1961—2020年阜新市大風及災情特征

舒海燕，白佳寧，范 野，孫 可，陶 倩，楊曉彤，常相伊，張 旭

（阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

大風是一種災害性天氣現象［1-2］，大風能夠引起浮土，使空氣質量下降，空氣中的可吸入顆粒物導致呼吸道等疾病增多、加重，影響人體健康。大風對農業的影響也不容忽視，常造成農作物倒伏，農業設施被毀，甚至能把大樹吹倒或折斷。春季大風可以把農作物的幼苗刮走，造成農田及草場被掩埋，同時沙塵還使得農作物接收到的太陽輻射減少，影響其光合作用，進而影響農作物正常生長，最終直接影響農牧業生產和農民的經濟收入。阜新市地處遼寧省大風帶的中心［3］，境內大風災害的發生頻率較高，給人們的生活和生產帶來極大不便，同時也造成了巨大的經濟損失［4-5］，因此對阜新市大風的研究具有重要意義。

大風作為災害性天氣，受到氣象學者們的廣泛關注，國外研究表明，全球大多數國家和地區的大風日數都呈減少的趨勢［6-7］。在國內近地表大風研究表明，整體大風日數和風速都呈減小的趨勢［8-9］，個別地區則有相反趨勢。其原因是受亞洲及北半球極渦面積指數、西風指數、西伯利亞高壓的影響［10］。風災有月份和季節性特征，但從農業災害上看，4—9月給北方農民帶來的經濟損失最大。遼寧省及各市部分氣象工作者對大風在氣候分析、預報方法等方面取得了一些有價值的研究成果［11-13］，阜新市地處遼寧西北部，歷年(1991—2020年)降水量為490.4 mm，屬于半干旱地區，雖然風災較為嚴重，對農業生產影響很大，但目前尚沒有此方面的研究報道。本文對阜新市大風日數及災情進行了統計分析，并從氣候變化角度分析大風日數變化特征及成因。為當地的農業生產、風沙預防等方面的防災減災提供重要的參考，同時也為當地氣象部門制作政府決策服務材料提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1961—2020年逐日最大風速和風向的觀測數據，來源于氣象大數據云平臺；1990—2019年大風氣象災情數據，來源于阜新市的2個國家氣象觀測站、農業及統計部門；亞洲區極渦面積指數(APVAI)、亞洲區極渦強度指數(APVII)、北半球極渦面積指數(NHPVAI)、北半球極渦強度指數(NHPVII)的月數據，數據來源于國家氣候中心發布的大氣環流指數。最大風速是指任意10 min的最大風速，四季劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季，11月—翌年2月為冬季。

1.2 大風標準

本文采用的大風標準是國內地面氣象觀測規范中的最大風的界定指標，即指瞬時風速達到或超過17.0 m/s，即風力達到8級以上的風，有大風出現的一天則被定義為一個大風日。

1.3 研究方法

本文應用了氣候變化率及趨勢系數對阜新地區大風日數進行趨勢分析，并對其相關系數進行顯著性檢驗；利用Morlet小波系數模和模方對大風日數進行周期分析；應用MTT和Mann-Kendall方法對大風日數進行突變分析；應用Pearson及Spearman方法對大風日數、大氣環流指數進行相關分析，具體方法均見參考文獻［14］。

