威海-大連航線實測風與沿岸站、海島站對比分析

李宏江，吳志彥，王佳明，呂守敏，李旭杰

（威海市氣象臺，山東威海 264200）

1 引言

山東半島位于我國北方海岸線的中偏南段，北與遼東半島形成環抱渤海之勢，突出在黃海之中，是中國北方延伸向太平洋的前緣。由于特殊的地理環境，半島沿海一年四季都易產生大風天氣，尤其在冬季容易出現偏北大風，而春季則易出現偏南大風，呈明顯的季節變化。以位于半島東端的成山頭為例，1981—2010年30 a間，日最大風速大于17.0 m/s的日數達到986 d，位于半島北部的威海日最大風速大于12.0 m/s的日數達到2266 d；進一步統計表明，各方位都有大風出現（見圖1）。對1980—1999年渤海和北黃海大風的統計分析表明[1]，冬季主要以偏北方向為主，在過渡季節既有偏北大風也有偏南大風的出現。當渤海海峽的大風到達山東半島的成山頭，受陸地的抬升作用產生垂直上升運動，風速再次加大；冬季渤海低空特殊的淺對流，對大風加強起了促進作用。對2010—2012年山東沿海海區逐時最大風統計分析發現，山東東部海區平均風速最大，大風日數和大風的持續時間和強度都為全省最高[2]。2001—2010年山東沿海偏北大風的統計分析表明，冬季、秋季和春季偏北大風次數多、風力大，偏北大風的持續時間較長，有時持續一天，最多可達7 d[3]。

圖1 1981—2010年威海和成山頭各方位最大風速（藍）和風向頻率（紅）玫瑰圖

渤海海峽大風的強危害性和頻發性對周邊地區人民的生命財產和海上航運造成了極大的影響。威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線氣象保障也是相關省市日常預報服務的重要項目。近年來，隨著航線氣象服務的深入開展，以及沿海觀測資料進一步豐富，渤海海峽航線大風的預報經驗逐漸積累，航線風的一些觀測事實和變化規律也被揭示。對煙臺、大連沿海幾個臺站的測風資料的分析表明，渤海海峽以偏北風和偏南風較大，偏東風和偏西風較小[4]，大風日數存在逐年減少的變化趨勢，且海島站能較好的代表渤海海峽大風的情況[5]；對煙臺海域海島站和沿岸站的對比分析表明，在不同風向下各海島站對海面大風的代表性不同[6]，由于海島站和沿岸站的風力極值相差較大，綜合應用海島站和沿岸站大風記錄，能更加準確反映渤海海峽大風的氣候特征[7]；海島測站觀測值與模擬值的對比分析指出，若通過海面實測資料與海島測風資料直接的對比分析，求得的訂正效果可能最佳,但是極難得到大風情形下海面實測風資料[8]。衛星反演資料也應用到海峽風的對比研究中。對海峽附近QuikSCAT散射計矢量風與浮標站風的對比分析表明，兩者風速大小基本吻合，但風向偏差較大[9]，對1971—2008年大連沿海測站的統計分析表明，該海區大風呈減少趨勢[10]，大連附近浮標站和內陸測站的個例對比分析表明，最大風速海陸差異都比極大風速海陸差異明顯，最大風速海陸差異最小1級，最大5級，而極大風速只差1級左右[11]。

隨著社會經濟的發展，對氣象觀測的投入也日漸增多。有別于傳統的沿岸站，眾多自動氣象觀測站紛紛建立，這為沿海大風的觀測提供了更加豐富的資料來源。2009年開始，建立在往返于威海-大連航線的客輪“生生-1”號上的自動氣象站，更是對渤海海峽氣象觀測資料的進一步豐富。

采用航線附近沿岸站、海島站和船舶站測風資料，尤其通過對海島站、船舶站資料進行檢查、去噪、去誤、優選、整理和預處理，對海島站、船舶站、沿岸站測風資料進行對比、統計，分析海島站、沿岸站在海上航線大風特征方面不同程度的代表性，對海上航線服務具有重要意義。

