李宏江，吳志彥，王佳明，呂守敏，李旭杰

（威海市氣象臺，山東威海 264200）

1 引言

山東半島位于我國北方海岸線的中偏南段，北與遼東半島形成環(huán)抱渤海之勢，突出在黃海之中，是中國北方延伸向太平洋的前緣。由于特殊的地理環(huán)境，半島沿海一年四季都易產生大風天氣，尤其在冬季容易出現(xiàn)偏北大風，而春季則易出現(xiàn)偏南大風，呈明顯的季節(jié)變化。以位于半島東端的成山頭為例，1981—2010年30 a間，日最大風速大于17.0 m/s的日數(shù)達到986 d，位于半島北部的威海日最大風速大于12.0 m/s的日數(shù)達到2266 d；進一步統(tǒng)計表明，各方位都有大風出現(xiàn)（見圖1）。對1980—1999年渤海和北黃海大風的統(tǒng)計分析表明[1]，冬季主要以偏北方向為主，在過渡季節(jié)既有偏北大風也有偏南大風的出現(xiàn)。當渤海海峽的大風到達山東半島的成山頭，受陸地的抬升作用產生垂直上升運動，風速再次加大；冬季渤海低空特殊的淺對流，對大風加強起了促進作用。對2010—2012年山東沿海海區(qū)逐時最大風統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，山東東部海區(qū)平均風速最大，大風日數(shù)和大風的持續(xù)時間和強度都為全省最高[2]。2001—2010年山東沿海偏北大風的統(tǒng)計分析表明，冬季、秋季和春季偏北大風次數(shù)多、風力大，偏北大風的持續(xù)時間較長，有時持續(xù)一天，最多可達7 d[3]。

圖1 1981—2010年威海和成山頭各方位最大風速（藍）和風向頻率（紅）玫瑰圖

渤海海峽大風的強危害性和頻發(fā)性對周邊地區(qū)人民的生命財產和海上航運造成了極大的影響。威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線氣象保障也是相關省市日常預報服務的重要項目。近年來，隨著航線氣象服務的深入開展，以及沿海觀測資料進一步豐富，渤海海峽航線大風的預報經驗逐漸積累，航線風的一些觀測事實和變化規(guī)律也被揭示。對煙臺、大連沿海幾個臺站的測風資料的分析表明，渤海海峽以偏北風和偏南風較大，偏東風和偏西風較小[4]，大風日數(shù)存在逐年減少的變化趨勢，且海島站能較好的代表渤海海峽大風的情況[5]；對煙臺海域海島站和沿岸站的對比分析表明，在不同風向下各海島站對海面大風的代表性不同[6]，由于海島站和沿岸站的風力極值相差較大，綜合應用海島站和沿岸站大風記錄，能更加準確反映渤海海峽大風的氣候特征[7]；海島測站觀測值與模擬值的對比分析指出，若通過海面實測資料與海島測風資料直接的對比分析，求得的訂正效果可能最佳,但是極難得到大風情形下海面實測風資料[8]。衛(wèi)星反演資料也應用到海峽風的對比研究中。對海峽附近QuikSCAT散射計矢量風與浮標站風的對比分析表明，兩者風速大小基本吻合，但風向偏差較大[9]，對1971—2008年大連沿海測站的統(tǒng)計分析表明，該海區(qū)大風呈減少趨勢[10]，大連附近浮標站和內陸測站的個例對比分析表明，最大風速海陸差異都比極大風速海陸差異明顯，最大風速海陸差異最小1級，最大5級，而極大風速只差1級左右[11]。

隨著社會經濟的發(fā)展，對氣象觀測的投入也日漸增多。有別于傳統(tǒng)的沿岸站，眾多自動氣象觀測站紛紛建立，這為沿海大風的觀測提供了更加豐富的資料來源。2009年開始，建立在往返于威海-大連航線的客輪“生生-1”號上的自動氣象站，更是對渤海海峽氣象觀測資料的進一步豐富。

采用航線附近沿岸站、海島站和船舶站測風資料，尤其通過對海島站、船舶站資料進行檢查、去噪、去誤、優(yōu)選、整理和預處理，對海島站、船舶站、沿岸站測風資料進行對比、統(tǒng)計，分析海島站、沿岸站在海上航線大風特征方面不同程度的代表性，對海上航線服務具有重要意義。

