青島沿海地區(qū)大風特征及其預警評估

郭麗娜，馬艷，于慧珍

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.青島市氣象局,山東 青島 266003；3.青島市氣象災害防御工程技術研究中心，山東 青島 266003)

引言

海上大風不僅威脅海面航行船舶、海岸帶港口設施，而且危及海岸帶城鄉(xiāng)人民生命財產(chǎn)的安全。劉學萍[1]分析發(fā)現(xiàn)，大風、海霧是造成重大海難事故的主要氣象要素，其中大風影響次數(shù)最多，占62%。作為北方重要的沿海城市，青島全市冬、春兩季的偏北大風主要由強冷空氣和寒潮爆發(fā)所造成，夏、秋兩季的偏南大風則主要由熱帶氣旋和溫帶氣旋的影響造成。青島市區(qū)毗鄰大海，受來自海上和陸地兩個方面天氣系統(tǒng)的影響，大風日數(shù)明顯多于其他各區(qū)市，年平均為40.1 d，最多的年份達76 d，最少的年份為16 d[2-3]。大風對船舶引航、港區(qū)作業(yè)、航線、集裝箱航運、海上養(yǎng)殖等青島海洋經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)安全高效運轉(zhuǎn)影響很大。

氣象部門發(fā)布的大風預警信息是在整合應用多項預報技術和氣象產(chǎn)品的基礎上，細化氣象災害落區(qū)、強度、開始和結(jié)束時間的具體體現(xiàn)。近年來我國氣象工作者開展了一系列海上大風預報技術方法的研究和應用[4-13]。在大風天氣成因方面，呂愛民等[14]分析表明中國近海的大風天氣型分別為冷空氣型、溫帶氣旋型和熱帶氣旋型3種類型。尹盡勇等[15]指出溫帶氣旋的爆發(fā)性發(fā)展是2010年4月27日萊州灣大風的主要成因。較強冷空氣與地面氣旋相互影響造成大的氣壓梯度是造成2012年黃渤海一次強風天氣的直接原因[16]。在數(shù)值模式研究和應用方面，榮艷敏等[17]基于中尺度數(shù)值模式WRF_RUC的預報產(chǎn)品，采用逐步回歸的MOS方法對山東12個精細化海區(qū)的大風進行預報，結(jié)果表明MOS預報方法對6級以上日最大風速有很好的預報能力。申華羽等[18]指出ECMWF細網(wǎng)格10 m風預報對冷空氣大風過程預報效果最好，對低壓倒槽大風預報準確率最差。在應用服務方面，黨英娜等[19]給出了數(shù)值模式產(chǎn)品和對應航線站點的定量誤差規(guī)律以及最佳訂正方式。羅紅梅等[20]開展了湖南水上交通主要航道氣象災害風險研究，發(fā)現(xiàn)了不同級別大風分布的空間特征，為水上交通精準氣象服務提供支撐。陳有利等[21]則將訂正后的中尺度數(shù)值模式風預報產(chǎn)品應用于寧波-舟山港氣象保障中。

大風災害預警服務也是青島氣象服務鏈條的關鍵一環(huán)。目前青島建設的8個海島站、22個距離海岸線20～35 km內(nèi)岸基站的監(jiān)測數(shù)據(jù)是發(fā)布沿海地區(qū)和近海海域預警和評估預警的主要支撐。因此，本文整理分析了2007—2019年青島近海海域及沿岸地區(qū)大風天氣過程以及相應的地面觀測資料，結(jié)合青島市氣象臺2015—2019年發(fā)布的各種級別的大風預警信號，開展青島沿海地區(qū)大風特征研究以及預警信息有效性的檢驗評估，為進一步提升青島海上大風的監(jiān)測、預報和預警能力，開展分區(qū)、分時段的大風預警服務提供支撐。

