基本概况

中国气象局南海(博贺)海洋气象科学试验基地(以下简称博贺基地)，位于广东省茂名市电白区海岸区域，于2008年建成，2018年入选中国气象局首批野外科学试验基地，2019年入选中国气象局首批国家综合观测试验基地。中国气象局广州热带海洋气象研究所为博贺基地的牵头单位，茂名市气象局为共建单位。博贺基地目前由三部分构成，一是海岸观测基地，二是近海海上气象观测平台，三是大竹洲气象岛，其科学定位为热带海岸带天气气候观测研究，以及海洋气象观测设备的计量检定与研发测试。

目前，博贺基地有一支观测、研究、应用人员有机搭配的研究团队，具有相对完善的大气-海洋观测系统，包含海洋-大气边界层、海气通量、辐射、大气温湿风廓线、云、雾降水与雷电、海浪、潮位等观测项目，并逐步开展海洋气象装备的计量检定工作；同时，博贺基地面向国内外研究同仁开放，已经与50多家高校、科研院所、企事业单位建立实质性合作，产生了良好的社会效益；随着大竹洲气象岛基础设施与观测项目的陆续落成，博贺基地将以崭新的面貌，热忱欢迎海内外同行的到来，共同推进海洋气象科学的进步。

建设背景

博贺基地地处我国经济发达的华南海岸带地区，位于影响我国天气气候的重要季风(水汽)通道上，也是受海洋气象灾害影响最严重的地区之一，台风、暴雨、强对流、海上大风和海雾等灾害性天气，以及灾害性海浪和风暴潮等对该地区社会和经济的发展造成极大的影响,据统计，平均每年对博贺造成直接破坏的台风可达到1.6个。

海洋气象观测是认知海洋-大气系统的基本手段，海洋气象观测是我国气象观测最薄弱环节之一，海上实测资料的不足，加上对卫星遥感反演产品的应用不足，制约了南海海洋气象业务预报服务能力。加强该地区海－陆－气相互作用和边界层过程的研究，对于揭示灾害天气的机理，认识短期气候异常的规律，改善天气和短期气候预测水平有重要的科学意义和实际价值。

1949-2020年热带气旋出现频次

30年平均季风爆发期间风场（动态流）和可降水量（阴影）

观测布局

博贺基地由三部分构成，一是海岸观测基地，二是近海海上气象观测平台，三是大竹洲气象岛；

岸基观测站位于茂名市电白县电城镇莲头半岛南侧的一个岬角上，距离海岸线小于100m，南面为广阔的南海水域，北部为植被稀疏的丘陵，局地盛行风向为东北风，上风区为沿岸浅水海域。岸基观测站场地约1000 m2，目前划分了6个观测区。包括对海遥感探测， 云雾探测，降水探测，大气边界层探测， 陆-气通量探测，和闪电探测。

海上气象观测平台2008年建成，距离海岸线6.5 km，平均水深约15 m，水下地形平缓。塔高51.8米，水面以上大约11米左右平台建有30 m2专用工作区，平台水下部分是重力式结构。海上观测平台建设了配套的海底光电复合缆，配有变压器和UPS系统，安装了高清视频监控系统，海底光电缆可为大型仪器设备供电和数据传输等提供保障。平台上装备有高约25米的衍架式结构主塔，常规配备有7层仪器支架，主要包括涡动相关系统和多层风温湿梯度，雨量筒。加强试验时期开展过海洋飞沫和海浪、海温等海洋环境要素的观测。另外，平台两侧有两个10米的副塔，可开展海气耦合精细观测试验。

大竹洲岛位于岸基观测站5公里外，投影面积26.8公顷，2021年广东省人民政府已批复博贺国家综合气象观测试验基地（大竹洲）建设项目用岛申请，获得广东省政府批复的“海岛使用权证”。大竹洲气象岛规划有A-海洋气候变化观测区，B-海洋遥感仪器观测比对试验区，C-海洋大气垂直廓线观测区，D-海洋气象仪器设备考核试验区，E-海洋强对流天气监测及实景观测区，F-遥感仪器试验区，和G-海洋生态环境观测试验区等7大功能区，目前已开工建设配套码头与海底光电缆等基础设施，是开展海洋-天气气候观测研究的理想场地。

