鄭麗娜，劉冬冬，何鵬程

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.濟南市氣象局，山東 濟南250102；3.東營市墾利區(qū)氣象局，山東 墾利 257500)

引言

大風(fēng)是山東一年四季最常見的一種災(zāi)害性天氣，不僅能造成農(nóng)作物倒折減產(chǎn)，而且往往給海上運輸、捕撈、內(nèi)河航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖、石油開發(fā)等造成巨大的損失或威脅。干旱的季節(jié)，大風(fēng)常常引起沙塵天氣，地面大量的塵沙被強風(fēng)吹起，給人民的生產(chǎn)、生活造成嚴(yán)重的危害。近幾年，對于大風(fēng)的研究，主要集中在以下幾個方面：一是對災(zāi)害性大風(fēng)天氣的特征研究[1]；二是對由強對流天氣引起的大風(fēng)個例分析[2-6]；三是對災(zāi)害性大風(fēng)天氣的預(yù)報與檢驗方面的研究[7]。針對山東的大風(fēng)天氣過程，曹鋼鋒等[8]利用1971—1980年的大風(fēng)數(shù)據(jù)，總結(jié)出山東的大風(fēng)日數(shù)北部沿海最多，魯南內(nèi)陸最少；春、冬兩季的大風(fēng)日數(shù)最多，夏季最少。楊曉霞等[9]利用2001—2010年的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計了山東沿海的偏北大風(fēng)，歸納了產(chǎn)生偏北大風(fēng)的概念模型。郭俊建和孫莎莎[10]則利用2010—2012年的逐時大風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計了山東沿海的大風(fēng)日數(shù)及其分布。以上的這些研究成果對于認(rèn)識山東大風(fēng)的特點及其形成機理起到了積極作用。隨著新型探測儀器在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，高時間分辨率的大風(fēng)數(shù)據(jù)不斷被獲取，利用這些數(shù)據(jù)可以獲得更精確的分析結(jié)果。本文利用時間尺度精準(zhǔn)到秒的資料，分析近幾年山東大風(fēng)的時空分布特征，對以往山東大風(fēng)的研究給予必要的補充。

異常的大氣環(huán)流是造成災(zāi)害性大風(fēng)的主要原因，而大氣低頻振蕩對異常環(huán)流的形成和維持具有十分重要的作用。已有研究[11]表明，大氣低頻振蕩對東亞的天氣、氣候有重要的影響。在冬季，引起大風(fēng)的寒潮天氣過程往往是強盛的東亞冬季風(fēng)造成的。東亞冬季風(fēng)具有明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征，往往表現(xiàn)為冷空氣的頻發(fā)，導(dǎo)致寒潮天氣南下，給我國大部地區(qū)帶來嚴(yán)重低溫、大風(fēng)、暴雪等災(zāi)害性天氣[12]。丁一匯等[13]研究了東亞寒潮爆發(fā)過程，表明冷空氣主要以準(zhǔn)雙周低頻模態(tài)的形式向南傳播。東亞冬季風(fēng)的強度與我國冬季大部分地區(qū)的氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)，東亞冬季風(fēng)不僅影響華北、長江中下游地區(qū)的冬季氣溫，還會進一步影響到華南、西南地區(qū)。劉櫻等[14]指出30～60 d低頻環(huán)流場上西西伯利亞附近的低頻反氣旋及日本海附近的低頻氣旋是造成華北持續(xù)性異常低溫事件的重要低頻影響因子。目前有關(guān)氣溫、降水等要素的低頻振蕩特征研究得比較多，對于大風(fēng)的低頻振蕩特征研究得相對偏少。因此，本文運用山東122個國家級地面氣象觀測站逐日逐時的大風(fēng)觀測數(shù)據(jù)分析山東大風(fēng)的特征，并探討大氣環(huán)流低頻傳播與大風(fēng)之間的聯(lián)系，從而增進人們對山東大風(fēng)天氣的了解。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用的資料：1)歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-interim再分析資料，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000 hPa到10 hPa共16層，主要是U風(fēng)與V風(fēng)數(shù)據(jù)。2)山東省122個國家級地面氣象觀測站(以下簡稱“122站”)2015年9月—2020年9月逐時風(fēng)場數(shù)據(jù)，資料來源于山東省氣象信息中心。

