南極中山站風(fēng)的長期變化特征及其可能原因

武維剛 張文千 武麥鳳 馬靖凱 凌新鋒

(1華山氣象站, 陜西 華陰 714200;2中國氣象科學(xué)研究院, 北京 100081;3渭南市氣象局, 陜西 渭南 714000;4國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心, 北京 100081;5壽縣氣象局, 安徽 壽縣 232200)

0 引言

南極的氣候變化在全球氣候變化中起著重要作用。在全球變暖背景下, 很多研究都集中在分析和模擬南極地區(qū)溫度的變化趨勢。由于觀測資料缺乏, 對(duì)其他氣象要素的氣候變化研究較少。風(fēng)是研究大氣動(dòng)力學(xué)和氣候變化的一個(gè)重要參量,地面風(fēng)也是氣候?qū)W中最重要的研究對(duì)象之一。南極中山站是中國在南極地區(qū)建立的第二個(gè)常年科考站, 1989年2月建成于東南極拉斯曼丘陵、普里茲灣東南沿岸。胡勝利[1]指出中山站天氣惡劣,具有大風(fēng)多、風(fēng)速大和大風(fēng)時(shí)間長的特點(diǎn), 并受到多種天氣形勢影響。大風(fēng)天氣同時(shí)會(huì)造成吹雪和雪暴天氣[2]。大風(fēng)及其引發(fā)的次生災(zāi)害會(huì)對(duì)南極地區(qū)的科考站建筑造成破壞, 危及科研人員的人身安全, 影響航空飛行器的起降, 不利于船只航行。

前人研究[3-6]指出中山站常年盛行東風(fēng)及偏東風(fēng); 平均風(fēng)速約為7 m·s-1, 具有冬強(qiáng)夏弱的年變化特征, 且風(fēng)速日變化在夏季明顯, 冬季不明顯; 年平均大風(fēng)日數(shù)為159 d。在全球變暖背景下,盡管中山站1989—2008年氣溫?zé)o明顯變化, 但風(fēng)速呈減小趨勢[4,6]。Turner等[7]對(duì)南極地區(qū)19個(gè)氣象站50年的溫度、氣壓和風(fēng)速資料進(jìn)行分析,指出大部分考察站風(fēng)速變化與南半球環(huán)狀模(Southern Hemisphere Annular Mode, SAM)的變化一致, 當(dāng)SAM指數(shù)為正位相時(shí), 環(huán)南極西風(fēng)增強(qiáng),使各站觀測到的風(fēng)速增加[8]。但受到地理位置與局地天氣系統(tǒng)影響, 相距不遠(yuǎn)的考察站之間風(fēng)速仍存在不同變化。例如, 1958—2000年, 戴維斯站風(fēng)速呈增加趨勢, 但和平站風(fēng)速呈減小趨勢[7]。1989—2008年, 戴維斯站風(fēng)速呈增加趨勢, 但中山站風(fēng)速呈減小趨勢[6,9]。

南極中山站所處的伊麗莎白公主地是非常典型的冰蓋下降風(fēng)頻發(fā)地區(qū)。南極中山站下降風(fēng)風(fēng)速一般為5～6級(jí), 最大可達(dá)7～8級(jí), 風(fēng)向?yàn)槠珫|風(fēng)[6,9-12]。普里茲灣沿岸的下降風(fēng)強(qiáng)度受到南極大陸冷高壓強(qiáng)弱以及位置的影響[10]。此外, 受下降風(fēng)影響的強(qiáng)弱還與距冰蓋斜坡的遠(yuǎn)近有關(guān)。與中山站相距不遠(yuǎn)的戴維斯站, 由于距冰蓋斜坡較遠(yuǎn),受下降風(fēng)的影響較中山站要小[13]。

本文利用1989—2020年中山站地面風(fēng)等氣象觀測數(shù)據(jù), 對(duì)中山站風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)以及下降風(fēng)的氣候變化特征進(jìn)行分析, 同時(shí)結(jié)合NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)探討上述變化的成因,以期了解南極自由大氣底部的氣候變化并為深入理解區(qū)域氣候變化提供參考意義。

1 資料和方法

本文所用的資料均來自南極中山氣象臺(tái), 其地面氣象觀測儀器的安裝、運(yùn)行和觀測方法均按照中國氣象局頒布的《地面氣象觀測規(guī)范》執(zhí)行[14], 其觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量審核。資料時(shí)間跨度為1989年12月—2020年12月, 資料類型包括逐年、月、日和小時(shí)的風(fēng)、氣溫和氣壓等地面氣象觀測資料。同時(shí), 為了分析大氣環(huán)流對(duì)風(fēng)速的影響, 本文還選取了1990—2020年NCEP/NCAR再分析資料, 包括逐月海平面氣壓場、表面氣溫場、高度場和風(fēng)場等資料, 水平分辨率為2.5°× 2.5°[15]。文中季節(jié)按12月至次年2月為夏季、3—5月為秋季、6—8月為冬季、9—11月為春季劃分。