大竹洲气象岛规划的7大功能区

建设历程大事记

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• 2005年，制定试验基地建设方案
• 2006年，开始建设，并购置了海气界面通量、近海海洋要素、海岸带大气垂直观测系统，一边建设一边开展观测试验
• 2007年，建成了岸基观测站
• 2008年，建成海上气象观测平台
• 2010年，建成了10米浮标
• 2014年，建成了海底光电缆
• 2018年，纳入首批中国气象局野外科学试验基地
• 2019年，纳入首批国家综合观测试验基地。
• 2021年，获得广东省政府批复的大竹洲岛“海岛使用权证”

主要仪器设备简介

海气界面通量和海洋环境要素探测

海上气象观测平台上架设了2层涡动相关系统（超声风速温度仪和水汽和二氧化碳脉动仪）和多层风、温、湿梯度观测系统，主要进行海－气界面动量、热量和物质通量（水汽、二氧化碳通量）的观测。加强试验时期开展过精细化温湿结构、海洋飞沫和海浪、海温等海洋环境要素的观测。

对海遥感探测

对海遥感探测，包括地波雷达、激光测风雷达和激光能见度雷达，获取近岸海面风场、浪场、流场等海况信息、风速廓线和不同角度大气能见度。

云雾探测

包括毫米波云雷达、激光云高仪、雾滴谱仪和光学雨量计，获取30公里范围内非降水云和弱降水云信息、雾滴大小和数量、云底高度和降雨量。

降水探测

包括微雨雷达、二维视频雨滴谱仪、辐射系统和全天空成像仪，获取降水粒子大小分布、降雨速率、液态水含量和降雨路径综合衰减等；降雨强度、雨滴谱分布和粒子宽高比等信息。

大气边界层探测

包括边界层风廓线雷达、微波辐射计、超声波测风仪、自动气象站采集器，获取大气边界层风、温、湿度、水汽含量的垂直廓线

陆-气通量探测

湍流通量观测系统、四分量辐射仪、浅层地温地湿、能见度仪，获取近地层湍流通量、风、温、湿度、地温、地湿和能见度的信息

闪电探测

全视野闪电通道成像仪、实时低频三维全闪探测阵列和闪电通道成像仪，自动化生成闪电监测预警产品并提供云服务推送；实现云闪和地闪中所有可探测低频电场脉冲放电事件的三维定位。

表层海洋观测

10米浮标，位于试验基地以南约100 km，平均水深50m。包括风温湿压雨量辐射，和海温、海浪观测；另外，还开展浅水区温、盐、流廓线和潮位观测。

综合观测试验

依托博贺基地，开展了多项观测试验，从2008年开始到现在，观测到约30个台风和超过30个海雾个例。

其中，强台风“黑格比”（2008年14号台风）为典型台风观测个例，它在2008年9月24日登陆广东省电白县陈村镇沿海，是正面直击博贺海上观测平台的首个台风，获取了典型的台风观测数据。登陆时中心最大风力15级（48米/秒）。登陆后使中国广东省737万人受灾，22人死亡，直接经济损失达114亿元。利用博贺海洋气象观测基地的超声风速仪、边界层风廓线雷达、微波辐射计等观测资料，研究了台风“黑格比“海气相互作用过程、边界层结构特征、湍流特征等，对台风情况下的浅水区海气相互作用有了较为深刻的认识，研究成果发表在Journal of Geophysical Research等国内外著名期刊上发表10余篇论文。

近年主要代表性成果

基于实测数据，围绕海气界面过程与海气通量参数化，台风边界层特征及其影响因子进行了细致的研究，研究成果在JAS,MWR、JGR、JPO和BLM等国际知名杂志上发表。

（1）利用冷空气前和冷空气期间的海洋平台风数据，深入研究了海表波浪状态对对海气动量通量的影响，结果显示，在冷空气持续期间，海浪为局地风浪，海气动量通量过程符合平坦地表上方的大气湍流过程，可用湍流黏附涡模型和‘至上而下’模型解释；然而，在冷空气前涌浪主导海表状态时，情况大为不同（Huang J. et al, 2021, JAS）。