1.2 方法

按中國氣象局第16號、氣發(fā)〔2005〕109號及氣辦發(fā)〔2010〕19號等文件中有關(guān)大風(fēng)的定義，本文以20時為日界，統(tǒng)計山東122站日內(nèi)滑動10 min平均風(fēng)速最大值與最大瞬時風(fēng)速值(瞬時風(fēng)速指3 s平均風(fēng)速)。一天內(nèi)只要有1站的10 min平均風(fēng)力達(dá)到6級(風(fēng)速v≥10.8 m·s-1)或瞬時風(fēng)力達(dá)到7級(風(fēng)速v≥13.9 m·s-1)以上，定義該站出現(xiàn)大風(fēng)一次，記為1站次。西北風(fēng)—北風(fēng)—東北風(fēng)之間的風(fēng)向定義為偏北風(fēng)，西南風(fēng)—南風(fēng)—東南風(fēng)之間的風(fēng)向定義為偏南風(fēng)。

為了分析不同層次風(fēng)場的低頻特征，對風(fēng)場數(shù)據(jù)進行巴特沃斯帶通濾波器濾波，這種方法在大氣科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。

2 山東大風(fēng)的分布特征

由2015年9月—2020年9月山東省16個地級市年平均大風(fēng)站次分布(圖1)可以看到，大風(fēng)主要出現(xiàn)在山東半島東部，即煙臺北部、威海市轄區(qū)內(nèi)，年頻次在200站次以上，其中威海市轄區(qū)內(nèi)最多可達(dá)355站次；其次大風(fēng)多出現(xiàn)在青島市、濟南市及煙臺市轄區(qū)的南部，年頻次在150～200站次；出現(xiàn)大風(fēng)最少的區(qū)域在魯南，主要在棗莊市，年頻次為39站次。由2016—2019年大風(fēng)累計總站次的年統(tǒng)計(圖2a)可知，2016年累計出現(xiàn)大風(fēng)2 673站次，2017年為2 853站次，2018年為2 942站次，2019年則達(dá)到2 953站次，可見這幾年山東大風(fēng)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。由大風(fēng)各月站次分布(圖2b)來看，3月大風(fēng)出現(xiàn)最多，累計2 088站次，9月最少，為417站次。從季節(jié)上看，春季(3—5月)出現(xiàn)站次最多，平均2 025站次/月，最少的為秋季(9—11月)，平均為815站次/月。

圖1 2015年9月—2020年9月山東16地市大風(fēng)年平均站次(色階，單位：站次)分布Fig.1 Distribution of annual mean frequency of strong winds in 16 cities of Shandong from September 2015 to September 2020 (color scale, units: times)

圖2 2016—2019年各年大風(fēng)累計總站次分布(a)與各月大風(fēng)累計站次分布(b)Fig.2 Distribution of annual (a) and monthly (b) cumulative frequency of strong winds from 2016 to 2019

圖3給出了2016—2019年各年、各月南大風(fēng)與北大風(fēng)累計站次分布。從圖3a中可以看到，南大風(fēng)在2018年出現(xiàn)最多，為590站次；在2019年最少，為492站次。北大風(fēng)出現(xiàn)最多的年份是2019年，為1 580站次；最少的是2018年，為1 308站次。北大風(fēng)出現(xiàn)站次為南大風(fēng)的2～3倍。由各月的累計站次分布(圖3b)來看，總體上北大風(fēng)站次也多于南大風(fēng)站次，只有7月南大風(fēng)站次略偏多，為310站次，而北大風(fēng)為233站次。在統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，濟南站(站號54823)無論是年統(tǒng)計還是月統(tǒng)計，其南大風(fēng)站次明顯多于北大風(fēng)站次，這與其他地市不同。以春季為例，濟南站在春季(3—5月)大風(fēng)出現(xiàn)的站次最多，這點與其他地市一致，但是其南大風(fēng)累計出現(xiàn)73站次，而北大風(fēng)僅有8站次，偏南大風(fēng)明顯偏多。

