舒海燕,白佳寧,范 野,孫 可,陶 倩,楊曉彤,常相伊,張 旭
(阜新市氣象局,遼寧 阜新 123000)
大風(fēng)是一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[1-2],大風(fēng)能夠引起浮土,使空氣質(zhì)量下降,空氣中的可吸入顆粒物導(dǎo)致呼吸道等疾病增多、加重,影響人體健康。大風(fēng)對(duì)農(nóng)業(yè)的影響也不容忽視,常造成農(nóng)作物倒伏,農(nóng)業(yè)設(shè)施被毀,甚至能把大樹吹倒或折斷。春季大風(fēng)可以把農(nóng)作物的幼苗刮走,造成農(nóng)田及草場(chǎng)被掩埋,同時(shí)沙塵還使得農(nóng)作物接收到的太陽(yáng)輻射減少,影響其光合作用,進(jìn)而影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng),最終直接影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。阜新市地處遼寧省大風(fēng)帶的中心[3],境內(nèi)大風(fēng)災(zāi)害的發(fā)生頻率較高,給人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)極大不便,同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5],因此對(duì)阜新市大風(fēng)的研究具有重要意義。
大風(fēng)作為災(zāi)害性天氣,受到氣象學(xué)者們的廣泛關(guān)注,國(guó)外研究表明,全球大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)的大風(fēng)日數(shù)都呈減少的趨勢(shì)[6-7]。在國(guó)內(nèi)近地表大風(fēng)研究表明,整體大風(fēng)日數(shù)和風(fēng)速都呈減小的趨勢(shì)[8-9],個(gè)別地區(qū)則有相反趨勢(shì)。其原因是受亞洲及北半球極渦面積指數(shù)、西風(fēng)指數(shù)、西伯利亞高壓的影響[10]。風(fēng)災(zāi)有月份和季節(jié)性特征,但從農(nóng)業(yè)災(zāi)害上看,4—9月給北方農(nóng)民帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失最大。遼寧省及各市部分氣象工作者對(duì)大風(fēng)在氣候分析、預(yù)報(bào)方法等方面取得了一些有價(jià)值的研究成果[11-13],阜新市地處遼寧西北部,歷年(1991—2020年)降水量為490.4 mm,屬于半干旱地區(qū),雖然風(fēng)災(zāi)較為嚴(yán)重,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大,但目前尚沒(méi)有此方面的研究報(bào)道。本文對(duì)阜新市大風(fēng)日數(shù)及災(zāi)情進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并從氣候變化角度分析大風(fēng)日數(shù)變化特征及成因。為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、風(fēng)沙預(yù)防等方面的防災(zāi)減災(zāi)提供重要的參考,同時(shí)也為當(dāng)?shù)貧庀蟛块T制作政府決策服務(wù)材料提供科學(xué)依據(jù)。
1961—2020年逐日最大風(fēng)速和風(fēng)向的觀測(cè)數(shù)據(jù),來(lái)源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái);1990—2019年大風(fēng)氣象災(zāi)情數(shù)據(jù),來(lái)源于阜新市的2個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站、農(nóng)業(yè)及統(tǒng)計(jì)部門;亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)(APVAI)、亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù)(APVII)、北半球極渦面積指數(shù)(NHPVAI)、北半球極渦強(qiáng)度指數(shù)(NHPVII)的月數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣候中心發(fā)布的大氣環(huán)流指數(shù)。最大風(fēng)速是指任意10 min的最大風(fēng)速,四季劃分:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—10月為秋季,11月—翌年2月為冬季。
本文采用的大風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)地面氣象觀測(cè)規(guī)范中的最大風(fēng)的界定指標(biāo),即指瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)17.0 m/s,即風(fēng)力達(dá)到8級(jí)以上的風(fēng),有大風(fēng)出現(xiàn)的一天則被定義為一個(gè)大風(fēng)日。
