冬季渤海大风年际变化特征及其影响因素分析

王 芳，孙即霖，郑元鑫

(1.山东省石岛气象台，山东 威海 264309；2.中国海洋大学 海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 3.唐山市丰南区气象局，河北 唐山 063300)

1 引言

渤海海况及气象条件十分复杂，海上大风所导致的强风浪致使渤海海域海难事故频发。渤海沿岸港口众多，船只往来频繁，油污染十分严重，李静等[1]研究表明一次大风事件可造成渤、黄海的水交换带变宽，水体交换能力增强，一定程度上减轻渤海水污染的程度。

对于渤、黄海大风气候特征变化研究成果较多。高瑞华等[2]统计了渤海沿岸6个台站数据，研究表明渤海海峡大风天数有逐年减少的趋势，冬季大风以偏北风向为主。孙密娜等[3]利用渤海沿岸A平台发现冬季大风出现的频率最高，这就从侧面解释了冬季海难频发的原因。吴曼丽[4]利用渤、黄海北部沿岸18个气象站得出1971～2008年间渤、黄海北部沿海大风呈减少趋势。张志华等[5]利用卫星风场数据统计得出从1988～2010年渤、黄海大风频次总体为波动上升的。王国松[6]利用CFSR再分析数据统计得出1991～2010年大风天数是逐年上升的。我们发现张志华和王国松的统计结果与高瑞华和吴曼丽的结论有明显的不同，对比两者所用的研究数据，发现渤海海域海上大风与沿岸大风有着明显差异。王国松[6]检验了CFSR10m风场数据质量，结果表明一定程度上CFSR数据很好的反映了海上风场的特征。本文采用高分辨率CFSR再分析数据对渤海不同风向的海上大风进行统计分析，探究渤海大风年际变化规律，并结合天气形势以及前期海温场特征，探讨气候意义下影响冬季不同风向渤海大风的影响因素，为渤海海上大风预报及预警、防灾减灾、促进环渤海地区经济发展提供有价值的参考[7，8]。

2 资料和方法

本文使用的CFSR数据是1979～2010年的全球10m风场数据，其水平分辨率为0.313°×0.312°；从2011年1月起，CFSR数据扩展为CFSV2操作模型，水平分辨率为0.205°×0.205°，时间分辨率为1 h。位势高度资料来自NCEP/DOE Reanalysis II数据，水平分辨率为2.5°×2.5°。ERSST数据是NOAA提供的从国际综合海洋-大气数据集(ICOADS)中得出的全球每月海温分析数据，水平分辨率为2°×2°。

本文利用线性倾向估计的方法研究渤海各个风向大风随时间的变化趋势，从而得到相关的年际变化规律。

3 渤海大风年际变化特征

3.1 大风定义和研究区域

本文规定对于每个格点，若每天出现4个及4个以上时次的大风(平均风速大于等于6级)，就算作此格点的一个大风日。结合渤海的地理范围，加之2010年前后CFSR数据水平分辨率有差异，所以对于1979～2010年，本文选取的渤海研究区域为117.5°～122.5°E 、36.999°～40.434°N，格点数为17×12，如图1实线框所示；对于2011～2017年，研究区域为117.614°～122.523°E、37.104°～40.375°N，格点数为25×17，如图1虚线框所示。

图1 研究区域

3.2 渤海大风天数年际变化规律

1979～2016年渤海大风天数随时间的变化如图2所示。可以看出，冬季从前期(12月)到后期(次年2月)大风天数是逐月变少的，12月大风发生的频率明显高于其他月份；从大风天数的年际变化趋势来看，年平均大风天数呈增长的趋势，1月和2月大风增长趋势不如12月明显。不论从全年还是冬季分月变化来看，近年来大风天数相对较多，渤海地区大风发生的频率较高。

图2 1979～2016年渤海(a)全年 (b)12月 (c)1月 (d)2月大风天数年际变化

3.3 冬季不同风向大风天数年际变化规律

为探究渤海不同风向大风的年际变化特征，本文将大风分为8个风向进行讨论。图3是渤海冬季3个月8个风向大风天数的年际变化趋势。可以看出冬季北风、东北风、西北风大风天数最多，东风、东南风次之，其余风向大风天数较少，几乎可忽略不计。结合表1看出冬季每个月偏北三风向大风天数都占总大风天数的60%左右，明显多于其余风向，因此，冬季各月大风主要以偏北风向(N、NE、NW)为主，大风天数逐月减少。

图4将偏北3个风向合成，可以看出12月大风天数多于1月及2月，各个月份具有偏北分量大风天数都呈明显线性增加趋势。根据大风天数根据大风天数的时间序列，得出冬季偏北大风极端偏少年份为1981年、1983年、1994年，极端偏多年份为2003年、2008年、2010年。

