華山大風的氣候特征分析

武維剛，武麥鳳，龍亞星

(1.華山氣象站，陜西華陰 714200；2.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；3.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014)

近年來，氣象工作者對不同區域內的大風做了大量的研究工作。潘冬梅等[1]對阿勒泰地區大風日數的時空分布規律及變化特征進行研究，分析了大風天氣環流特征，總結歸納出不同天氣形勢下大風預報指標和預報方法。趙金霞等[2]分析了渤海灣大風的氣候特征，建立極大風速和當日最大風速的預報方程，并將WRF數值預報模式計算出的日最大風速進行訂正、代入預報方程，來預報災害性大風。史國慶等[3]等對泰來縣近61 a大風日數和風速變化特征進行分析研究，指出年平均風速和年大風日數整體呈波動下降趨勢。張新軍等[4]對蘭新鐵路第二雙線沿線10 m高度和近地層大風分布規律進行了分析研究。魯淵平等[5]對陜西大風研究指出，近30 a陜西大風高山、高原多于平原、盆地，陜北多于關中、陜南。華山，古稱西岳，是中國著名的五岳之一，有東、南、西、北、中五峰，位于陜西省華陰市境內，雄踞關中東部，西距古都西安120 km。華山南接秦嶺，北瞰黃河，山勢險峻，地形地貌復雜, 四季多大風且風向變化大，是陜西省大風日數(風速≥17.0 m/s)出現最多的地方。華山出現災害性大風天氣會導致索道停運，大量游客滯留山頂，給游客觀景體驗和人身安全帶來嚴重影響。本文利用華山氣象站1953—2020年地面氣象觀測資料統計分析華山大風的氣候變化特征，為華山大風精細化預報研究提供依據，同時為景區索道的安全運營提供更高水平的氣象服務保障。

1 資料與方法

華山氣象站1952年建站，1953年正式開始地面氣象觀測，其觀測場位于華山絕壁西峰，海拔高度2 064.9 m，期間站址未曾遷移，資料序列通過信息化格式檢查和質量檢查,為中國和亞洲質量認證的資料。本文所用資料為1953—2020年華山氣象站(簡稱華山站，下同)逐年、月、日、定時觀測資料。根據《地面氣象觀測規范》[6]，日界統一定為 20—20 時(北京時,下同),以瞬時風速≥17.0 m/s或目測估計風力達到或超過8級作為大風標準，測站一日內出現大風定為一個大風日。季節劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。采用了統計學方法、小波分析及Mann-Kendall突變檢驗[7]等方法分析華山大風的氣候變化特征。

2 大風的氣候特征

2.1 大風日數的年際變化

圖1為1953—2020年華山站大風日數的年際變化曲線。可以看出，華山大風日數總體呈波動減少趨勢，氣候傾向率為-5.2 d/10 a(通過0.01顯著性水平檢驗)，這與中國平均年總大風日數和四季總大風日數都呈明顯的減少趨勢相一致[8]。華山站年大風日數變化范圍為55～225 d，大風日數1966年最多，1954年最少，年平均116.4 d。年大風日數200 d以上的年份有3 a，分別是1966、1967、1968年；100～200 d的有46 a，占總年份的68%；少于100 d的有19 a，占28%。從圖1還可看出，大風具有明顯的年代際變化特征：20世紀50年代前期，華山的大風日數相對較少，50年代中后期華山大風日數迅速上升， 60年代大風日數最多，這與中高緯大氣環流經向度加大，強冷空氣頻繁入侵密切相關[9]。70年代大風日數明顯減少，80年代至90年代初大風日數略有增加。90年代中期至2015年大風日數明顯小于平均值，2011年大風日數僅有73 d。利用Morlet小波分析方法對1953—2020年華山站年大風日數進行小波變換(圖2)，可以看出華山站大風日數的周期性變化情況：華山站年大風日數存在28 a的長周期變化特征，呈“少—多—少—多—少”的變化規律。21世紀初至2020年大風日數偏少，但偏少階段趨于末尾。

圖1 1953—2020年華山站大風日數年際變化

圖2 1953—2020年華山站年大風日數時間序列小波變換及方差

1953—2020年華山站春、夏、秋、冬四季大風日數的氣候傾向率分別為-0.6 d/10 a、-1.7 d/10 a、-0.5 d/10 a和-2.0 d/10 a，其中只有夏季和冬季通過0.05顯著性水平檢驗；因此，華山站年大風日數以冬季減少趨勢最為明顯,這可能與寒潮發生的頻率減小，強度減弱密切相關，而后者又與全球系統尤其是冬季顯著增暖現象有直接關系[10]，也與東亞季風系統夏季風從20世紀70年代中后期、冬季風從20世紀80年代中后期起發生了明顯變弱[11]的變化趨勢一致。

利用Mann-Kendall 突變檢驗方法分析華山站年大風日數的變化趨勢和突變點。由圖3可見,華山站年大風日數1955—1982年呈上升趨勢， 1983年以后年大風日數呈單一下降趨勢， 這與上面的統計分析結論一致。1958—1973年大風日數呈顯著上升趨勢，2004年之后大風日數呈顯著下降趨勢。根據UF和UB曲線交點的位置，確定大風日數突變時間為1985年前后。