本文應(yīng)用了氣候變化率及趨勢(shì)系數(shù)對(duì)阜新地區(qū)大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析,并對(duì)其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn);利用Morlet小波系數(shù)模和模方對(duì)大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行周期分析;應(yīng)用MTT和Mann-Kendall方法對(duì)大風(fēng)日數(shù)進(jìn)行突變分析;應(yīng)用Pearson及Spearman方法對(duì)大風(fēng)日數(shù)、大氣環(huán)流指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,具體方法均見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14]。
由阜新市兩縣的大風(fēng)日數(shù)時(shí)間序列的年際變化圖(圖1)可知,1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)均呈減少趨勢(shì),這與國(guó)內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的大風(fēng)日數(shù)情況一致[8-9]。彰武縣大風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率為-0.962 d/10 a,趨勢(shì)系數(shù)為-0.124;阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)的氣候傾向率為-3.135 d/10 a,趨勢(shì)系數(shù)為-0.380,通過(guò)了0.01水平(雙側(cè))的顯著性t檢驗(yàn)。彰武縣大風(fēng)日數(shù)第1個(gè)峰值出現(xiàn)在1966年(70次),阜蒙縣的第1個(gè)峰值出現(xiàn)在1963年(84次)。彰武縣第1個(gè)谷值出現(xiàn)在2015年,第2個(gè)谷值出現(xiàn)在2020年,大風(fēng)日數(shù)為10次;阜蒙縣的第1個(gè)谷值則出現(xiàn)在1982年(6次)。從20世紀(jì)60年代到80年代彰武縣和阜蒙縣的大風(fēng)日數(shù)均呈明顯減少的趨勢(shì),減少的原因可能與同時(shí)期的全球變暖密切相關(guān)。20世紀(jì)90年代彰武縣和阜蒙縣的大風(fēng)日數(shù)均呈增加趨勢(shì),21世紀(jì)初又呈明顯減少的趨勢(shì)。風(fēng)力減小的原因可能是在全球氣候變暖的影響下,使得海陸溫差相應(yīng)地變小,導(dǎo)致東亞季風(fēng)有所減弱,中緯度也受到影響,風(fēng)速相對(duì)減?。?5];城市化進(jìn)程加快,也導(dǎo)致冷空氣勢(shì)力減弱,風(fēng)力減少的結(jié)果[16];還有研究認(rèn)為,氣溫日較差減少也是大風(fēng)日數(shù)減少的重要因素[17]。
圖1 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)的年際變化
由圖1a可知,彰武縣大風(fēng)日數(shù)在2000 s最多(423 d),其次為1990 s(394 d),最少為2010 s(183 d);2000 s大風(fēng)日數(shù)變化速率最快(-29.5 d/10 a),其次是1970 s(-21.0 d/10 a),1990 s變化速率最小(-1.82 d/10 a)。
由圖1b可知,阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)在1960 s最多(362 d),其次為1970 s(312 d),最少為1980 s(122 d);2000 s大風(fēng)日數(shù)變化速率最快(-29.5 d/10 a),其次是1960 s(-11.7 d/10 a),1980 s變化速率最小(0.73 d/10 a)。
由阜新市從1961—2020年大風(fēng)日數(shù)的季節(jié)變化圖(圖2a)可知,彰武縣的大風(fēng)日數(shù)明顯多于阜蒙縣的大風(fēng)日數(shù),且兩縣春季大風(fēng)日數(shù)最多(彰武縣為1150次,阜蒙縣為873次),秋季次之,夏季最少(彰武縣為244次,阜蒙縣為140次)。由于春秋季節(jié)當(dāng)?shù)靥幱诶渑諝饨粎R頻繁,風(fēng)力較大;而冬夏季節(jié)的冷暖氣團(tuán)比較穩(wěn)定,冷暖氣團(tuán)交匯的頻率較低,風(fēng)力較小。
圖2 阜新市1961—2020年兩縣大風(fēng)日數(shù)的季節(jié)和月份變化
由阜新市兩縣從1961—2020年大風(fēng)日數(shù)的月份變化圖(圖2b)可知,4月份兩縣的大風(fēng)日數(shù)均為最多(彰武縣為480次,阜蒙縣為373次),5月份次之,8月份最少(兩縣均為28次)。兩縣的大風(fēng)日數(shù)在季節(jié)和月份上均呈現(xiàn)出變化趨勢(shì)的一致性。本研究結(jié)果與遼寧省其他地區(qū)的大風(fēng)日數(shù)在季節(jié)和月份上的規(guī)律是一致的[3,11-13]。
