fēng)廓線雷達(dá)，黑色圓點(diǎn)為ECMWF格點(diǎn)，紅色矩形區(qū)域?yàn)閬喎悈^(qū))

研究表明，ECMWF對沿海風(fēng)場已經(jīng)具備一定的預(yù)報(bào)能力。常奮華等[7]選取福建沿海5個(gè)浮標(biāo)站的實(shí)測風(fēng)速,對FJ-WRF、EC-thin、華東區(qū)域模式三種模式的風(fēng)速預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明，風(fēng)速預(yù)報(bào)效果最好的是EC模式,近海風(fēng)速的平均絕對誤差均小于遠(yuǎn)海。鄧以勤等[8]基于平潭沿海、平潭浮標(biāo)、臺灣沿海的觀測資料及WRF、EC細(xì)網(wǎng)格10m預(yù)報(bào)風(fēng)場資料,定量分析模式風(fēng)場預(yù)報(bào)產(chǎn)品的有效性和可用性，結(jié)果表明，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)風(fēng)向、風(fēng)速在“海峽號”航線上具有較高精度,可用性強(qiáng)于WRF。吳俞等[9]對ECMWF細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)場產(chǎn)品在南海海域的預(yù)報(bào)進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明，風(fēng)速預(yù)報(bào)比觀測略偏大，風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差多集中分布在±45°之間，在不同風(fēng)向、季節(jié)預(yù)報(bào)誤差存在一定差異。對于ECMWF在浙江沿海的風(fēng)力預(yù)報(bào)也有相關(guān)研究。方艷瑩等[10]評估發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)影響下,ECMWF對浙江沿海24h預(yù)報(bào)風(fēng)力平均誤差為正值,并隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)值。申華羽等[11]利用浙江沿海觀測站資料，對2015—2018年ECMWF細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)評估，結(jié)果表明，站點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差與離岸距離密切相關(guān)，離岸較遠(yuǎn)的站點(diǎn)預(yù)報(bào)與觀測一致性更高，但風(fēng)速預(yù)報(bào)偏小，風(fēng)向預(yù)報(bào)有逆時(shí)針偏差，海岸線附近站點(diǎn)一致性較差，風(fēng)速略有偏大，風(fēng)向有順時(shí)針偏差。ECMWF細(xì)網(wǎng)格10m風(fēng)預(yù)報(bào)已有一定的準(zhǔn)確率，但還缺乏針對亞帆賽區(qū)的精細(xì)化風(fēng)力評估。

3 亞帆賽區(qū)氣候背景

3.1 氣溫

選取與賽區(qū)距離較近的爵溪站建站以來(2006—2021年)9月資料，得到逐日平均氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為23～28℃、30～36℃和16～22℃，總體呈前高后低，隨日期逐漸下降趨勢,最低和最高氣溫分別出現(xiàn)在4—6時(shí)和13—15時(shí)。極端最高氣溫35.7℃，35℃以上高溫日數(shù)僅出現(xiàn)2天，可見亞帆賽期間基本不會出現(xiàn)35℃以上的高溫，氣溫總體適宜比賽。

3.2 風(fēng)

根據(jù)環(huán)賽區(qū)的爵溪站、小東嶼站、西磨盤站、南韭山站和舟山浮標(biāo)站(圖1標(biāo)記5)5個(gè)站建站以來每年9月的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)，作風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖(圖2)。如圖2所示，爵溪站和小東嶼站盛行西北風(fēng)，西磨盤站盛行北到西北風(fēng)，南韭山站和舟山浮標(biāo)站盛行偏北風(fēng)；平均風(fēng)速從大到小依次為舟山浮標(biāo)站(5～9m/s)、西磨盤站(2～9m/s)、南韭山站(2～7m/s)、小東嶼站(2～5m/s)、爵溪站(1～4m/s)。可見，9月份亞帆賽區(qū)以偏北風(fēng)為主，N-NW占比達(dá)30%(其中N占比11.3%)，S-SE占比18.6%，離陸地越遠(yuǎn)的站點(diǎn)平均風(fēng)速越大。

圖2 9月份風(fēng)向風(fēng)速玫瑰圖

圖3給出了9月份逐小時(shí)平均最大風(fēng)速的日變化曲線，可見各站峰值出現(xiàn)時(shí)間和日變化幅度不完全一致，最大風(fēng)主要出現(xiàn)在15—17時(shí)，其中位于沿海地區(qū)的爵溪站日變化最為明顯，出現(xiàn)峰值的時(shí)間最早；而舟山浮標(biāo)站為海上站點(diǎn)，位置最東，受地形影響小，日變化幅度最小，出現(xiàn)峰值的時(shí)間也最晚。

圖3 9月份逐小時(shí)平均最大風(fēng)速日變化

3.3 高影響天氣事件概率統(tǒng)計(jì)