1 資料和方法

該研究所采用的資料主要包括兩部分。第一部分是2015—2019年青島市8個海島站、22個岸基站和7個國家級地面氣象觀測站(以下簡稱“國家站”)整點2 min風速數(shù)據(jù)，以及同期青島市氣象臺發(fā)布的大風預警信號。根據(jù)站點的性質(zhì)以及距離海岸線的距離將站點分為海島站(田橫島、大管島、朝連島、長門巖、大公島、竹岔島、靈山島，靈山島北)、岸基站1(膠州營海、紅島休閑漁村、羅家營、巨峰索道、嶗山太清、流清河、沙子口、氣象度假村、奧帆基地、太平角、第一海水浴場)、分布在膠州灣四周的岸基站2(濮縣路小學、第34中學、湖島小學、大港碼頭、紅石崖、黃島輪渡、前灣港碼頭)、在黃島沿海的岸基站3(大澗山、金沙灘、魚鳴嘴、瑯琊鎮(zhèn)、董家口、泊里)以及國家站(青島、嶗山、黃島、膠州、即墨、平度、萊西)。站點信息如圖1所示?；谶@部分資料，分析青島沿海地區(qū)大風特征，檢驗評估青島市氣象臺在沿海地區(qū)大風預警的有效性。

圖1 青島氣象觀測站點分布Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in Qingdao

圖2 沿海自動氣象站出現(xiàn)6級及以上大風的季節(jié)百分率Fig.2 Seasonal percentage of force 6 wind and above at offshore automatic meteorological stations

第二部分資料是2007—2019年14個監(jiān)測站點(青島、嶗山、膠南、膠州、即墨、平度、萊西、靈山島、竹岔島、大公島、大管島、田橫島、長門巖、朝連島)逐小時大風觀測數(shù)據(jù)和歐洲中期天氣預報中心0.25°×0.25°逐日ERA5海平面氣壓場。利用這部分數(shù)據(jù)通過天氣分型開展青島大風環(huán)流特征分析。為了保證大風天氣分型的客觀性，首先進行大風日篩查。若一天內(nèi)有超過4個站(約占總站數(shù)的30%)出現(xiàn)6級以上(風速≥10.8 m·s-1)的大風則定義為一個大風日。如果有超過4個站出現(xiàn)8級以上(風速≥17.2 m·s-1)的大風則定義為一個強大風日。根據(jù)大風日的定義，對篩選出的466個非臺風影響大風日和28個臺風影響日，利用ERA5海平面氣壓場，通過環(huán)流分型的旋轉(zhuǎn)T模態(tài)主成分分析方法[22]進行大風環(huán)流特征分析。

2 青島沿海地區(qū)大風特征

2.1 大風時空分布特征

2015—2019年青島沿海地區(qū)年平均出現(xiàn)大風166次。大風主要出現(xiàn)在冬、春兩季，其出現(xiàn)大風的次數(shù)占全年大風次數(shù)的60.3%，其次是秋季，夏季最少。由站點分布范圍來看，如圖2和表1所示，海島站一年四季均是容易受到大風影響的站點，其全年出現(xiàn)大風次數(shù)在所有站點中占比為82.9%。岸基站夏季出現(xiàn)大風129次，高于冬季(109次)和秋季(93次)的大風頻次，而海島站夏季大風次數(shù)(353次)則明顯低于冬季(776次)和夏季(570次)。這一定程度反映了沿海城市由于海陸下墊面熱力差異，海風鋒、海岸輻合線等系統(tǒng)易觸發(fā)沿岸地區(qū)夏季雷暴大風的特點。長門巖、朝連島、靈山島北、大公島、田橫島、靈山島和大管島7個海島站出現(xiàn)6級及以上大風的頻次高達511次·a-1·站-1；岸基站1的大風頻次達到130.5次·a-1·站-1，其出現(xiàn)較多的大風可能與這些站點多分布在青島西南—東北方向的海岸線上有關。環(huán)膠州灣附近的岸基站2的大風頻次僅為5次·a-1·站-1，不易受到大風的影響。岸基站3出現(xiàn)大風的頻次為60次·a-1·站-1，其中大澗山除夏季外都較易出現(xiàn)大風天氣，位于黃島積米崖的水廠站全年都沒有出現(xiàn)大風天氣。在國家站中，距離海岸線較近的膠州和嶗山出現(xiàn)6級及以上大風較多，除黃島僅有一次6級及以上大風出現(xiàn)在夏季外，其余5個站點(青島、嶗山、膠州、即墨、萊西)6級及以上大風均在春季出現(xiàn)最多。