圖3 2016—2019年南、北大風(fēng)年累計站次分布(a)與各月南、北大風(fēng)累計站次分布(b)Fig.3 Distribution of annual (a) and monthly (b) cumulative frequency of southerly and northerly strong winds from 2016 to 2019

為了診斷山東大風(fēng)發(fā)生頻次是否具有低頻振蕩特征，本文對2015—2020年逐日逐站大風(fēng)站次進行累加統(tǒng)計，然后對逐日累加站次序列進行小波分析。小波分析也稱多分辨率分析，是一種信號時間-尺度(頻率)分析方法，研究不同尺度周期隨時間的演變情況，具有多分辨率分析和對信號的自適應(yīng)性的特點，被認(rèn)為是傅立葉分析方法的突破性進展[15]。本文采用墨西哥帽小波函數(shù)[16]變換，最后計算小波方差。從圖4a中可以看到，在1 a的時間尺度內(nèi)，1～150 d間存在15 d 與20～25 d的周期，表現(xiàn)為多-少等多個循環(huán)交替。在150～220 d間存在10～15 d的周期，在220～366 d間則20 d的周期更明顯。結(jié)合小波方差(圖4b)分析，全年中11～13 d與20～23 d的振蕩周期方差在500以上，說明全年中這兩個振蕩周期最明顯，可見山東大風(fēng)具有顯著的低頻振蕩特征。

圖4 2015年9月—2020年9月山東大風(fēng)日累計站次序列小波變換實部(a)與小波方差(b)Fig.4 Real part of wavelet transform (a) and variance of wavelet (b) of time series of daily cumulative frequency of strong winds in Shandong from September 2015 to September 2020

圖5是2015年9月—2020年9月山東春、夏、秋、冬四季大風(fēng)逐日累加站次的演變和11～13 d以及20～23 d帶通濾波后的站次時間序列。從圖5a中可以看到，11～13 d的振蕩在整個春季都比較顯著，除了4月16—18日的大風(fēng)外，其余時段大風(fēng)的演變與振蕩周期之間均有很好的對應(yīng)關(guān)系，幾次大范圍大風(fēng)過程均發(fā)生在振蕩的波峰處。20～23 d的振蕩幅度要弱于11～13 d的振蕩，其隨著時間的演變和大風(fēng)站次的關(guān)系不如11～13 d顯著，但是在4月中旬與5月上旬其振蕩周期與站次分布趨于一致。夏季的低頻振蕩強度偏弱，盡管8月11～ 13 d的振蕩強度增強，但是其與大風(fēng)站次的分布不相對應(yīng)。秋季，20～23 d的振蕩較11～13 d的振蕩顯著，除9月上中旬外，其余時段20～23 d振蕩周期與大風(fēng)站次分布趨于一致。冬季，20～23 d的振蕩與大范圍大風(fēng)站次的分布基本一致。

圖5 2015年9月—2020年9月山東春(a)、夏(b)、秋(c)與冬(d)四季大風(fēng)序列時間演變(柱狀表示實際逐日大風(fēng)站次的累加，圓點實線表示11～13 d濾波后大風(fēng)站次，實線表示20～23 d濾波后的大風(fēng)站次)Fig.5 Time series of strong winds in Shandong in spring (a), summer (b), autumn (c), and winter (d) from September 2015 to September 2020 (bar for observed daily frequency of strong winds, solid line with dots for 11-13 d filtered data of frequency, black solid line for 20-23 d filtered data of frequency)

3 大風(fēng)低頻振蕩的傳播特征

大風(fēng)天氣的產(chǎn)生是不同緯度、不同高度、不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。有研究[17]表明，經(jīng)向風(fēng)的強度可以表征冷空氣的強度。由春季114～122°E平均經(jīng)向風(fēng)(V)11～13 d濾波值的時間-緯度剖面圖(圖6)可以看到，自3月1日—5月31日，200 hPa與500 hPa經(jīng)向風(fēng)在春季有9次明顯的經(jīng)向風(fēng)傳播過程，3—5月幾乎每半個月就會發(fā)生一次。850 hPa與1 000 hPa經(jīng)向風(fēng)的傳播不及200 hPa與500 hPa的強度強，但是9次經(jīng)向風(fēng)傳播過程還是很清楚，且大都表現(xiàn)為由北向南的傳播過程，這與春季山東盛行偏北大風(fēng)一致。