由1961—2020年阜新市彰武縣大風(fēng)日數(shù)周期分析圖(圖3a)可知,彰武縣大風(fēng)日數(shù)的最顯著的是50~60 a的振蕩周期(通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)),還有7~12 a的振蕩周期。
圖3 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)的小波系數(shù)實(shí)部模及模方的等值線分析
由阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)周期分析圖(圖3b)可知,阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)的顯著振蕩周期為50~60 a(通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)),第2振蕩周期為18~25 a,還有7~12 a的振蕩周期。綜合得出,阜新市兩縣的大風(fēng)日數(shù)的振蕩周期基本一致,其中7~12 a的振蕩周期與敖雪等[10]對(duì)遼寧海岸線大風(fēng)周期的研究結(jié)果一致。
由1961—2020年阜新市兩縣大風(fēng)日數(shù)的滑動(dòng)t檢驗(yàn)圖(圖4a)可知,彰武縣在2008—2015年MTT統(tǒng)計(jì)量超過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn),且為正值,說(shuō)明在此期間大風(fēng)日數(shù)減少的趨勢(shì)顯著,MTT統(tǒng)計(jì)量最高點(diǎn)為突變轉(zhuǎn)折年份(2014年);而阜蒙縣在1980年左右和2003年左右MTT統(tǒng)計(jì)量都超過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn),且均為正值,說(shuō)明在這2個(gè)年份的大風(fēng)日數(shù)都發(fā)生了突變。
圖4 阜新市1961—2020年彰武縣及阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)的MTT(a)與M-K(b)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析
從M-K突變檢驗(yàn)圖(圖4b)可知,彰武縣的M-K統(tǒng)計(jì)量UF與UB在2014年左右有交點(diǎn),且交點(diǎn)在可信區(qū)間,相交后統(tǒng)計(jì)量UF明顯向下,說(shuō)明在此年有突變性轉(zhuǎn)折,突變后大風(fēng)日數(shù)顯著減少;而阜蒙縣的M-K統(tǒng)計(jì)量UF、UB在1975—1980、2002—2006年期間都有交點(diǎn),且交點(diǎn)在可信區(qū)間,相交后統(tǒng)計(jì)量UF也明顯向下,說(shuō)明在這2個(gè)年份期間都有突變性轉(zhuǎn)折,突變后大風(fēng)日數(shù)顯著減少。綜合分析得出,彰武縣的大風(fēng)日數(shù)在2014年發(fā)生了突變,突變后大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢(shì);阜蒙縣的大風(fēng)日數(shù)在1980和2003年左右均發(fā)生了突變,突變后大風(fēng)日數(shù)也呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢(shì)。
根據(jù)大風(fēng)的16個(gè)方向,對(duì)1961—2020年阜新市兩縣大風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:阜新地區(qū)大風(fēng)以偏南風(fēng)為主,這種特征彰武縣表現(xiàn)得尤其明顯,其次是偏北風(fēng),阜蒙縣表現(xiàn)明顯。這個(gè)結(jié)論與吳春英等[11-12]的研究結(jié)論一致。偏南大風(fēng)較多可能受蒙古氣旋和地形影響顯著,偏北大風(fēng)的產(chǎn)生是受西伯利亞和蒙古高壓影響。
由圖5a可知,彰武縣出現(xiàn)南西南(SSW)的大風(fēng)頻率最高,占比為60.0%;其次為南風(fēng)(S)占7.0%,西西北風(fēng)(WNW)占5.4%,西西南風(fēng)(WSW)占5.3%;東風(fēng)(E)占比最少,僅為0.5%。由圖5b可知,阜蒙縣出現(xiàn)南西南(SSW)的大風(fēng)頻率最高,占比為19.4%;其次為北西北風(fēng)(NNW)占16.2%,西北風(fēng)(NW)占15.3%,西南風(fēng)(SW)占13.2%,南風(fēng)(S)占10.5%;東風(fēng)(E)的占比為0%。
圖5 阜新市1961—2020 年彰武縣和阜蒙縣最大風(fēng)速出現(xiàn)頻率的風(fēng)向分析
