黃、渤海大風頻次的年際變化及其影響因子分析

張志華，郭偉，魏皓

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081；2.天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457）

1 引言

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

有學者[1-2]利用臺站資料研究渤海海峽大風氣候特征，如年大風日數(shù)、持續(xù)日數(shù)、極大風速以及大風的季節(jié)變化特征等，然而臺站的數(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場。近些年來時空分辨率較高的衛(wèi)星海面風場資料日益豐富，可以在一定程度上彌補臺站資料的缺陷。鄭崇偉[3]等利用衛(wèi)星資料研究了中國近海海表風場的季節(jié)特征、大風頻次、極值風速、變化趨勢等，但其研究重點主要集中在南、東海，并未關(guān)注黃、渤海風場的年際變化特征；徐蜜蜜和徐海明[4]分析了中國近海各季節(jié)大風特征，并通過數(shù)值模擬研究臺灣島地形對大風的影響；趙喜喜[5]等對1992—2005年的中國海海面風場時空特征進行EOF分析，發(fā)現(xiàn)距平風場第一模態(tài)表現(xiàn)為冬—夏震蕩型，這反映了中國海海面風場的季節(jié)特征；Cheng[6]等則分析了北大西洋大風頻次的年際變化，比較冬季HWF（High-wind Frequency，大風頻次）和冬季NAO（NorthAtlantic Oscillation，北大西洋濤動）與U·▽T（風暴路徑強度）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)星資料研究中國近海風場的工作，但主要是討論風場或者大風的氣候態(tài)特征，很少涉及大風的年際變化及哪些氣候因子可能影響大風的年際變化。本文將利用長時間序列、高分辨率的衛(wèi)星風場數(shù)據(jù)，針對黃、渤海海域大風頻次的多年平均、年際變化特征進行分析，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]海面風場資料，該數(shù)據(jù)來自美國航空航天局ESE（NASA Earth Science Enter-prise）。該風場數(shù)據(jù)集采用一種增強的變分同化分析法（VAM）融合了QuikSCAT/SeaWinds、ADEOS-II/SeaWindshield、AMSR-E、TRMM TMI和 SSM/I等諸多海洋被動微波和散射計遙感平臺上采集的海面風場數(shù)據(jù)，于2009年由NASA推出，它提供了從1987年7月至今的海洋風場數(shù)據(jù)（本文使用1987年12月—2010年12月共23年的數(shù)據(jù)）。CCMP風場具有很高的精度和時空分辨率，其空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h（每天4個時刻分別為：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，這里使用由美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析海平面氣壓資料計算的冬季AO指數(shù)，從 1987年 1月—2010年12月，（http://jisao.washington.edu/data/annularmodes/Data/ao_index.html）。東亞冬季風指數(shù)采用國內(nèi)外引用較多的Chen等[8]提出的方法，由NCEP/NCAR再分析10 m風場數(shù)據(jù)計算得出。

圖1 黃、渤海1988—2010年多年平均大風頻次（HWF）

本文選擇蒲氏風級6級，即10.8 m/s為計算大風頻率的門檻。大風頻次的計算方法是統(tǒng)計出某個時間段內(nèi)每個格點風速≥10.8 m/s的觀測次數(shù)，以及該時間段內(nèi)的有效觀測次數(shù)，用兩者的比值（%）表示該時間段內(nèi)6級以上的風頻。

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)計分析方法。

3 黃、渤海大風頻次氣候態(tài)特征

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

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)大風頻次（見圖2）的變化規(guī)律。大風頻次的季節(jié)變化與風速的季節(jié)變化（圖略）類似，同樣存在兩個變化趨勢：一是在黃、渤海中部，由高緯向低緯地區(qū)大風頻次總體存在增強趨勢；二是由陸地向海洋，大風頻次總體存在減弱的趨勢。渤海遼東淺灘處的四季大風頻次均最大，且以其為中心大風頻次向四周以“波浪式”遞減；黃海則顯示著由北黃海向南黃海大風頻次增強的趨勢。

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

在研究整個黃、渤海海區(qū)的同時，分別在渤海和黃海選取大風頻次較高的區(qū)域來研究兩海區(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A區(qū)和B區(qū)的所有格點做區(qū)域平均，進而再在時間尺度上計算每年平均和季節(jié)平均，從而得到年際尺度上的時間序列。