《地面氣象觀測規(guī)范》中規(guī)定, 瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過17 m·s-1(或目測估計(jì)風(fēng)力達(dá)到或超過8級(jí))的風(fēng), 記為大風(fēng); 若某日中有大風(fēng)出現(xiàn), 一般稱該日為大風(fēng)日; 一日中出現(xiàn)多次大風(fēng)記為一個(gè)大風(fēng)日[14]。根據(jù)丁卓銘等[10]分析的普里茲灣沿岸下降風(fēng)特征, 本文將晴朗少云天氣風(fēng)速超過5級(jí)(≥8 m·s-1), 風(fēng)向介于東北至東南(33.75°～146.25°)的風(fēng)看作下降風(fēng)。

將統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)風(fēng)速按照下式進(jìn)行分解:

其中,F為風(fēng)速, π為圓周率,φ為風(fēng)向。分解后u為東-西向風(fēng)速,v為南-北向風(fēng)速, 按照正、負(fù)值區(qū)分為4個(gè)分量, 然后各分量取絕對(duì)值后求和, 再除以總觀測次數(shù), 即得到相應(yīng)時(shí)段內(nèi)經(jīng)、緯向及東、西、南、北風(fēng)分量的平均風(fēng)速。計(jì)算年、季平均風(fēng)速傾向率時(shí)采用一元線性趨勢擬合, 可得到風(fēng)速線性變化率b和相關(guān)系數(shù)r[16]。文中對(duì)氣候變化趨勢的性質(zhì)和幅度采用氣候傾向率(b×10)、趨勢系數(shù)(無量綱)來表示,趨勢檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)方法[17]。采用 Mann-Kendall檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K檢驗(yàn))對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行突變分析[18]。

2 中山站風(fēng)的變化特征

2.1 風(fēng)的年際變化

圖1a可以看出,1990—2020年中山站年平均風(fēng)速最大值為7.8 m·s-1, 出現(xiàn)在1991年和2007年; 最小值為5.7 m·s-1, 出現(xiàn)在2019年; 年平均風(fēng)速為6.9 m·s-1。圖2 中UF為按時(shí)間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列, UB為按時(shí)間序列逆序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列[18]。通過M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn), UF和UB兩條曲線相交, 交點(diǎn)位于臨界線內(nèi), 根據(jù)交點(diǎn)位置, 確定風(fēng)速在2002年附近發(fā)生突變。1990—2001年平均風(fēng)速為7.3 m·s-1, 2002—2020年平均風(fēng)速為6.6 m·s-1, 這說明中山站年平均風(fēng)速減小。通過計(jì)算線性趨勢也證實(shí), 年平均風(fēng)速有減少趨勢,傾向率為-0.4 m·s-1·(10 a)-1(通過0.001顯著性水平檢驗(yàn))。M-K檢驗(yàn)也得到一致的結(jié)果, 1992年以后年平均風(fēng)速呈下降趨勢(UF＜0), 2003—2020年風(fēng)速下降趨勢顯著, UF值超過α=0.05臨界線甚至超過0.001顯著性水平(u0.001=2.56)臨界線。從圖1還可以看出, 中山站年平均氣溫和氣壓變化趨勢并不明顯, 氣候傾向率分別為0.015℃·(10 a)-1、-0.037 hPa·(10 a)-1, 均未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。

圖1 1990—2020年中山站風(fēng)年際變化。a)年平均風(fēng)速、氣溫；b)年平均氣壓Fig.1.Interannual variation of wind at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) annual mean wind speed and temperature;b) annual mean pressure

圖 2 1990—2020年中山站年平均風(fēng)速時(shí)間序列Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(虛線為α = 0.05顯著性水平臨界值)Fig.2.Mann-Kendall test of the time series of annual mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020(dotted line is α = 0.05 critical value of significance level)

中山站位于環(huán)極低壓帶的南部和南極大陸地面冷高壓北部之間, 常年盛行偏東氣流。年最多風(fēng)向以東北至東東南為主, 東風(fēng)出現(xiàn)頻率最高,1990—2020年間有22年最多風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)。

