南极中山站风的长期变化特征及其可能原因

武维刚 张文千 武麦凤 马靖凯 凌新锋

(1华山气象站, 陕西 华阴 714200;2中国气象科学研究院, 北京 100081;3渭南市气象局, 陕西 渭南 714000;4国家海洋环境预报中心, 北京 100081;5寿县气象局, 安徽 寿县 232200)

0 引言

南极的气候变化在全球气候变化中起着重要作用。在全球变暖背景下, 很多研究都集中在分析和模拟南极地区温度的变化趋势。由于观测资料缺乏, 对其他气象要素的气候变化研究较少。风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量,地面风也是气候学中最重要的研究对象之一。南极中山站是中国在南极地区建立的第二个常年科考站, 1989年2月建成于东南极拉斯曼丘陵、普里兹湾东南沿岸。胡胜利[1]指出中山站天气恶劣,具有大风多、风速大和大风时间长的特点, 并受到多种天气形势影响。大风天气同时会造成吹雪和雪暴天气[2]。大风及其引发的次生灾害会对南极地区的科考站建筑造成破坏, 危及科研人员的人身安全, 影响航空飞行器的起降, 不利于船只航行。

前人研究[3-6]指出中山站常年盛行东风及偏东风; 平均风速约为7 m·s-1, 具有冬强夏弱的年变化特征, 且风速日变化在夏季明显, 冬季不明显; 年平均大风日数为159 d。在全球变暖背景下,尽管中山站1989—2008年气温无明显变化, 但风速呈减小趋势[4,6]。Turner等[7]对南极地区19个气象站50年的温度、气压和风速资料进行分析,指出大部分考察站风速变化与南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode, SAM)的变化一致, 当SAM指数为正位相时, 环南极西风增强,使各站观测到的风速增加[8]。但受到地理位置与局地天气系统影响, 相距不远的考察站之间风速仍存在不同变化。例如, 1958—2000年, 戴维斯站风速呈增加趋势, 但和平站风速呈减小趋势[7]。1989—2008年, 戴维斯站风速呈增加趋势, 但中山站风速呈减小趋势[6,9]。

南极中山站所处的伊丽莎白公主地是非常典型的冰盖下降风频发地区。南极中山站下降风风速一般为5～6级, 最大可达7～8级, 风向为偏东风[6,9-12]。普里兹湾沿岸的下降风强度受到南极大陆冷高压强弱以及位置的影响[10]。此外, 受下降风影响的强弱还与距冰盖斜坡的远近有关。与中山站相距不远的戴维斯站, 由于距冰盖斜坡较远,受下降风的影响较中山站要小[13]。

本文利用1989—2020年中山站地面风等气象观测数据, 对中山站风速、大风日数以及下降风的气候变化特征进行分析, 同时结合NCEP/NCAR再分析数据探讨上述变化的成因,以期了解南极自由大气底部的气候变化并为深入理解区域气候变化提供参考意义。

1 资料和方法

本文所用的资料均来自南极中山气象台, 其地面气象观测仪器的安装、运行和观测方法均按照中国气象局颁布的《地面气象观测规范》执行[14], 其观测数据经过严格的质量审核。资料时间跨度为1989年12月—2020年12月, 资料类型包括逐年、月、日和小时的风、气温和气压等地面气象观测资料。同时, 为了分析大气环流对风速的影响, 本文还选取了1990—2020年NCEP/NCAR再分析资料, 包括逐月海平面气压场、表面气温场、高度场和风场等资料, 水平分辨率为2.5°× 2.5°[15]。文中季节按12月至次年2月为夏季、3—5月为秋季、6—8月为冬季、9—11月为春季划分。

《地面气象观测规范》中规定, 瞬时风速达到或超过17 m·s-1(或目测估计风力达到或超过8级)的风, 记为大风; 若某日中有大风出现, 一般称该日为大风日; 一日中出现多次大风记为一个大风日[14]。根据丁卓铭等[10]分析的普里兹湾沿岸下降风特征, 本文将晴朗少云天气风速超过5级(≥8 m·s-1), 风向介于东北至东南(33.75°～146.25°)的风看作下降风。

