華山大風(fēng)的氣候特征分析

武維剛，武麥鳳，龍亞星

(1.華山氣象站，陜西華陰 714200；2.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；3.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安 710014)

近年來，氣象工作者對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的大風(fēng)做了大量的研究工作。潘冬梅等[1]對(duì)阿勒泰地區(qū)大風(fēng)日數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律及變化特征進(jìn)行研究，分析了大風(fēng)天氣環(huán)流特征，總結(jié)歸納出不同天氣形勢(shì)下大風(fēng)預(yù)報(bào)指標(biāo)和預(yù)報(bào)方法。趙金霞等[2]分析了渤海灣大風(fēng)的氣候特征，建立極大風(fēng)速和當(dāng)日最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)方程，并將WRF數(shù)值預(yù)報(bào)模式計(jì)算出的日最大風(fēng)速進(jìn)行訂正、代入預(yù)報(bào)方程，來預(yù)報(bào)災(zāi)害性大風(fēng)。史國(guó)慶等[3]等對(duì)泰來縣近61 a大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速變化特征進(jìn)行分析研究，指出年平均風(fēng)速和年大風(fēng)日數(shù)整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。張新軍等[4]對(duì)蘭新鐵路第二雙線沿線10 m高度和近地層大風(fēng)分布規(guī)律進(jìn)行了分析研究。魯淵平等[5]對(duì)陜西大風(fēng)研究指出，近30 a陜西大風(fēng)高山、高原多于平原、盆地，陜北多于關(guān)中、陜南。華山，古稱西岳，是中國(guó)著名的五岳之一，有東、南、西、北、中五峰，位于陜西省華陰市境內(nèi)，雄踞關(guān)中東部，西距古都西安120 km。華山南接秦嶺，北瞰黃河，山勢(shì)險(xiǎn)峻，地形地貌復(fù)雜, 四季多大風(fēng)且風(fēng)向變化大，是陜西省大風(fēng)日數(shù)(風(fēng)速≥17.0 m/s)出現(xiàn)最多的地方。華山出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)天氣會(huì)導(dǎo)致索道停運(yùn)，大量游客滯留山頂，給游客觀景體驗(yàn)和人身安全帶來嚴(yán)重影響。本文利用華山氣象站1953—2020年地面氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析華山大風(fēng)的氣候變化特征，為華山大風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)研究提供依據(jù)，同時(shí)為景區(qū)索道的安全運(yùn)營(yíng)提供更高水平的氣象服務(wù)保障。

1 資料與方法

華山氣象站1952年建站，1953年正式開始地面氣象觀測(cè)，其觀測(cè)場(chǎng)位于華山絕壁西峰，海拔高度2 064.9 m，期間站址未曾遷移，資料序列通過信息化格式檢查和質(zhì)量檢查,為中國(guó)和亞洲質(zhì)量認(rèn)證的資料。本文所用資料為1953—2020年華山氣象站(簡(jiǎn)稱華山站，下同)逐年、月、日、定時(shí)觀測(cè)資料。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[6]，日界統(tǒng)一定為 20—20 時(shí)(北京時(shí),下同),以瞬時(shí)風(fēng)速≥17.0 m/s或目測(cè)估計(jì)風(fēng)力達(dá)到或超過8級(jí)作為大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)站一日內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)定為一個(gè)大風(fēng)日。季節(jié)劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、小波分析及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[7]等方法分析華山大風(fēng)的氣候變化特征。

