1979—2018年九仙山风的变化特征统计分析

2020-07-22苏文元叶晓冰杨庆波赖辉煌

海峡科学 2020年5期

苏文元叶晓冰杨庆波赖辉煌

(1.福建省德化九仙山气象站，福建泉州 362503；2.福建省永春县气象局，福建泉州 362601)

风是重要的气象要素之一，是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，风向和风速的产生主要受大气环流形势、地表摩擦、地形因素等影响，风向和风速的变化与大气的能量和物质循环紧密相关，它的发生常伴随着降温、雷暴、降水等天气现象，对生态环境、农业生产、城市建设和民众生活带来影响，对区域气候也有着重大影响。地面及高空的风速和风向的观测对于城市建设、空气污染扩散、气候研究、风资源利用等具有重要意义。近年来，众多学者对地面及高空风的研究结果显示，全国的平均风速呈显著减弱趋势[1-4]。九仙山气象站(25.43°N、118.06°E)为高山气象观测站，地处福建省中部的泉州市德化县风景名胜区九仙山山顶，观测场海拔高度1651.5m，与“闽中屋脊”戴云山最高峰 (1856m)相距8.9km，高度接近对流层自由大气的底部。几十年来观测数据没有中断，数据的连续性、完整性、可用性保持较好，具有一定的代表性。九仙山周边的环境保持较好，受环境变化影响小，气象要素的变化具有良好的预报指示作用，其风向、风速变化可以从一个侧面直观地反映自由大气底部的环流特征[1]。目前国内针对高山站风气候变化的研究比较少，本文着重探讨九仙山高山站风的气候变化特征和演变规律，其研究结果对于分析高山风速变化的原因、了解自由大气底部环流的气候变化[1]，以及深入理解区域气侯变化机理具有实际参考意义。

1 研究资料与分析方法

九仙山气象观测站1955年建站，10月开始常规气象要素观测，站址未发生变动，所有观测记录完整连续。本文选取1979—2018年九仙山地面气象观测站器测10m高程的2分钟平均(定时)风，资料引入采用报表实有观测次数，日观测次数1979—2018年均为4次，期间无缺测记录，资料统计按照《月地面气象记录处理和报表编制规范》。测风仪器均使用EL型电接风向风速计，自2005年1月开始使用风向风速传感器。冬季结冰时，按观测规范要求均采用三杯式轻便风向风速表进行补测代替。文中分析均基于1979—2018年40年标准气候平均值;季节划分：3～6月为春季，7～9月为夏季，10～11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

对年、季、月平均风速、8级以上大风日数、最大风速、16个风向出现频率等时间序列进行一次线性趋势分析拟合。

2 九仙山风的季节变化特征

2.1 风向频率及对应风速的季节变化特征

九仙山地处福建中部，福建在一年中大部分时间是受西风环流控制。闽东南沿海地区属南亚热带季风气候，其季风特征主要表现为存在两支主要的季风环流，即冬季盛行东北季风和夏季盛行西南季风[6]。由于春、夏季东南沿海经常受强对流中小尺度系统和台风的影响，强对流中小尺度系统和台风的风速比冬季的寒潮、冷空气所产生的风速要大，所以一年中最大的风速均出现在春、夏季，又以春季居多。

表1为九仙山逐月最多风向、出现频率及平均风速。由表1可见，1～12月的主导风向是WSW→SW→E→ENE进行转变，1～6月最多风向为西西南(WSW)风，占全年的50%，6月西南风频率(21%)为年内次大，对应风速为8.0m/s；7月以西南(SW)风为主导风向，8月转为以东风(E)为主导风向，7～8月为季节风向转变的过渡期，9～12月以东东北(ENE)风向为主，10月风向频率(24%)为年内最大，对应风速为6.9m/s。图1为1979—2018年九仙山风向频率与平均风速玫瑰图。由图1可见，九仙山全年以西西南(WSW)风为主导，风速也是以西南风时最大。由此可见，九仙山1～6月盛行西南风，9～12月盛行东北风，7月、8月为夏季风向冬季风转换的过渡期。1月、2月属冬天，本应以北风或东北风为主导，但实际上还是以西南风为主导风向，分析判断后认定作为冬季风转为夏季风的过渡期,主要受西南气流控制有关。

表1 1979—2018年九仙山月际主导风向、出现频率及平均风速的统计结果

2.2 平均风速的季节变化特征

图2为九仙山1979—2018年逐月平均风速变化趋势图。由图2可见，九仙山1～12月的平均风速呈线性减小的变化趋势。年平均风速为7.0 m/s。2月风速逐步增强，3月达到一个小高峰7.9 m/s，4月又开始回落减小，6月达到一年中的最大值8.0 m/s，7月又开始减小，8月起趋于平稳并逐渐走低。由上分析可知，九仙山年内盛行风具有显著的季节变化，春季风速逐渐增大，6月达到最大，夏季7月开始逐渐减小，8月、9月趋于平稳，秋季有点小波动，冬季基本回落。其风向风速的变化与东亚季风系统的冬、夏季风活动密切相关，具体表现为:冬季中后期与春季盛行西南风，夏季后期与秋季盛行偏北风。

