冬季渤海大風(fēng)年際變化特征及其影響因素分析

王 芳，孫即霖，鄭元鑫

(1.山東省石島氣象臺(tái)，山東 威海 264309；2.中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 3.唐山市豐南區(qū)氣象局，河北 唐山 063300)

1 引言

渤海海況及氣象條件十分復(fù)雜，海上大風(fēng)所導(dǎo)致的強(qiáng)風(fēng)浪致使渤海海域海難事故頻發(fā)。渤海沿岸港口眾多，船只往來頻繁，油污染十分嚴(yán)重，李靜等[1]研究表明一次大風(fēng)事件可造成渤、黃海的水交換帶變寬，水體交換能力增強(qiáng)，一定程度上減輕渤海水污染的程度。

對于渤、黃海大風(fēng)氣候特征變化研究成果較多。高瑞華等[2]統(tǒng)計(jì)了渤海沿岸6個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)，研究表明渤海海峽大風(fēng)天數(shù)有逐年減少的趨勢，冬季大風(fēng)以偏北風(fēng)向?yàn)橹?。孫密娜等[3]利用渤海沿岸A平臺(tái)發(fā)現(xiàn)冬季大風(fēng)出現(xiàn)的頻率最高，這就從側(cè)面解釋了冬季海難頻發(fā)的原因。吳曼麗[4]利用渤、黃海北部沿岸18個(gè)氣象站得出1971～2008年間渤、黃海北部沿海大風(fēng)呈減少趨勢。張志華等[5]利用衛(wèi)星風(fēng)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出從1988～2010年渤、黃海大風(fēng)頻次總體為波動(dòng)上升的。王國松[6]利用CFSR再分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出1991～2010年大風(fēng)天數(shù)是逐年上升的。我們發(fā)現(xiàn)張志華和王國松的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與高瑞華和吳曼麗的結(jié)論有明顯的不同，對比兩者所用的研究數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)渤海海域海上大風(fēng)與沿岸大風(fēng)有著明顯差異。王國松[6]檢驗(yàn)了CFSR10m風(fēng)場數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)果表明一定程度上CFSR數(shù)據(jù)很好的反映了海上風(fēng)場的特征。本文采用高分辨率CFSR再分析數(shù)據(jù)對渤海不同風(fēng)向的海上大風(fēng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究渤海大風(fēng)年際變化規(guī)律，并結(jié)合天氣形勢以及前期海溫場特征，探討氣候意義下影響冬季不同風(fēng)向渤海大風(fēng)的影響因素，為渤海海上大風(fēng)預(yù)報(bào)及預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、促進(jìn)環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有價(jià)值的參考[7，8]。

2 資料和方法

本文使用的CFSR數(shù)據(jù)是1979～2010年的全球10m風(fēng)場數(shù)據(jù)，其水平分辨率為0.313°×0.312°；從2011年1月起，CFSR數(shù)據(jù)擴(kuò)展為CFSV2操作模型，水平分辨率為0.205°×0.205°，時(shí)間分辨率為1 h。位勢高度資料來自NCEP/DOE Reanalysis II數(shù)據(jù)，水平分辨率為2.5°×2.5°。ERSST數(shù)據(jù)是NOAA提供的從國際綜合海洋-大氣數(shù)據(jù)集(ICOADS)中得出的全球每月海溫分析數(shù)據(jù)，水平分辨率為2°×2°。

本文利用線性傾向估計(jì)的方法研究渤海各個(gè)風(fēng)向大風(fēng)隨時(shí)間的變化趨勢，從而得到相關(guān)的年際變化規(guī)律。

3 渤海大風(fēng)年際變化特征

3.1 大風(fēng)定義和研究區(qū)域

本文規(guī)定對于每個(gè)格點(diǎn)，若每天出現(xiàn)4個(gè)及4個(gè)以上時(shí)次的大風(fēng)(平均風(fēng)速大于等于6級)，就算作此格點(diǎn)的一個(gè)大風(fēng)日。結(jié)合渤海的地理范圍，加之2010年前后CFSR數(shù)據(jù)水平分辨率有差異，所以對于1979～2010年，本文選取的渤海研究區(qū)域?yàn)?17.5°～122.5°E 、36.999°～40.434°N，格點(diǎn)數(shù)為17×12，如圖1實(shí)線框所示；對于2011～2017年，研究區(qū)域?yàn)?17.614°～122.523°E、37.104°～40.375°N，格點(diǎn)數(shù)為25×17，如圖1虛線框所示。