2 大風(fēng)的氣候特征

2.1 大風(fēng)日數(shù)的年際變化

圖1為1953—2020年華山站大風(fēng)日數(shù)的年際變化曲線?？梢钥闯?，華山大風(fēng)日數(shù)總體呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-5.2 d/10 a(通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))，這與中國(guó)平均年總大風(fēng)日數(shù)和四季總大風(fēng)日數(shù)都呈明顯的減少趨勢(shì)相一致[8]。華山站年大風(fēng)日數(shù)變化范圍為55～225 d，大風(fēng)日數(shù)1966年最多，1954年最少，年平均116.4 d。年大風(fēng)日數(shù)200 d以上的年份有3 a，分別是1966、1967、1968年；100～200 d的有46 a，占總年份的68%；少于100 d的有19 a，占28%。從圖1還可看出，大風(fēng)具有明顯的年代際變化特征：20世紀(jì)50年代前期，華山的大風(fēng)日數(shù)相對(duì)較少，50年代中后期華山大風(fēng)日數(shù)迅速上升， 60年代大風(fēng)日數(shù)最多，這與中高緯大氣環(huán)流經(jīng)向度加大，強(qiáng)冷空氣頻繁入侵密切相關(guān)[9]。70年代大風(fēng)日數(shù)明顯減少，80年代至90年代初大風(fēng)日數(shù)略有增加。90年代中期至2015年大風(fēng)日數(shù)明顯小于平均值，2011年大風(fēng)日數(shù)僅有73 d。利用Morlet小波分析方法對(duì)1953—2020年華山站年大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行小波變換(圖2)，可以看出華山站大風(fēng)日數(shù)的周期性變化情況：華山站年大風(fēng)日數(shù)存在28 a的長(zhǎng)周期變化特征，呈“少—多—少—多—少”的變化規(guī)律。21世紀(jì)初至2020年大風(fēng)日數(shù)偏少，但偏少階段趨于末尾。

圖1 1953—2020年華山站大風(fēng)日數(shù)年際變化

圖2 1953—2020年華山站年大風(fēng)日數(shù)時(shí)間序列小波變換及方差

1953—2020年華山站春、夏、秋、冬四季大風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率分別為-0.6 d/10 a、-1.7 d/10 a、-0.5 d/10 a和-2.0 d/10 a，其中只有夏季和冬季通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)；因此，華山站年大風(fēng)日數(shù)以冬季減少趨勢(shì)最為明顯,這可能與寒潮發(fā)生的頻率減小，強(qiáng)度減弱密切相關(guān)，而后者又與全球系統(tǒng)尤其是冬季顯著增暖現(xiàn)象有直接關(guān)系[10]，也與東亞季風(fēng)系統(tǒng)夏季風(fēng)從20世紀(jì)70年代中后期、冬季風(fēng)從20世紀(jì)80年代中后期起發(fā)生了明顯變?nèi)鮗11]的變化趨勢(shì)一致。

利用Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)方法分析華山站年大風(fēng)日數(shù)的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。由圖3可見,華山站年大風(fēng)日數(shù)1955—1982年呈上升趨勢(shì)， 1983年以后年大風(fēng)日數(shù)呈單一下降趨勢(shì)， 這與上面的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)論一致。1958—1973年大風(fēng)日數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，2004年之后大風(fēng)日數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定大風(fēng)日數(shù)突變時(shí)間為1985年前后。

圖3 1953—2020年華山站年大風(fēng)日數(shù)時(shí)間序列Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(點(diǎn)線為0.05顯著性水平臨界值)

2.2 大風(fēng)日數(shù)的月際變化

圖4為1953—2020年華山站大風(fēng)總?cè)諗?shù)的逐月變化情況，可以看出，華山月大風(fēng)日數(shù)呈“雙峰”型分布：2—4月大風(fēng)日數(shù)呈逐月增加, 4月增至全年最多，68 a出現(xiàn)大風(fēng)日數(shù)854 d；5月大風(fēng)日數(shù)開始減少，8月最少，出現(xiàn)大風(fēng)484 d；9月以后冷空氣活動(dòng)加強(qiáng)，大風(fēng)日數(shù)又開始逐漸增多，12月達(dá)到第二峰值，出現(xiàn)大風(fēng)757 d。從季節(jié)變化來看，春季華山冷暖空氣活動(dòng)頻繁，大風(fēng)日數(shù)最多，68 a有2 443 d；冬季次之，出現(xiàn)大風(fēng)2 009 d；秋季和夏季大風(fēng)較少，大風(fēng)日數(shù)分別為1 760 d和1 703 d。

圖4 1953—2020年華山站各月大風(fēng)總?cè)諗?shù)