2 資料簡介及預處理

2.1 資料簡介

目前的預報業(yè)務中，按照魯氣辦發(fā)[2010]45號《關于開展海洋氣象預報業(yè)務質量評定試運行的通知》的要求，將劉公島作為威海-大連航線風預報的參考站點，而在以往的預報經驗中，又往往以成山頭作為海上風預報的參考站點。因此本文對航線風的研究，將劉公島、成山頭的測風資料同時納入研究范圍，這不僅是對以往經驗的再次考證，也是對沿岸站、海島站測風資料對航線風不同代表性的對比研究。

圖2 2011年12月“生生-1”號船舶站觀測記錄

本文選取2011年1—12月劉公島、成山頭、威海-大連航線“生生-1”船舶站（以下稱船舶站）測風資料進行對比分析。船舶站使用江蘇無線電科學研究所的ZQZ-A自動站，該站建立于2009年，2011年6月后，觀測時間加密為10 min，本文采用的要素包括：最大風、極大風、2 min平均風。以2011年12月為例，觀測數(shù)據(jù)樣本量為3237個，數(shù)據(jù)點分布如圖2。劉公島采用華云CAWS600B自動站，測風資料包含逐時最大風向風速、極大風向、風速。成山頭國家基本站測風資料包含逐時最大、極大風、2 min平均風。以上測風資料均符合《地面氣象觀測規(guī)范》要求，風向采用360°方位表示，風速以m/s為單位，保留一位小數(shù)。

2.2 資料預處理及計算方法

船舶站測風資料已經去除船風因素。首先對船舶站資料進行普查、去誤和優(yōu)選。具體方案如下：

（1）對船舶站資料的普查表明：氣象條件允許的情況下，觀測船只大致航行時間：9:00大連—18:00威海；21:00威?！稳?:00大連。當船只進/出港時，處于減速/加速狀態(tài)，航速一般較低，且此時船舶站位于海灣內，相較海島站或沿岸站不具備代表性；而當船只航行于海面時，航速趨于穩(wěn)定，約為7—8 m/s。因此設置臨界航速=6.5 m/s，當航速≥6.5 m/s時，認為船只位于航線上，此時的觀測記錄為航線觀測記錄；

（2）去誤和優(yōu)選。普查表明，船舶站測風記錄偶有缺失或不齊。本文在對船舶站數(shù)據(jù)進行普查的基礎上再進行去誤和優(yōu)選。一些時次記錄的最大風、極大風和平均風記錄三者缺一或缺二，一些時次只記錄了經緯度、航向航速等而無測風記錄，本文將這些時次的記錄予以舍棄。普查還表明，一些時次的風記錄風向為180°，風速為0，且這一記錄與同時次的其他測風數(shù)據(jù)對比偏差都較大；從出現(xiàn)頻率看，例如2011年5月，745個時次每個時次5組（包含2 min平均風、10 min平均風、最大風、瞬時風、極大風）共3275個測風記錄，存在14個測風記錄將風向和風速分別記為180°和0。本文認為這些記錄不可靠，予以舍棄；

（3）對時間分辨率進行調整。由于成山頭和劉公島測風資料的時間分辨率為1 h，因此相應地，將船舶站逐10 min測風資料處理為逐時資料。具體方法為：對最大風和極大風，分別選取每小時6個測值中的最大的風速及其對應的風向為逐時最大風和極大風；對平均風，與成山頭平均風相對應地，取整點前2 min平均風作為該時次的平均風；

（4）普查表明，研究時段內劉公島、成山頭站均存在缺測情況，這可能是自動站故障、通訊中斷等原因所致，這些個別的缺測情況不影響較長時間序列樣本的連續(xù)性。為方便對比研究，在對船舶站資料進行去誤和優(yōu)選的基礎上，再次舍棄劉公島、成山頭站缺測時船舶站的同時次資料。

因此，經以上處理得到的測風資料，不僅排除了所涉測站的缺測情況，也排除了船舶站測風資料不具備航線代表性的情況，即同時保證劉公島、成山頭、船舶站這3個測站參與對比研究的測風資料真實并且有效。

3 船舶站風資料分析

基于以上預處理，得到2011年1—12月船舶站逐時風（包含平均風、最大風、極大風），逐月樣本量如圖3所示。就樣本量而言，1月最少，這是由于船舶站在1月19日前觀測數(shù)據(jù)缺失所致。其余月份樣本量均在300—400左右，其中7月份最多，為458個。由于篇幅的限制，同時考慮樣本量和季節(jié)因素，選擇4月、7月、10月、12月的最大風分別代表春、夏、秋、冬四個季節(jié)，考察各季節(jié)風向、風速和主導風向的變化規(guī)律。各月風玫瑰圖如圖4所示。

