黃、渤海大風(fēng)頻次的年際變化及其影響因子分析

張志華，郭偉，魏皓

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

1 引言

渤海和黃海地處西太平洋邊緣，北起遼東灣，南至長(zhǎng)江口，南北跨越600多海里。大風(fēng)是嚴(yán)重危害該海域海上活動(dòng)安全的氣象要素，同時(shí)，對(duì)于黃、渤海這樣的淺海，穩(wěn)定、持續(xù)的大風(fēng)也會(huì)帶來取之不盡的海上風(fēng)能。深入研究該海域的海表風(fēng)場(chǎng)特征尤其是大風(fēng)發(fā)生特征，對(duì)該海域發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、防災(zāi)減災(zāi)、開發(fā)海上風(fēng)能等都具有重要的意義。

有學(xué)者[1-2]利用臺(tái)站資料研究渤海海峽大風(fēng)氣候特征，如年大風(fēng)日數(shù)、持續(xù)日數(shù)、極大風(fēng)速以及大風(fēng)的季節(jié)變化特征等，然而臺(tái)站的數(shù)量畢竟較少，而且受到陸地一定影響，因此不能很好代表海上風(fēng)場(chǎng)。近些年來時(shí)空分辨率較高的衛(wèi)星海面風(fēng)場(chǎng)資料日益豐富，可以在一定程度上彌補(bǔ)臺(tái)站資料的缺陷。鄭崇偉[3]等利用衛(wèi)星資料研究了中國(guó)近海海表風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)特征、大風(fēng)頻次、極值風(fēng)速、變化趨勢(shì)等，但其研究重點(diǎn)主要集中在南、東海，并未關(guān)注黃、渤海風(fēng)場(chǎng)的年際變化特征；徐蜜蜜和徐海明[4]分析了中國(guó)近海各季節(jié)大風(fēng)特征，并通過數(shù)值模擬研究臺(tái)灣島地形對(duì)大風(fēng)的影響；趙喜喜[5]等對(duì)1992—2005年的中國(guó)海海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空特征進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)距平風(fēng)場(chǎng)第一模態(tài)表現(xiàn)為冬—夏震蕩型，這反映了中國(guó)海海面風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)特征；Cheng[6]等則分析了北大西洋大風(fēng)頻次的年際變化，比較冬季HWF（High-wind Frequency，大風(fēng)頻次）和冬季NAO（NorthAtlantic Oscillation，北大西洋濤動(dòng)）與U·▽T（風(fēng)暴路徑強(qiáng)度）指數(shù)之間的相關(guān)性，研究了HWF年際變化的可能影響因素。

目前，雖然已經(jīng)有一些使用高分辨率的衛(wèi)星資料研究中國(guó)近海風(fēng)場(chǎng)的工作，但主要是討論風(fēng)場(chǎng)或者大風(fēng)的氣候態(tài)特征，很少涉及大風(fēng)的年際變化及哪些氣候因子可能影響大風(fēng)的年際變化。本文將利用長(zhǎng)時(shí)間序列、高分辨率的衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，針對(duì)黃、渤海海域大風(fēng)頻次的多年平均、年際變化特征進(jìn)行分析，并討論可能影響HWF的氣候因子。

2 資料和方法

本文使用CCMP[7]海面風(fēng)場(chǎng)資料，該數(shù)據(jù)來自美國(guó)航空航天局ESE（NASA Earth Science Enter-prise）。該風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)集采用一種增強(qiáng)的變分同化分析法（VAM）融合了QuikSCAT/SeaWinds、ADEOS-II/SeaWindshield、AMSR-E、TRMM TMI和 SSM/I等諸多海洋被動(dòng)微波和散射計(jì)遙感平臺(tái)上采集的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，于2009年由NASA推出，它提供了從1987年7月至今的海洋風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)（本文使用1987年12月—2010年12月共23年的數(shù)據(jù)）。CCMP風(fēng)場(chǎng)具有很高的精度和時(shí)空分辨率，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h（每天4個(gè)時(shí)刻分別為：0:00、6:00、12:00、18:00），空間范圍為78.375°S—78.375°N，0.125°—359.875°E，幾乎可以覆蓋全球所有海洋，并且具有很高的空間連續(xù)性。

AO指數(shù)由David Thompson提供，這里使用由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析海平面氣壓資料計(jì)算的冬季AO指數(shù)，從 1987年 1月—2010年12月，（http://jisao.washington.edu/data/annularmodes/Data/ao_index.html）。東亞冬季風(fēng)指數(shù)采用國(guó)內(nèi)外引用較多的Chen等[8]提出的方法，由NCEP/NCAR再分析10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

