1979—2018年九仙山風(fēng)的變化特征統(tǒng)計分析

蘇文元 葉曉冰 楊慶波 賴輝煌

(1.福建省德化九仙山氣象站， 福建 泉州 362503；2.福建省永春縣氣象局， 福建 泉州 362601)

風(fēng)是重要的氣象要素之一，是研究大氣動力學(xué)和氣候變化的一個重要參量，風(fēng)向和風(fēng)速的產(chǎn)生主要受大氣環(huán)流形勢、地表摩擦、地形因素等影響，風(fēng)向和風(fēng)速的變化與大氣的能量和物質(zhì)循環(huán)緊密相關(guān)，它的發(fā)生常伴隨著降溫、雷暴、降水等天氣現(xiàn)象，對生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)和民眾生活帶來影響，對區(qū)域氣候也有著重大影響。地面及高空的風(fēng)速和風(fēng)向的觀測對于城市建設(shè)、空氣污染擴(kuò)散、氣候研究、風(fēng)資源利用等具有重要意義。近年來，眾多學(xué)者對地面及高空風(fēng)的研究結(jié)果顯示，全國的平均風(fēng)速呈顯著減弱趨勢[1-4]。九仙山氣象站(25.43°N、118.06°E)為高山氣象觀測站，地處福建省中部的泉州市德化縣風(fēng)景名勝區(qū)九仙山山頂，觀測場海拔高度1651.5m，與“閩中屋脊”戴云山最高峰 (1856m)相距8.9km，高度接近對流層自由大氣的底部。幾十年來觀測數(shù)據(jù)沒有中斷，數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性、可用性保持較好，具有一定的代表性。九仙山周邊的環(huán)境保持較好，受環(huán)境變化影響小，氣象要素的變化具有良好的預(yù)報指示作用，其風(fēng)向、風(fēng)速變化可以從一個側(cè)面直觀地反映自由大氣底部的環(huán)流特征[1]。目前國內(nèi)針對高山站風(fēng)氣候變化的研究比較少，本文著重探討九仙山高山站風(fēng)的氣候變化特征和演變規(guī)律，其研究結(jié)果對于分析高山風(fēng)速變化的原因、了解自由大氣底部環(huán)流的氣候變化[1]，以及深入理解區(qū)域氣侯變化機(jī)理具有實(shí)際參考意義。

1 研究資料與分析方法

九仙山氣象觀測站1955年建站，10月開始常規(guī)氣象要素觀測，站址未發(fā)生變動，所有觀測記錄完整連續(xù)。本文選取1979—2018年九仙山地面氣象觀測站器測10m高程的2分鐘平均(定時)風(fēng)，資料引入采用報表實(shí)有觀測次數(shù)，日觀測次數(shù)1979—2018年均為4次，期間無缺測記錄，資料統(tǒng)計按照《月地面氣象記錄處理和報表編制規(guī)范》。測風(fēng)儀器均使用EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計，自2005年1月開始使用風(fēng)向風(fēng)速傳感器。冬季結(jié)冰時，按觀測規(guī)范要求均采用三杯式輕便風(fēng)向風(fēng)速表進(jìn)行補(bǔ)測代替。文中分析均基于1979—2018年40年標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值;季節(jié)劃分：3～6月為春季，7～9月為夏季，10～11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

對年、季、月平均風(fēng)速、8級以上大風(fēng)日數(shù)、最大風(fēng)速、16個風(fēng)向出現(xiàn)頻率等時間序列進(jìn)行一次線性趨勢分析擬合。

2 九仙山風(fēng)的季節(jié)變化特征

2.1 風(fēng)向頻率及對應(yīng)風(fēng)速的季節(jié)變化特征

九仙山地處福建中部，福建在一年中大部分時間是受西風(fēng)環(huán)流控制。閩東南沿海地區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，其季風(fēng)特征主要表現(xiàn)為存在兩支主要的季風(fēng)環(huán)流，即冬季盛行東北季風(fēng)和夏季盛行西南季風(fēng)[6]。由于春、夏季東南沿海經(jīng)常受強(qiáng)對流中小尺度系統(tǒng)和臺風(fēng)的影響，強(qiáng)對流中小尺度系統(tǒng)和臺風(fēng)的風(fēng)速比冬季的寒潮、冷空氣所產(chǎn)生的風(fēng)速要大，所以一年中最大的風(fēng)速均出現(xiàn)在春、夏季，又以春季居多。