将统计时段内风速按照下式进行分解:

其中,F为风速, π为圆周率,φ为风向。分解后u为东-西向风速,v为南-北向风速, 按照正、负值区分为4个分量, 然后各分量取绝对值后求和, 再除以总观测次数, 即得到相应时段内经、纬向及东、西、南、北风分量的平均风速。计算年、季平均风速倾向率时采用一元线性趋势拟合, 可得到风速线性变化率b和相关系数r[16]。文中对气候变化趋势的性质和幅度采用气候倾向率(b×10)、趋势系数(无量纲)来表示,趋势检验采用t检验方法[17]。采用 Mann-Kendall检验法(以下简称M-K检验)对时间序列进行突变分析[18]。

2 中山站风的变化特征

2.1 风的年际变化

图1a可以看出,1990—2020年中山站年平均风速最大值为7.8 m·s-1, 出现在1991年和2007年; 最小值为5.7 m·s-1, 出现在2019年; 年平均风速为6.9 m·s-1。图2 中UF为按时间序列顺序计算出的统计量序列, UB为按时间序列逆序计算出的统计量序列[18]。通过M-K检验发现, UF和UB两条曲线相交, 交点位于临界线内, 根据交点位置, 确定风速在2002年附近发生突变。1990—2001年平均风速为7.3 m·s-1, 2002—2020年平均风速为6.6 m·s-1, 这说明中山站年平均风速减小。通过计算线性趋势也证实, 年平均风速有减少趋势,倾向率为-0.4 m·s-1·(10 a)-1(通过0.001显著性水平检验)。M-K检验也得到一致的结果, 1992年以后年平均风速呈下降趋势(UF＜0), 2003—2020年风速下降趋势显著, UF值超过α=0.05临界线甚至超过0.001显著性水平(u0.001=2.56)临界线。从图1还可以看出, 中山站年平均气温和气压变化趋势并不明显, 气候倾向率分别为0.015℃·(10 a)-1、-0.037 hPa·(10 a)-1, 均未通过0.05显著性水平检验。

图1 1990—2020年中山站风年际变化。a)年平均风速、气温；b)年平均气压Fig.1.Interannual variation of wind at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) annual mean wind speed and temperature;b) annual mean pressure

图 2 1990—2020年中山站年平均风速时间序列Mann-Kendall突变检验(虚线为α = 0.05显著性水平临界值)Fig.2.Mann-Kendall test of the time series of annual mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020(dotted line is α = 0.05 critical value of significance level)

中山站位于环极低压带的南部和南极大陆地面冷高压北部之间, 常年盛行偏东气流。年最多风向以东北至东东南为主, 东风出现频率最高,1990—2020年间有22年最多风向为东风。

2.2 风的季节变化

1990—2020年中山站月平均风速随时间呈倒“U”字型(图3a), 中间高, 两头低。月平均风速为6.9 m·s-1, 1月平均风速最小为5.0 m·s-1,2月风速迅速增大, 6月和8月风速达到全年最大为7.9 m·s-1, 9月风速开始减小, 3—9月平均风速变化缓慢且高于平均值。中山站风速存在明显的季节差异, 冬季风速最大, 秋季次之,春季较小, 夏季最小(图3)。1990—2020年中山站春、夏、秋、冬季平均风速分别为6.7、5.7、7.4、7.7 m·s-1。春季平均风速最大值为8.3 m·s-1,出现在1994年; 最小值为5.7 m·s-1, 出现在2016年。秋季和冬季平均风速最大值分别为8.9、9.9 m·s-1, 均出现在2018年, 最小值分别为5.8、5.6 m·s-1, 均出现在2019年。夏季平均风速最大值为6.8 m·s-1, 出现在1992年; 最小值为4.4 m·s-1, 出现在2020年。中山站全年风向变化较小, 2—11月东风出现频率最高, 东东北风次之。1月和12月东东北风出现频率最高,东风次之。中山站地面风受南极大陆冷高压和绕极低压带控制[19]。由于夏季南极大陆冷高压和绕极低压带强度较弱, 且绕极低压带的平均位置明显北移, 使得高、低压之间气压梯度小,从而导致夏季中山站平均风速最小。当夏季转向冬季时, 南极大陆冷高压逐渐加强, 同时绕极低压带的平均位置南移, 使得高、低压中心的气压梯度增大, 形成强烈且稳定的东风, 从而使冬季中山站平均风速最大。