圖3 船舶站2011年各月逐時最大風樣本量

從圖4可見，各季節(jié)的主導風向各不相同。春季以西南風最多，其次為西北風；風力以4—5級為主，偏南風、偏西風和西北風均有出現(xiàn)6—7級風力，反映了春季作為過渡季節(jié)南北大風交替出現(xiàn)的特點。夏季各風向的頻率差別較春季小得多，但以偏南風和東南風最多；風力以4—5級為最多，3級以下風頻率較春季明顯增多，6—7級風主要出現(xiàn)在東南-南風-偏西風方向。秋季以偏南風-偏西風-西北風為主，其中以偏西和西北風最多；風力以4—5級為主，6—7級風主要出現(xiàn)在偏西風附近。冬季則以西北風為主導風向，且6—7級大風的出現(xiàn)頻率較另外3個季節(jié)明顯增多。綜觀以上分析，發(fā)現(xiàn)船舶站主導風向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律，且與季節(jié)特征相符；風力以4—5級為主，夏季3級以下風頻率最多，秋冬季6—7級大風明顯增多。

圖4 2011年船舶站最大風玫瑰圖

4 觀測資料對比

上一節(jié)的分析表明，船舶站作為渤海海峽航線海上風的代表，其變化規(guī)律與季節(jié)特征相符。那么船舶站測風數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)沿岸站、海島站對比，有何異同？本節(jié)從風向和風速兩個方面進行分析。為了更清晰地了解所涉測風資料的偏差程度，分別計算了各月逐時風速的平均偏差、絕對偏差和均方差偏差。計算結果表明風速、風向的均方差偏差分布與絕對偏差相似，因此本節(jié)將均方差偏差序列圖略去，僅給出平均偏差和絕對偏差序列。

4.1 風向對比

首先對3個測站的風向偏差進行對比。偏差取同時次船舶站風向角度減去劉公島/成山頭風向角度。偏差正值表示順時針偏差，負值表示逆時針偏差。對以上結果進行偏差控制，偏差絕對值≤180°[12]。例如當風向在北風附近時，若船舶站為350°，劉公島為5°，則偏差取-15°而非345°。

2011年逐月船舶站和成山頭平均風向、最大風向、極大風向的對比統(tǒng)計結果如圖5。可見除了樣本量最小的1月份，其余各月的平均偏差都在20°以下，可以認為船舶站和成山頭的風向偏差不大。無論平均風、最大風還是極大風，在1—6月，風向平均偏差為負值，即船舶站風向較成山頭有逆時針偏差；在8—12月平均偏差均為正值，表示船舶站風向較成山頭有順時針偏差。從絕對偏差看，偏差值12月最小，2月最大。均方差偏差12月最小，3月最大。綜合以上分析可知，船舶站和成山頭的風向平均偏差不大；12月的偏差最小，即在12月，成山頭的風向與船舶站最接近，用成山頭的風向代表海上航線風向是可行的。

圖5 船舶站和成山頭逐月風向偏差

圖6 船舶站和劉公島逐月風向偏差

船舶站和劉公島的風向偏差分析如圖6所示。最大風和極大風的平均偏差在3、4月份最小，且在4—12月，風向偏差均為正值，表示船舶站較劉公島有順時針偏差；從偏差值看，除1月份外，其余各月份絕大部分情況偏差都在20°以內，10月份偏差雖然略大一些，但也僅為28°左右。絕對偏差在12月最小。綜合以上分析可見，船舶站和劉公島的風向平均偏差不大，尤其在春季，兩者風向偏差最小。

以上結果表明，除了樣本量較小的1月份，其余11個月船舶站和成山頭/劉公島的風向平均偏差大多都在20°以下。在1—6月，船舶站風向較成山頭有逆時針偏差，在8—12月則為順時針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時針偏差。12月成山頭的風向與船舶站更接近，可用成山頭的風向代表海上航線風向；而劉公島與船舶站的風向偏差在4月最小?？梢娫诓煌募竟?jié)，海島站和沿岸站對航線風的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風向更接近。

4.2 風速對比

首先考察船舶站和成山頭/劉公島的逐月風速序列的相關性，取置信度α=0.01，對各月相關系數(shù)作檢驗，如表1所示。結果表明，船舶站和成山頭的平均風除了1月、3月、10月、12月之外均顯著相關，最大風和極大風除了1月和3月外均顯著相關；船舶站和劉公島的最大風在4—12月顯著相關，極大風除了1月和3月均顯著相關。