表1為九仙山逐月最多風(fēng)向、出現(xiàn)頻率及平均風(fēng)速。由表1可見，1～12月的主導(dǎo)風(fēng)向是WSW→SW→E→ENE進(jìn)行轉(zhuǎn)變，1～6月最多風(fēng)向?yàn)槲魑髂?WSW)風(fēng)，占全年的50%，6月西南風(fēng)頻率(21%)為年內(nèi)次大，對應(yīng)風(fēng)速為8.0m/s；7月以西南(SW)風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，8月轉(zhuǎn)為以東風(fēng)(E)為主導(dǎo)風(fēng)向，7～8月為季節(jié)風(fēng)向轉(zhuǎn)變的過渡期，9～12月以東東北(ENE)風(fēng)向?yàn)橹鳎?0月風(fēng)向頻率(24%)為年內(nèi)最大，對應(yīng)風(fēng)速為6.9m/s。圖1為1979—2018年九仙山風(fēng)向頻率與平均風(fēng)速玫瑰圖。由圖1可見，九仙山全年以西西南(WSW)風(fēng)為主導(dǎo)，風(fēng)速也是以西南風(fēng)時最大。由此可見，九仙山1～6月盛行西南風(fēng)，9～12月盛行東北風(fēng)，7月、8月為夏季風(fēng)向冬季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過渡期。1月、2月屬冬天，本應(yīng)以北風(fēng)或東北風(fēng)為主導(dǎo)，但實(shí)際上還是以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，分析判斷后認(rèn)定作為冬季風(fēng)轉(zhuǎn)為夏季風(fēng)的過渡期,主要受西南氣流控制有關(guān)。

表1 1979—2018年九仙山月際主導(dǎo)風(fēng)向、出現(xiàn)頻率及平均風(fēng)速的統(tǒng)計結(jié)果

2.2 平均風(fēng)速的季節(jié)變化特征

圖2為九仙山1979—2018年逐月平均風(fēng)速變化趨勢圖。由圖2可見，九仙山1～12月的平均風(fēng)速呈線性減小的變化趨勢。年平均風(fēng)速為7.0 m/s。2月風(fēng)速逐步增強(qiáng)，3月達(dá)到一個小高峰7.9 m/s，4月又開始回落減小，6月達(dá)到一年中的最大值8.0 m/s，7月又開始減小，8月起趨于平穩(wěn)并逐漸走低。由上分析可知，九仙山年內(nèi)盛行風(fēng)具有顯著的季節(jié)變化，春季風(fēng)速逐漸增大，6月達(dá)到最大，夏季7月開始逐漸減小，8月、9月趨于平穩(wěn)，秋季有點(diǎn)小波動，冬季基本回落。其風(fēng)向風(fēng)速的變化與東亞季風(fēng)系統(tǒng)的冬、夏季風(fēng)活動密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為:冬季中后期與春季盛行西南風(fēng)，夏季后期與秋季盛行偏北風(fēng)。

圖2 1979—2018年月際平均風(fēng)速變化趨勢圖

圖3為1979—2018年九仙山四季平均風(fēng)速變化趨勢圖。由圖3可見，春季的風(fēng)速明顯較大，一年四季中平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在春季居多，這與春季出現(xiàn)較多強(qiáng)對流中小尺度系統(tǒng)所產(chǎn)生的極大風(fēng)有關(guān)，也與圖2逐月平均風(fēng)速變化趨勢的分析相吻合。從線性趨勢上看，春、夏、秋、冬四季的平均風(fēng)速也是呈減小趨勢。

圖3 1979—2018年四季平均風(fēng)速變化趨勢圖

2.3 8級以上大風(fēng)日數(shù)的季節(jié)變化特征

圖4 為1979—2018年四季8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖。由圖4可見，一年四季中出現(xiàn)8級以上大風(fēng)日數(shù)最多的是發(fā)生在春季，與四季平均風(fēng)速的季節(jié)變化的結(jié)果是一致的，這與春季出現(xiàn)較多強(qiáng)對流中小尺度系統(tǒng)所產(chǎn)生的極大風(fēng)有關(guān)，也與春季作為冬季風(fēng)與夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)變過渡期，受到西風(fēng)環(huán)流與東北季風(fēng)的共同影響，導(dǎo)致出現(xiàn)了較多的大風(fēng)有關(guān)。

圖4 1979—2018年四季8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖

3 平均風(fēng)速年際變化特征和8級以上大風(fēng)日數(shù)的變化特征

3.1 平均風(fēng)速年際變化特征

圖5為九仙山1979—2018年年際平均風(fēng)速變化趨勢圖，由圖5可見，40年來九仙山的平均風(fēng)速總體呈明顯的下降趨勢,年氣候傾向率為-0.016 m/s。年最大風(fēng)速出現(xiàn)在2005年，風(fēng)速為8.3 m/s，年最小風(fēng)速出現(xiàn)在2018年，風(fēng)速為6.0 m/s。40年的年平均風(fēng)速變化出現(xiàn)“三起三落”3個階段，1979-1986年趨于動蕩趨勢；1987-1988年呈較強(qiáng)的増長趨勢，年平均風(fēng)速達(dá)到8.0 m/s；1989-2004年趨于平穩(wěn)狀態(tài)，其中1998年又呈現(xiàn)較強(qiáng)的增大趨勢；1999—2004年回落動蕩整合；2005年達(dá)到最高峰；2006年之后下降并趨于逐步減小的狀態(tài)。前30年中，6～10年都會出現(xiàn)一波快速增大的情況，較大的風(fēng)速維持在1979-1999年，2000年開始風(fēng)速呈十分明顯的持續(xù)下降趨勢，滑動平均曲線表明2000年開始平均風(fēng)速下降到均值以下，雖然2005年反彈并達(dá)到歷史最高，但是之后的回落并保持一路的走低，與全國地面風(fēng)速變化的情況基本一致，說明高海拔地區(qū)的風(fēng)速也是呈減弱趨勢。