表1 2015—2019年海島站、岸基站和國家站6級及以上大風的季節(jié)統(tǒng)計

青島屬溫帶季風氣候，冬季盛行西北風，夏季盛行東南風。除岸基站太平角夏季的南大風出現(xiàn)頻次高于冬季的北大風外，其他站點無論是海島站還是岸基站均是冬季的北大風多于夏季的南大風。統(tǒng)計分析海島站和岸基站的整點2 min風速極值分布(圖略)，發(fā)現(xiàn)54.5%的大風過程中整點2 min風速最大值是海島站比岸基站大(風速最大相差20.8 m·s-1)，有45.5%的過程是海島站比岸基站小(風速最大相差9.5 m·s-1)，特別是岸基站1其風速極值較大，且季節(jié)差別不大。

圖3 7種類型(a—g依次為客觀分型的第一類至第七類)大風日海平面氣壓場(色階，單位：hPa)的合成分析分布(圖上面左側(cè)數(shù)字代表此類大風的總?cè)諗?shù)，單位：d，括號里是此類大風占總大風日數(shù)的百分比；右側(cè)數(shù)字代表強大風日數(shù)，單位：d，括號里是占此類大風日數(shù)的百分比)Fig.3 Synthetic analysis of seal-level presure (color scale, units: hPa) for 7 patterns (a-g represents 7 patterns of circulation in order; in Fig.3a, 142 is the total days of the type of gale, the units of 142 is d, 28.7% is the percent of the type in total days of gale, 1 is the days of strong gale, the units of 1 is d, 0.7% is the percent of the days of strong gale in the days of the type of gale, and so are the other figures)

2.2 大風環(huán)流特征分析

2007—2019年總計有大風日494 d，年平均大風日為38 d，占總?cè)諗?shù)的10.4%，其中強大風日為10 d，占總大風日的2.0%。通過對大風日期間的逐日海平面氣壓場進行分型，發(fā)現(xiàn)造成青島大風天氣的環(huán)流型分別有冷高壓型、低壓槽型、溫帶氣旋型和臺風型，客觀分為7種類型，如圖3所示。

2.2.1 冷高壓型

冷高壓型是出現(xiàn)頻率最高的大風型，約占總大風日的58.9%，對應客觀分型的第一類和第二類，兩類主要區(qū)別是冷高壓中心的位置以及冷高壓前部低壓的強度(圖3a、b)。第一類大風高壓中心位于蒙古，第二類位于內(nèi)蒙古，青島位于冷高壓的西南象限，風場為偏北風。第一類大風日數(shù)為142 d，占總大風日的28.7%，其中強大風日1 d，占此類大風的0.7%。第二類大風日數(shù)為149 d，占總大風日的30.2%，其中強大風日4 d，占此類大風的2.7%。第二類強大風日出現(xiàn)的概率是第一類大風的4倍，一方面與高壓的位置有關，另一方面與海上低壓的強度有關。當冷高壓前有氣旋或者低壓時，氣旋或低壓與高壓形成北高南低或西高東低的地面氣壓形勢，這種形勢下強大風出現(xiàn)的概率增加。冷高壓型大風主要出現(xiàn)在冬季(125個大風日)，其次是春季(90個大風日)和秋季(69個大風日)，夏季最少(7個大風日)(圖4)。

2.2.2 低壓槽型

低壓槽型大風約占總大風的25.5%，對應客觀分型的第三類和第四類，兩類主要區(qū)別是低壓中心和低壓槽的位置(圖3c、d)。第三類低壓槽是東北—西南向，第四類低壓槽更接近南北向。第三類大風日數(shù)為87 d，占總大風日的17.6%，其中強大風日1 d，占此類大風的1.1%。第四類大風日數(shù)為39 d，占總大風日的7.9%，其中強大風日1 d，占此類大風的2.6%。第四類強大風概率比第三類大的原因是第四類大風海上高壓強度較強，與低壓槽之間形成西低東高的環(huán)流形勢。

低壓槽型大風主要影響系統(tǒng)是與東北氣旋相聯(lián)系的低壓系統(tǒng)，多為蒙古氣旋移動到東北平原后改稱。當蒙古氣旋東移時，常造成青島的西南大風。這兩種氣旋是造成青島偏南大風的重要天氣系統(tǒng)，一年四季都有發(fā)生。低壓槽型大風主要出現(xiàn)在春季(73個大風日)，其次是夏季(25個大風日)、冬季(16個大風日)，最少的在秋季(12個大風日)。當我國東部沿海有變性高壓入海時，它與上述兩類氣旋形成南高北低的偏南大風形勢。