图3 1990—2020年中山站不同季节的平均风速变化。a)月平均风速变化；b)春季；c)夏季；d)秋季；e)冬季Fig.3.Interannual variation of mean wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020.a) monthly mean wind speed;b) spring; c) summer; d) autumn; e) winter

中山站各季节平均风速的变化趋势(图3)与年平均风速变化相同, 均呈减小趋势。对比各季节平均风速变化趋势系数发现, 夏季和冬季减小趋势最为显著, 气候倾向率、趋势系数分别为-0.53 m·s-1·(10 a)-1、-0.09和-0.48 m·s-1·(10 a)-1、-0.05。春季和秋季风速气候倾向率、趋势系数分别为-0.25 m·s-1·(10 a)-1、-0.04和-0.31 m·s-1·(10 a)-1、-0.04。显著性检验表明, 除秋季外其他季节均通过0.05显著性水平检验, 表明秋季风速变化趋势不明显。

2.3 风的日变化

图4为1990—2020年中山站年和四季定时10分钟风速的日变化。可以看出, 中山站风速日变化呈单峰单谷型, 风速在凌晨5时达到最大,峰值为8.0 m·s-1, 之后风速开始减小, 下午15时风速降至最小, 谷值为5.6 m·s-1, 随后风速又开始增加。日平均风速为6.8 m·s-1, 11—21时风速均小于日平均风速。中山站定时平均风速和气温呈负相关,r为-0.97, 并通过0.001显著性水平检验。从季节变化来看, 春季和夏季受下降风影响风速具有明显的日变化特征, 秋季和冬季风速日变化不明显。这是因为秋季和冬季白昼时间短,日照时间很少, 普利兹湾海面以及拉斯曼丘陵绝大部分被冰雪覆盖, 整个地区下垫面单一, 受太阳辐射加热比较平衡, 昼夜变化小, 因此风速的日变化不明显。春季和夏季白天受太阳辐射加热的时间长, 容易产生海水与冰面的受热不平衡, 夜间不同下垫面辐射散热的差异大, 使海陆温差加大。中山站位于岸边紧邻冰盖, 海平面与冰盖存在很大的高度差, 导致海风和冰盖下降风的增强[3]。春季风速在4时达到最大, 峰值为8.6 m·s-1; 15时风速最小, 谷值为4.6 m·s-1。与春季不同, 夏季风速在5时达到最大, 峰值为8.0 m·s-1; 16时风速最小, 谷值为3.5 m·s-1, 夏季风速峰值和谷值的出现时间均比春季晚1小时。总体来看, 中山站全年和四季晚上平均风速大于白天。

图4 1990—2020年中山站年和四季定时风速的日变化Fig.4.Diurnal variation of annual and seasonal wind speed at Zhongshan Station from 1990 to 2020

2.4 经、纬向风分量的变化特征

图5给出了1990—2020年中山站经、纬向平均风速的年际变化。由图可见, 中山站纬向风速明显大于经向风速。与年平均风速变化趋势相同, 纬向年平均风速呈减小趋势, 而经向风速变化趋势不明显。纬向平均风速在1991年达到最大值7.2 m·s-1, 与年平均风速最大值出现时间相同。2002—2020年纬向平均风速为5.7 m·s-1, 较1990—2001年纬向平均风速减小了1.0 m·s-1(表1), 2005年和2006年纬向年平均风速达到最小值4.0 m·s-1。与纬向风速变化相反, 经向平均风速在2002年以后明显增大, 经向平均风速由1.8 m·s-1增加至2.6 m·s-1, 并在2007年达到最大值5.8 m·s-1。经向平均风速最小值为1.3 m·s-1, 出现在2019年, 与年平均风速最小值出现时间相同。