2.2 風(fēng)的季節(jié)變化

1990—2020年中山站月平均風(fēng)速隨時(shí)間呈倒“U”字型(圖3a), 中間高, 兩頭低。月平均風(fēng)速為6.9 m·s-1, 1月平均風(fēng)速最小為5.0 m·s-1,2月風(fēng)速迅速增大, 6月和8月風(fēng)速達(dá)到全年最大為7.9 m·s-1, 9月風(fēng)速開始減小, 3—9月平均風(fēng)速變化緩慢且高于平均值。中山站風(fēng)速存在明顯的季節(jié)差異, 冬季風(fēng)速最大, 秋季次之,春季較小, 夏季最小(圖3)。1990—2020年中山站春、夏、秋、冬季平均風(fēng)速分別為6.7、5.7、7.4、7.7 m·s-1。春季平均風(fēng)速最大值為8.3 m·s-1,出現(xiàn)在1994年; 最小值為5.7 m·s-1, 出現(xiàn)在2016年。秋季和冬季平均風(fēng)速最大值分別為8.9、9.9 m·s-1, 均出現(xiàn)在2018年, 最小值分別為5.8、5.6 m·s-1, 均出現(xiàn)在2019年。夏季平均風(fēng)速最大值為6.8 m·s-1, 出現(xiàn)在1992年; 最小值為4.4 m·s-1, 出現(xiàn)在2020年。中山站全年風(fēng)向變化較小, 2—11月東風(fēng)出現(xiàn)頻率最高, 東東北風(fēng)次之。1月和12月東東北風(fēng)出現(xiàn)頻率最高,東風(fēng)次之。中山站地面風(fēng)受南極大陸冷高壓和繞極低壓帶控制[19]。由于夏季南極大陸冷高壓和繞極低壓帶強(qiáng)度較弱, 且繞極低壓帶的平均位置明顯北移, 使得高、低壓之間氣壓梯度小,從而導(dǎo)致夏季中山站平均風(fēng)速最小。當(dāng)夏季轉(zhuǎn)向冬季時(shí), 南極大陸冷高壓逐漸加強(qiáng), 同時(shí)繞極低壓帶的平均位置南移, 使得高、低壓中心的氣壓梯度增大, 形成強(qiáng)烈且穩(wěn)定的東風(fēng), 從而使冬季中山站平均風(fēng)速最大。

圖3 1990—2020年中山站不同季節(jié)的平均風(fēng)速變化。a)月平均風(fēng)速變化；b)春季；c)夏季；d)秋季；e)冬季Fig.3.Interannual variation of mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) monthly mean wind speed;b) spring; c) summer; d) autumn; e) winter

中山站各季節(jié)平均風(fēng)速的變化趨勢(圖3)與年平均風(fēng)速變化相同, 均呈減小趨勢。對(duì)比各季節(jié)平均風(fēng)速變化趨勢系數(shù)發(fā)現(xiàn), 夏季和冬季減小趨勢最為顯著, 氣候傾向率、趨勢系數(shù)分別為-0.53 m·s-1·(10 a)-1、-0.09和-0.48 m·s-1·(10 a)-1、-0.05。春季和秋季風(fēng)速氣候傾向率、趨勢系數(shù)分別為-0.25 m·s-1·(10 a)-1、-0.04和-0.31 m·s-1·(10 a)-1、-0.04。顯著性檢驗(yàn)表明, 除秋季外其他季節(jié)均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn), 表明秋季風(fēng)速變化趨勢不明顯。

2.3 風(fēng)的日變化

圖4為1990—2020年中山站年和四季定時(shí)10分鐘風(fēng)速的日變化?？梢钥闯? 中山站風(fēng)速日變化呈單峰單谷型, 風(fēng)速在凌晨5時(shí)達(dá)到最大,峰值為8.0 m·s-1, 之后風(fēng)速開始減小, 下午15時(shí)風(fēng)速降至最小, 谷值為5.6 m·s-1, 隨后風(fēng)速又開始增加。日平均風(fēng)速為6.8 m·s-1, 11—21時(shí)風(fēng)速均小于日平均風(fēng)速。中山站定時(shí)平均風(fēng)速和氣溫呈負(fù)相關(guān),r為-0.97, 并通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。從季節(jié)變化來看, 春季和夏季受下降風(fēng)影響風(fēng)速具有明顯的日變化特征, 秋季和冬季風(fēng)速日變化不明顯。這是因?yàn)榍锛竞投景讜儠r(shí)間短,日照時(shí)間很少, 普利茲灣海面以及拉斯曼丘陵絕大部分被冰雪覆蓋, 整個(gè)地區(qū)下墊面單一, 受太陽輻射加熱比較平衡, 晝夜變化小, 因此風(fēng)速的日變化不明顯。春季和夏季白天受太陽輻射加熱的時(shí)間長, 容易產(chǎn)生海水與冰面的受熱不平衡, 夜間不同下墊面輻射散熱的差異大, 使海陸溫差加大。中山站位于岸邊緊鄰冰蓋, 海平面與冰蓋存在很大的高度差, 導(dǎo)致海風(fēng)和冰蓋下降風(fēng)的增強(qiáng)[3]。春季風(fēng)速在4時(shí)達(dá)到最大, 峰值為8.6 m·s-1; 15時(shí)風(fēng)速最小, 谷值為4.6 m·s-1。與春季不同, 夏季風(fēng)速在5時(shí)達(dá)到最大, 峰值為8.0 m·s-1; 16時(shí)風(fēng)速最小, 谷值為3.5 m·s-1, 夏季風(fēng)速峰值和谷值的出現(xiàn)時(shí)間均比春季晚1小時(shí)。總體來看, 中山站全年和四季晚上平均風(fēng)速大于白天。