各高度上速度谱

（2）基于华南沿海五个台风中的六次飞机探测三维风数据（20-Hz），直接计算了湍动通量和湍流动能（e），估算了湍流涡流、垂直涡流扩散率（K）和垂直湍流混合长度尺度的水平尺度。发现动量通量和湍流动能随风速增加而增加；K在风速达到40 m s-1前，K随着风速的增加而呈指数率增加，而垂直混合长度几乎保持100米不变。在数值模型中，在台风眼墙流入层顶部附近观察到的强湍流混合应引起重视。（Zhao, Z. et al., 2020, Bound-Lay Meteorol.）

(a)动量通量，(b)湍流动能 (c)涡扩散系数，(d) 混合长度，(e) 风速

（3）基于飞机和塔基观测资料发现，在台风最大风速半径外有一层高度不低于100 m的对数风速层，且该层随风速增加而加深。10m风小于 13 m/s时，常动量通量层的高度达到 ~ 300 m，而该层随着风速的增加而降低。垂直涡扩散率和混合长度随着高度增加而增加直到高度达到 ~ 160 m，然后随着高度升高而缓慢减小。垂直涡扩散率随风速增大而增大，而混合长度与风速无关。（Zhao et al. 2022, Sci. Rep.）

应变率、涡扩散系数和混合长度

（4）基于博贺基地海上平台观测资料，分析了台风登陆过程边界层结构和湍流特征。发现在台风外围，海上潜热通量高于季风活跃期。当接近台风中心时，在降水和飞沫的作用下，海气界面会形成稳定层结，同时台风大风形成的滚涡结构会将热量通量向下输送，导致总体向上的热量通量减小。（Huang H. et al., 2022, Mon. Wea. Rev.）

季风与台风热通量对比（左），台风大风中海面热通量输送示意图（右）

（5）基于总体应力是湍流与涌浪诱发应力矢量和的事实，分析波向与平均风向不一致情况下的总体风应力。发现涌浪对总体风应力的大小和方向都有影响，取决于湍流应力和涌浪波向之间的夹角；涌浪诱发应力可向上，或向下，涌浪诱发应力可达到总体风应力的32％左右，并使近地层风速廓线对数律失效。（Zou et al., 2020. J. Phys. Oceangr.；Zou et al., 2019, J. Geophys. Res）

风浪谱与涌浪谱

业务贡献

随着“21世纪海上丝绸之路”提出和海洋经济发展战略全面实施，针对海洋气象灾害频发、海洋经济和航线集中地的华南近海区域，构建了华南近海海洋气象精细化数值预报模式系统，提供了精细的风、浪、潮等业务预报产品，其输出的海洋气象模式预报产品在实际重大海洋气象灾害过程如强台风以及琼州海峡持续性浓雾预报中发挥重要作用。

开展了华南近海海洋气象精细化数值预报技术研发，主要包括：

（1）建立华南近海海洋气象模式系统。其核心模式华南近岸海浪模式、广东风暴潮模式和华南沿海海雾模式等通过了广东省气象局业务准入，模式输出的海浪、风暴潮、海雾等预报产品不仅在广东省内应用，同时推广到周边省份，其中海雾预报推广到国家气象中心应用。华南沿海海雾预报系统获得国家气象中心中国气象局天气预报科技成果中试基地成果转化认证和国家气象中心成果应用二等奖，并得到中国气象局预报司认可。

9-3-1海洋气象模式系统

（2）基于博贺科学试验基地数据，研发海洋气象数值系统中动量通量参数化方案，并应用到华南近海海洋气象精细化数值预报模式系统中，改进了模式系统中风暴潮数值预报效果。

台风“威马逊”（2014）影响期间，新方案（自主研发）和原方案对比

（3）研发基于集合同化的海气耦合同化技术，改进华南近海海洋气象数值预报模式风浪初值。基于EnKF、海洋气象数值预报系统（Grapes-MAMS）中海浪模式和WRF大气模式，研发卫星探测海面风、浪资料的观测算子，通过风浪耦合同化，获得风、浪分析场数据。

2019年1月9日至2020年11月20日海洋气象要素融合分析数据集

（4）优化海洋气象数值预报模式系统中物理过程参数化方案。基于观测数据，针对强风和海雾等海洋灾害性天气过程，优化模式系统中适合华南沿强风和海雾辐射及微物理过程参数化方案。

模式系统检验