圖6 春季114°～122°E平均經(jīng)向風(fēng)11～13 d濾波值的時間-緯度剖面圖(色階，單位：m·s-1；a. 200 hPa, b. 500 hPa, c. 850 hPa, d. 1 000 hPa)Fig.6 Time-latitude cross section of 11-13 d filtered data of average meridional wind between 114°E and 122°E in spring (color scale, units: m·s-1； a. 200 hPa, b. 500 hPa, c. 850 hPa, d. 1 000 hPa)

秋季經(jīng)向風(fēng)的傳播與春季明顯不同。由秋季114°～122°E平均經(jīng)向風(fēng)20～23 d濾波值的時間-緯度剖面圖(圖7)可以看到，200 hPa經(jīng)向風(fēng)的大值中心在35°N附近，35°N以北，經(jīng)向風(fēng)傳播表現(xiàn)為自南向北，35°N以南，傳播則是自北向南。500 hPa經(jīng)向風(fēng)的傳播與200 hPa相似，只是10月下旬之后這種傳播特征更為明顯。850 hPa經(jīng)向風(fēng)的傳播與200 hPa、500 hPa不同，其在35°N以北是自北向南傳播，而35°N以南，則是自南向北傳播，表明在對流層低層，35°N以北以偏北風(fēng)為主，以南則是偏南風(fēng)為主。1 000 hPa經(jīng)向風(fēng)的傳播方向自北向南的傳播更加明顯，說明在秋季，冷空氣勢力在對流層中低層較中高層明顯。

圖7 秋季114°～122°E平均經(jīng)向風(fēng)20～23 d濾波值的時間-緯度剖面圖(色階，單位：m·s-1；a. 200 hPa, b. 500 hPa, c. 850 hPa, d.1 000 hPa)Fig.7 Time-latitude cross section of 20-23 d filtered data of average meridional wind between 114°E and 122°E in autumn (color scale,units: m·s-1; a. 200 hPa, b. 500 hPa, c. 850 hPa, d. 1 000 hPa)

為了細(xì)致分析山東春季大風(fēng)的低頻特征和相應(yīng)環(huán)流形勢的演變機理，針對春季完整的幾次11～13 d的低頻循環(huán)，將每個振蕩周期劃分為6個位相，其中第一位相是11～13 d低頻強度最弱的位相，對應(yīng)山東大風(fēng)出現(xiàn)站次最少的時段，第四位相是低頻強度最強的位相，其時間和山東大風(fēng)5次大范圍大風(fēng)過程時間基本一致，第二、三位相和第五、六位相是低頻振蕩由弱(強)變強(弱)的位相，這6個位相包含了低頻大風(fēng)過程的整個周期。