災(zāi)害性天氣對賽事的順利舉行有非常大的影響，是亞帆賽氣象保障需要關(guān)注的重點(diǎn)。9月是象山雨量最多的月份之一，平均雨量215.7mm；降水年際變化較大，最多降水量387.7mm，出現(xiàn)在2004年，主要受0421號臺風(fēng)“海馬”影響，最少降水量2013年僅55.1mm，無臺風(fēng)影響。9月降水量較最多的梅雨期6月僅少約20mm，主要由于9月是象山受熱帶氣旋影響最多的月份，幾乎每年9月，象山及其沿海都會受到熱帶氣旋影響，與之相伴的是暴雨和大風(fēng)。因此熱帶氣旋是亞帆賽氣象保障需要關(guān)注的重要天氣之一。

9月是副熱帶高壓逐漸南撤東退的季節(jié)，浙江總體受到暖氣團(tuán)控制，浙北地區(qū)位于副熱帶高壓北界，其邊緣的弱冷空氣擴(kuò)散、低層弱輻合等都可能觸發(fā)午后強(qiáng)對流[12]。統(tǒng)計(jì)表明，9月，象山短時(shí)強(qiáng)降水、雷電、雷暴大風(fēng)等發(fā)生概率為7.3%，發(fā)生時(shí)間主要集中在16—18時(shí)，是亞帆賽氣象保障服務(wù)需要關(guān)注的第二類重要天氣。

統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)，9月象山出現(xiàn)海霧的概率約1.0%，35℃以上的高溫概率為0.6%。象山站日最大風(fēng)速小于3m/s的弱風(fēng)概率達(dá)到5.6%，考慮到站點(diǎn)距離海岸線約7.5km，風(fēng)力代表性相對較差，而位于沿海的南韭山自動氣象站弱風(fēng)概率為0%，因此亞帆賽區(qū)弱風(fēng)概率小。海霧、高溫、弱風(fēng)等發(fā)生概率雖然較低，但這些天氣一旦發(fā)生，對亞帆賽的順利進(jìn)行也會產(chǎn)生影響，因此也是亞帆賽氣象保障的關(guān)注點(diǎn)之一。

4 ECMWF對亞帆賽區(qū)風(fēng)預(yù)報(bào)評估

4.1 亞帆中心站與爵溪站的測風(fēng)資料對比

對亞帆中心站(圖1站點(diǎn)6)與爵溪站(圖1站點(diǎn)1)2021年9月逐小時(shí)平均風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩者相關(guān)系數(shù)為0.803，說明兩者風(fēng)速相關(guān)性較好，但亞帆中心站風(fēng)速較爵溪站明顯更大，平均偏大約2.1m/s，這是由于前者靠近亞帆賽區(qū)，受地形影響小。根據(jù)亞帆中心站與爵溪站2021年9月逐小時(shí)平均風(fēng)風(fēng)矢量分布統(tǒng)計(jì)(圖略)，兩者風(fēng)向分布總體較為一致，只在東南風(fēng)向分布中爵溪站略多于亞帆中心站?？梢娋粝倦m然距亞帆賽區(qū)有一定距離，風(fēng)速偏小，但其風(fēng)速、風(fēng)向與亞帆中心基本一致，可以為亞帆賽氣象保障服務(wù)提供風(fēng)資料變化趨勢參考。

4.2 2015—2020年間9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格風(fēng)預(yù)報(bào)評估

基于前述分析可知，爵溪站風(fēng)資料對亞帆賽有可參考性，因此選取2015—2020年間9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式(水平分辨率為0.125°×0.125°)每日20時(shí)起報(bào)0—24小時(shí)逐3小時(shí)10m平均風(fēng)資料，利用雙線性差值方法，將10m風(fēng)場插值到爵溪站，對模式預(yù)報(bào)進(jìn)行評估。從風(fēng)矢量分布統(tǒng)計(jì)圖[圖4(a)]可以看到，期間爵溪站盛行風(fēng)向?yàn)槠鞅憋L(fēng)，最大平均風(fēng)速為偏東風(fēng)，ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)盛行風(fēng)向同為偏西北風(fēng)，風(fēng)向預(yù)報(bào)偏差0.6°，表明ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的風(fēng)向一致性較好。預(yù)報(bào)平均風(fēng)速與觀測平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.654，表明ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的平均風(fēng)速與實(shí)況風(fēng)速一致性較好[圖4(b)]，但預(yù)報(bào)平均風(fēng)速較實(shí)況整體偏大，且在南北方向上偏大較多，東西風(fēng)向上與實(shí)況偏差較小[圖4(a)]。