圖1 黃、渤海1988—2010年多年平均大風(fēng)頻次（HWF）

本文選擇蒲氏風(fēng)級(jí)6級(jí)，即10.8 m/s為計(jì)算大風(fēng)頻率的門檻。大風(fēng)頻次的計(jì)算方法是統(tǒng)計(jì)出某個(gè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)風(fēng)速≥10.8 m/s的觀測(cè)次數(shù)，以及該時(shí)間段內(nèi)的有效觀測(cè)次數(shù)，用兩者的比值（%）表示該時(shí)間段內(nèi)6級(jí)以上的風(fēng)頻。

本文研究的海域范圍為：31.125°—42.375°N，117.125°—127.125°E，涵蓋整個(gè)黃、渤海，東海北部海域也包含在內(nèi)。另外，本文主要使用相關(guān)分析和線性回歸等常用的統(tǒng)計(jì)分析方法。

3 黃、渤海大風(fēng)頻次氣候態(tài)特征

圖1為黃、渤海1988年1月—2010年12月海表風(fēng)場(chǎng)多年平均大風(fēng)頻次。由圖可知，黃、渤海大風(fēng)頻次總體偏小，渤海低于5%，而黃海大部分海域不超過10%。從整個(gè)區(qū)域來看，渤海和黃海中部緯度越低，其大風(fēng)頻次越高；從地域來看，各海區(qū)大風(fēng)頻次存在由陸地向海洋逐漸升高的趨勢(shì)。

以 3—5月（MAM）、6—8月（JJA）、9—11月（SON）以及12月至來年2月（DJF）分別代表春夏秋冬四季，來看不同季節(jié)大風(fēng)頻次（見圖2）的變化規(guī)律。大風(fēng)頻次的季節(jié)變化與風(fēng)速的季節(jié)變化（圖略）類似，同樣存在兩個(gè)變化趨勢(shì)：一是在黃、渤海中部，由高緯向低緯地區(qū)大風(fēng)頻次總體存在增強(qiáng)趨勢(shì)；二是由陸地向海洋，大風(fēng)頻次總體存在減弱的趨勢(shì)。渤海遼東淺灘處的四季大風(fēng)頻次均最大，且以其為中心大風(fēng)頻次向四周以“波浪式”遞減；黃海則顯示著由北黃海向南黃海大風(fēng)頻次增強(qiáng)的趨勢(shì)。

從空間分布來看，DJF黃、渤海整片海域大風(fēng)頻次等值線分布相對(duì)密集，大風(fēng)頻次梯度變化大；渤海大風(fēng)頻次低于6%，而黃海沿海地區(qū)大風(fēng)頻次集中在5%—10%，高值區(qū)（17%—20%）位于黃海中部。MAM，大風(fēng)頻次梯度變化較小，黃海大風(fēng)頻次最高不超過6%，而在渤海整片海域大風(fēng)頻次僅為1%。JJA，渤海除遼東淺灘附近大風(fēng)頻次接近1%，其他海域基本出現(xiàn)大風(fēng)天氣可能很小；黃海大風(fēng)頻次小于2%。SON，大風(fēng)頻次的分布特征已基本接近DJF，多年平均大風(fēng)頻次等值線比較密集，沿岸地區(qū)大風(fēng)頻次梯度變化大，而在黃海中部海域大風(fēng)頻次可達(dá)在9%左右。

圖2 黃、渤海1987年12月—2010年11月多年平均各季節(jié)HWF

圖3 黃、渤海代表區(qū)域示意圖，A區(qū)表征渤海海區(qū)，B區(qū)表征黃海海區(qū)

4 黃、渤海大風(fēng)頻次的年際變化特征

在研究整個(gè)黃、渤海海區(qū)的同時(shí)，分別在渤海和黃海選取大風(fēng)頻次較高的區(qū)域來研究?jī)珊^(qū)的年際變化的異同。從圖3上看，A區(qū)位于遼東淺灘（38.375°N—39.375°N，119.625°E—120.875°E），B區(qū)為黃海中部（35.625°N—36.875°N，123.125°E—124.625°E）。分別對(duì)A區(qū)和B區(qū)的所有格點(diǎn)做區(qū)域平均，進(jìn)而再在時(shí)間尺度上計(jì)算每年平均和季節(jié)平均，從而得到年際尺度上的時(shí)間序列。

