吉林省极大风速时空变化特征及其与气候变暖的关系

纪玲玲，袭祝香，刘玉汐，杜冠男，刘子琪

(1.吉林省气象台，吉林 长春 130062; 2.吉林省吉林市气象局，吉林 吉林 132010)

引 言

大风是一种十分常见的灾害性天气。春季大风常常造成作物毁种、补种，夏、秋季大风往往导致作物倒伏等[1-2]。大风对生态环境也有很大影响，可导致土壤蒸发强烈，干旱加剧，使农田退化或沙漠化，造成生态环境恶化[3-6]。大风还极具破坏性，经常导致塑料大棚、日光温室、养殖暖棚等农业设施掀翻或毁坏[7-9]。大风对交通、电信、建筑、城市住建等破坏性也较大[10-11]。对于大风的破坏性，比较好的考量指标是极大风速(给定时段内瞬时风速的最大值)。随着国民经济的高速发展，大型桥梁、高耸建筑物、港口、码头、输变电线路等大型工程项目日益增多，此外，还有城镇公共设施等，极大风速是这些大风易损结构工程设计和生产建设中必须考虑的问题[12]。因此，对极大风速的时空特征开展研究，对于最大限度地减轻大风灾害造成人员伤亡和财产损失意义重大。

目前，有关大风灾害的研究较多[13-17]：主要集中在大风的时空变化特征方面，研究发现中国区域无论大风日数还是最大风速均呈下降趋势[18-24]；其次是针对大风灾害风险方面的研究，采用多种影响因子建立评估模型，确定各级风险指标[11，25-28]；还有基于大风灾情资料分析大风的灾情分布特征，并建立大风灾害损失等级划分标准[10，29-30]。受观测手段的限制，上述研究基本都是基于最大风速(即10 min平均风速的最大值)、大风日数资料等，而对极大风速的研究开展较少。2005年后由于自动气象观测站的使用，开始有极大风速的观测，本文利用2005—2018年极大风速和最大风速资料，计算阵风系数，进而对1971—2004年的极大风速进行拟合估算(1971年前最大风速资料大多没有)，在此基础上对极大风速的时空特征及其与气候变暖的关系进行分析，以期为科学应对大风灾害及防灾减灾提供依据。

1 研究区概况

研究区域为吉林省，大致位于41°N—47°N，121°E—132°E之间。吉林省为温带大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，秋季晴朗凉爽，冬季寒冷少雪。吉林省地势东南高、西北低，地势高度相差较大，中西部地区平原和东部延边盆地海拔高度在300 m以下，东南部的长白山主峰白云峰海拔高度达2691 m(图1)。在地理位置上，吉林省地处西北部大兴安岭和东南部长白山脉之间的狭长地带，由于风洞效应十分有利于大风的形成和增强，因此，吉林省大风天气多，风力大，危害严重。吉林省的天池、梨树、白城都曾出现超过40 m·s-1的大风，风力达到了台风等级，这在陆地上十分罕见。2017年5月5—7日，吉林省连续3 d出现全省范围的大风天气，瞬时最大风力均超8级，其中11个县市瞬时最大风力超过10级，持续大风天气导致部分地方温棚等设施农业损毁，房屋倒塌，受灾人口26 638人，直接经济损失达4032万元。

2 资料与方法

2.1 资料选取及极大风速估算

采用吉林省50个国家气象站1971—2018年逐日最大风速资料、2005—2018年逐日极大风速资料。站点选取考虑资料连续、资料序列长等因素，基本含有吉林省所有具有长年代资料的站点，图1为研究区域和站点分布。

图1 吉林省气象站点分布及海拔高度(阴影，单位：m)Fig.1 Distribution of meteorological stations and altitudes (the shade, Unit: m) in Jinlin Province

采用阵风系数法[12]对1971—2004年的极大风速进行估算，阵风系数是瞬时风和平均风的比例系数，阵风系数受下垫面粗糙度及周围环境的影响较大，下垫面粗糙度越大，阵风系数越大，而风速越大，阵风系数越小。将2005—2018年吉林省各站逐日极大风速与当日最大风速相除，得到逐日阵风系数，为取得稳定的阵风系数，将各站逐日最大风速按[1，2)，[2，3)，[3，4)，…，[17，18)，≥18 m·s-1区间分别划分为1,2,3，…，17，18级，计算不同级别风速的平均阵风系数。图2为2005—2018年吉林省不同级别风速的平均阵风系数。可以看出，随着最大风速的增大，平均阵风系数逐渐减小，当最大风速为1～2 m·s-1时，阵风系数最大为1.72，当最大风速≥18 m·s-1后，阵风系数减小至1.35。