图2 1979—2018年月际平均风速变化趋势图

图3为1979—2018年九仙山四季平均风速变化趋势图。由图3可见，春季的风速明显较大，一年四季中平均风速最大值出现在春季居多，这与春季出现较多强对流中小尺度系统所产生的极大风有关，也与图2逐月平均风速变化趋势的分析相吻合。从线性趋势上看，春、夏、秋、冬四季的平均风速也是呈减小趋势。

图3 1979—2018年四季平均风速变化趋势图

2.3 8级以上大风日数的季节变化特征

图4 为1979—2018年四季8级以上大风日数变化趋势图。由图4可见，一年四季中出现8级以上大风日数最多的是发生在春季，与四季平均风速的季节变化的结果是一致的，这与春季出现较多强对流中小尺度系统所产生的极大风有关，也与春季作为冬季风与夏季风的转变过渡期，受到西风环流与东北季风的共同影响，导致出现了较多的大风有关。

图4 1979—2018年四季8级以上大风日数变化趋势图

3 平均风速年际变化特征和8级以上大风日数的变化特征

3.1 平均风速年际变化特征

图5为九仙山1979—2018年年际平均风速变化趋势图，由图5可见，40年来九仙山的平均风速总体呈明显的下降趋势,年气候倾向率为-0.016 m/s。年最大风速出现在2005年，风速为8.3 m/s，年最小风速出现在2018年，风速为6.0 m/s。40年的年平均风速变化出现“三起三落”3个阶段，1979-1986年趋于动荡趋势；1987-1988年呈较强的増长趋势，年平均风速达到8.0 m/s；1989-2004年趋于平稳状态，其中1998年又呈现较强的增大趋势；1999—2004年回落动荡整合；2005年达到最高峰；2006年之后下降并趋于逐步减小的状态。前30年中，6～10年都会出现一波快速增大的情况，较大的风速维持在1979-1999年，2000年开始风速呈十分明显的持续下降趋势，滑动平均曲线表明2000年开始平均风速下降到均值以下，虽然2005年反弹并达到历史最高，但是之后的回落并保持一路的走低，与全国地面风速变化的情况基本一致，说明高海拔地区的风速也是呈减弱趋势。

图5 1979—2018年九仙山年际平均风速变化趋势图

3.2 8级以上大风日数的年际与月际变化特征

图6为九仙山1979—2018年年际8级以上大风日数变化趋势图。由图6可见，40年来，8级以上大风日数呈线性减少趋势。40年间出现3次高峰期，1979-1988年间出现一次高峰期，1988年出现203天的8级以上大风，也是40年中最多的天数；第二次高峰期出现在1989-1998年间，1999—2005年出现了第三次高峰期；2006年以后动荡回落，呈逐年减少的趋势，最少的一年出现在2018年，仅有93天。经过分析，2006年以后8级以上大风日数开始出现回落减少的状况，与自动站的安装使用以及使用的设备有关联。2006年自动站开始运行后，仪器的自动观测与人工观测存在的误差也比较明显，由于自动站仪器观测精度较高，导致测量下来的数据与人工观测的数据存在比较大的误差，但是整体呈现逐年减少的变化趋势还是与平均风速的变化趋势相吻合。

图6 1979—2018年年际8级以上大风日数变化趋势图

图7是九仙山 1979—2018年月际8级以上大风日数变化趋势图。由图7可见，3月份8级以上大风日数出现16.3天，达到一个小高潮后回落，6月份达到一年中的顶峰，达到了16.5天。7月份、8月份一路下降，9月～11月基本持平维稳，12月份降到最低。一年中8级以上大风日数最多的出现在春季的3月和6月，与月际平均风速变化趋势和四季平均风速变化趋势的分析结果相吻合。

图7 1979—2018年月际8级以上大风日数变化趋势图

4 最大风速值的变化特征

图8为1979—2018年九仙山年际最大风速值变化趋势图。由图8可见，40年间总体上各年最大风速值呈线性减小趋势。风速最大值为34.0m/s,曾出现两次，一次出现在1985年，一次出现在2005年。最大风速的最小值为21.1m/s，出现在2017年。1979-2005年间呈动荡状态，2005年后呈现明显的减小趋势。之所以出现这些现象，可能与风速观测气象仪器变动及最大风速的取值方式不同有关，早期的最大风速是对EL型电接风向风速自计纸进行人工整理并挑取最大值，由于存在误差，挑取的最大值有偏差，甚至有偏大的可能性，2006年后改用高精度的风向风速传感器进行观测后，所采集到的实时分钟数据能更好地体现九仙山上的实际风速值的变化情况。