圖4a為黃、渤海整個(gè)區(qū)域平均年際變化和A區(qū)與B區(qū)區(qū)域平均年際變化曲線。從圖中可以看出，3個(gè)區(qū)域的多年的變化趨勢(shì)基本一致，總體上均呈波動(dòng)性上升特征，這與鄭崇偉等[3]的研究結(jié)論基本相同。

分季節(jié)來看（見圖4b），無論整個(gè)黃、渤海區(qū)域、A區(qū)及B區(qū)都是冬季（DJF）HWF最大，其次秋季（SON）、春季（MAM），而夏季（JJA）最小；冬季HWF在四季中上升趨勢(shì)最為明顯，春、秋季也呈上升趨勢(shì)，但幅度較為平緩，而夏季這種趨勢(shì)并不明顯。不同海區(qū)的各季節(jié)HWF年際變化略有差異，渤海（見圖4c）相對(duì)與黃海（見圖4d），秋季和冬季的HWF在數(shù)值上更為接近，有些年份甚至超過冬季，如1999年、2002年。

圖4a 為1988—2010年黃、渤海區(qū)域平均以及A、B區(qū)區(qū)域平均的HWF年際變化時(shí)間序列，b、c、d分別為黃、渤海、A區(qū)和B區(qū)的各個(gè)季節(jié)HWF年際變化時(shí)間序列圖

圖4c為A區(qū)（渤海）海域區(qū)域平均的四季年際變化折線圖。需要說明的是，圖中A區(qū)1988—1998年四季均保持著一個(gè)低HWF且較為穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，這是在1998年前，衛(wèi)星還未能覆蓋到渤海海域，這一區(qū)域風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是通過數(shù)值模擬產(chǎn)生，而數(shù)值模擬手段雖然可以較好的模擬風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)，但對(duì)大風(fēng)模擬有所欠缺[7]。由于黃、渤海冬季大風(fēng)頻次數(shù)值上明顯超出其它季節(jié)，下面僅針對(duì)影響冬季大風(fēng)頻次的氣候因子進(jìn)行分析。

5 冬季HWF年際變化的可能影響因子分析

AO是北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流最重要的一個(gè)模態(tài)，對(duì)北半球及區(qū)域氣候有重要影響。有研究指出AO的強(qiáng)弱會(huì)直接影響北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)間大氣活動(dòng)，AO處于正（負(fù)）相位時(shí)，中緯度氣壓上升（下降）而極地下降（上升）[9]。還有學(xué)者指出冬季北極濤動(dòng)通過影響冬季西伯利亞高壓系統(tǒng)，進(jìn)而影響到東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度[10]。而作為東亞季風(fēng)的重要成員，東亞冬季風(fēng)是北半球冬季最為活躍的環(huán)流系統(tǒng)之一。強(qiáng)東亞冬季風(fēng)給東亞帶來寒潮低溫冷害、大風(fēng)、冷凍雨雪等災(zāi)害性天氣[11]。因此黃、渤海大風(fēng)與東亞冬季風(fēng)也必然存在著一定的聯(lián)系。

將歷年冬季黃、渤海整個(gè)區(qū)域HWF計(jì)算區(qū)域平均，得到冬季黃、渤海HWF指數(shù)，分析其與AO指數(shù)和東亞冬季風(fēng)（East Asian Winter Monsoon，簡(jiǎn)稱EAWM）指數(shù)的關(guān)系。由圖5a可見，冬季HWF和AO存在顯著的負(fù)相關(guān)性（r=-0.458，滿足95%的顯著性檢驗(yàn)）。在年際尺度上HWF呈上升趨勢(shì)，而AO在這期間則呈減弱趨勢(shì)。將HWF指數(shù)和AO指數(shù)分別做線性回歸，得到兩個(gè)指數(shù)的線性趨勢(shì)（HWF為黑色，AO為藍(lán)色）。從趨勢(shì)線中可以更加直觀地看到兩個(gè)指數(shù)分別存在明顯的上升和下降的趨勢(shì)。而EAWM指數(shù)和黃、渤海冬季HWF存在顯著負(fù)相關(guān)性（r=-0.658，通過99%的顯著性檢驗(yàn)），由于該EAWM指數(shù)為正時(shí)表征弱的東亞冬季風(fēng)，圖5b說明了強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)往往引起黃、渤海區(qū)HWF值較大，而弱的東亞冬季風(fēng)往往對(duì)應(yīng)較小的HWF。