图2 2005—2018年吉林省不同等级风速的阵风系数Fig.2 The gusty wind coefficient under different levels of wind speed in Jilin Province during 2005-2018

根据此阵风系数，对吉林省1971—2004年极大风速进行估算，即逐日最大风速乘以该风速等级下的平均阵风系数，例如某站某日最大风速为17.4 m·s-1，该风速等级的平均阵风系数为1.4，则该站该日的估算极大风速为24.4 m·s-1。估算的逐日极大风速和2005—2018年观测的逐日极大风速资料连接，形成1971—2018年极大风速资料序列。

2.2 研究方法

多年一遇的气候要素极值是指在T年内(如30 a、50 a)出现一次的极值，这一极值出现的概率为1/T，T为该极值的重现期。在工程设计上，为抗御可能出现的异常极大风速带来危害，不同重现期的极大风速值，如百年一遇的极大风速，是必须考虑的因素。本文采用极值Ⅰ型分布[31-33]估算吉林省各地不同重现期下极大风速，具体公式如下：

(1)

采用相关、线性倾向率、累积距平、Mann-Kendall检验[34-37]等方法对极大风速的时空变化特征进行分析。

3 结果与分析

3.1 8级以上逐级极大风速分布特征

一般情况，风力等级越大，破坏力越大。图3为1971—2018年吉林省8级及以上极大风速出现站次。可以看出，随着风力级别的升高，出现站次迅速降低，其中8级极大风速出现站次最多，1971—2018年全省共出现33 283站次，占8级及以上极大风速出现总站次的76%；9级其次，共出现7546站次，占总数的17%；10级共出现2554站次，占总数的6%；11级明显减少，只出现394站次，占总数的1%；12级和13级以上更少，分别出现47站次和14站次。

图3 1971—2018年吉林省8级及以上极大风速出现站次Fig.3 Occurring times of extreme wind speed above 8 levels in Jilin Province during 1971-2018

3.2 极大风速的时间变化特征

3.2.1 逐旬变化

图4为1971—2018年吉林省逐旬平均极大风速变化。可以看出，逐旬平均极大风速呈双峰双谷特征，1月上旬，处于低谷区，1月中旬到达谷值，平均极大风速为12.9 m·s-1；之后极大风速逐渐增大，4月下旬至5月上旬达到峰值，也是一年的最高值，平均极大风速为19.2 m·s-1，吉林省极大风速极值往往出现在这一时段，例如1971年长春、吉林以及1972年扶余、东岗在5月都出现超过40 m·s-1的极大风速；随后极大风速下降，在8月中旬达到谷值，也是一年的最低值，平均极大风速为12.4 m·s-1；然后极大风速10月下旬达到次高峰值，平均极大风速为16.2 m·s-1，之后极大风速再次下降。可见，吉林省极大风速峰值出现在春秋季，和吉林省春秋季森林草原防火关键期相对应，且春季明显高于秋季；而谷值出现在冬夏季，且夏季较冬季低。

3.2.2 极大风速的年际和年代际变化

图5为1971—2018年吉林省平均极大风速的年际变化。可以看出，1971年以来，吉林省年平均极大风速呈减小趋势，平均每10 a减小0.9 m·s-1，相关系数R2为0.59，通过α=0.001的显著性检验。表1列出1971—2018年吉林省平均极大风速及8级以上大风发生站次的年代际变化。可以看出，平均极大风速的年代际变化呈逐年代减小趋势，各年代超过8级以上大风出现站次也基本呈相同的变化趋势，但仍有极端大风天气出现，2011—2018年出现10级大风80站次，11级大风14站次，并且还出现1站次13级以上大风，因此，仍应加强大风灾害防御。

图4 1971—2018年吉林省旬平均极大风速变化Fig.4 The change of ten-day average extreme wind speed in Jilin Province from 1971 to 2018

图5 1971—2018年吉林省年平均极大风速变化Fig.5 The annual variation of mean extreme wind speed in Jilin Province from 1971 to 2018

表1 1971—2018年吉林省平均极大风速及8级以上大风发生站次的年代际变化Tab.1 Decadal variation of extreme wind speed and occurring times of extreme wind speed above grade 8 in Jilin Province from 1971 to 2018

