2013—2019年福建中北部沿海風的時空分布特征*

鄭穎青 連東英 高 珊

(1. 福州市氣象局，福建 福州 350008；2. 福建省氣象臺，福建 福州 350008)

1 概述

福建中北部沿海地區(qū)是重要的海洋經(jīng)濟區(qū)，漁業(yè)生產(chǎn)和航運的產(chǎn)值占國內(nèi)生產(chǎn)總值的半數(shù)以上，沿海大風對上述產(chǎn)業(yè)和沿海居民安全會造成巨大的威脅。這一地區(qū)擁有眾多的港灣、半島和島嶼，地形復雜多樣，海岸線曲折，沿海風的分布十分復雜。近年來大量區(qū)域自動站在沿岸地帶和主要海島布設，為精準分析沿海風的分布特征提供了可能。夏麗花等[1]分區(qū)域分析了臺灣海峽極大風≥8級的致災大風的概率和盛行風向的氣候特征；高珊等[2]分析了閩東北(寧德)沿海盛行風力和大風的月分布特征，并對大風的天氣過程進行了分析。上述研究都是在小時極大風統(tǒng)計的基礎上進行分析，但漁業(yè)生產(chǎn)和地方防災常常需要逐日的分析和預測。另外，有的研究選取自動站沒有限制海拔高度，也未分析海拔高度對沿海風的影響。業(yè)務實踐和以往研究表明，福州市南部到莆田沿海風力明顯大于其以北地區(qū)，需要較細致地分析南北海域的區(qū)別。本文運用更精細、更具代表性的資料，旨在更細致地分析福建中北部沿海風的分布特征，為當?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)和防災減災提供更優(yōu)質(zhì)的氣象服務。

2 研究資料和自動站分區(qū)

收集2013—2019年福州、寧德、平潭、莆田的沿海自動站的逐時最大風(滑動10分鐘平均風速最大值及其對應的風向，業(yè)務上作為平均風)和極大風(滑動3秒鐘平均風速最大值及其對應的風向，業(yè)務上作為陣風)資料，風向分為 16 方位；選取地理位置有代表性、建站時間長、海拔高度低于65m，到報率高的 22個站作為代表站(見圖1)。以北京時08時～次日08時為日界，各站每天24小時最大風和極大風分別選擇其最大值作為該站當天的日最大風和日極大風。需要說明的是，由于各自動站的最小啟動風速不同，許多站點存在非真實的靜風；另外部分自動站出現(xiàn)因儀器觀測錯誤引起的極端大風，雖然我們盡可能過濾這部分極端大風，但難免百密一疏，所以許多自動站風速極端值的可信度和可比性都不大。

圖1 福建中北部沿海自動站分布圖

分析福建中北部沿海各代表站所在位置，結(jié)合自動站地形，將測站所在區(qū)域分為港灣、沿岸(大陸較開闊的海岸附近)、海島、外海(浮標站)四類區(qū)域(見表1)，分別以A、B、C、D代表這四類區(qū)域。

表1 福建中北部沿海代表站與分區(qū)

3 盛行風向特征

3.1 年盛行風向特征

從全部測站最大風的全年各風向概率和風速分布(圖2)可見，全年統(tǒng)計盛行風向以東北風(N～ENE)為主，4個方位概率為56.7%，集中于NNE和NE，這兩個方位分別占20.4%和17.9%，其次為西南風(S～WSW)，東北風的概率約為西南風的3 倍。這和福建省的海岸線走向以及臺灣海峽的地形有很大關系。臺灣海峽呈NNE～SSW走向，所以沿海盛行NNE～NE和SSW～SW方向的風。風速上也是東北風(N～ENE)最大，西南風(S～WSW)次之，但各風向的風速比值遠小于概率比值。

圖2 最大風的年風向頻率(藍線,單位:%)和風速(紅線,單位:m/s)

3.2 盛行風向的月變化

分析全部測站最大風的各月風向概率分布(圖3)表明，1～5月和9～12月的盛行風向都為東北風，集中于NNE和NE，多數(shù)月份最多風向都是NNE；6～8月的盛行風向為西南風。6月和9月都有突變，6月西南風概率和風速明顯增長，轉(zhuǎn)為夏季風，9月東北風概率和風速都迅速增大，轉(zhuǎn)入冬季風；10～12月，NNE和NE兩個方位風向概率均超過50%，其中12月的風速平均值最大，為8.1m/s，所以12月是最具冬季風特征的月份。4月起西南風概率和風速明顯增大，6月兩者都有個跳躍性增長，6～8月西南風概率大于東北風，其中7月西南風概率最大，是同期東北風的1.8倍，7月是最具夏季風特征的月份；但7月、8月東北風速略大于西南風，這可能是由于此期臺風對東北風速貢獻大于西南風速。