圖1 研究區(qū)域

3.2 渤海大風(fēng)天數(shù)年際變化規(guī)律

1979～2016年渤海大風(fēng)天數(shù)隨時(shí)間的變化如圖2所示?？梢钥闯觯緩那捌?12月)到后期(次年2月)大風(fēng)天數(shù)是逐月變少的，12月大風(fēng)發(fā)生的頻率明顯高于其他月份；從大風(fēng)天數(shù)的年際變化趨勢來看，年平均大風(fēng)天數(shù)呈增長的趨勢，1月和2月大風(fēng)增長趨勢不如12月明顯。不論從全年還是冬季分月變化來看，近年來大風(fēng)天數(shù)相對較多，渤海地區(qū)大風(fēng)發(fā)生的頻率較高。

圖2 1979～2016年渤海(a)全年 (b)12月 (c)1月 (d)2月大風(fēng)天數(shù)年際變化

3.3 冬季不同風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)年際變化規(guī)律

為探究渤海不同風(fēng)向大風(fēng)的年際變化特征，本文將大風(fēng)分為8個(gè)風(fēng)向進(jìn)行討論。圖3是渤海冬季3個(gè)月8個(gè)風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)的年際變化趨勢?？梢钥闯龆颈憋L(fēng)、東北風(fēng)、西北風(fēng)大風(fēng)天數(shù)最多，東風(fēng)、東南風(fēng)次之，其余風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)較少，幾乎可忽略不計(jì)。結(jié)合表1看出冬季每個(gè)月偏北三風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)都占總大風(fēng)天數(shù)的60%左右，明顯多于其余風(fēng)向，因此，冬季各月大風(fēng)主要以偏北風(fēng)向(N、NE、NW)為主，大風(fēng)天數(shù)逐月減少。

圖4將偏北3個(gè)風(fēng)向合成，可以看出12月大風(fēng)天數(shù)多于1月及2月，各個(gè)月份具有偏北分量大風(fēng)天數(shù)都呈明顯線性增加趨勢。根據(jù)大風(fēng)天數(shù)根據(jù)大風(fēng)天數(shù)的時(shí)間序列，得出冬季偏北大風(fēng)極端偏少年份為1981年、1983年、1994年，極端偏多年份為2003年、2008年、2010年。

圖3 渤海冬季3個(gè)月8個(gè)風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)年際變化

表1 冬季3個(gè)月8個(gè)風(fēng)向38年平均的大風(fēng)天數(shù)

4 冬季渤海偏北大風(fēng)極值年環(huán)流形勢分析

對比分析大風(fēng)天數(shù)極端偏少年份與極端偏多年份的大氣環(huán)流，可以得出影響渤海極端大風(fēng)天氣形成的大氣環(huán)流特征。圖5(a)是大風(fēng)天數(shù)偏多年北半球冬季500hPa位勢高度場，在50°N左右的緯度上，存在著三槽三脊的結(jié)構(gòu)，符合冬季北半球環(huán)流的一般特征。根據(jù)時(shí)曉曚等的研究，北極地區(qū)上空位勢高度異常偏高，表明與極地外的冷暖空氣交換比較充分，特別是巴倫支海上空的位勢高度偏高，有利于北極地區(qū)冷空氣影響東亞地區(qū)。烏拉爾山、太平洋東北部上空以及大西洋北側(cè)存在異常的高壓脊，東亞大槽、北美大槽以及歐洲西部槽異常偏強(qiáng)，可見中緯地區(qū)槽脊振幅偏強(qiáng)，特別是在貝加爾湖以東渤海以北有大片異常低位勢區(qū)，這與其西側(cè)烏拉爾山附近的異常高位勢區(qū)相結(jié)合，造成異常區(qū)振幅偏強(qiáng)。而渤海位于東亞大槽槽后，異常低槽引導(dǎo)冷空氣南下，進(jìn)而導(dǎo)致渤海偏北風(fēng)偏多。

圖5(b)是大風(fēng)天數(shù)偏少年北半球冬季500hPa位勢高度場。與冬季大風(fēng)天數(shù)偏多的年份相比，差別非常明顯。一是北緯50°附近環(huán)繞整個(gè)北半球位勢高度異常場的波數(shù)明顯為1波或2波，二是極地冷空氣主要影響北美大槽以東的北大西洋，一直到西歐到巴倫支海一帶，位勢高度偏低，不利于北極冷空氣影響東亞地區(qū)。亞歐大陸北側(cè)高緯位勢高度偏弱，南側(cè)烏拉爾山附近東西方向上位勢高度偏強(qiáng)，這種形勢不利于北極冷空氣南下影響東亞地區(qū);反之，西半球北美地區(qū)極地與較低緯度區(qū)域冷暖空氣容易交換，北極冷空氣主要影響北美及北大西洋地區(qū)，亞歐大陸冷空氣偏弱，所以此種天氣形勢并不利于渤海產(chǎn)生較強(qiáng)的偏北大風(fēng)。