圖4 1990—2020年中山站年和四季定時(shí)風(fēng)速的日變化Fig.4.Diurnal variation of annual and seasonal wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020

2.4 經(jīng)、緯向風(fēng)分量的變化特征

圖5給出了1990—2020年中山站經(jīng)、緯向平均風(fēng)速的年際變化。由圖可見, 中山站緯向風(fēng)速明顯大于經(jīng)向風(fēng)速。與年平均風(fēng)速變化趨勢相同, 緯向年平均風(fēng)速呈減小趨勢, 而經(jīng)向風(fēng)速變化趨勢不明顯。緯向平均風(fēng)速在1991年達(dá)到最大值7.2 m·s-1, 與年平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)時(shí)間相同。2002—2020年緯向平均風(fēng)速為5.7 m·s-1, 較1990—2001年緯向平均風(fēng)速減小了1.0 m·s-1(表1), 2005年和2006年緯向年平均風(fēng)速達(dá)到最小值4.0 m·s-1。與緯向風(fēng)速變化相反, 經(jīng)向平均風(fēng)速在2002年以后明顯增大, 經(jīng)向平均風(fēng)速由1.8 m·s-1增加至2.6 m·s-1, 并在2007年達(dá)到最大值5.8 m·s-1。經(jīng)向平均風(fēng)速最小值為1.3 m·s-1, 出現(xiàn)在2019年, 與年平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)時(shí)間相同。

圖5 1990—2020年中山站經(jīng)、緯向平均風(fēng)速的年際變化Fig.5.Interannual variation of mean wind speed in meridional and zonal at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表1 2002年前后中山站經(jīng)、緯向及東、南、西、北風(fēng)分量平均風(fēng)速Table 1.Mean wind speed in meridional, zonal and components of east, south, west and north wind at Zhongshan Station around 2002單位: m·s-1

對(duì)經(jīng)向和緯向風(fēng)進(jìn)行進(jìn)一步分解, 圖6為1990—2020年中山站東、西、南、北風(fēng)分量平均風(fēng)速年際變化。從圖中可以看出, 東風(fēng)分量平均風(fēng)速明顯大于其他方向風(fēng)分量, 東風(fēng)分量年際變化與緯向風(fēng)速年際變化基本一致。2002—2020年東風(fēng)分量平均風(fēng)速較1990—2001年減小了1.0 m·s-1。東風(fēng)分量平均風(fēng)速在1991年最大為7.7 m·s-1, 2006年最小為4.4 m·s-1。2002—2020年西風(fēng)分量平均風(fēng)速較1990—2001年減小了0.3 m·s-1, 年平均風(fēng)速最大值為2.4 m·s-1, 最小值為1.1 m·s-1, 極值出現(xiàn)時(shí)間與東風(fēng)分量極值出現(xiàn)時(shí)間相同。南風(fēng)分量平均風(fēng)速在1991年最大為3.6 m·s-1, 2010年最小為1.2 m·s-1。2002—2020年南風(fēng)分量平均風(fēng)速較1990—2001年減小了1.0 m·s-1。北風(fēng)分量平均風(fēng)速1994年最小為1.0 m·s-1, 之后風(fēng)速開始增大, 與經(jīng)向年平均風(fēng)速變化基本一致。2002—2020年北風(fēng)分量平均風(fēng)速較1990—2001年增加了1.4 m·s-1, 并在2007年風(fēng)速達(dá)到最大為6.2 m·s-1。