2 結果與分析

2.1 大風日數的年和年代際變化

由阜新市兩縣的大風日數時間序列的年際變化圖(圖1)可知，1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數均呈減少趨勢，這與國內大多數地區的大風日數情況一致［8-9］。彰武縣大風日數的氣候傾向率為-0.962 d/10 a，趨勢系數為-0.124；阜蒙縣大風日數的氣候傾向率為-3.135 d/10 a，趨勢系數為-0.380，通過了0.01水平(雙側)的顯著性t檢驗。彰武縣大風日數第1個峰值出現在1966年(70次)，阜蒙縣的第1個峰值出現在1963年(84次)。彰武縣第1個谷值出現在2015年，第2個谷值出現在2020年，大風日數為10次；阜蒙縣的第1個谷值則出現在1982年(6次)。從20世紀60年代到80年代彰武縣和阜蒙縣的大風日數均呈明顯減少的趨勢，減少的原因可能與同時期的全球變暖密切相關。20世紀90年代彰武縣和阜蒙縣的大風日數均呈增加趨勢，21世紀初又呈明顯減少的趨勢。風力減小的原因可能是在全球氣候變暖的影響下，使得海陸溫差相應地變小，導致東亞季風有所減弱，中緯度也受到影響，風速相對減小［15］；城市化進程加快，也導致冷空氣勢力減弱，風力減少的結果［16］；還有研究認為，氣溫日較差減少也是大風日數減少的重要因素［17］。

圖1 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數的年際變化

由圖1a可知，彰武縣大風日數在2000 s最多(423 d)，其次為1990 s(394 d)，最少為2010 s(183 d)；2000 s大風日數變化速率最快(-29.5 d/10 a)，其次是1970 s(-21.0 d/10 a)，1990 s變化速率最小(-1.82 d/10 a)。

由圖1b可知，阜蒙縣大風日數在1960 s最多(362 d)，其次為1970 s(312 d)，最少為1980 s(122 d)；2000 s大風日數變化速率最快(-29.5 d/10 a)，其次是1960 s(-11.7 d/10 a)，1980 s變化速率最小(0.73 d/10 a)。

2.2 大風日數的季節和月變化

由阜新市從1961—2020年大風日數的季節變化圖(圖2a)可知，彰武縣的大風日數明顯多于阜蒙縣的大風日數，且兩縣春季大風日數最多(彰武縣為1150次，阜蒙縣為873次)，秋季次之，夏季最少(彰武縣為244次，阜蒙縣為140次)。由于春秋季節當地處于冷暖空氣交匯頻繁，風力較大；而冬夏季節的冷暖氣團比較穩定，冷暖氣團交匯的頻率較低，風力較小。

圖2 阜新市1961—2020年兩縣大風日數的季節和月份變化

由阜新市兩縣從1961—2020年大風日數的月份變化圖(圖2b)可知，4月份兩縣的大風日數均為最多(彰武縣為480次，阜蒙縣為373次)，5月份次之，8月份最少(兩縣均為28次)。兩縣的大風日數在季節和月份上均呈現出變化趨勢的一致性。本研究結果與遼寧省其他地區的大風日數在季節和月份上的規律是一致的［3,11-13］。

2.3 大風日數的周期性變化

由1961—2020年阜新市彰武縣大風日數周期分析圖(圖3a)可知，彰武縣大風日數的最顯著的是50~60 a的振蕩周期(通過了95%的顯著性檢驗)，還有7~12 a的振蕩周期。

圖3 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數的小波系數實部模及模方的等值線分析

由阜蒙縣大風日數周期分析圖(圖3b)可知，阜蒙縣大風日數的顯著振蕩周期為50~60 a(通過了95%的顯著性檢驗)，第2振蕩周期為18~25 a，還有7~12 a的振蕩周期。綜合得出，阜新市兩縣的大風日數的振蕩周期基本一致，其中7~12 a的振蕩周期與敖雪等［10］對遼寧海岸線大風周期的研究結果一致。

2.4 大風日數的MTT與M-K分析

由1961—2020年阜新市兩縣大風日數的滑動t檢驗圖(圖4a)可知，彰武縣在2008—2015年MTT統計量超過了0.01的顯著性檢驗，且為正值，說明在此期間大風日數減少的趨勢顯著，MTT統計量最高點為突變轉折年份(2014年)；而阜蒙縣在1980年左右和2003年左右MTT統計量都超過了0.01的顯著性檢驗，且均為正值，說明在這2個年份的大風日數都發生了突變。

