2018-2022年淮河航道强风的时空特征及聚类分析.pdf
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1、Climate Change Research Letters 气候变化研究快报气候变化研究快报,2023,12(4),800-810 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ccrl https:/doi.org/10.12677/ccrl.2023.124083 文章引用文章引用:王凯,刘倪,邱康俊,胡珊珊.2018-2022 年淮河航道强风的时空特征及聚类分析J.气候变化研究快报,2023,12(4):800-810.DOI:10.12677/ccrl.2023.124083 20182022年淮
2、河航道强风的时空特征及年淮河航道强风的时空特征及 聚类分析聚类分析 王王 凯凯1,刘刘 倪倪1*,邱康俊邱康俊2,胡珊珊胡珊珊3 1淮河流域气象中心,安徽 合肥 2安徽省气象信息中心,安徽 合肥 3滁州市气象局,安徽 滁州 收稿日期:2023年6月25日;录用日期:2023年7月24日;发布日期:2023年7月28日 摘摘 要要 强风强风,特别是区域性强风天气严重影响淮河通航安全,因此研究淮河航道强风的时空分布特征及其变化特别是区域性强风天气严重影响淮河通航安全,因此研究淮河航道强风的时空分布特征及其变化规律,分析区域性强风发生的天气环流背景十分重要,可以为及时发布预报预警、做好气象防灾减灾工
3、规律,分析区域性强风发生的天气环流背景十分重要,可以为及时发布预报预警、做好气象防灾减灾工作提供重要参考。利用安徽省气象信息中心提供的作提供重要参考。利用安徽省气象信息中心提供的20182022年淮河航道年淮河航道93个气象站的小时观测资料,个气象站的小时观测资料,结合业务规定和预警需求,筛选出结合业务规定和预警需求,筛选出5a来淮河航道出现的所有强风事件,分析淮河航道强风的时空变化特来淮河航道出现的所有强风事件,分析淮河航道强风的时空变化特征及其对航运安全的影响,并对区域性强风天气过程的环流背景进行分类。结果显示:淮河航道强风年征及其对航运安全的影响,并对区域性强风天气过程的环流背景进行分类
4、。结果显示:淮河航道强风年平均日数平均日数33 d,年强风日数最多为,年强风日数最多为103 d,最少为,最少为5 d;淮河航道强风年平均小时数;淮河航道强风年平均小时数110 h,年小时数最多,年小时数最多为为524 h,最少为,最少为10 h;淮河航道日强风风险概率大部分在;淮河航道日强风风险概率大部分在20%以下,有以下,有78.5%的站点日强风风险概率在的站点日强风风险概率在5%15%之间,最大值为之间,最大值为28%,最小值为,最小值为1%。结果表明:淮河航道强风次数的时间变化整体趋势较为。结果表明:淮河航道强风次数的时间变化整体趋势较为一致,春、冬季多,秋季最少,一致,春、冬季多,
5、秋季最少,3月最多,月最多,9月最少,夜间多,白天少,峰值一般出现早晨;淮河航道每月最少,夜间多,白天少,峰值一般出现早晨;淮河航道每月都有影响航运安全的强风发生,强风以瞬时风为主,风速的极大值多出现在夏季;淮河航道北岸、下月都有影响航运安全的强风发生,强风以瞬时风为主,风速的极大值多出现在夏季;淮河航道北岸、下游出现强风的概率较大,风向以偏北风为主,其中大多是偏北横向风;淮南港与蚌埠港之间强风盛行风游出现强风的概率较大,风向以偏北风为主,其中大多是偏北横向风;淮南港与蚌埠港之间强风盛行风向存在东、西方向的突变,向存在东、西方向的突变,3月和月和7月是港口发生强风的高峰期;淮河航道区域性强风过
6、程主要由强冷空月是港口发生强风的高峰期;淮河航道区域性强风过程主要由强冷空气和强盛偏南季风引起的,分为东北冷涡型气和强盛偏南季风引起的,分为东北冷涡型()、西南强风型、西南强风型()、冷空气大风型、冷空气大风型()3类。类。关键词关键词 淮河航道淮河航道,强风强风,极大风速极大风速,最大风速最大风速,聚类分析聚类分析 Studies on Temporal and Spatial Characteristics and Cluster Analysis of Strong Winds in Huai River Channel from 2018 to 2022 *通讯作者。王凯 等 DOI:
7、10.12677/ccrl.2023.124083 801 气候变化研究快报 Kai Wang1,Ni Liu1*,Kangjun Qiu2,Shanshan Hu3 1Huai River Basin Meteorological Center,Hefei Anhui 2Anhui Meteorologic Information Center,Hefei Anhui 3Chuzhou Meteorological Bureau,Chuzhou Anhui Received:Jun.25th,2023;accepted:Jul.24th,2023;published:Jul.28th,202
8、3 Abstract Strong winds,particularly those of regional nature,have serious influence on Huai River naviga-tion safety.Therefore,it is very important to study the temporal and spatial distribution of strong winds in the Huai River channel and analyze the synoptic situation of regional strong winds.Th