3.3 极大风速的空间分布

图6为1971—2018年吉林省年平均极大风速气候倾向率的空间分布。可以看出，全省大部分地区极大风速都呈减小趋势，50站中有44站呈减小趋势，长春站减小最多，每10 a减小2.7 m·s-1；双阳、烟筒山、蛟河、临江、汪清和延吉6站的极大风速呈增大趋势，其中延吉增大最多，每10 a增大0.51 m·s-1。全省大部分地区的气候倾向率都通过α=0.05的显著性检验，占比达78%。

图6 1971—2018吉林省年平均极大风速气候倾向率的空间分布[单位：m·s-1·(10 a)-1] (黑色圆点表示通过0.05显著性检验的站点)Fig.6 The spatial distribution of climate trend rate of annual mean extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018 (Unit： m·s-1·(10 a)-1)(The black dots indicate the stations of climate tendency passing the significance test of 0.05)

图7为1971—2018年吉林省平均极大风速的空间分布。可以看出，吉林省年平均极大风速呈西高东低分布，中西部地区为极大风速高值区，年平均极大风速一般在23 m·s-1以上，其中白城地区大部、长春、四平地区极大风速在25 m·s-1以上，且最大出现在长春站，达27 m·s-1。吉林省东南部为年平均极大风速的低值区，年平均极大风速一般在22 m·s-1以下，尤其在通化、白山地区南部、延边地区东北角，年平均极大风速在21 m·s-1以下，最小出现在白山地区的临江，为16.9 m·s-1。

图7 1971—2018年吉林省平均极大风速的空间分布(单位：m·s-1)Fig.7 The spatial distribution of annual mean extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018 (Unit: m·s-1)

3.4 不同重现期下极大风速估算

图8为估算的吉林省30 a、50 a重现期下极大风速空间分布。可以看出，吉林省中西部大部地区以及长白山高海拔地区附近，50 a一遇的极大风速在32 m·s-1以上，最大出现在长春站(40.7 m·s-1)；东南部大部分地区和松原地区附近一般在32 m·s-1以下，尤其通化和白山地区南部在28 m·s-1以下，最小出现在临江(23.5 m·s-1)。吉林省30 a一遇的极大风速空间分布和50 a一遇类似，也是中西部大、东南部小，但风速量值减小，中西部地区大部、长白山附近、延边大部一般在28 m·s-1以上，最大出现在长春站，达36.9 m·s-1；东南部地区的通化和白山地区南部一般在28 m·s-1以下，最小出现在临江，为21.7 m·s-1。

图8 吉林省30 a(a)、50 a(b)重现期下的极大风速估算值空间分布(单位：m·s-1)Fig.8 The spatial distribution of estimated extreme wind speed under 30-year (a) and 50-year (b) return periods in Jilin Province (Unit： m·s-1)

表2列出吉林省地市级代表站不同重现期下的极大风速。可以看出，不同重现期下，中西部地区(白城、松原、长春、四平、辽源、吉林)极大风速较大，其中长春站极大风速最大，10～50 a一遇的极大风速为33.9～40.7 m·s-1；不同重现期下东南部地区(通化、白山、延边)极大风速较小，其中通化站最小，10～50 a一遇的极大风速为25.6～30.5 m·s-1。

表2 吉林省地市级代表站不同重现期极大风速Tab.2 Extreme wind speed of representative stations of prefecture-level cities in Jilin Province under different recurrence periods 单位：m·s-1

3.5 极大风速和气候变暖的关系

图9为1971—2018年吉林省年平均极大风速和年平均气温的散点图。可以看出，二者呈明显的负相关，相关系数R2达-0.5639，且通过α=0.001的显著性检验。即随着年平均气温升高，年平均极大风速减小，气温每升高1 ℃，极大风速减小约1.33 m·s-1。

图9 1971—2018年吉林省年平均极大风速和年平均气温的散点图Fig.9 The scatter plot of annual average extreme wind speed and annual mean temperature in Jilin Province during 1971-2018

图10为1971—2018年吉林省年平均极大风速和年平均气温的累积距平曲线。可以看出，1970年代以来，年平均极大风速和气温呈明显的反位相变化，1971—1987年年平均极大风速为偏高阶段、年平均气温为偏低阶段，1988年后出现转折，1988—2018年年平均极大风速为偏低阶段、年平均气温为偏高阶段。1980年代以来，吉林省出现气候变暖趋势，年平均极大风速处于减小趋势。

图10 1971—2018年吉林省年平均极大风速和年平均气温的累积距平曲线Fig.10 The accumulated anomaly courves of annual average extreme wind speed and annual mean temperature in Jilin Province during 1971-2018