通過計(jì)算2015—2020年間9月每日20時(shí)ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的0—24h逐3小時(shí)平均風(fēng)預(yù)報(bào)誤差[圖4(c)]，得出平均風(fēng)預(yù)報(bào)平均誤差在1.68～2.56m/s之間，但最大誤差也可以達(dá)到8 m/s左右，出現(xiàn)在2017年9月14日，受第18號臺風(fēng)“泰利”影響，由于ECMWF預(yù)報(bào)臺風(fēng)路徑較實(shí)況偏東，導(dǎo)致寧波沿海風(fēng)力預(yù)報(bào)偏大。因此，在預(yù)報(bào)臺風(fēng)影響期間風(fēng)力時(shí)，要特別注意臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度的預(yù)報(bào)偏差可能導(dǎo)致風(fēng)力出現(xiàn)明顯大于模式系統(tǒng)偏差的預(yù)報(bào)偏差。從[圖4(c)]也可以看出，ECMWF細(xì)網(wǎng)格24h內(nèi)平均風(fēng)預(yù)報(bào)誤差較為穩(wěn)定，預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)間推移沒有明顯的增長。

(a)ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)平均風(fēng)與實(shí)況風(fēng)矢量分布統(tǒng)計(jì)圖(條帶寬度代表風(fēng)向頻率)

從ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的24h平均風(fēng)平均誤差逐年結(jié)果看(表1)，ECMWF細(xì)網(wǎng)格逐年預(yù)報(bào)整體較為穩(wěn)定，24h平均風(fēng)平均誤差均在2～3m/s之間。

表1 2015—2020年間9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)24h平均風(fēng)平均誤差 單位：m/s

4.3 2021年9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

亞帆中心站建成于2021年4月，本文利用2021年9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格對爵溪和亞帆中心的10m風(fēng)預(yù)報(bào)能力進(jìn)行單獨(dú)對比。由圖5可見，爵溪站ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)平均風(fēng)仍是較實(shí)況偏大，兩者相關(guān)系數(shù)為0.749，0—24小時(shí)逐3小時(shí)平均風(fēng)預(yù)報(bào)誤差在1.23～2.29m/s之間。亞帆中心站ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)平均風(fēng)較實(shí)況值略偏小，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.809，0—24小時(shí)逐3小時(shí)平均風(fēng)預(yù)報(bào)誤差在-0.14～-1.2m/s之間，模式預(yù)報(bào)效果較爵溪站好，這與亞帆中心站更靠近亞帆賽區(qū)，受地形影響更小有關(guān)[圖5(a)～(f)]。

(a)爵溪站預(yù)報(bào)平均風(fēng)與實(shí)況風(fēng)矢量分布統(tǒng)計(jì) (b)亞帆中心站預(yù)報(bào)平均風(fēng)與實(shí)況風(fēng)矢量分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)2015—2020年9月ECMWF細(xì)網(wǎng)格對爵溪站預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評估結(jié)果開展風(fēng)力訂正，需要在爵溪站模式預(yù)報(bào)平均誤差基礎(chǔ)上加上亞帆中心站與爵溪站風(fēng)力系統(tǒng)誤差，計(jì)算得出訂正偏差約為0.13m/s，而亞帆中心站模式預(yù)報(bào)平均偏差約為-0.63m/s，因此，訂正效果略好于模式本身預(yù)報(bào)結(jié)果。

5 結(jié)論

對第19屆杭州亞運(yùn)會期間象山帆船賽區(qū)氣象資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究亞帆賽區(qū)氣候背景特征和氣象保障服務(wù)主要關(guān)注點(diǎn)，利用2015—2020年ECMWF細(xì)網(wǎng)格對象山沿海風(fēng)力預(yù)報(bào)能力進(jìn)行評估，為亞帆賽氣象保障提供參考。

①9月亞帆賽區(qū)氣溫總體適宜比賽。賽區(qū)以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速呈現(xiàn)日變化特征，最大風(fēng)出現(xiàn)在15—17時(shí)。亞帆賽期間，首先重點(diǎn)關(guān)注的高影響天氣是熱帶氣旋及其相伴的8級以上大風(fēng)和暴雨，其次是強(qiáng)對流，最后是海霧、弱風(fēng)和高溫等低概率事件。

②亞帆中心站與爵溪站9月平均風(fēng)速相關(guān)性較好，且平均風(fēng)速較爵溪站偏大約2.1m/s，兩者風(fēng)向分布總體較為一致。亞帆中心站地處海邊，可為亞帆賽風(fēng)力保障提供監(jiān)測參考。

③ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)的爵溪站風(fēng)向一致性較好，預(yù)報(bào)平均風(fēng)速較實(shí)況整體偏大，0—24小時(shí)逐3小時(shí)平均風(fēng)預(yù)報(bào)平均誤差在1.68～2.56m/s之間，24h內(nèi)預(yù)報(bào)誤差較為穩(wěn)定，預(yù)報(bào)誤差隨時(shí)間推移沒有明顯的增長。亞帆中心站ECMWF細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)平均風(fēng)較實(shí)況值略偏小，0—24小時(shí)逐3小時(shí)平均風(fēng)預(yù)報(bào)誤差在-0.14～-1.2m/s之間，模式預(yù)報(bào)效果較爵溪站好?；诰粝鹃L時(shí)間序列資料模式檢驗(yàn)，訂正效果略好于模式本身預(yù)報(bào)結(jié)果。