2.2.3 溫帶氣旋型

溫帶氣旋型大風約占總大風的10%，對應客觀分型的第五類和第六類，這兩類的主要區(qū)別是在氣旋中心位置上(圖3e、f)。第五類氣旋中心位于渤海上，第六類氣旋中心位于山東與江蘇交界處。第五類大風日數(shù)為25 d，占總大風日的5.1%，其中強大風日1 d，占此類大風的4.0%。第六類大風日數(shù)為24 d，占總大風日的4.9%，其中強大風日1 d，占此類大風的4.2%。

第五類大風型對應黃河氣旋，第六類大風型對應南方氣旋。第五類氣旋型大風主要出現(xiàn)在春季(13個大風日)，其次是冬季(6個大風日)，最少為夏季和秋季(各3個大風日)。第六類氣旋型大風主要出現(xiàn)在夏季(13個大風日)，其次是春季(5個大風日)、秋季(4個大風日)，最少為冬季(2個大風日)。上述氣旋在東移時常引起青島大風。氣旋入海前，青島為東—東南風；氣旋入海后，其后部的冷高壓南下，形成北高南低的形勢，青島出現(xiàn)偏北大風。

2.2.4 臺風型

臺風型大風日數(shù)為11 d，占總大風日的2.2%，其中強大風日1 d，占此類大風的9.1%(圖3g)。臺風型大風主要出現(xiàn)在夏季(9個大風日)，其次是秋季(2個大風日)，冬季和春季沒有此類大風影響。

總的來看，冷高壓型冬季大風最多，低壓槽型春季大風最多，溫帶氣旋型春、夏季大風最多，秋、冬季大風頻率相當，臺風型大風只出現(xiàn)在夏季和秋季。

3 大風預警檢驗評估

通過分析2015—2019年青島市大風預警信號期間8個海島站和22個岸基站6級及以上大風特征，檢驗評估氣象部門在沿海地區(qū)大風預警服務效果。若1次預警信號期間出現(xiàn)6級及以上大風時次≥1，則記為達到預警1次。

2015—2019年共5 a期間，青島市氣象臺共發(fā)布大風預警信號202次(表2)，年平均預警41次，最多46次(2017、2019年), 最少33次(2015年)，預警北大風占比為68.0%。由預警信號影響范圍來看，發(fā)布影響內(nèi)陸地區(qū)的大風預警只占3.9%，沿海地區(qū)占17.2%， 近海海域為100.0%。

由預警大風過程來看，單次過程中最多有21個站(70.0%)出現(xiàn)6級及以上風，其中有8次過程有一半以上站點出現(xiàn)，最少2站(6.7%)。在202次大風預警信號期間，海島站均出現(xiàn)了6級及以上風，但有11次過程(5.4%)所有22個岸基站都沒有出現(xiàn)6級及以上風。

表2 大風預警信號期間海島站和岸基站6級及以上風統(tǒng)計

由預警站點來看，沿海站點(包括海島站和岸基站)大風預警準確率平均為30.6%。超過平均百分率的站點共有9個，分別是朝連島(92.9%)、長門巖(91.1%)、紅島休閑漁村(89.1%)、田橫島(83.7%)、靈山島北(81.4%)、大澗山(77.2%)、靈山島(70.7%)、大公島(66.2%)和膠州營海(49.5%)。以岸基站為代表的沿海地區(qū)大風預警信號空發(fā)率較高，服務效果不好。

具體來看，除竹岔島和大管島外，海島站(田橫島、長門巖、大公島、朝連島、靈山島北、靈山島)都對大風有比較好的預警響應(平均預警準確率81.0%)。岸基站1較易受到大風的影響(平均預警準確率16.6%)，其中膠州營海、羅家營、奧帆基地、太平角的實況監(jiān)測可用于參考發(fā)布大風預警。岸基站2不易受到大風的影響，預警準確率只有8.0%，岸基站3對大風的平均預警準確率為21.4%，其中超過平均值的站點大澗山可作為參考站。