2 資料簡介及預處理

2.1 資料簡介

目前的預報業務中，按照魯氣辦發[2010]45號《關于開展海洋氣象預報業務質量評定試運行的通知》的要求，將劉公島作為威海-大連航線風預報的參考站點，而在以往的預報經驗中，又往往以成山頭作為海上風預報的參考站點。因此本文對航線風的研究，將劉公島、成山頭的測風資料同時納入研究范圍，這不僅是對以往經驗的再次考證，也是對沿岸站、海島站測風資料對航線風不同代表性的對比研究。

圖2 2011年12月“生生-1”號船舶站觀測記錄

本文選取2011年1—12月劉公島、成山頭、威海-大連航線“生生-1”船舶站（以下稱船舶站）測風資料進行對比分析。船舶站使用江蘇無線電科學研究所的ZQZ-A自動站，該站建立于2009年，2011年6月后，觀測時間加密為10 min，本文采用的要素包括：最大風、極大風、2 min平均風。以2011年12月為例，觀測數據樣本量為3237個，數據點分布如圖2。劉公島采用華云CAWS600B自動站，測風資料包含逐時最大風向風速、極大風向、風速。成山頭國家基本站測風資料包含逐時最大、極大風、2 min平均風。以上測風資料均符合《地面氣象觀測規范》要求，風向采用360°方位表示，風速以m/s為單位，保留一位小數。

2.2 資料預處理及計算方法

船舶站測風資料已經去除船風因素。首先對船舶站資料進行普查、去誤和優選。具體方案如下：

（1）對船舶站資料的普查表明：氣象條件允許的情況下，觀測船只大致航行時間：9:00大連—18:00威海；21:00威海—次日5:00大連。當船只進/出港時，處于減速/加速狀態，航速一般較低，且此時船舶站位于海灣內，相較海島站或沿岸站不具備代表性；而當船只航行于海面時，航速趨于穩定，約為7—8 m/s。因此設置臨界航速=6.5 m/s，當航速≥6.5 m/s時，認為船只位于航線上，此時的觀測記錄為航線觀測記錄；

（2）去誤和優選。普查表明，船舶站測風記錄偶有缺失或不齊。本文在對船舶站數據進行普查的基礎上再進行去誤和優選。一些時次記錄的最大風、極大風和平均風記錄三者缺一或缺二，一些時次只記錄了經緯度、航向航速等而無測風記錄，本文將這些時次的記錄予以舍棄。普查還表明，一些時次的風記錄風向為180°，風速為0，且這一記錄與同時次的其他測風數據對比偏差都較大；從出現頻率看，例如2011年5月，745個時次每個時次5組（包含2 min平均風、10 min平均風、最大風、瞬時風、極大風）共3275個測風記錄，存在14個測風記錄將風向和風速分別記為180°和0。本文認為這些記錄不可靠，予以舍棄；

（3）對時間分辨率進行調整。由于成山頭和劉公島測風資料的時間分辨率為1 h，因此相應地，將船舶站逐10 min測風資料處理為逐時資料。具體方法為：對最大風和極大風，分別選取每小時6個測值中的最大的風速及其對應的風向為逐時最大風和極大風；對平均風，與成山頭平均風相對應地，取整點前2 min平均風作為該時次的平均風；

（4）普查表明，研究時段內劉公島、成山頭站均存在缺測情況，這可能是自動站故障、通訊中斷等原因所致，這些個別的缺測情況不影響較長時間序列樣本的連續性。為方便對比研究，在對船舶站資料進行去誤和優選的基礎上，再次舍棄劉公島、成山頭站缺測時船舶站的同時次資料。

因此，經以上處理得到的測風資料，不僅排除了所涉測站的缺測情況，也排除了船舶站測風資料不具備航線代表性的情況，即同時保證劉公島、成山頭、船舶站這3個測站參與對比研究的測風資料真實并且有效。

3 船舶站風資料分析

基于以上預處理，得到2011年1—12月船舶站逐時風（包含平均風、最大風、極大風），逐月樣本量如圖3所示。就樣本量而言，1月最少，這是由于船舶站在1月19日前觀測數據缺失所致。其余月份樣本量均在300—400左右，其中7月份最多，為458個。由于篇幅的限制，同時考慮樣本量和季節因素，選擇4月、7月、10月、12月的最大風分別代表春、夏、秋、冬四個季節，考察各季節風向、風速和主導風向的變化規律。各月風玫瑰圖如圖4所示。