通過對(duì)黃、渤海整個(gè)區(qū)域與AO指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，得到圖6a。圖中彩色區(qū)域通過了95%顯著性檢驗(yàn)。在渤海，只有遼東淺灘以南，渤海海峽處HWF與AO指數(shù)相關(guān)較好；而黃海絕大部分海域均存在較好的相關(guān)性，尤其是在黃海中部相關(guān)性更為顯著。圖6b則顯示，幾乎黃、渤海整個(gè)海區(qū)冬季HWF都是受EAWM的影響，且最高相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.7。相關(guān)性關(guān)系較好區(qū)域集中在北黃海和南黃海南部。因此，在年際時(shí)間尺度上，黃、渤海冬季HWF的變化受東亞冬季風(fēng)的影響，HWF和東亞冬季風(fēng)呈現(xiàn)正相關(guān)性關(guān)系，隨著東亞冬季風(fēng)的增強(qiáng)，HWF也往往隨之增大。

6 冬季HWF與遼東灣海冰關(guān)系

圖5 黃、渤海1988—2010年冬季HWF和AO（a）、EAWM（b）指數(shù)時(shí)間序列

圖6 黃、渤海1988年—2010年23年冬季HWF和AO、EAWM相關(guān)系數(shù)

渤海和黃海北部，屬于典型的季風(fēng)氣候，冬季盛行偏北風(fēng)，天氣寒冷干燥，常有冷空氣或寒潮侵襲，氣溫驟然下降，導(dǎo)致海面溫度下降。當(dāng)海溫降至冰點(diǎn)以后，海水發(fā)生相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)晶體，形成海冰。每年冬季，渤海及黃海北部皆有程度不同的結(jié)冰現(xiàn)象。中國(guó)近海的海冰，都是“一冬（年）冰”，即當(dāng)年冬季形成、次年春季消失，冰齡不超過一個(gè)冬季。本文使用的海冰資料是國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心海冰組提供的遼東灣近20年海冰最大外沿線范圍數(shù)據(jù)。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)遼東灣海冰與冬季HWF的年際變化有很好的正相關(guān)關(guān)系。其中1991—2010年冬季遼東灣海冰外沿線與冬季HWF相關(guān)系數(shù)為0.58，2002—2010年相關(guān)系數(shù)達(dá)0.832，均滿足95%的顯著性檢驗(yàn)。也即，隨著冬季HWF的增大，遼東灣海冰外沿線也隨之增長(zhǎng)。在大風(fēng)天氣頻發(fā)的冬季，海溫必然下降，海冰的外沿線也隨之增長(zhǎng)。所以HWF通過影響遼東灣的海溫，進(jìn)而間接影響到遼東灣海冰。但也有海冰與HWF關(guān)系不明顯的年份，例如2001年遼東灣海冰最大外沿線達(dá)115 n mile為近30年來最嚴(yán)重冰清，而HWF卻并不高，這其中可能的原因是當(dāng)年有多次冷空氣過程，但冷空氣造成的大風(fēng)卻沒有達(dá)到6級(jí)以上，具體原因還有待進(jìn)一步深入研究。

圖7 1991—2010年冬季遼東灣HWF和海冰外沿線范圍

7 結(jié)論

利用1987年12月—2010年12月CCMP風(fēng)場(chǎng)資料，對(duì)中國(guó)近23年黃、渤海海表風(fēng)場(chǎng)氣候態(tài)特征、HWF年際變化及可能影響因子進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）黃、渤海HWF年際變化總體表現(xiàn)為波動(dòng)性上升。季節(jié)特征上，四季HWF大小及上升趨勢(shì)均存在DJF＞SON＞MAM＞JJA的特征；區(qū)域差異上，黃、渤海中部緯度越低，HWF越高，黃海HWF高于渤海，且各海區(qū)HWF存在由陸地向海洋升高的趨勢(shì)；

（2）AO通過影響東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱，影響到黃、渤海冬季HWF，當(dāng)AO處于負(fù)（正）相位，東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)（減弱），導(dǎo)致頻繁的冷空氣過程，引起大風(fēng)天氣的增多，從而使得冬季HWF上升（下降）；

（3）冬季渤海海上隨著HWF增加，帶來強(qiáng)冷空氣使得海表溫度下降，導(dǎo)致遼東灣冰情加劇；

本文僅討論了冬季HWF的主要影響因子，而其它季節(jié)還有待深入研究。而HWF與遼東灣海冰的關(guān)系也比較復(fù)雜，有待于針對(duì)個(gè)例詳細(xì)進(jìn)行分析。

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