根據(jù)山東大風(fēng)11～13 d振蕩的6個不同位相合成低頻循環(huán)的1 000 hPa低頻距平風(fēng)場(圖8)。從圖中可以看到，在第一位相時，1 000 hPa的環(huán)流形勢表現(xiàn)為烏拉爾山東側(cè)是一低頻氣旋，黃海上空為低頻反氣旋，兩個系統(tǒng)之間多為經(jīng)向風(fēng)的正距平；在第二、三位相，烏拉爾山東側(cè)的低頻氣旋強度逐漸加強，范圍不斷擴展，且緩慢向東移動；黃海上空的反氣旋也逐漸東退；在內(nèi)蒙古中部衍生出一個低頻反氣旋；中國大陸正逐漸由經(jīng)向風(fēng)的正距平調(diào)整為經(jīng)向風(fēng)的負(fù)距平。在第四位相，蒙古中部的低頻反氣旋勢力增強，并向東南方向擴展，控制著內(nèi)蒙古中部及華北地區(qū)，同時在渤海及渤海海峽附近有一低頻氣旋在發(fā)展，蒙古低頻反氣旋右側(cè)的偏北風(fēng)與渤海低頻氣旋左側(cè)的東北風(fēng)加大了山東上空的偏北風(fēng)，這是山東發(fā)生大風(fēng)天氣的一個原因。在第五位相，華北低頻反氣旋與渤海低頻氣旋強度明顯減弱，黃海上空的經(jīng)向風(fēng)正距平勢力顯著增強。第六位相時，華北上空的風(fēng)進一步減弱，黃海上空的低頻氣旋又開始建立，烏拉爾山東側(cè)也開始有負(fù)的經(jīng)向風(fēng)距平出現(xiàn)，新的一輪振蕩又在醞釀中。由以上分析可知，山東春季大風(fēng)的產(chǎn)生最明顯的近地層低頻特征是烏拉爾山東側(cè)低頻氣旋與黃海低頻反氣旋的出現(xiàn)與加強，隨著這兩個系統(tǒng)的東移，蒙古低頻反氣旋與渤海氣旋的產(chǎn)生與增強是山東產(chǎn)生大風(fēng)的一個原因。同時，烏拉爾山東側(cè)經(jīng)向風(fēng)的負(fù)距平向東移動、擴張與南下，華北地區(qū)經(jīng)向風(fēng)正距平逐漸被負(fù)距平所代替，是山東春季大風(fēng)產(chǎn)生的低頻征兆。

圖8 山東春季大風(fēng)11～13 d低頻振蕩的6個位相合成的1 000 hPa低頻風(fēng)場(箭頭，單位：m·s-1)和經(jīng)向風(fēng)異常(色階，單位：m·s-1)(a.第一位相，b.第二位相，c.第三位相，d.第四位相，e.第五位相，f.第六位相)Fig.8 Low-frequency wind field (arrow, units: m·s-1) at 1 000 hPa and meridional wind anomaly (color scale, units: m·s-1) during 6 phases based on 11-13 d low-frequency oscillation of strong winds in Shandong in spring (a, b, c, d, e, and f for the first, second, third, fourth, fifth, sixth phase, respectively)

4 結(jié)論

本文對2015年9月—2020年9月山東的大風(fēng)天氣進行分析，不僅討論了山東大風(fēng)的特征，還從低頻振蕩的角度探討了大氣環(huán)流低頻振蕩與山東大風(fēng)的關(guān)系，結(jié)果表明：

1)山東大風(fēng)發(fā)生頻次近幾年有上升趨勢，春季發(fā)生次數(shù)最多，秋季最少。山東半島東部發(fā)生頻次最多，魯南地區(qū)最少。山東大風(fēng)多以偏北大風(fēng)為主，只有在7月偏南大風(fēng)較偏北大風(fēng)頻次略多。

2)山東大風(fēng)存在顯著的11～13 d與20～23 d低頻振蕩周期，其中春季的主振蕩周期為11～13 d，秋、冬季為20～23 d，夏季的振蕩周期不顯著。一般主振蕩周期的演變和大范圍大風(fēng)發(fā)生的頻次有較好的對應(yīng)關(guān)系，大范圍的大風(fēng)過程基本發(fā)生在振蕩的波峰處。

3)春季，對流層內(nèi)大氣低頻環(huán)流多為自北向南的傳播，對流層中高層的傳播強度明顯較低層偏強。秋季，對流層中高層的低頻環(huán)流以35°N為界，35°N以北，經(jīng)向風(fēng)傳播表現(xiàn)為自南向北，35°N以南，傳播則是自北向南，對流層低層反之。

3)山東大風(fēng)產(chǎn)生之前，1 000 hPa低頻環(huán)流烏拉爾山東側(cè)低頻氣旋與黃海上空低頻反氣旋同時存在。在兩個系統(tǒng)東移的過程中，華北低頻反氣旋與渤海低頻氣旋生成并加強，同時華北上空經(jīng)向風(fēng)正異常逐漸被經(jīng)向風(fēng)負(fù)異常所代替，是山東大風(fēng)天氣產(chǎn)生的低頻征兆。