圖3 船舶站2011年各月逐時最大風樣本量

從圖4可見，各季節的主導風向各不相同。春季以西南風最多，其次為西北風；風力以4—5級為主，偏南風、偏西風和西北風均有出現6—7級風力，反映了春季作為過渡季節南北大風交替出現的特點。夏季各風向的頻率差別較春季小得多，但以偏南風和東南風最多；風力以4—5級為最多，3級以下風頻率較春季明顯增多，6—7級風主要出現在東南-南風-偏西風方向。秋季以偏南風-偏西風-西北風為主，其中以偏西和西北風最多；風力以4—5級為主，6—7級風主要出現在偏西風附近。冬季則以西北風為主導風向，且6—7級大風的出現頻率較另外3個季節明顯增多。綜觀以上分析，發現船舶站主導風向的變化呈現明顯的季節規律，且與季節特征相符；風力以4—5級為主，夏季3級以下風頻率最多，秋冬季6—7級大風明顯增多。

圖4 2011年船舶站最大風玫瑰圖

4 觀測資料對比

上一節的分析表明，船舶站作為渤海海峽航線海上風的代表，其變化規律與季節特征相符。那么船舶站測風數據與傳統沿岸站、海島站對比，有何異同？本節從風向和風速兩個方面進行分析。為了更清晰地了解所涉測風資料的偏差程度，分別計算了各月逐時風速的平均偏差、絕對偏差和均方差偏差。計算結果表明風速、風向的均方差偏差分布與絕對偏差相似，因此本節將均方差偏差序列圖略去，僅給出平均偏差和絕對偏差序列。

4.1 風向對比

首先對3個測站的風向偏差進行對比。偏差取同時次船舶站風向角度減去劉公島/成山頭風向角度。偏差正值表示順時針偏差，負值表示逆時針偏差。對以上結果進行偏差控制，偏差絕對值≤180°[12]。例如當風向在北風附近時，若船舶站為350°，劉公島為5°，則偏差取-15°而非345°。

2011年逐月船舶站和成山頭平均風向、最大風向、極大風向的對比統計結果如圖5。可見除了樣本量最小的1月份，其余各月的平均偏差都在20°以下，可以認為船舶站和成山頭的風向偏差不大。無論平均風、最大風還是極大風，在1—6月，風向平均偏差為負值，即船舶站風向較成山頭有逆時針偏差；在8—12月平均偏差均為正值，表示船舶站風向較成山頭有順時針偏差。從絕對偏差看，偏差值12月最小，2月最大。均方差偏差12月最小，3月最大。綜合以上分析可知，船舶站和成山頭的風向平均偏差不大；12月的偏差最小，即在12月，成山頭的風向與船舶站最接近，用成山頭的風向代表海上航線風向是可行的。

圖5 船舶站和成山頭逐月風向偏差

圖6 船舶站和劉公島逐月風向偏差

船舶站和劉公島的風向偏差分析如圖6所示。最大風和極大風的平均偏差在3、4月份最小，且在4—12月，風向偏差均為正值，表示船舶站較劉公島有順時針偏差；從偏差值看，除1月份外，其余各月份絕大部分情況偏差都在20°以內，10月份偏差雖然略大一些，但也僅為28°左右。絕對偏差在12月最小。綜合以上分析可見，船舶站和劉公島的風向平均偏差不大，尤其在春季，兩者風向偏差最小。

以上結果表明，除了樣本量較小的1月份，其余11個月船舶站和成山頭/劉公島的風向平均偏差大多都在20°以下。在1—6月，船舶站風向較成山頭有逆時針偏差，在8—12月則為順時針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時針偏差。12月成山頭的風向與船舶站更接近，可用成山頭的風向代表海上航線風向；而劉公島與船舶站的風向偏差在4月最小。可見在不同的季節，海島站和沿岸站對航線風的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風向更接近。

4.2 風速對比

首先考察船舶站和成山頭/劉公島的逐月風速序列的相關性，取置信度α=0.01，對各月相關系數作檢驗，如表1所示。結果表明，船舶站和成山頭的平均風除了1月、3月、10月、12月之外均顯著相關，最大風和極大風除了1月和3月外均顯著相關；船舶站和劉公島的最大風在4—12月顯著相關，極大風除了1月和3月均顯著相關。