圖6 1990—2020年中山站東、西、南、北風(fēng)分量平均風(fēng)速的年際變化Fig.6.Interannual variation of the mean wind speed of east, west, south and north wind components at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表2為中山站年與四季經(jīng)、緯向及東、南、西、北風(fēng)分量平均風(fēng)速氣候傾向率及趨勢系數(shù)。從經(jīng)、緯向風(fēng)速的氣候傾向率和趨勢系數(shù)來看,緯向風(fēng)明顯大于經(jīng)向風(fēng), 緯向風(fēng)的全年與四季風(fēng)速氣候傾向率和趨勢系數(shù)均為負(fù)值, 說明緯向風(fēng)速呈減小趨勢。緯向年平均風(fēng)速氣候傾向率為-0.34 m·s-1·(10 a)-1(通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)),四季中只有夏季通過0.01顯著性水平檢驗(yàn), 氣候傾向率為-0.46 m·s-1·(10 a)-1。經(jīng)向風(fēng)的全年和四季風(fēng)速變化趨勢不明顯, 均未通過顯著性檢驗(yàn)。從風(fēng)分量氣候傾向率和趨勢系數(shù)來看, 南風(fēng)分量呈減小趨勢且變化速率遠(yuǎn)大于其他風(fēng)分量。南風(fēng)分量在夏季減小速率最大, 氣候傾向率為-0.65 m·s-1·(10 a)-1; 在春季減小速率最小, 氣候傾向率為-0.46 m·s-1·(10 a)-1, 均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。東風(fēng)分量夏季氣候傾向率和趨勢系數(shù)明顯大于其他季節(jié)且與其變化趨勢相反, 風(fēng)速呈減小趨勢, 氣候傾向率為-0.48 m·s-1·(10 a)-1, 通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。西風(fēng)和北風(fēng)分量變化趨勢不顯著, 其全年和四季氣候傾向率和趨勢系數(shù)均未通過顯著性水平檢驗(yàn)。

表2 中山站年與四季經(jīng)、緯向及東、南、西、北風(fēng)分量平均風(fēng)速氣候傾向率[m·s-1·(10 a)-1]/趨勢系數(shù)Table 2.The annual and seasonal climatic tendency rate [m·s-1·(10 a)-1]/trend coefficient of the mean wind speed in meridional, zonal and east, south, west and north components of Zhongshan Station

以上分析表明中山站緯向平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢, 經(jīng)向平均風(fēng)速變化趨勢不顯著; 南風(fēng)分量年平均風(fēng)速氣候傾向率和趨勢系數(shù)都顯著大于其他風(fēng)分量, 風(fēng)速呈顯著減小趨勢; 西風(fēng)和北風(fēng)分量變化趨勢不顯著; 東風(fēng)分量在夏季呈減小趨勢, 其他季節(jié)變化趨勢不顯著。

3 下降風(fēng)的氣候變化特征

圖7展示了1990—2020年中山站年和四季出現(xiàn)下降風(fēng)頻數(shù)的年際變化。由圖可見, 中山站年下降風(fēng)頻數(shù)年際變化明顯, 平均為1757.2次, 最大值為2211次(1994年), 最小值為1087次(2020年)。年下降風(fēng)頻數(shù)呈減少趨勢,氣候傾向率為-119.8次·(10 a)-1(通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))。與風(fēng)速季節(jié)變化相同, 中山站冬季出現(xiàn)下降風(fēng)次數(shù)最多, 秋季次之, 春季較少, 夏季最少。冬、秋、春、夏季年平均下降風(fēng)頻數(shù)分別為534.6次、481.2次、318.5次和217.7次。冬季年平均下降風(fēng)頻數(shù)最大值為837次(2006年), 最小值為222次(2010年)。秋季最大值為659次(2007年), 最小值為255次(1999年)。春季最大值為442次(1991年), 最小值為154次(2010年)。夏季最大值為373次(2004年), 最小值為96次(2020年)。

圖7 1990—2020年中山站年、夏季和冬季下降風(fēng)頻數(shù)的年際變化Fig.7.Interannual variation of annual, summer and winter katabatic wind frequency at Zhongshan Station from 1990 to 2020

1990—2020年中山站年和四季下降風(fēng)頻數(shù)均呈減少趨勢, 其中夏季和冬季下降風(fēng)頻數(shù)減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率、趨勢系數(shù)分別為-30.3次·(10 a)-1、-0.05和-66.0次·(10 a)-1、-0.04,均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。春季和秋季下降風(fēng)頻數(shù)氣候傾向率、趨勢系數(shù)分別為-0.7次·(10 a)-1、0.0和-19.6次·(10 a)-1、-0.02, 未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn), 表明春季和秋季下降風(fēng)變化趨勢不顯著。