2.3 大風(fēng)的日變化

定義每時(shí)次內(nèi)只要出現(xiàn)一次大風(fēng)天氣，則記錄為1次大風(fēng)，各時(shí)次大風(fēng)次數(shù)除以總大風(fēng)次數(shù)得到1953—2020年華山站逐時(shí)大風(fēng)頻率(時(shí)次以北京時(shí)為準(zhǔn)，01時(shí)代表時(shí)間范圍00:01—01:00，其他時(shí)次類推)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，華山晚上出現(xiàn)大風(fēng)的頻率遠(yuǎn)高于白天：16時(shí)大風(fēng)頻率開始增加，20—01時(shí)是一天內(nèi)大風(fēng)頻率最高時(shí)段，占24 h出現(xiàn)大風(fēng)總次數(shù)的35.5%，其中20時(shí)是24 h內(nèi)大風(fēng)頻率最高的時(shí)刻，占總大風(fēng)次數(shù)的5.7%；02時(shí)后大風(fēng)頻率開始降低，08時(shí)最低，僅占總次數(shù)的3.2%。

圖5 1953—2020年華山站大風(fēng)頻率日變化

大風(fēng)日變化主要是由于下墊面在一日中受熱不同而引起的。在環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定的天氣背景下，太陽(yáng)落山以后太陽(yáng)輻射減弱，地表溫度降低，邊界層大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定，空氣的垂直對(duì)流減弱，使得不同高度的風(fēng)力相互影響減小，平原近地面風(fēng)力減弱。華山站位于2 000 m以上的高空，自由大氣受低層影響減小，風(fēng)力加大，大風(fēng)頻率升高。

2.4 大風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)力特征

2.4.1 風(fēng)向 華山站近68 a大風(fēng)風(fēng)向頻率分布(圖6)表明：華山大風(fēng)風(fēng)向以SSW為主，頻率為28.4%；SW、WNW次之，頻率分別為21.5%和20.8%；三者頻率之和為70.7%，而S和ESE大風(fēng)出現(xiàn)較少。分析華山大風(fēng)風(fēng)向頻率的月變化(表1)，結(jié)果表明：華山2月和5—11月以SSW大風(fēng)為主，SSW大風(fēng)在7、8月頻率最高，分別為59.7%和59.2%；SW大風(fēng)在9月頻率最高為30.9%；3—4月SW大風(fēng)出現(xiàn)可能性較大；12月—次年1月WNW大風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，12月WNW大風(fēng)頻率達(dá)最大值32.9%；6月ESE大風(fēng)頻率最高為10.6%。華山大風(fēng)風(fēng)向季節(jié)差異不明顯(表2)，一年四季都以SSW大風(fēng)為主，春、秋、冬季W(wǎng)NW、SW大風(fēng)次之，夏季SW、ESE大風(fēng)次之。春季SSW大風(fēng)出現(xiàn)最多，頻率為39.7%；夏季SW和ESE大風(fēng)頻率達(dá)到全年最高，分別為23.1%和18.8%；秋季W(wǎng)NW大風(fēng)頻率由夏季6.0%增加至23.6%，SW大風(fēng)由23.1%減少至17.3%；冬季W(wǎng)NW和NW大風(fēng)增至全年最多，頻率分別為30.3%和10.1%，同時(shí)SSW和SW大風(fēng)減少。

圖6 1953—2020年華山站大風(fēng)風(fēng)向頻率/%

表1 1953—2020年華山站逐月大風(fēng)風(fēng)向頻率 %

表2 1953—2020年華山站四季大風(fēng)風(fēng)向頻率 %

大風(fēng)風(fēng)向的季節(jié)性變化主要原因是：每年6—9月西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高，下同)脊線位于110°～115°E、20°～28°N之間，隨著副高位置的擺動(dòng)，陜西處于副高外圍的不同位置，常常受西南暖濕氣流和高原短波槽東移影響，SSW和SW大風(fēng)增多；10月—次年5月北方冷空氣活動(dòng)頻繁，WNW大風(fēng)出現(xiàn)頻率較多，SSW和SW大風(fēng)減少至全年最少；春夏之交，受短波槽和強(qiáng)對(duì)流天氣影響，ESE風(fēng)向較多。