圖4 阜新市1961—2020年彰武縣及阜蒙縣大風日數的MTT(a)與M-K(b)統計檢驗分析

從M-K突變檢驗圖(圖4b)可知，彰武縣的M-K統計量UF與UB在2014年左右有交點，且交點在可信區間，相交后統計量UF明顯向下，說明在此年有突變性轉折，突變后大風日數顯著減少；而阜蒙縣的M-K統計量UF、UB在1975—1980、2002—2006年期間都有交點，且交點在可信區間，相交后統計量UF也明顯向下，說明在這2個年份期間都有突變性轉折，突變后大風日數顯著減少。綜合分析得出，彰武縣的大風日數在2014年發生了突變，突變后大風日數呈現出明顯減少的趨勢；阜蒙縣的大風日數在1980和2003年左右均發生了突變，突變后大風日數也呈現出明顯減少的趨勢。

2.5 大風風向的分布特征

根據大風的16個方向，對1961—2020年阜新市兩縣大風風向出現的頻率進行統計分析，結果表明：阜新地區大風以偏南風為主，這種特征彰武縣表現得尤其明顯，其次是偏北風，阜蒙縣表現明顯。這個結論與吳春英等［11-12］的研究結論一致。偏南大風較多可能受蒙古氣旋和地形影響顯著，偏北大風的產生是受西伯利亞和蒙古高壓影響。

由圖5a可知，彰武縣出現南西南(SSW)的大風頻率最高，占比為60.0%；其次為南風(S)占7.0%，西西北風(WNW)占5.4%，西西南風(WSW)占5.3%；東風(E)占比最少，僅為0.5%。由圖5b可知，阜蒙縣出現南西南(SSW)的大風頻率最高，占比為19.4%；其次為北西北風(NNW)占16.2%，西北風(NW)占15.3%，西南風(SW)占13.2%，南風(S)占10.5%；東風(E)的占比為0%。

圖5 阜新市1961—2020 年彰武縣和阜蒙縣最大風速出現頻率的風向分析

3 大風的農業災情特征及其影響因子

3.1 大風對農業造成的危害

從1990—2019年的大風造成的重災實況記錄來看(表1)，共記錄84次風災情況，均出現在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現(占比為39.3%)，有24次有暴雨伴隨出現(占比為35.7%)，有12次伴隨雷電出現(占比為14.3%)，均出現在6—9月。從經濟損失上看(表1)，6—8月大風造成的經濟損失最為嚴重，約占80%，9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風災害并不單一出現，而往往伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災害同時出現，其中冰雹只對作物的危害最大，而暴雨對作物、人、畜和房屋等都能構成嚴重危害，雷電也能對人、畜、設備等造成危害。如1994年7月12日午后至7月13日夜間，受臺風北上影響，阜新地區普降暴雨，這次大暴風雨造成坡耕地水土流失，積水內澇，水沖沙壓，農田沖毀，房屋倒塌，人畜傷亡；全市66個鄉鎮有49個重災，造成8人死亡，2人重傷，耕畜傷亡959頭，死亡家禽4705只，房屋倒塌，人畜傷亡嚴重；沖毀道路57 km，沖走林木11.02萬棵,保護地倒塌169.67 hm2；農作物受災面積40000 hm2，減產五成以上的有6667 hm2，減產五成以下的有28000 hm2，絕收5333 hm2；沖毀民房、校舍、烤煙房約15000間，直接經濟損失1億元，工業損失達100萬元。又如2008年9月17日晚19：40至19：58，彰武縣阿爾鄉鎮遭受龍卷風襲擊，并伴有雷電和短時降雨，龍卷風造成房屋倒塌和損壞、農作物倒伏、林木刮斷、通信和電力線路、公益設施、居民家庭財產損毀嚴重，受災范圍寬700 m，長15 km，阿爾鄉鎮阿爾鄉村北屯、新房子屯和阿爾鄉農場白音花、馬家坑2個分場嚴重受災；據統計：龍卷風共造成受災人口1394人，因災受傷人口23人。如2016年5月2日夜間至3日夜間，受強氣旋影響，阜新市出現大風強降雨天氣，全市平均風速7到8級，部分地區陣風達9~10級；受大風災害影響，阜新市部分樹木、設施農業、民房、廣告牌等受損嚴重；全市樹木倒伏5764株，大棚損壞12368.9棟，房屋損毀7162間，受災人口24759人。