4 大風(fēng)日數(shù)的變化特征

中山站大風(fēng)主要受極地氣旋、極地大陸冷高壓和東移鋒面擾動(dòng)的系統(tǒng)影響[1]。圖8可以看出,中山站年大風(fēng)日數(shù)范圍為81～196 d, 1999年出現(xiàn)的大風(fēng)日數(shù)最多, 2016年和2019年最少。年平均大風(fēng)日數(shù)為140 d, 占全年總?cè)諗?shù)的38%。年大風(fēng)日數(shù)在100 d以下的有3 a, 分別是2010年、2016年和2019年; 100～200 d有28 a, 占總年份的90%。1990—2002年期間只有1993年的大風(fēng)日數(shù)小于平均值, 2003—2020年期間僅有4 a(2004年、2006年、2007年和2018年)大風(fēng)日數(shù)大于平均值, 初步表明年大風(fēng)日數(shù)有減少趨勢。對(duì)1990—2020年大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行趨勢分析, 結(jié)果表明雖然中山站大風(fēng)日數(shù)高(低)值年與平均風(fēng)速高(低)值年并不一一對(duì)應(yīng), 但是大風(fēng)日數(shù)的線性趨勢與平均風(fēng)速的變化趨勢一致, 均呈減小趨勢, 年大風(fēng)日數(shù)氣候傾向率為-25.8 d·(10 a)-1(通過0.001顯著性水平檢驗(yàn))。大風(fēng)日數(shù)與年平均風(fēng)速呈正相關(guān),r為0.86, 并通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。中山站大風(fēng)風(fēng)向主要為東風(fēng),頻率為42%, 東東南、東東北大風(fēng)次之, 頻率分別為27%和16%。

圖8 1990—2020年中山站大風(fēng)日數(shù)的年際變化Fig.8.Interannual variation of gale days at Zhongshan Station from 1990 to 2020

中山站月大風(fēng)日數(shù)隨時(shí)間呈“凸”字型, 月平均大風(fēng)日數(shù)為11.7 d。5—11月大風(fēng)日數(shù)均大于平均值, 8月是大風(fēng)出現(xiàn)最多的月份, 大風(fēng)日數(shù)達(dá)15.4 d, 平均每兩天出現(xiàn)一次大風(fēng)天氣。1月出現(xiàn)大風(fēng)天氣的次數(shù)最少, 大風(fēng)日數(shù)僅6.6 d。月大風(fēng)日數(shù)與月平均風(fēng)速呈正相關(guān),r為0.83, 并通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。中山站春、夏、秋、冬季大風(fēng)日數(shù)分別為36.8、25.8、34.4、43.6 d。大風(fēng)日數(shù)也具有明顯的季節(jié)變化特征, 冬季大風(fēng)日數(shù)最多, 春季次之, 秋季較少, 夏季最少。春季和冬季大風(fēng)日數(shù)最多分別為62 d和72 d, 均出現(xiàn)在1999年。夏季大風(fēng)日數(shù)最多為39 d, 出現(xiàn)在1996年。秋季大風(fēng)日數(shù)最多為48 d, 出現(xiàn)在1990年、1991和2000年。春、夏、秋、冬季大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速呈正相關(guān),r分別為0.65、0.75、0.81和0.85,均通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。

1990—2020年中山站四季大風(fēng)日數(shù)與年大風(fēng)日數(shù)變化一致均呈減少趨勢, 其中夏季大風(fēng)日數(shù)減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率和趨勢系數(shù)分別為-8.2 d·(10 a)-1、-0.09, 夏季是年平均風(fēng)速減小最顯著的季節(jié)。秋季和春季大風(fēng)日數(shù)氣候傾向率和趨勢系數(shù)分別為-6.3 d·(10 a)-1、-0.07和-5.0 d·(10 a)-1、-0.06。冬季大風(fēng)日數(shù)減小趨勢最弱, 氣候傾向率和趨勢系數(shù)為-6.1 d·(10 a)-1、-0.05。顯著性檢驗(yàn)表明, 四季大風(fēng)日數(shù)減小趨勢均通過0.01顯著性水平檢驗(yàn), 其中夏季和秋季變化趨勢通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。

5 風(fēng)速的變化趨勢

表3為中山站日平均風(fēng)速、日最大風(fēng)速在各風(fēng)速范圍內(nèi)的平均日數(shù)、氣候傾向率和趨勢系數(shù)。中山站日平均風(fēng)速主要出現(xiàn)在3.4～10.7 m·s-1之間, 即以3～5級(jí)風(fēng)為主, 年平均日數(shù)為245 d, 占全年總?cè)諗?shù)的67%, 其中3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)風(fēng)分別占年總?cè)諗?shù)的21.3%、25.6%和20.1%。1990—2020年中山站日平均風(fēng)速≤7.9 m·s-1(≤4級(jí))日數(shù)呈增加趨勢, 其中日平均風(fēng)速1.6～3.3 m·s-1(2級(jí))日數(shù)增加趨勢最顯著, 氣候傾向率為6.6 d·(10 a)-1,通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。日平均風(fēng)速≥8.0 m·s-1(≥5級(jí))日數(shù)呈減小趨勢, 其中 5級(jí)風(fēng)(8.0～10.7 m·s-1)日數(shù)減少趨勢最為顯著, 氣候傾向率為-7.6 d·(10 a)-1, 通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。四季日平均風(fēng)速不同風(fēng)力等級(jí)日數(shù)的分布特征與年的分布特征基本一致, 但變化趨勢沒有年日平均風(fēng)速變化趨勢顯著。