2.4.2 風(fēng)力 根據(jù)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)范，預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中一般以2 min平均風(fēng)力達(dá)到6級(jí)(≥10.8 m/s)作為大風(fēng)指標(biāo)[12]。對(duì)1953—2020年定時(shí)2 min平均風(fēng)速≥10.8 m/s進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)(1953—2003年地面氣象月報(bào)表數(shù)據(jù)文件只統(tǒng)計(jì)02、08、14、20時(shí)四次定時(shí)風(fēng)速)。1953—2020年華山6級(jí)(10.8～13.8 m/s)風(fēng)占66.6%，7級(jí)(13.9～17.1 m/s)風(fēng)占25.6%，8級(jí)(17.2～20.7 m/s)風(fēng)占6.4%，9級(jí)(20.8～24.4 m/s)風(fēng)占1.0 %，10級(jí)(24.5～28.4 m/s)風(fēng)只占0.3%，11級(jí)(28.5～32.6 m/s)風(fēng)占0.0%，12級(jí)(≥32.7 m/s)以上風(fēng)僅占0.1%?？梢钥闯觯A山6級(jí)以上風(fēng)定時(shí)風(fēng)速主要出現(xiàn)10.8～17.1 m/s之間，即以6～7級(jí)風(fēng)為主，8級(jí)和9級(jí)風(fēng)相對(duì)較少，10級(jí)以上風(fēng)僅占0.4%。從風(fēng)力頻率的變化趨勢(shì)來看，6級(jí)風(fēng)頻率呈增高趨勢(shì)，最高為79.7%(2011年)，最低僅為26%(1962年)。7級(jí)風(fēng)頻率呈降低趨勢(shì)，最高為45.3%(1960年)，最低為17%(2000年)。8級(jí)風(fēng)頻率呈微弱降低趨勢(shì)，最高為26.7%(1962年)，1984、1992、1997、2000年未出現(xiàn)；9級(jí)風(fēng)頻率變化趨勢(shì)不明顯，最高為4.7%(1954年)，有31 a未出現(xiàn)；10級(jí)以上風(fēng)在20世紀(jì)50年代中后期至60年代末出現(xiàn)較多，并在1956年頻率最高為5.1%，與同時(shí)期大風(fēng)日數(shù)明顯偏多變化趨勢(shì)一致。

表3為1953—2020年華山站逐月大風(fēng)風(fēng)力頻率統(tǒng)計(jì)情況。由表3可以看出華山6級(jí)風(fēng)年變化呈“雙峰雙谷”型：峰值出現(xiàn)在6月和11月，頻率分別為71.9%和70.3%；谷值出現(xiàn)在4月和9月，頻率分別為61.6%和65.6%。7級(jí)風(fēng)年變化呈“凹”字型，4—5月和8—9月出現(xiàn)頻率較高，6—7月頻率出現(xiàn)階段性低值，全年頻率最小為22.4%，出現(xiàn)在11月。8級(jí)風(fēng)在2—4月、12月出現(xiàn)頻率較大，6月和8月出現(xiàn)頻率較小。9級(jí)風(fēng)在2—4月、11月出現(xiàn)頻率較大，7—8月很少出現(xiàn)。10級(jí)以上風(fēng)主要出現(xiàn)在11—1月和3—5月，6月和8月很少出現(xiàn)。季節(jié)變化方面，6級(jí)風(fēng)夏季頻率最高，春季最低。7級(jí)風(fēng)春季頻率最高，秋季最低。8級(jí)以上風(fēng)主要出現(xiàn)在春季和冬季，夏季出現(xiàn)最少，與大風(fēng)日數(shù)季節(jié)變化一致。

表3 1953—2020年華山站逐月大風(fēng)風(fēng)力頻率 %

3 最大風(fēng)速和極大風(fēng)速的氣候特征

3.1 年際變化

圖7為華山站1980—2020年年最大風(fēng)速和1994—2020年年極大風(fēng)速的變化趨勢(shì)(1953—1979地面氣象月報(bào)表數(shù)據(jù)文件未統(tǒng)計(jì)最大風(fēng)速，1953—1993地面氣象月報(bào)表數(shù)據(jù)文件未統(tǒng)計(jì)極大風(fēng)速)。1980—2020年華山最大風(fēng)速年平均值為24.5 m/s。從圖7可以看出，2013年最大為30.2 m/s(風(fēng)向WNW)，2006年最小為20.3 m/s(風(fēng)向WNW)。1980—2020年華山年最大風(fēng)速氣候傾向率為-0.1(m/s)/10 a (未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))，表明年最大風(fēng)速變化趨勢(shì)不顯著。最大風(fēng)速風(fēng)向頻率最高為SSW，SW、WNW次之，三者出現(xiàn)頻率之和為80%，與大風(fēng)風(fēng)向分布一致。