圖3 1953—2020年華山站年大風日數時間序列Mann-Kendall突變檢驗(點線為0.05顯著性水平臨界值)

2.2 大風日數的月際變化

圖4為1953—2020年華山站大風總日數的逐月變化情況，可以看出，華山月大風日數呈“雙峰”型分布：2—4月大風日數呈逐月增加, 4月增至全年最多，68 a出現大風日數854 d；5月大風日數開始減少，8月最少，出現大風484 d；9月以后冷空氣活動加強，大風日數又開始逐漸增多，12月達到第二峰值，出現大風757 d。從季節變化來看，春季華山冷暖空氣活動頻繁，大風日數最多，68 a有2 443 d；冬季次之，出現大風2 009 d；秋季和夏季大風較少，大風日數分別為1 760 d和1 703 d。

圖4 1953—2020年華山站各月大風總日數

2.3 大風的日變化

定義每時次內只要出現一次大風天氣，則記錄為1次大風，各時次大風次數除以總大風次數得到1953—2020年華山站逐時大風頻率(時次以北京時為準，01時代表時間范圍00:01—01:00，其他時次類推)，結果如圖5所示。由圖5可見，華山晚上出現大風的頻率遠高于白天：16時大風頻率開始增加，20—01時是一天內大風頻率最高時段，占24 h出現大風總次數的35.5%，其中20時是24 h內大風頻率最高的時刻，占總大風次數的5.7%；02時后大風頻率開始降低，08時最低，僅占總次數的3.2%。

圖5 1953—2020年華山站大風頻率日變化

大風日變化主要是由于下墊面在一日中受熱不同而引起的。在環流形勢穩定的天氣背景下，太陽落山以后太陽輻射減弱，地表溫度降低，邊界層大氣層結相對穩定，空氣的垂直對流減弱，使得不同高度的風力相互影響減小，平原近地面風力減弱。華山站位于2 000 m以上的高空，自由大氣受低層影響減小，風力加大，大風頻率升高。

2.4 大風風向和風力特征

2.4.1 風向 華山站近68 a大風風向頻率分布(圖6)表明：華山大風風向以SSW為主，頻率為28.4%；SW、WNW次之，頻率分別為21.5%和20.8%；三者頻率之和為70.7%，而S和ESE大風出現較少。分析華山大風風向頻率的月變化(表1)，結果表明：華山2月和5—11月以SSW大風為主，SSW大風在7、8月頻率最高，分別為59.7%和59.2%；SW大風在9月頻率最高為30.9%；3—4月SW大風出現可能性較大；12月—次年1月WNW大風出現頻率最高，12月WNW大風頻率達最大值32.9%；6月ESE大風頻率最高為10.6%。華山大風風向季節差異不明顯(表2)，一年四季都以SSW大風為主，春、秋、冬季WNW、SW大風次之，夏季SW、ESE大風次之。春季SSW大風出現最多，頻率為39.7%；夏季SW和ESE大風頻率達到全年最高，分別為23.1%和18.8%；秋季WNW大風頻率由夏季6.0%增加至23.6%，SW大風由23.1%減少至17.3%；冬季WNW和NW大風增至全年最多，頻率分別為30.3%和10.1%，同時SSW和SW大風減少。

圖6 1953—2020年華山站大風風向頻率/%

表1 1953—2020年華山站逐月大風風向頻率 %

表2 1953—2020年華山站四季大風風向頻率 %

大風風向的季節性變化主要原因是：每年6—9月西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)脊線位于110°～115°E、20°～28°N之間，隨著副高位置的擺動，陜西處于副高外圍的不同位置，常常受西南暖濕氣流和高原短波槽東移影響，SSW和SW大風增多；10月—次年5月北方冷空氣活動頻繁，WNW大風出現頻率較多，SSW和SW大風減少至全年最少；春夏之交，受短波槽和強對流天氣影響，ESE風向較多。

2.4.2 風力 根據天氣預報業務規范，預報業務中一般以2 min平均風力達到6級(≥10.8 m/s)作為大風指標[12]。對1953—2020年定時2 min平均風速≥10.8 m/s進行分級統計(1953—2003年地面氣象月報表數據文件只統計02、08、14、20時四次定時風速)。1953—2020年華山6級(10.8～13.8 m/s)風占66.6%，7級(13.9～17.1 m/s)風占25.6%，8級(17.2～20.7 m/s)風占6.4%，9級(20.8～24.4 m/s)風占1.0 %，10級(24.5～28.4 m/s)風只占0.3%，11級(28.5～32.6 m/s)風占0.0%，12級(≥32.7 m/s)以上風僅占0.1%。可以看出，華山6級以上風定時風速主要出現10.8～17.1 m/s之間，即以6～7級風為主，8級和9級風相對較少，10級以上風僅占0.4%。從風力頻率的變化趨勢來看，6級風頻率呈增高趨勢，最高為79.7%(2011年)，最低僅為26%(1962年)。7級風頻率呈降低趨勢，最高為45.3%(1960年)，最低為17%(2000年)。8級風頻率呈微弱降低趨勢，最高為26.7%(1962年)，1984、1992、1997、2000年未出現；9級風頻率變化趨勢不明顯，最高為4.7%(1954年)，有31 a未出現；10級以上風在20世紀50年代中后期至60年代末出現較多，并在1956年頻率最高為5.1%，與同時期大風日數明顯偏多變化趨勢一致。