從1990—2019年的大風(fēng)造成的重災(zāi)實(shí)況記錄來(lái)看(表1),共記錄84次風(fēng)災(zāi)情況,均出現(xiàn)在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現(xiàn)(占比為39.3%),有24次有暴雨伴隨出現(xiàn)(占比為35.7%),有12次伴隨雷電出現(xiàn)(占比為14.3%),均出現(xiàn)在6—9月。從經(jīng)濟(jì)損失上看(表1),6—8月大風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重,約占80%,9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風(fēng)災(zāi)害并不單一出現(xiàn),而往往伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災(zāi)害同時(shí)出現(xiàn),其中冰雹只對(duì)作物的危害最大,而暴雨對(duì)作物、人、畜和房屋等都能構(gòu)成嚴(yán)重危害,雷電也能對(duì)人、畜、設(shè)備等造成危害。如1994年7月12日午后至7月13日夜間,受臺(tái)風(fēng)北上影響,阜新地區(qū)普降暴雨,這次大暴風(fēng)雨造成坡耕地水土流失,積水內(nèi)澇,水沖沙壓,農(nóng)田沖毀,房屋倒塌,人畜傷亡;全市66個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)有49個(gè)重災(zāi),造成8人死亡,2人重傷,耕畜傷亡959頭,死亡家禽4705只,房屋倒塌,人畜傷亡嚴(yán)重;沖毀道路57 km,沖走林木11.02萬(wàn)棵,保護(hù)地倒塌169.67 hm2;農(nóng)作物受災(zāi)面積40000 hm2,減產(chǎn)五成以上的有6667 hm2,減產(chǎn)五成以下的有28000 hm2,絕收5333 hm2;沖毀民房、校舍、烤煙房約15000間,直接經(jīng)濟(jì)損失1億元,工業(yè)損失達(dá)100萬(wàn)元。又如2008年9月17日晚19:40至19:58,彰武縣阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受龍卷風(fēng)襲擊,并伴有雷電和短時(shí)降雨,龍卷風(fēng)造成房屋倒塌和損壞、農(nóng)作物倒伏、林木刮斷、通信和電力線路、公益設(shè)施、居民家庭財(cái)產(chǎn)損毀嚴(yán)重,受災(zāi)范圍寬700 m,長(zhǎng)15 km,阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)阿爾鄉(xiāng)村北屯、新房子屯和阿爾鄉(xiāng)農(nóng)場(chǎng)白音花、馬家坑2個(gè)分場(chǎng)嚴(yán)重受災(zāi);據(jù)統(tǒng)計(jì):龍卷風(fēng)共造成受災(zāi)人口1394人,因?yàn)?zāi)受傷人口23人。如2016年5月2日夜間至3日夜間,受強(qiáng)氣旋影響,阜新市出現(xiàn)大風(fēng)強(qiáng)降雨天氣,全市平均風(fēng)速7到8級(jí),部分地區(qū)陣風(fēng)達(dá)9~10級(jí);受大風(fēng)災(zāi)害影響,阜新市部分樹木、設(shè)施農(nóng)業(yè)、民房、廣告牌等受損嚴(yán)重;全市樹木倒伏5764株,大棚損壞12368.9棟,房屋損毀7162間,受災(zāi)人口24759人。
表1 1990—2019年大風(fēng)重災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)、伴隨天氣現(xiàn)象及災(zāi)情實(shí)況
影響大風(fēng)日數(shù)變化的綜合因素有很多,其中大氣環(huán)流成為氣象學(xué)者[10]討論的主要因子,筆者主要對(duì)APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個(gè)大氣環(huán)流指數(shù)進(jìn)行分析,并探討與大風(fēng)日數(shù)的關(guān)系。
3.2.1 大氣環(huán)流指數(shù)趨勢(shì)變化 由1961—2020年大氣環(huán)流指數(shù)趨勢(shì)變化曲線(圖6)可知,APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII的變化均呈減少趨勢(shì),與阜新地區(qū)的大風(fēng)日數(shù)的變化趨勢(shì)一致,其氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a,其趨勢(shì)系數(shù)分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792,均通過(guò)了0.01水平(雙側(cè))的顯著性t檢驗(yàn)。
圖6 1961—2020年亞洲區(qū)極渦和北半球極渦的面積及強(qiáng)度指數(shù)曲線