綜上說明，中緯度槽脊振幅相對偏大、冷空氣偏強(qiáng)的大氣環(huán)流形勢利于渤海偏北風(fēng)的產(chǎn)生。

5 前期海溫場特征分析

海洋與大氣是一個(gè)統(tǒng)一的整體，海洋的熱力異常是影響大氣環(huán)流異常變化的重要因素，而大氣環(huán)流異常又是影響氣候異常的直接因素，即海洋表面溫度可以通過加熱或冷卻上空大氣，使其位勢高度升高或降低，進(jìn)而可以影響大氣環(huán)流，從而影響渤海附近風(fēng)場的變化，Ding等的研究表明東亞冬季風(fēng)的年代際變化與太平洋上空大氣環(huán)流以及SST區(qū)域分布密切相關(guān)，所以海表溫度的變化有可能作為預(yù)測渤海大風(fēng)的間接信號(hào)，但是大氣對海洋熱力作用需要一定的響應(yīng)過程，所以本文對比分析偏多年及偏少年前期(9～12月)的海溫場分布情況，希望從中找出可以影響冬季渤海偏北大風(fēng)的前兆海洋信號(hào)。

圖6是偏多年前期9月、10月、11月、12月的海表面溫度異常分布，從圖中明顯看出北大西洋海域海表溫度偏高，特別是加拿大以東海域海溫異常偏高；從太平洋海域來看，北太平洋西北部海域處于異常高溫區(qū)，并且在40°N附近有一個(gè)向東延伸的暖舌，直至阿拉斯加灣南部海域，赤道東太平洋從9月開始一直處于異常低溫區(qū)，表現(xiàn)為明顯的拉尼娜現(xiàn)象。由于阿拉斯加灣水溫偏低，與北大西洋水溫偏高相結(jié)合，SST異常熱力強(qiáng)迫場對大氣環(huán)流的影響不利于北美上空槽脊振幅的增加。由于巴倫支海水溫偏高，熱力強(qiáng)迫導(dǎo)致歐洲到巴倫支海上空的高壓脊容易發(fā)展，有利于北半球冬季北極冷空氣影響東亞地區(qū)。

圖5 渤海冬季偏北大風(fēng)(a)偏多年 (b)偏少年500hPa位勢高度場

圖7是渤海大風(fēng)天數(shù)極端偏少年份前期海表面溫度異常的分布。與圖a相比，赤道東太平洋、北大西洋、巴倫支海的水溫異常呈現(xiàn)相反的變化特征。類似El Nino事件的赤道東太平洋水溫分布，有利于起源于赤道中太平洋的PNA遙相關(guān)波列影響北美東部地區(qū)，使北美大槽偏強(qiáng)，北極冷空氣偏向西半球。由于受冷空氣影響相對偏弱，東亞地區(qū)呈現(xiàn)暖冬特征，渤海上空的偏北分量大風(fēng)天數(shù)明顯偏少。

綜上可知：偏多年前期西北太平洋以及北大西洋西岸海域海溫異常偏高，偏少年相反；拉尼娜年渤海附近出現(xiàn)大風(fēng)的可能性更高，厄爾尼諾年可能性則較小。

圖6 冬季偏北大風(fēng)偏多年9～12月海表面溫度異常場(單位：℃)

6 結(jié)果和討論

(1)本文將大風(fēng)分為8個(gè)風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)冬季渤海偏北分量的大風(fēng)天數(shù)有增加的趨勢，偏北風(fēng)向(N、NW、NE)占總風(fēng)向的60%左右，同樣呈年際增長趨勢。分月來看，12月至次年2月各個(gè)風(fēng)向大風(fēng)天數(shù)逐月減少，且12月偏北大風(fēng)天數(shù)增長速率最快，1月、2月變化相對平緩?？傮w說明，近年來冬季渤海地區(qū)大風(fēng)出現(xiàn)的頻率變高，尤其是偏北風(fēng)向大風(fēng)。

圖7 冬季偏北大風(fēng)偏少年9～12月海表面溫度異常場(單位：℃)

(2)通過分析冬季渤海大風(fēng)偏北風(fēng)向極值年份季節(jié)平均的環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)亞歐大陸冷空氣偏強(qiáng)、中緯度槽脊振幅偏大的環(huán)流形勢易于渤海冬季偏北大風(fēng)的產(chǎn)生；前期西北太平洋以及北大西洋西岸海域海溫異常偏高有利于渤海偏北大風(fēng)的產(chǎn)生，拉尼娜年渤海出現(xiàn)偏北大風(fēng)的可能性高于厄爾尼諾年，此結(jié)論可為秋季預(yù)測渤海偏北大風(fēng)提供一定的參考。