表3為1953—2020年華山站逐月大風風力頻率統計情況。由表3可以看出華山6級風年變化呈“雙峰雙谷”型：峰值出現在6月和11月，頻率分別為71.9%和70.3%；谷值出現在4月和9月，頻率分別為61.6%和65.6%。7級風年變化呈“凹”字型，4—5月和8—9月出現頻率較高，6—7月頻率出現階段性低值，全年頻率最小為22.4%，出現在11月。8級風在2—4月、12月出現頻率較大，6月和8月出現頻率較小。9級風在2—4月、11月出現頻率較大，7—8月很少出現。10級以上風主要出現在11—1月和3—5月，6月和8月很少出現。季節變化方面，6級風夏季頻率最高，春季最低。7級風春季頻率最高，秋季最低。8級以上風主要出現在春季和冬季，夏季出現最少，與大風日數季節變化一致。

表3 1953—2020年華山站逐月大風風力頻率 %

3 最大風速和極大風速的氣候特征

3.1 年際變化

圖7為華山站1980—2020年年最大風速和1994—2020年年極大風速的變化趨勢(1953—1979地面氣象月報表數據文件未統計最大風速，1953—1993地面氣象月報表數據文件未統計極大風速)。1980—2020年華山最大風速年平均值為24.5 m/s。從圖7可以看出，2013年最大為30.2 m/s(風向WNW)，2006年最小為20.3 m/s(風向WNW)。1980—2020年華山年最大風速氣候傾向率為-0.1(m/s)/10 a (未通過0.05顯著性水平檢驗)，表明年最大風速變化趨勢不顯著。最大風速風向頻率最高為SSW，SW、WNW次之，三者出現頻率之和為80%，與大風風向分布一致。

圖7 華山站1980—2020年年最大風速和1994—2020年年極大風速變化曲線

1994—2020年華山年極大風速平均值為34.3 m/s。從圖7可以看出，年極大風速2013年最大為41.3 m/s(風向SW)，2010年極大風速達41.2 m/s，1994年年極大風速最小為29.2 m/s(風向為NW)。1994—2020年華山站年極大風速氣候傾向率為1.4(m/s)/10 a (通過0.05顯著性水平檢驗)，表明近27 a華山年極大風速有增大趨勢。年極大風速風向以SW、SSW和WNW出現較多，與大風風向分布一致。

3.2 月際變化

從華山站月平均最大風速(1980—2020年)和月平均極大風速(1994—2020年)(圖8)可以看出，華山月平均最大風速呈“雙峰”型變化：1—3月最大風速逐漸增大, 3月達全年最大，平均最大風速21.0 m/s。4月風速開始減少，8月達到全年最小15.7 m/s。9月風速又逐漸增大，12月達第二峰值，平均最大風速為20.1 m/s。華山站月最大風速最大值為30.2 m/s，出現在2013年3月。

華山站月平均極大風速與月平均最大風速變化趨勢一致，也呈“雙峰”型(圖8)。1—3月風速逐漸增大，3月最大，平均極大風速30.2 m/s。4月平均極大風速30.1 m/s。5月風速開始減少，8月最小為23.4 m/s。9月風速又逐漸增大，11月達第二峰值，平均極大風速28.5 m/s，之后風速又開始減小。華山站月極大風速最大值為41.3 m/s，出現在2013年3月。從季節變化來看，華山平均最大風速和平均極大風速春季最大，冬季次之，夏季最小。

圖8 華山站1980—2020年平均最大風速和1994—2020年平均極大風速月變化曲線

4 結論與討論

(1)華山年大風日數呈波動減少趨勢，存在28 a長周期變化特征。華山大風日數具有明顯的季節變化，春季最多，冬季次之，秋季和夏季出現大風較少；大風日數月變化呈“雙峰”型，峰值分別出現在4月和12月，8月大風日數最少；華山大風具有明顯的日變化特征，夜間遠多于白天。20—01時是一天內大風頻率最高時段，20時是大風出現頻率最高的時刻，08時大風次數最少。

(2)華山最大風和極大風風向均以SSW為主，WNW、SW次之。SSW大風在7和8月出現頻率最高，WNW大風在12月出現頻率最高，SW大風在9月較多。華山6級以上風以6～7級為主，達到8級和9級的很少，出現10級以上大風僅占0.4%。

(3)華山地勢較高，地形復雜，受高空氣流影響的同時，地形對區域性大風的形成影響作用十分明顯。對因下墊面熱力因素和動力強迫作用產生的大風目前觀測較少，其對華山局地大風的貢獻程度也了解甚少，因此對復雜地形產生大風機理尚需進一步研究。