9、e study provides important reference for issuing forecast and warning in time,likewise for preven-tion and mitigation of meteorological disaster.In this paper,based on the hourly wind observation data including 93 stations in the Huai River channel provided by Anhui Meteorological Information Center
10、 from 2018 to 2022,combining with business rules and early warning requirements,all strong wind events occurred in the Huai River channel in past 5 years have been screened out,the temporal and spatial variation characteristics of strong winds in the Huai River channel and its in-fluence on shipping
11、 safety have been analyzed,the circulation background of regional strong wind weather process has been classified.The analysis shows that the average year of strong wind days in the Huai River channel is 33 days,with a maximum of 103 days and a minimum of 5 days.Aver-age year of strong wind hours in
12、 Huai River channel is 110 h,with a maximum of 524 hours and a minimum of 10 hours.The risk probability of daily strong wind in the Huai River channel is mostly below 20%,primarily between 5%and 15%in 78.5 percent stations,the maximum probability is 28%and the minimum probability is 1%.The results s
13、how that the general trend of strong wind frequency for the time variation in the Huai River channel is consistent,which is more in spring and winter than in autumn,the most in March,the least in September,more at night and less dur-ing the day,and the peak value usually occurs in morning.The strong
14、 winds that affect shipping safety in the Huai River Waterway keep happening every month.The majority of strong wind is in-stantaneous wind,and extreme wind speed often appears in summer.The strong wind appears in the north bank and lower reaches of Huai River channel with more probability.The stron
15、g wind is usually in a northern direction,which is mainly attributed to northerly crosswind.The strong wind prevails between Huainan and Bengbu ports,which has a sudden change in the East-west direction.The peak period of strong winds arise in March and July at the ports.The regional strong wind in
16、Huai River channel mainly because of strong cold air and southerly monsoon,which can be divided into three types:northeast cold vortex type(),southwest strong wind type()and cold air strong wind type().Keywords Huai River Channel,Strong Wind,Extreme Wind Speed,Maximum Wind Speed,Cluster Analysis Cop
17、yright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 淮河发源于河南省桐柏山主峰太白顶,流经河南、安徽、江苏,全长 1000 公里,是我国水运“一纵Open AccessOpen Access王凯 等 DOI:10.12677/ccrl.2023.124083 802 气