船舶站和成山頭的風速偏差如圖7所示。從圖7a可以看出，平均偏差除了4月的最大風速偏差為負外，其它均為正值。平均風速偏差在0.15 m/s（9月）—6.5 m/s（1月）之間，最大風速偏差在-0.57（4月）—5.32（2月）之間，極大風偏差在0.61 m/s（4月）—6.37 m/s（2月）之間，平均偏差值1月、2月最大，4—9月相對較小；3—12月的偏差值大多在2 m/s以下。從4—12月的偏差對比看，極大風速的偏差較平均風速和最大風速偏差大1 m/s左右，即船舶站風速往往大于成山頭，且極大風速較成山頭偏差更大。從絕對偏差看依舊是1月和2月最大，極大風速偏差較平均風速、最大風速偏差大，1—3月偏大1—2 m/s，4—12月偏大1 m/s以下；相對最小值出現在7月份。

船舶站和劉公島的風速對比如圖8所示。平均偏差除了4月和6月的最大風偏差外均為正值，最大風速偏差在-0.18（4月）—6.67（1月）之間，極大風速偏差在1.19 m/s（4月）—7.62 m/s（2月）之間。4—12月的極大風速偏差較最大風速偏差大，相對而言，4—9月偏差較小，冬季（12、1、2月）偏差較大。絕對偏差最小值出現在6、7月份，極大風速偏差大于最大風速。無論平均偏差還是絕對偏差，都是1、2月的偏差最大。

以上對比分析表明，船舶站和成山頭/劉公島風速相關顯著，尤其在4—12月，最大風和極大風顯著相關。船舶站風速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風速偏差大于最大風速偏差。4—12月，船舶站和成山頭的極大風速偏差較平均風速和最大風速偏差大，其中3—12月的平均偏差值大多在2 m/s以下。船舶站和劉公島的極大風速平均偏差在1.19—7.62 m/s之間，2月最大，4月最小；總體而言，成山頭與船舶站的風速差異較劉公島小一些。

表1 船舶站和成山頭和劉公島風速相關系數（加粗數值表示通過α=0.01的信度檢驗）

圖7 船舶站和成山頭逐月風速偏差

圖8 船舶站和劉公島逐月風速偏差

5 小結與討論

威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線保障服務一直是專業氣象服務重點之一。為了分析業務常用參考站點對航線風的代表性，本文對威海-大連航線“生生-1”號船舶站測風資料進行了普查、優選和預處理，首先考察了船舶站測風資料所代表的航線風的變化規律；然后結合目前海上航線保障服務和現行參考站點，對比統計分析了2011年1—12月船舶站、劉公島、成山頭的風向、風速偏差，以期為海上航線的風預報提供一些參考。本文主要結論如下：

（1）船舶站主導風向的變化呈現明顯的季節規律，且與季節特征相符。春季主導風向為西南風和西北風，夏季為偏南和東南風、秋季為偏西和西北風，冬季為西北風。風力以4—5級為主，夏季3級以下風頻率最多，秋冬季6—7級大風明顯增多；

（2）除了樣本量較小的1月份，其余11個月船舶站和成山頭/劉公島的風向平均偏差不大，大多都在20°以下。在不同的季節，海島站和沿岸站對航線風的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風向更接近。在1—6月，船舶站風向較成山頭有逆時針偏差，在8—12月則為順時針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時針偏差；

（3）船舶站和成山頭/劉公島風速相關顯著，尤其在4—12月，最大風和極大風顯著相關。船舶站風速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風速偏差大于最大風速偏差。總體而言，成山頭與船舶站的風速差異較劉公島小一些。

由于冬季強冷空氣引起的偏北大風往往造成威海-大連航線停航，強風天氣背景下的船舶站測風資料無法獲取。盡管引進了船載自動站的觀測資料，但受觀測樣本量限制，本文涉及的資料范圍仍然較短。不同測站對航線風代表性的分析，以及航線風在不同天氣背景下的的變化規律，有賴于收集更為多源的、長時間的海上觀測資料進行進一步對比分析，以及在此基礎上數值模擬的進一步揭示。

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