圖5 沿海站首次達到6級及以上大風比預警開始的延遲時間和末次達到6級及以上大風比預警結(jié)束的提前時間Fig.5 Lag/Lead time of the first/last observed force 6 wind and above compared with early warning announcing/terminating time at island stations and shore-based stations

結(jié)合觀測站點大風實況以及站點對大風預警信息的響應程度，青島市可作為實況預警參考站點信息是海島站中的田橫島、長門巖、朝連島、靈山島，岸基站中可參考膠州營海、紅島休閑漁村、羅家營、奧帆基地和大澗山的實況來提供大風預警服務。

分析青島市大風預警信號發(fā)布和解除時間特征，以反映氣象預警服務效果。如表2和圖5所示，各站點首次出現(xiàn)6級及以上風時間比預警開始時間平均推后12.1 h，其中氣象度假村在連續(xù)4 d發(fā)布預警信號后才出現(xiàn)大風實況，紅島休閑漁村推后最少，為5.8 h，反映了大風預警提前量。各站點末次出現(xiàn)6級及以上風時間比預警結(jié)束時間平均提前了20.8 h，其中前灣港碼頭提前最多，為56.5 h，長門巖提前最少，為11.9 h。這對氣象部門科學研判大風影響時間，及時解除預警，滿足不同需求的靶向預警服務提出了更高要求。

對比每次預警信號期間海島站和岸基站整點2 min風速首次達到6級及以上大風的時間，海島站比岸基站平均早1.6 h，最多早35 h，最多晚7 h；有38.6%的預警信號過程中，海島站起風時間早于岸基站，有19.3%的過程中海島站遲于岸基站，36.6%二者同時出現(xiàn)6級及以上大風。同樣分析大風最晚結(jié)束時間，即海島站和岸基站末次達到6級及以上大風的時間，海島站比岸基站平均遲4.7 h，最多遲80 h，最多早26 h；有66.8%的預警信號過程中，海島站大風結(jié)束時間比岸基站晚，有18.8%的過程中海島站早于岸基站，還有8.9%的過程中二者末次6級及以上大風同時結(jié)束。

4 結(jié)論和討論

(1)青島大風主要出現(xiàn)在冬、春季，其次是秋季，夏季最少，冬季的北大風多于夏季的南大風。海島站一年四季均容易受到大風影響，環(huán)膠州灣地區(qū)全年不易受到大風的影響。造成青島大風的環(huán)流型主要由冷高壓型、低壓槽型、溫帶氣旋型和臺風型組成；冷高壓型以冬季大風為主，低壓槽型以春季大風為主，溫帶氣旋型是以春、夏季大風為主，臺風型大風只出現(xiàn)在夏、秋兩季。

(2)2015—2019 年青島年平均大風預警41次，其中北大風預警占比為68.0%，海島站平均預警準確率為81.0%，岸基站為18.0%，所有站平均預警準確率為30.6%。通過評估，建議采用海島站中的田橫島、長門巖、朝連島、靈山島以及岸基站中的膠州營海、紅島休閑漁村、羅家營、奧帆基地和大澗山作為青島市大風預警的實況參考站點。

(3)沿海各站點風速響應預警發(fā)布開始時間平均推后了12.1 h，反映了預警提前量；而響應預警結(jié)束時間平均提早了20.8 h，反映了解除預警的滯后性問題。

(4)對于大風預警發(fā)布后起風和結(jié)束時間，青島海島站和岸基站具有不同的滯后性特點，在開展大風預警服務時應統(tǒng)籌考慮海島站和岸基站大風實況和預報信息。

當大風氣象災害預警信號發(fā)布后，面對生產(chǎn)企業(yè)追求經(jīng)濟效益、管理部門要確保安全的兩全要求，氣象部門應著力在大風災害高影響行業(yè)和高風險地區(qū)預警優(yōu)先發(fā)布、靶向預警解除等方面加強技術支撐，提高服務水平，以有效支撐各涉海企業(yè)精準施策，做到安全和效益雙贏。而對于地方政府和有關部門、相關行業(yè)建立或完善針對大風災害的應急預案，做到防范措施具體、分類分級應對也是十分迫切。