圖5 1979—2018年九仙山年際平均風(fēng)速變化趨勢圖

3.2 8級以上大風(fēng)日數(shù)的年際與月際變化特征

圖6為九仙山1979—2018年年際8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖。由圖6可見，40年來，8級以上大風(fēng)日數(shù)呈線性減少趨勢。40年間出現(xiàn)3次高峰期，1979-1988年間出現(xiàn)一次高峰期，1988年出現(xiàn)203天的8級以上大風(fēng)，也是40年中最多的天數(shù)；第二次高峰期出現(xiàn)在1989-1998年間，1999—2005年出現(xiàn)了第三次高峰期；2006年以后動蕩回落，呈逐年減少的趨勢，最少的一年出現(xiàn)在2018年，僅有93天。經(jīng)過分析，2006年以后8級以上大風(fēng)日數(shù)開始出現(xiàn)回落減少的狀況，與自動站的安裝使用以及使用的設(shè)備有關(guān)聯(lián)。2006年自動站開始運(yùn)行后，儀器的自動觀測與人工觀測存在的誤差也比較明顯，由于自動站儀器觀測精度較高，導(dǎo)致測量下來的數(shù)據(jù)與人工觀測的數(shù)據(jù)存在比較大的誤差，但是整體呈現(xiàn)逐年減少的變化趨勢還是與平均風(fēng)速的變化趨勢相吻合。

圖6 1979—2018年年際8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖

圖7是九仙山 1979—2018年月際8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖。由圖7可見，3月份8級以上大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)16.3天，達(dá)到一個小高潮后回落，6月份達(dá)到一年中的頂峰，達(dá)到了16.5天。7月份、8月份一路下降，9月～11月基本持平維穩(wěn)，12月份降到最低。一年中8級以上大風(fēng)日數(shù)最多的出現(xiàn)在春季的3月和6月，與月際平均風(fēng)速變化趨勢和四季平均風(fēng)速變化趨勢的分析結(jié)果相吻合。

圖7 1979—2018年月際8級以上大風(fēng)日數(shù)變化趨勢圖

4 最大風(fēng)速值的變化特征

圖8為1979—2018年九仙山年際最大風(fēng)速值變化趨勢圖。由圖8可見，40年間總體上各年最大風(fēng)速值呈線性減小趨勢。風(fēng)速最大值為34.0m/s,曾出現(xiàn)兩次，一次出現(xiàn)在1985年，一次出現(xiàn)在2005年。最大風(fēng)速的最小值為21.1m/s，出現(xiàn)在2017年。1979-2005年間呈動蕩狀態(tài)，2005年后呈現(xiàn)明顯的減小趨勢。之所以出現(xiàn)這些現(xiàn)象，可能與風(fēng)速觀測氣象儀器變動及最大風(fēng)速的取值方式不同有關(guān)，早期的最大風(fēng)速是對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自計紙進(jìn)行人工整理并挑取最大值，由于存在誤差，挑取的最大值有偏差，甚至有偏大的可能性，2006年后改用高精度的風(fēng)向風(fēng)速傳感器進(jìn)行觀測后，所采集到的實(shí)時分鐘數(shù)據(jù)能更好地體現(xiàn)九仙山上的實(shí)際風(fēng)速值的變化情況。

圖8 1979—2018年九仙山年際最大風(fēng)速值變化趨勢圖

5 結(jié)論

(1)近40年九仙山年平均風(fēng)速與全國地面風(fēng)速的變化特征基本一致，呈明顯下降趨勢。西西南(WSW)風(fēng)為年內(nèi)最多、風(fēng)速最強(qiáng)盛的風(fēng)向。

(2)九仙山盛行風(fēng)具有顯著的季節(jié)變化，1～6月盛行西南風(fēng)，9～12月盛行東北風(fēng)。春季風(fēng)速明顯大于其它季節(jié)的風(fēng)速。一年四季的平均風(fēng)速呈減小的趨勢。

(3)40年間8級以上大風(fēng)日數(shù)也是呈線性減少的趨勢，一年四季中出現(xiàn)8級以上大風(fēng)日數(shù)最多的是發(fā)生在3月和6月。

(4)最大風(fēng)速值的年際變化呈線性減小的趨勢。一年中最大風(fēng)速產(chǎn)生于春、夏季，又以春季居多。