18、候变化研究快报 三横”主通道之一,也是我国中部地区重要的黄金水道。近年来,随着全球气候变暖,天气系统不稳定性增加,强对流、大风、龙卷等极端天气事件频发。2015 年 6 月 1 日,受极端强风(瞬时风,极大风力达1213 级)袭击,重庆“东方之星”号客轮行驶至长江大马洲水道时发生翻沉,事故中有 442 人遇难,造成了重大的人员伤亡。引起了社会对航运气象安全的广泛关注。近年来,对近地面风的研究也逐渐增多 1 2 3 4,同样也有学者对淮河流域风场进行研究,李丽等 5对风速资料进行拟合适度检验,估算了淮河流域不同重现期最大风速和极大风速的时间变化以及空间分布,叶金印等 6分析了近 50 年淮河流域
19、气候变化时空特征分析,指出淮河流域风速的变化及其空间差异性总体上均呈减小趋势,但在淮干上游山区、沂蒙山区以及里下河沿海地区地面风速有增大的趋势。两者均着重从气候角度分析淮河流域风的时空变化特征,没有使用时空精度更高的观测资料对淮河航道进行深入研究。天气学上,风受大气环流、水陆分布、地形等因素的综合影响,淮河航道处于中部内陆地区,上游为桐柏山区、大别山区,中下游为地势平坦的平原,上游近地面风主要受大气环流和地形影响,主要是天气系统过境时产生的系统性风和地形影响而产生的局地风,中下游近地面风则主要受大气环流的影响。Fujita 等 7在上世纪定义了下击暴流,并指出下击暴流是造成雷暴大风的主要原因,
20、刘菡等 8分析了大气背景、地理环境等因素对长江航道强风和强横风发生的影响,宋丽萍等 9利用数量统计和谱分析等方法,计算分析了由于复杂地形影响而导致的局地低层强风的平均和脉动特征,指出贵州省西南部复杂山地平均风场主要表现在受当地主要特征地形影响。这些研究从天气背景、统计学方面揭示了强风产生的成因机理,但缺乏对区域性强风天气的环流背景分析。Spyrou 等 10使用 Melnikov 方法评估横风浪下船舶倾覆的临界值,并将大量船舶几乎对称和强烈不对称性晃动时的观测记录与数值模拟的结果进行了对比,发现数值模拟的准确率较高。Igor Backalovcha等 11尝试采用先进的概率计算方法,引入耦合了
21、横摇和横摆的非线性方程,分析了横风阵风对内河集装箱船的影响,发现以前简化的方法对其危害的估计过高。早期的汽车由于速度较低,侧风稳定性问题还没引起研究者的重视。程宏林等 12指出,在内河航运发生的重大和特大事故中,有 38%的事故出现在大风天气中,风力和风向对内河航运均有明显的影响,当风力增大到 67 级时,容易出现沉船事故,可见风是影响水上交通安全的重要因素。淮河流域气象保障能力提升工作方案(20212023 年)也指出要实现航道高影响天气的实时监测、精细化预报和针对性预警服务,为水上交通的指挥调度提供数据支撑,提升航运安全气象服务保障能力。近十年来,对淮河通航安全的研究较少,高穆帅 13通过
22、分析影响淮河航道安徽段通航的气象、交通、人为因素,有针对性地提出设立灾害天气预警机制,完善和提升交通保障设施、规范水域船舶通航秩序。张威,贾寿良 14以淮河干流王家坝至临淮岗段行洪区调整及河道整治工程案例,分析影响航道通航条件的影响,并从技术和行业管理方面提出不同应对措施,这些研究大多侧重于分析航运安全的对策措施,缺少基于气象观测数据的客观分析,有关强风灾害对淮河航运安全的影响研究几乎没有。本文首次利用风的小时观测数据分析淮河航道强风的时空分布特征,并在此基础上提出强风对淮河通航的风险影响,同时为减少极端天气对群众生命的危害以及生产生活的影响,本文创新性地对区域性强风天气过程的天气环流背景进行
23、分类分析,划分引起淮河航道区域性强风天气的主要环流形态,这为后期做好淮河航道强风的预报预警业务工作提供了重要思路。2.资料与方法资料与方法 2.1.资料资料 淮河航道气象观测资料由安徽省气象信息中心提供,包括 20062022 年淮河航道全线 177 个站的小时观测资料,要素包括 2 min 风向和风速、10 min 风向和风速、最大风速及出现时间、极大风向风速及出王凯 等 DOI:10.12677/ccrl.2023.124083 803 气候变化研究快报 现时间。由于自动站并非同一批次建设,因而一般时间距离越近,数据完整度越高。为保证研究结果的可靠性,确保 90%以上的资料完整率,这里按照
24、以下原则处理资料:一是资料时间长度定为 20182022年;二是台站距离淮河航道最小距离不超过 20 km;三是尽可能保留多的站点、尽量保留国家站。最终选定 93 个代表站,其站点分布如图 1 所示。Figure 1.The distribution of observation stations(black spots)in the Huai River channel 图图 1.淮河航道观测站点(黑点)分布 大气环流场资料包括 500 hPa 位势高度、850 hPa 风场以及 1000 hPa 温度,均取自于全球 NCEP 再分析数据集,空间分辨率为 2.5 2.5,资料的时间范围是 2
25、0182022 年。数字高程数据来源于地理空间数据云,SRTMDEM 90M 分辨率高程数据。2.2.方法方法 2.2.1.强风标准界定强风标准界定 根据中国地面气象观测规范中业务标准规定 15,最大风速指在某个时段内出现的最大 10 min 平均风速值,极大风速指在某个时段内出现的最大 3 s 平均风速值。安徽省公共气象服务中心在业务规范内河航运气象风险预警等级划分中规定:当出现风力 5 级(即风速达到 8 m/s 以上),内河航运存在一定的风险安全隐患。长江干线恶性天气等条件下船舶禁限航管理规定明确当地气象部门预报或实际蒲氏风力达到 5 级及以上时,渡船禁止开航 16,另外,我国内河水上交
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