船舶站和成山頭的風速偏差如圖7所示。從圖7a可以看出，平均偏差除了4月的最大風速偏差為負外，其它均為正值。平均風速偏差在0.15 m/s（9月）—6.5 m/s（1月）之間，最大風速偏差在-0.57（4月）—5.32（2月）之間，極大風偏差在0.61 m/s（4月）—6.37 m/s（2月）之間，平均偏差值1月、2月最大，4—9月相對較?。?—12月的偏差值大多在2 m/s以下。從4—12月的偏差對比看，極大風速的偏差較平均風速和最大風速偏差大1 m/s左右，即船舶站風速往往大于成山頭，且極大風速較成山頭偏差更大。從絕對偏差看依舊是1月和2月最大，極大風速偏差較平均風速、最大風速偏差大，1—3月偏大1—2 m/s，4—12月偏大1 m/s以下；相對最小值出現(xiàn)在7月份。

船舶站和劉公島的風速對比如圖8所示。平均偏差除了4月和6月的最大風偏差外均為正值，最大風速偏差在-0.18（4月）—6.67（1月）之間，極大風速偏差在1.19 m/s（4月）—7.62 m/s（2月）之間。4—12月的極大風速偏差較最大風速偏差大，相對而言，4—9月偏差較小，冬季（12、1、2月）偏差較大。絕對偏差最小值出現(xiàn)在6、7月份，極大風速偏差大于最大風速。無論平均偏差還是絕對偏差，都是1、2月的偏差最大。

以上對比分析表明，船舶站和成山頭/劉公島風速相關顯著，尤其在4—12月，最大風和極大風顯著相關。船舶站風速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風速偏差大于最大風速偏差。4—12月，船舶站和成山頭的極大風速偏差較平均風速和最大風速偏差大，其中3—12月的平均偏差值大多在2 m/s以下。船舶站和劉公島的極大風速平均偏差在1.19—7.62 m/s之間，2月最大，4月最小；總體而言，成山頭與船舶站的風速差異較劉公島小一些。

表1 船舶站和成山頭和劉公島風速相關系數(shù)（加粗數(shù)值表示通過α=0.01的信度檢驗）

圖7 船舶站和成山頭逐月風速偏差

圖8 船舶站和劉公島逐月風速偏差

5 小結與討論

威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線保障服務一直是專業(yè)氣象服務重點之一。為了分析業(yè)務常用參考站點對航線風的代表性，本文對威海-大連航線“生生-1”號船舶站測風資料進行了普查、優(yōu)選和預處理，首先考察了船舶站測風資料所代表的航線風的變化規(guī)律；然后結合目前海上航線保障服務和現(xiàn)行參考站點，對比統(tǒng)計分析了2011年1—12月船舶站、劉公島、成山頭的風向、風速偏差，以期為海上航線的風預報提供一些參考。本文主要結論如下：

（1）船舶站主導風向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律，且與季節(jié)特征相符。春季主導風向為西南風和西北風，夏季為偏南和東南風、秋季為偏西和西北風，冬季為西北風。風力以4—5級為主，夏季3級以下風頻率最多，秋冬季6—7級大風明顯增多；

（2）除了樣本量較小的1月份，其余11個月船舶站和成山頭/劉公島的風向平均偏差不大，大多都在20°以下。在不同的季節(jié)，海島站和沿岸站對航線風的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風向更接近。在1—6月，船舶站風向較成山頭有逆時針偏差，在8—12月則為順時針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時針偏差；

（3）船舶站和成山頭/劉公島風速相關顯著，尤其在4—12月，最大風和極大風顯著相關。船舶站風速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風速偏差大于最大風速偏差?？傮w而言，成山頭與船舶站的風速差異較劉公島小一些。

由于冬季強冷空氣引起的偏北大風往往造成威海-大連航線停航，強風天氣背景下的船舶站測風資料無法獲取。盡管引進了船載自動站的觀測資料，但受觀測樣本量限制，本文涉及的資料范圍仍然較短。不同測站對航線風代表性的分析，以及航線風在不同天氣背景下的的變化規(guī)律，有賴于收集更為多源的、長時間的海上觀測資料進行進一步對比分析，以及在此基礎上數(shù)值模擬的進一步揭示。

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