圖4a為黃、渤海整個區(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個區(qū)域的多年的變化趨勢基本一致，總體上均呈波動性上升特征，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在四季中上升趨勢最為明顯，春、秋季也呈上升趨勢，但幅度較為平緩，而夏季這種趨勢并不明顯。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年際變化時間序列，b、c、d分別為黃、渤海、A區(qū)和B區(qū)的各個季節(jié)HWF年際變化時間序列圖

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低HWF且較為穩(wěn)定的變化趨勢，這是在1998年前，衛(wèi)星還未能覆蓋到渤海海域，這一區(qū)域風場數(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場變化趨勢，但對大風模擬有所欠缺[7]。由于黃、渤海冬季大風頻次數(shù)值上明顯超出其它季節(jié)，下面僅針對影響冬季大風頻次的氣候因子進行分析。

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)流最重要的一個模態(tài)，對北半球及區(qū)域氣候有重要影響。有研究指出AO的強弱會直接影響北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)間大氣活動，AO處于正（負）相位時，中緯度氣壓上升（下降）而極地下降（上升）[9]。還有學者指出冬季北極濤動通過影響冬季西伯利亞高壓系統(tǒng)，進而影響到東亞冬季風強度[10]。而作為東亞季風的重要成員，東亞冬季風是北半球冬季最為活躍的環(huán)流系統(tǒng)之一。強東亞冬季風給東亞帶來寒潮低溫冷害、大風、冷凍雨雪等災(zāi)害性天氣[11]。因此黃、渤海大風與東亞冬季風也必然存在著一定的聯(lián)系。

將歷年冬季黃、渤海整個區(qū)域HWF計算區(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（East Asian Winter Monsoon，簡稱EAWM）指數(shù)的關(guān)系。由圖5a可見，冬季HWF和AO存在顯著的負相關(guān)性（r=-0.458，滿足95%的顯著性檢驗）。在年際尺度上HWF呈上升趨勢，而AO在這期間則呈減弱趨勢。將HWF指數(shù)和AO指數(shù)分別做線性回歸，得到兩個指數(shù)的線性趨勢（HWF為黑色，AO為藍色）。從趨勢線中可以更加直觀地看到兩個指數(shù)分別存在明顯的上升和下降的趨勢。而EAWM指數(shù)和黃、渤海冬季HWF存在顯著負相關(guān)性（r=-0.658，通過99%的顯著性檢驗），由于該EAWM指數(shù)為正時表征弱的東亞冬季風，圖5b說明了強的東亞冬季風往往引起黃、渤海區(qū)HWF值較大，而弱的東亞冬季風往往對應(yīng)較小的HWF。

通過對黃、渤海整個區(qū)域與AO指數(shù)進行線性回歸分析，得到圖6a。圖中彩色區(qū)域通過了95%顯著性檢驗。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、渤海整個海區(qū)冬季HWF都是受EAWM的影響，且最高相關(guān)系數(shù)可達-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，在年際時間尺度上，黃、渤海冬季HWF的變化受東亞冬季風的影響，HWF和東亞冬季風呈現(xiàn)正相關(guān)性關(guān)系，隨著東亞冬季風的增強，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，屬于典型的季風氣候，冬季盛行偏北風，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。當海溫降至冰點以后，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。中國近海的海冰，都是“一冬（年）冰”，即當年冬季形成、次年春季消失，冰齡不超過一個冬季。本文使用的海冰資料是國家海洋環(huán)境預(yù)報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0.832，均滿足95%的顯著性檢驗。也即，隨著冬季HWF的增大，遼東灣海冰外沿線也隨之增長。在大風天氣頻發(fā)的冬季，海溫必然下降，海冰的外沿線也隨之增長。所以HWF通過影響遼東灣的海溫，進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115 n mile為近30年來最嚴重冰清，而HWF卻并不高，這其中可能的原因是當年有多次冷空氣過程，但冷空氣造成的大風卻沒有達到6級以上，具體原因還有待進一步深入研究。

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風場資料，對中國近23年黃、渤海海表風場氣候態(tài)特征、HWF年際變化及可能影響因子進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）黃、渤海HWF年際變化總體表現(xiàn)為波動性上升。季節(jié)特征上，四季HWF大小及上升趨勢均存在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；

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

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

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，有待于針對個例詳細進行分析。

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