圖7 華山站1980—2020年年最大風(fēng)速和1994—2020年年極大風(fēng)速變化曲線

1994—2020年華山年極大風(fēng)速平均值為34.3 m/s。從圖7可以看出，年極大風(fēng)速2013年最大為41.3 m/s(風(fēng)向SW)，2010年極大風(fēng)速達(dá)41.2 m/s，1994年年極大風(fēng)速最小為29.2 m/s(風(fēng)向?yàn)镹W)。1994—2020年華山站年極大風(fēng)速氣候傾向率為1.4(m/s)/10 a (通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))，表明近27 a華山年極大風(fēng)速有增大趨勢(shì)。年極大風(fēng)速風(fēng)向以SW、SSW和WNW出現(xiàn)較多，與大風(fēng)風(fēng)向分布一致。

3.2 月際變化

從華山站月平均最大風(fēng)速(1980—2020年)和月平均極大風(fēng)速(1994—2020年)(圖8)可以看出，華山月平均最大風(fēng)速呈“雙峰”型變化：1—3月最大風(fēng)速逐漸增大, 3月達(dá)全年最大，平均最大風(fēng)速21.0 m/s。4月風(fēng)速開始減少，8月達(dá)到全年最小15.7 m/s。9月風(fēng)速又逐漸增大，12月達(dá)第二峰值，平均最大風(fēng)速為20.1 m/s。華山站月最大風(fēng)速最大值為30.2 m/s，出現(xiàn)在2013年3月。

華山站月平均極大風(fēng)速與月平均最大風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，也呈“雙峰”型(圖8)。1—3月風(fēng)速逐漸增大，3月最大，平均極大風(fēng)速30.2 m/s。4月平均極大風(fēng)速30.1 m/s。5月風(fēng)速開始減少，8月最小為23.4 m/s。9月風(fēng)速又逐漸增大，11月達(dá)第二峰值，平均極大風(fēng)速28.5 m/s，之后風(fēng)速又開始減小。華山站月極大風(fēng)速最大值為41.3 m/s，出現(xiàn)在2013年3月。從季節(jié)變化來看，華山平均最大風(fēng)速和平均極大風(fēng)速春季最大，冬季次之，夏季最小。

圖8 華山站1980—2020年平均最大風(fēng)速和1994—2020年平均極大風(fēng)速月變化曲線

4 結(jié)論與討論

(1)華山年大風(fēng)日數(shù)呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，存在28 a長(zhǎng)周期變化特征。華山大風(fēng)日數(shù)具有明顯的季節(jié)變化，春季最多，冬季次之，秋季和夏季出現(xiàn)大風(fēng)較少；大風(fēng)日數(shù)月變化呈“雙峰”型，峰值分別出現(xiàn)在4月和12月，8月大風(fēng)日數(shù)最少；華山大風(fēng)具有明顯的日變化特征，夜間遠(yuǎn)多于白天。20—01時(shí)是一天內(nèi)大風(fēng)頻率最高時(shí)段，20時(shí)是大風(fēng)出現(xiàn)頻率最高的時(shí)刻，08時(shí)大風(fēng)次數(shù)最少。

(2)華山最大風(fēng)和極大風(fēng)風(fēng)向均以SSW為主，WNW、SW次之。SSW大風(fēng)在7和8月出現(xiàn)頻率最高，WNW大風(fēng)在12月出現(xiàn)頻率最高，SW大風(fēng)在9月較多。華山6級(jí)以上風(fēng)以6～7級(jí)為主，達(dá)到8級(jí)和9級(jí)的很少，出現(xiàn)10級(jí)以上大風(fēng)僅占0.4%。

(3)華山地勢(shì)較高，地形復(fù)雜，受高空氣流影響的同時(shí)，地形對(duì)區(qū)域性大風(fēng)的形成影響作用十分明顯。對(duì)因下墊面熱力因素和動(dòng)力強(qiáng)迫作用產(chǎn)生的大風(fēng)目前觀測(cè)較少，其對(duì)華山局地大風(fēng)的貢獻(xiàn)程度也了解甚少，因此對(duì)復(fù)雜地形產(chǎn)生大風(fēng)機(jī)理尚需進(jìn)一步研究。