圖3 各月最大風的風向頻率(藍線，單位：%)和風速(紅線，單位：m/s)

4 風速特征

時最大風速平均值(圖4)總體呈現(xiàn)南大北小，東大西小的分布。長樂南部到莆田一帶沿海(以下簡稱南部)風力明顯大于福鼎到長樂中部沿海(以下簡稱北部)的風力，這主要是由于福建沿海多數(shù)月份盛行東北風，長樂南部到莆田一帶沿海位于臺灣海峽東北風入口處，加上平潭主島海壇島西側(cè)的海壇海峽，大小兩個海峽的峽管效應使南部風力明顯增幅。北部兩個浮標站大約為9m/s；南部的浮標站平潭氣象要大一些，達10.4m/s；北部A、B、C三類站點的平均值均未達到5級，絕大多數(shù)A、B類站點和靠近大陸的海島站平均最大風速都在6m/s以下(僅過嶼島為6.5m/s)，離大陸較遠的東星站最大風平均值為7.4m/s。相對而言，南部的站點明顯大于北部；南部許多A、B類站點都超過6m/s，B類站松下碼頭達到8.3m/s，平潭島周邊和莆田沿海的許多海島站也都超過5級。東西向比較，相近緯度的北部站點，從港灣、沿岸到海島站，往東風力明顯增大；但是再往東，離大陸較遠的海島到海上浮標站，風力增大不明顯。南部區(qū)域，主要在港灣、沿岸的不同地點風力差別較大，平潭島周邊和莆田沿海的海島站風力和相近緯度的浮標站-平潭氣象相差不大。

圖4 各代表站的小時最大風平均值(右，單位：0.1m/s)、日極大風≥8級(左上)和≥10級(左下)的概率(單位：%)，橫線為南、北部分界線

進一步對比22個代表站小時最大風速的平均值和5個(10%、25%、中位數(shù)、75%、90%)分位值(圖5，因篇幅有限，只畫出12個代表站)，所有代表站的平均值和中位數(shù)均未達到6級；大多數(shù)代表站的中位數(shù)小于平均值，說明這些代表站多數(shù)時次的風速小于平均值。北部地區(qū)2個浮標站(58767、F0001)的平均值和5個分位值都是北部站點中最大的；南部站點的平均值和各分位值都明顯大于北部；南部的浮標站平潭氣象(58951)的平均值、中位數(shù)和10%、25%、75%分位值都比其他站點大，其75%分位值達到7級；但90%分位值最大值出現(xiàn)在莆田秀嶼區(qū)東南部的鸕鶿島(F4325)。

說明：橫坐標為站號，星號為平均值，大方框的上、下邊界分別為75%和25%分位值，上面細方框的上邊界為90%分位值，下面細方框的下邊界為10%分位值，大方框內(nèi)短線為中位值

從日最大風速的各分位值和平均值(圖6)看，大多數(shù)代表站的中位數(shù)小于平均值，說明這些代表站多數(shù)日數(shù)的最大風速小于多年平均值；全部浮標站、南部的部分海島站和個別沿岸站(松下碼頭F1602)的中位數(shù)和平均值達到6級，南部的浮標站、部分海島站和松下碼頭(F1602)90%分位值達到8級。北部地區(qū)2個浮標站(58767、F0001)日最大風速的平均值和5個分位值都是北部站點中最大的，南部站點的平均值和各分位值總體大于北部，浮標站(58951)的平均值、中位數(shù)和10%、25%、75%分位值都比其他站點大，但其90%分位值不及南部少數(shù)海島站。鸕鶿島(F4325)的90%分位值是所有站點中最大的。

圖6 各代表站的日最大風速

從小時極大風速看(圖7)，所有代表站的中位數(shù)小于平均值，北部所有站的中位數(shù)和平均值均小于6級，南部的浮標站和許多海島站的中位數(shù)和平均值達到6級。南部的浮標站和許多海島站的75%和90%分位值分別達到7級和8級，北部的浮標站和較遠的海島站(東星島(F3522)同比要小1級。北部平均值和各分位值的最大值都在外海浮標站(58767、F0001)，南部站點的平均值和各分位值都明顯大于北部，南部10%、25%分位值的最大值在浮標站，而鸕鶿島(F4325)的平均值、中位數(shù)、75%、90%分位值都是所有站點中最大的。

圖7 各代表站的小時極大風速分布

從日極大風速(圖8)看，北部所有站的平均值均小于7級，南部許多站點平均值達到7級，大多數(shù)代表站的中位數(shù)小于平均值，南部許多海島站90%分位值達到9級，北部同比要小1級。北部平均值和各分位值的最大值都在外海浮標站(58767、F0001)，南部許多海島站的平均值和各分位值都超過浮標站(58951)。