3.2.2 大風(fēng)日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性分析 由表2可知,阜新市1961—2020年大風(fēng)日數(shù)與APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII呈正相關(guān)關(guān)系,這與敖雪等[10]的研究結(jié)果基本一致。其中彰武縣的大風(fēng)日數(shù)與4個(gè)大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性較差,而阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)與4個(gè)大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性均較好。計(jì)算得出阜蒙縣大風(fēng)日數(shù)與4個(gè)大氣環(huán)流指數(shù)的Pearson及Spearman相關(guān)系數(shù)均較大,均超過(guò)0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),其中與APVAI和NHPVAI的相關(guān)性最強(qiáng),與NHPVII的相關(guān)性次之,與APVII的相關(guān)性最差。
表2 阜新市1961—2020年兩縣大風(fēng)日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)
通過(guò)對(duì)1961—2020年阜新市的大風(fēng)日數(shù)及農(nóng)業(yè)災(zāi)情進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到的結(jié)論如下:
(1)阜新市的大風(fēng)日數(shù)年變化呈減少趨勢(shì),其中彰武縣氣候傾向率為-0.962 d/10 a,趨勢(shì)系數(shù)為-0.124;阜蒙縣氣候傾向率為-3.135 d/10 a,趨勢(shì)系數(shù)為-0.380,通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明減少趨勢(shì)是顯著的。
(2)阜新市大風(fēng)日數(shù)出現(xiàn)較多年代為1960 s和2000 s,較少的年代為1980 s和2010 s。從季節(jié)來(lái)看,春季大風(fēng)日數(shù)均最多,秋季次之,夏季最少;從月份來(lái)看,4月大風(fēng)日數(shù)均最多,5月次之,8月最少;兩縣的大風(fēng)日數(shù)在季節(jié)和月份上均呈現(xiàn)出變化趨勢(shì)的一致性。
(3)阜新市大風(fēng)日數(shù)有50~60 a的振蕩周期,還有7~12 a的振蕩周期。彰武縣的大風(fēng)日數(shù)在2014年發(fā)生了突變,突變后大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢(shì);阜蒙縣的大風(fēng)日數(shù)在1980和2003年左右均發(fā)生了突變,突變后大風(fēng)日數(shù)也呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢(shì)。
(4)阜新地區(qū)大風(fēng)以偏南風(fēng)為主,這種特征彰武縣表現(xiàn)得尤其明顯,其次是偏北風(fēng),東風(fēng)占比最低,原因可能是受蒙古氣旋和地形影響顯著。
(5)大風(fēng)會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、發(fā)育及成熟均能造成諸多影響,最終影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。從1990—2019年記錄的大風(fēng)重災(zāi)情況得知,共有84次重災(zāi)情發(fā)生,均出現(xiàn)在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現(xiàn)(占比為39.3%),有24次有暴雨伴隨出現(xiàn)(占比為35.7%),有12次伴隨雷電出現(xiàn)(占比為14.3%),均出現(xiàn)在6—9月。從經(jīng)濟(jì)損失上分析,6—8月大風(fēng)造成的經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重,約占80%;9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風(fēng)災(zāi)害常伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災(zāi)害同時(shí)出現(xiàn),其中冰雹只對(duì)作物的危害最大,而暴雨對(duì)作物、人、畜和房屋等都能構(gòu)成嚴(yán)重危害,雷電也能對(duì)人、畜、設(shè)備等造成危害。
(6)在影響大風(fēng)日數(shù)變化的諸多因素中,APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個(gè)因子的變化均呈顯著減少趨勢(shì),氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a,趨勢(shì)系數(shù)分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792。阜新市兩縣大風(fēng)日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII均呈正相關(guān)關(guān)系,但兩縣的相關(guān)性差異較大,阜蒙縣的相關(guān)性明顯大于彰武縣,且相關(guān)性極顯著。
江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2023年4期