东北地区气温在1988年前后发生突变[38]，之后气温表现出明显的变暖趋势，由于吉林省极大风速和气温存在明显的反相关和反位相关系，因此，利用Mann-Kendal检验方法对吉林省年平均极大风速进行突变分析。由图11可以看出，UF值呈波动下降趋势，且一直为负值，UB则呈上升趋势。UF与UB两条曲线在±1.96临界线之间相交于1988年左右，且UF曲线超过-1.96临界线，说明在α=0.05的显著性水平下，吉林省年平均极大风速在1988年前后发生突变，即1988年前后极大风速明显减小，年极大风速在气温变暖突变的同时，出现减小的突变。

图11 1971—2018年吉林省年平均极大风速的Mann-Kendall突变检验Fig.11 The Mann-kendall test of annual average extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018

4 极大风速分布及其变化成因探讨

4.1 极大风速空间分布成因

4.1.1 地形因素

吉林省极大风速中西部大、东南部小和该地地形分布有很大关系，吉林省位于东北地区中部，西北部为大兴安岭，东南部为长白山脉，西北—东南走向的大兴安岭和长白山脉使吉林省中西部平原地区产生了明显的风洞效应，加速了西南气流的流动，容易形成大风。此外，中西部地区为平坦的松嫩平原，对风的摩擦力小，有利于风速增强加大，东南部地区为山区，地面粗糙度明显增加，风速因而减弱降低。

4.1.2 环流成因

吉林省处于中高纬度地区，该区域风力与气压场基本符合地转风、梯度风原理，风力加大往往和气压系统加强或者气压梯度加大有关。吉林省极大风速高值区主要位于中西部地区，这里春季盛行的西南大风全国闻名，其频数之多、范围之广、风速之大、持续时间之长均为全年之冠。春季该区域高空环流平直，暖空气逐渐活跃，小槽活动多，速度较快，地面气旋活动频繁，黄海、渤海上的暖高压入海机会增多。当入海的暖高压和地面气旋相遇时，低压的东南部和暖高压的西北部常形成南高北低形势，气压梯度加大，从而产生西南大风，导致风力加大。

4.2 极大风速减小成因

研究表明，近年来风速减小和纬度、海陆温差、气温日较差减小有关[39-40]，此外，风速减小和高空环流、海平面气压的变化也有一定的关系[40-41]。因此，计算吉林省气温日较差和年平均极大风速的相关关系，相关系数达0.499(样本数48)，通过α=0.001的显著性检验，说明由于气候变暖，最高气温和最低气温的温差减小，使局地山谷风、海陆风减弱，因此风速普遍减小[41]。吉林省年平均极大风速和高低空环流关系也极为密切，由于大气环流由西向东运行，吉林省的天气受上游地区环流影响较大，计算吉林省年平均极大风速和吉林省上游地区(10°N—85°N、0°E—130°E)年平均500 hPa位势高度、海平面气压及年平均500 hPa位势高度和海平面气压差的相关关系，相关系数分别达-0.5407、0.4749、-0.7778(样本数48)，这可能和近年来西风环流增强以及地面高压减弱有关[40]，近年来吉林省上游地区500 hPa位势高度呈增大趋势，即西风环流增强，纬向环流加强，经向环流交换减弱，冷暖空气交换弱，风速减小；同时，近年来吉林省上游地区海平面气压场降低，地面高压也随之减弱，导致地面高低压之间的梯度减小，风速减小；此外，气候变暖，气温升高，暖空气上升，使地面气压下降，高空气压上升，从而使地面风速降低。

5 结 论

(1)吉林省8级及以上大风随着风力级别的升高，出现站次迅速降低，8～9级占93%，10级以上只占7%。

(2)吉林省年内极大风速呈双峰双谷特征，春、秋季出现峰值，冬、夏季出现谷值；1971年以来，吉林省年平均极大风速呈减小趋势，每10 a下降0.9 m·s-1。吉林省逐年代年平均极大风速及8级及以上大风次数均呈减小趋势。

(3)年平均极大风速、10～50 a一遇极大风速都呈西北高、东南低的空间分布，中西部年平均极大风速一般在23 m·s-1以上，东南部在22 m·s-1以下，长春站10～50 a一遇的极大风速最大，达33.9～40.7 m·s-1。

(4)吉林省年平均极大风速和气温呈明显的反相关和反位相关系，相关系数达-0.5639，气温每升高1 ℃，极大风速减小约1.33 m·s-1，年平均极大风速偏大、偏小阶段分别对应气温的偏低、偏高阶段；吉林省年平均极大风速在1988年前后发生突变，和东北地区气温突变同步。