圖8 各代表站的日極大風速分布

5 大風日數(shù)分布

5.1 大風日數(shù)的空間分布

日極大風≥8級和≥10級的大風日數(shù)概率也都呈現(xiàn)南大北小的分布(見圖4)，南部沿海的大風日數(shù)概率明顯大于北部沿海。東西向比較，北部地區(qū)≥8級的大風日數(shù)概率外海的浮標站最大，為17%～20%；東星島為16.4%，A類站、B類站和靠近大陸的海島站概率都在12%以內(nèi)；南部沿?！?級的大風日數(shù)明顯多于北部沿海，多數(shù)站點都超過20%，浮標站、多數(shù)海島站超過30%，最大為鸕鶿島的43.3%。而≥10級大風日數(shù)概率，南、北兩個地區(qū)大值區(qū)都不在離大陸最遠的浮標站，而是位于海島站。北部兩個浮標站僅1%左右，南部浮標站平潭氣象也只有1.8%。大值區(qū)出現(xiàn)在莆田東南部的海島，常年盛行的東北風在臺灣海峽和海壇海峽的狹管效應影響下風力明顯增大，最大為鸕鶿島，有6.1%的日數(shù)出現(xiàn)≥10級大風；北部地區(qū)最大為崳山鎮(zhèn)的1.5%，A類站、B類站都在1%以內(nèi)。

5.2 大風日數(shù)的月分布

全部代表站日極大風≥8級和≥10級的大風頻數(shù)月分布(圖9)都呈雙峰型分布，4～6月都是低谷階段，其中5月都是最小月份；不同的是，≥8級大風頻數(shù)的高值階段處于10～2月，其中12月最大，10月次之；≥10級大風頻數(shù)的高值階段在下半年，9月最大，7月其次。

(a) (b)

圖10為各代表站各月日極大風≥8級和≥10級的大風日數(shù)概率的簡易柱狀圖，圖中橫坐標均為月份。南部全部代表站、北部C類站、D類站和部分A類、B類站全年都有≥8級大風，這些站10月～次年2月多數(shù)比春、夏季有更高的概率；北部A類站和部分B類站≥8級的大風主要集中在夏季。多數(shù)站≥10級大風集中于7～10月；部分C類站多數(shù)月份都有≥10級大風，但北部C類站冬半年出現(xiàn)≥10級大風概率也小于7～10月，南部部分C類站冬季≥10級大風概率比7～10月更高，冷空氣易在此處產(chǎn)生猛烈大風，單月≥10級頻數(shù)最高的是12月鸕鶿島，有20%日數(shù)出現(xiàn)≥10級大風。

圖10 各代表站各月日極大風≥8級和≥10級的大風日數(shù)概率

6 結(jié)論

①福建中北部沿海全年統(tǒng)計盛行風向以東北風為主，其次為西南風。風速上也是東北風最大，西南風次之，但各風向的風速比值遠小于概率比值。6～8月的盛行風向為西南風，其余月份都為東北風。

②風速的南北向?qū)Ρ?，時最大風速、日最大風速、時極大風速、日極大風速的平均值和5個分位值全部呈現(xiàn)南大北小的分布特征，長樂南部到莆田一帶沿海的風力明顯大于福鼎到長樂中部沿海的風力。東西向?qū)Ρ?，北部沿海的上述風速特征值都呈現(xiàn)東大西小的分布。南部沿海時最大風速、日最大風速的多數(shù)特征值也呈現(xiàn)東大西小的分布，但90%分位值少數(shù)海島站大于浮標站；小時極大風速、日極大風速依次有更多特征值海島站大于浮標站。

③日極大風≥8級和≥10級的大風日數(shù)概率也都呈現(xiàn)南大北小的分布；東西向比較，北部地區(qū)≥8級的大風日數(shù)外海的浮標站最多，南部少數(shù)海島站≥8級的大風日數(shù)多于浮標站；≥10級大風日數(shù)概率，南、北兩個地區(qū)大值區(qū)都在海島站。

④日極大風≥8級和≥10級的大風頻數(shù)都呈雙峰型分布，4～6月都是低谷階段；≥8級大風多發(fā)于10月～次年2月，其中12月最多，10月次之；≥10級大風主要在下半年，9月最多，7月次之。南部全部代表站、北部C類站、D類站和部分B類站全年都有≥8級大風，10月～次年2月的頻數(shù)比春、夏季更大；北部A類站和部分B類≥8級的大風主要集中在夏季。多數(shù)站≥10級大風集中于7～10月；部分C類站多數(shù)月份都有≥10級大風，但北部C類站冬半年的頻數(shù)也小于7～10月，南部部分C類站冬季頻數(shù)比7～10月更大。