表3 中山站日平均風(fēng)速和日最大風(fēng)速在各風(fēng)速范圍內(nèi)的平均日數(shù)(d)及氣候傾向率[d·(10 a)-1]/趨勢系數(shù)Table 3.Average days (d) of daily wind speed and maximum wind speed in different speed range and climatic tendency rate[d·(10 a)-1]/trend coefficient of Zhongshan Station

對(duì)于日最大風(fēng)速而言, 風(fēng)速≤5級(jí)日數(shù)呈增加趨勢, 其中日最大風(fēng)速4級(jí)日數(shù)增加趨勢最顯著,氣候傾向率為5.6 d·(10 a)-1。日最大風(fēng)速≥6級(jí)日數(shù)呈減小趨勢,6級(jí)風(fēng)是日最大風(fēng)速一年中出現(xiàn)日數(shù)最多的風(fēng)速段(年平均日數(shù)為97.4 d), 但變化趨勢未能通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。日最大風(fēng)速7級(jí)日數(shù)減小趨勢最顯著, 氣候傾向率為-6.7 d·(10 a)-1,通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。四季日最大風(fēng)速不同風(fēng)力等級(jí)日數(shù)的分布特征與年分布特征基本一致, 但變化趨勢沒有年日最大風(fēng)速變化趨勢顯著。

通過對(duì)中山站日平均風(fēng)速和日最大風(fēng)速風(fēng)力等級(jí)日數(shù)變化趨勢分析, 初步認(rèn)為, 中山站中小風(fēng)日數(shù)(日平均風(fēng)速＜8.0 m·s-1)增加, 中大風(fēng)或大風(fēng)日數(shù)(日平均風(fēng)速≥8.0 m·s-1)減少。年平均風(fēng)速減小主要是由中大風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)減少造成的。

6 風(fēng)速變化與大氣環(huán)流異常的關(guān)系

圖1表明中山站年平均風(fēng)速在2002年發(fā)生突變性減小, 對(duì)影響風(fēng)速變化的大氣環(huán)流背景場進(jìn)行分析。選取海平面氣壓場、表面氣溫場以及高空高度場做相關(guān)分析(圖9), 并對(duì)2002年前后中山站附近的大氣環(huán)流場做合成分析(圖10)。圖9a為中山站年平均風(fēng)速與地面海平面氣壓的相關(guān)分布, 由圖可見, 在南極內(nèi)陸和普里茲灣海域北部的南印度洋海平面氣壓場存在顯著的相關(guān)區(qū), 中山站風(fēng)速與極地高壓呈顯著的正相關(guān),r超過0.5;與南印度洋海平面氣壓呈負(fù)相關(guān),r低于-0.35, 均通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)。圖9b可以看出, 中山站年平均風(fēng)速與南極內(nèi)陸和普里茲灣海域北部的南印度洋表面氣溫存在顯著的負(fù)相關(guān), 與南極戴維斯海附近表面氣溫呈顯著的正相關(guān)。從海平面氣壓和風(fēng)差值場(圖10a)來看, 中山站南部極地高壓負(fù)距平, 北部南印度洋低壓為正距平, 極地冷高壓和繞極低壓帶強(qiáng)度減弱, 高、低壓之間氣壓梯度減小, 空氣流動(dòng)性減弱, 造成中山站平均風(fēng)速減小。影響中山站的氣旋活動(dòng)主要為西北路徑,中山站北部南印度洋的海平面氣壓正異常,使中山站不易受氣旋影響[20]。彼得森淺灘附近海平面氣壓呈負(fù)距平, 形成順時(shí)針環(huán)流風(fēng)場, 南極瑪麗皇后地附近偏南風(fēng)增強(qiáng),在戴維斯海附近形成負(fù)變溫中心。表面氣溫差值場上南極內(nèi)陸和普里茲灣海域北部的南印度洋表面氣溫為正變溫, 而且南極內(nèi)陸表面增溫幅度大于南印度洋表面。南半球環(huán)狀?；蚰蠘O濤動(dòng)(Antarctic Oscillation, AAO)與中山站風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān), 南極濤動(dòng)的正位相會(huì)引起中山站西風(fēng)和北風(fēng)異常[21]。2002—2020年AAO指數(shù)正位相較1990—2001年數(shù)值增大, 中山站附近北風(fēng)增強(qiáng), 與觀測數(shù)據(jù)一致。