表1 1990—2019年大風重災發生的時間、次數、伴隨天氣現象及災情實況

3.2 大風日數的影響因子

影響大風日數變化的綜合因素有很多，其中大氣環流成為氣象學者［10］討論的主要因子，筆者主要對APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個大氣環流指數進行分析，并探討與大風日數的關系。

3.2.1 大氣環流指數趨勢變化 由1961—2020年大氣環流指數趨勢變化曲線(圖6)可知，APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII的變化均呈減少趨勢，與阜新地區的大風日數的變化趨勢一致，其氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a，其趨勢系數分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792，均通過了0.01水平(雙側)的顯著性t檢驗。

圖6 1961—2020年亞洲區極渦和北半球極渦的面積及強度指數曲線

3.2.2 大風日數與大氣環流指數的相關性分析 由表2可知，阜新市1961—2020年大風日數與APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII呈正相關關系，這與敖雪等［10］的研究結果基本一致。其中彰武縣的大風日數與4個大氣環流指數的相關性較差，而阜蒙縣大風日數與4個大氣環流指數的相關性均較好。計算得出阜蒙縣大風日數與4個大氣環流指數的Pearson及Spearman相關系數均較大，均超過0.05水平(雙側)上顯著相關，其中與APVAI和NHPVAI的相關性最強，與NHPVII的相關性次之，與APVII的相關性最差。

表2 阜新市1961—2020年兩縣大風日數與大氣環流指數的相關系數

4 結論

通過對1961—2020年阜新市的大風日數及農業災情進行統計分析，得到的結論如下：

（1）阜新市的大風日數年變化呈減少趨勢，其中彰武縣氣候傾向率為-0.962 d/10 a，趨勢系數為-0.124；阜蒙縣氣候傾向率為-3.135 d/10 a，趨勢系數為-0.380，通過了0.01的顯著性檢驗，說明減少趨勢是顯著的。

（2）阜新市大風日數出現較多年代為1960 s和2000 s，較少的年代為1980 s和2010 s。從季節來看，春季大風日數均最多，秋季次之，夏季最少；從月份來看，4月大風日數均最多，5月次之，8月最少；兩縣的大風日數在季節和月份上均呈現出變化趨勢的一致性。

（3）阜新市大風日數有50~60 a的振蕩周期，還有7~12 a的振蕩周期。彰武縣的大風日數在2014年發生了突變，突變后大風日數呈現出明顯減少的趨勢；阜蒙縣的大風日數在1980和2003年左右均發生了突變，突變后大風日數也呈現出明顯減少的趨勢。

（4）阜新地區大風以偏南風為主，這種特征彰武縣表現得尤其明顯，其次是偏北風，東風占比最低，原因可能是受蒙古氣旋和地形影響顯著。

（5）大風會對農作物生長、發育及成熟均能造成諸多影響，最終影響農作物的產量。從1990—2019年記錄的大風重災情況得知，共有84次重災情發生，均出現在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現（占比為39.3%），有24次有暴雨伴隨出現（占比為35.7%），有12次伴隨雷電出現（占比為14.3%），均出現在6—9月。從經濟損失上分析，6—8月大風造成的經濟損失最為嚴重，約占80%；9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風災害常伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災害同時出現，其中冰雹只對作物的危害最大，而暴雨對作物、人、畜和房屋等都能構成嚴重危害，雷電也能對人、畜、設備等造成危害。

（6）在影響大風日數變化的諸多因素中，APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個因子的變化均呈顯著減少趨勢，氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a，趨勢系數分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792。阜新市兩縣大風日數與大氣環流指數APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII均呈正相關關系，但兩縣的相關性差異較大，阜蒙縣的相關性明顯大于彰武縣，且相關性極顯著。