图3 渤海冬季3个月8个风向大风天数年际变化

表1 冬季3个月8个风向38年平均的大风天数

4 冬季渤海偏北大风极值年环流形势分析

对比分析大风天数极端偏少年份与极端偏多年份的大气环流，可以得出影响渤海极端大风天气形成的大气环流特征。图5(a)是大风天数偏多年北半球冬季500hPa位势高度场，在50°N左右的纬度上，存在着三槽三脊的结构，符合冬季北半球环流的一般特征。根据时晓曚等的研究，北极地区上空位势高度异常偏高，表明与极地外的冷暖空气交换比较充分，特别是巴伦支海上空的位势高度偏高，有利于北极地区冷空气影响东亚地区。乌拉尔山、太平洋东北部上空以及大西洋北侧存在异常的高压脊，东亚大槽、北美大槽以及欧洲西部槽异常偏强，可见中纬地区槽脊振幅偏强，特别是在贝加尔湖以东渤海以北有大片异常低位势区，这与其西侧乌拉尔山附近的异常高位势区相结合，造成异常区振幅偏强。而渤海位于东亚大槽槽后，异常低槽引导冷空气南下，进而导致渤海偏北风偏多。

图5(b)是大风天数偏少年北半球冬季500hPa位势高度场。与冬季大风天数偏多的年份相比，差别非常明显。一是北纬50°附近环绕整个北半球位势高度异常场的波数明显为1波或2波，二是极地冷空气主要影响北美大槽以东的北大西洋，一直到西欧到巴伦支海一带，位势高度偏低，不利于北极冷空气影响东亚地区。亚欧大陆北侧高纬位势高度偏弱，南侧乌拉尔山附近东西方向上位势高度偏强，这种形势不利于北极冷空气南下影响东亚地区;反之，西半球北美地区极地与较低纬度区域冷暖空气容易交换，北极冷空气主要影响北美及北大西洋地区，亚欧大陆冷空气偏弱，所以此种天气形势并不利于渤海产生较强的偏北大风。

综上说明，中纬度槽脊振幅相对偏大、冷空气偏强的大气环流形势利于渤海偏北风的产生。

5 前期海温场特征分析

海洋与大气是一个统一的整体，海洋的热力异常是影响大气环流异常变化的重要因素，而大气环流异常又是影响气候异常的直接因素，即海洋表面温度可以通过加热或冷却上空大气，使其位势高度升高或降低，进而可以影响大气环流，从而影响渤海附近风场的变化，Ding等的研究表明东亚冬季风的年代际变化与太平洋上空大气环流以及SST区域分布密切相关，所以海表温度的变化有可能作为预测渤海大风的间接信号，但是大气对海洋热力作用需要一定的响应过程，所以本文对比分析偏多年及偏少年前期(9～12月)的海温场分布情况，希望从中找出可以影响冬季渤海偏北大风的前兆海洋信号。

图6是偏多年前期9月、10月、11月、12月的海表面温度异常分布，从图中明显看出北大西洋海域海表温度偏高，特别是加拿大以东海域海温异常偏高；从太平洋海域来看，北太平洋西北部海域处于异常高温区，并且在40°N附近有一个向东延伸的暖舌，直至阿拉斯加湾南部海域，赤道东太平洋从9月开始一直处于异常低温区，表现为明显的拉尼娜现象。由于阿拉斯加湾水温偏低，与北大西洋水温偏高相结合，SST异常热力强迫场对大气环流的影响不利于北美上空槽脊振幅的增加。由于巴伦支海水温偏高，热力强迫导致欧洲到巴伦支海上空的高压脊容易发展，有利于北半球冬季北极冷空气影响东亚地区。

图5 渤海冬季偏北大风(a)偏多年 (b)偏少年500hPa位势高度场

图7是渤海大风天数极端偏少年份前期海表面温度异常的分布。与图a相比，赤道东太平洋、北大西洋、巴伦支海的水温异常呈现相反的变化特征。类似El Nino事件的赤道东太平洋水温分布，有利于起源于赤道中太平洋的PNA遥相关波列影响北美东部地区，使北美大槽偏强，北极冷空气偏向西半球。由于受冷空气影响相对偏弱，东亚地区呈现暖冬特征，渤海上空的偏北分量大风天数明显偏少。

综上可知：偏多年前期西北太平洋以及北大西洋西岸海域海温异常偏高，偏少年相反；拉尼娜年渤海附近出现大风的可能性更高，厄尔尼诺年可能性则较小。

图6 冬季偏北大风偏多年9～12月海表面温度异常场(单位：℃)

6 结果和讨论

(1)本文将大风分为8个风向进行统计，发现冬季渤海偏北分量的大风天数有增加的趋势，偏北风向(N、NW、NE)占总风向的60%左右，同样呈年际增长趋势。分月来看，12月至次年2月各个风向大风天数逐月减少，且12月偏北大风天数增长速率最快，1月、2月变化相对平缓。总体说明，近年来冬季渤海地区大风出现的频率变高，尤其是偏北风向大风。

图7 冬季偏北大风偏少年9～12月海表面温度异常场(单位：℃)

(2)通过分析冬季渤海大风偏北风向极值年份季节平均的环流特征，发现亚欧大陆冷空气偏强、中纬度槽脊振幅偏大的环流形势易于渤海冬季偏北大风的产生；前期西北太平洋以及北大西洋西岸海域海温异常偏高有利于渤海偏北大风的产生，拉尼娜年渤海出现偏北大风的可能性高于厄尔尼诺年，此结论可为秋季预测渤海偏北大风提供一定的参考。