圖9 中山站年平均風(fēng)速與同期海平面氣壓(a)、表面氣溫場(b)以及700 hPa高度場(c)的相關(guān)系數(shù)。圓點(diǎn)表示通過了0.05水平顯著性檢驗(yàn)Fig.9.Correlation coefficient of the annual mean wind speed at Zhongshan Station with sea level pressure (a), surface termperature filed (b) and 700 hPa height filed of the same period (c).Dot means that it passed the 0.05 reliability significance test

圖9c為年平均風(fēng)速與700 hPa高度場的相關(guān)分布, 可以看出, 中山站風(fēng)速與普里茲灣海域北部的南印度洋700 hPa高度場呈顯著負(fù)相關(guān),r超過0.5, 與極地內(nèi)陸高度場雖呈正相關(guān), 但相關(guān)性不顯著。年平均風(fēng)速與500 hPa高度場的相關(guān)分布與700 hPa分布基本一致。從高空位勢高度和風(fēng)差值場來看, 700 hPa(圖10b)普里茲灣海域北部的南印度洋附近為正變高, 南極內(nèi)陸為負(fù)變高, 這樣的變高場配置, 使南印度洋附近低壓和極地高壓均減弱。中山站東部的瑪麗皇后地高度場為正變高, 形成弱高壓中心, 有利于中山站偏北氣流的加強(qiáng)和維持。500 hPa(圖10c)南極內(nèi)陸高原和南印度洋高度場均呈正變高, 在兩高之間, 形成順時(shí)針的風(fēng)場, 中山站附近經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng)。

圖10 2002—2020年與1990—2001年合成場之差。a)海平面氣壓(hPa)和風(fēng)場(m·s-1); b)700 hPa高度場(gpm)和風(fēng)場(m·s-1); c) 500 hPa高度場(gpm)和風(fēng)場(m·s-1)Fig.10.Difference of composite fields between 2002—2020 and 1990—2001.a) sea level pressure (hPa) and wind field(m·s-1); b) 700 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1); c) 500 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1)

7 結(jié)論

1.中山站月平均風(fēng)速隨時(shí)間呈倒“U”字型,1月平均風(fēng)速最小, 6月和8月風(fēng)速達(dá)到全年最大。風(fēng)速存在明顯的季節(jié)變化, 冬季風(fēng)速最大,秋季次之, 夏季最小。中山站風(fēng)速日變化呈單峰單谷型, 峰值出現(xiàn)在凌晨5時(shí), 谷值出現(xiàn)在15時(shí)。從季節(jié)變化來看, 春季和夏季風(fēng)速具有明顯日變化特征, 秋季和冬季風(fēng)速日變化不明顯。中山站全年風(fēng)向變化較小, 2—11月東風(fēng)出現(xiàn)頻率最高,1月和12月東東北風(fēng)出現(xiàn)頻率最大。

2.中山站年最多風(fēng)向以東北至東東南為主,東風(fēng)出現(xiàn)頻率最高。近31年風(fēng)速呈減小趨勢, 四個(gè)季節(jié)中夏季風(fēng)速減小趨勢最大。中山站年下降風(fēng)頻數(shù)也呈減少趨勢, 其中夏季和冬季下降風(fēng)頻數(shù)減少趨勢最為顯著。中山站緯向風(fēng)速明顯大于經(jīng)向風(fēng)速, 緯向風(fēng)速呈減小趨勢, 而經(jīng)向風(fēng)速變化趨勢不明顯。南風(fēng)分量年平均風(fēng)速減小速率都顯著大于其他風(fēng)分量, 西風(fēng)和北風(fēng)變化趨勢不顯著, 東風(fēng)分量在夏季減小趨勢最顯著。

3.近31年中山站大風(fēng)日數(shù)和各季節(jié)總大風(fēng)日數(shù)均呈明顯的減少趨勢。夏季大風(fēng)日數(shù)減少趨勢最大, 冬季是大風(fēng)日數(shù)最多的季節(jié), 但大風(fēng)日數(shù)減少趨勢最弱。中山站中小風(fēng)日數(shù)增加了, 中大風(fēng)或大風(fēng)日數(shù)減少了, 年平均風(fēng)速減小主要由中大風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)減少造成的。

4.中山站年平均風(fēng)速在2002年發(fā)生突變,突變后風(fēng)速減小。從大氣環(huán)流的變化來看, 2002年以后中山站南部極地冷高壓和北部南印度洋繞極低壓帶強(qiáng)度減弱, 導(dǎo)致高、低壓之間氣壓梯度減小, 造成中山站平均風(fēng)速減小。高空經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng), 造成中山站附近緯向風(fēng)減弱, 經(jīng)向風(fēng)增強(qiáng)。