图5 1990—2020年中山站经、纬向平均风速的年际变化Fig.5.Interannual variation of mean wind speed in meridional and zonal at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表1 2002年前后中山站经、纬向及东、南、西、北风分量平均风速Table 1.Mean wind speed in meridional, zonal and components of east, south, west and north wind at Zhongshan Station around 2002单位: m·s-1

对经向和纬向风进行进一步分解, 图6为1990—2020年中山站东、西、南、北风分量平均风速年际变化。从图中可以看出, 东风分量平均风速明显大于其他方向风分量, 东风分量年际变化与纬向风速年际变化基本一致。2002—2020年东风分量平均风速较1990—2001年减小了1.0 m·s-1。东风分量平均风速在1991年最大为7.7 m·s-1, 2006年最小为4.4 m·s-1。2002—2020年西风分量平均风速较1990—2001年减小了0.3 m·s-1, 年平均风速最大值为2.4 m·s-1, 最小值为1.1 m·s-1, 极值出现时间与东风分量极值出现时间相同。南风分量平均风速在1991年最大为3.6 m·s-1, 2010年最小为1.2 m·s-1。2002—2020年南风分量平均风速较1990—2001年减小了1.0 m·s-1。北风分量平均风速1994年最小为1.0 m·s-1, 之后风速开始增大, 与经向年平均风速变化基本一致。2002—2020年北风分量平均风速较1990—2001年增加了1.4 m·s-1, 并在2007年风速达到最大为6.2 m·s-1。

图6 1990—2020年中山站东、西、南、北风分量平均风速的年际变化Fig.6.Interannual variation of the mean wind speed of east, west, south and north wind components at Zhongshan Station from 1990 to 2020

表2为中山站年与四季经、纬向及东、南、西、北风分量平均风速气候倾向率及趋势系数。从经、纬向风速的气候倾向率和趋势系数来看,纬向风明显大于经向风, 纬向风的全年与四季风速气候倾向率和趋势系数均为负值, 说明纬向风速呈减小趋势。纬向年平均风速气候倾向率为-0.34 m·s-1·(10 a)-1(通过0.05显著性水平检验),四季中只有夏季通过0.01显著性水平检验, 气候倾向率为-0.46 m·s-1·(10 a)-1。经向风的全年和四季风速变化趋势不明显, 均未通过显著性检验。从风分量气候倾向率和趋势系数来看, 南风分量呈减小趋势且变化速率远大于其他风分量。南风分量在夏季减小速率最大, 气候倾向率为-0.65 m·s-1·(10 a)-1; 在春季减小速率最小, 气候倾向率为-0.46 m·s-1·(10 a)-1, 均通过0.01显著性水平检验。东风分量夏季气候倾向率和趋势系数明显大于其他季节且与其变化趋势相反, 风速呈减小趋势, 气候倾向率为-0.48 m·s-1·(10 a)-1, 通过0.01显著性水平检验。西风和北风分量变化趋势不显著, 其全年和四季气候倾向率和趋势系数均未通过显著性水平检验。

表2 中山站年与四季经、纬向及东、南、西、北风分量平均风速气候倾向率[m·s-1·(10 a)-1]/趋势系数Table 2.The annual and seasonal climatic tendency rate [m·s-1·(10 a)-1]/trend coefficient of the mean wind speed in meridional, zonal and east, south, west and north components of Zhongshan Station

以上分析表明中山站纬向平均风速呈显著减小趋势, 经向平均风速变化趋势不显著; 南风分量年平均风速气候倾向率和趋势系数都显著大于其他风分量, 风速呈显著减小趋势; 西风和北风分量变化趋势不显著; 东风分量在夏季呈减小趋势, 其他季节变化趋势不显著。

3 下降风的气候变化特征

图7展示了1990—2020年中山站年和四季出现下降风频数的年际变化。由图可见, 中山站年下降风频数年际变化明显, 平均为1757.2次, 最大值为2211次(1994年), 最小值为1087次(2020年)。年下降风频数呈减少趋势,气候倾向率为-119.8次·(10 a)-1(通过0.05显著性水平检验)。与风速季节变化相同, 中山站冬季出现下降风次数最多, 秋季次之, 春季较少, 夏季最少。冬、秋、春、夏季年平均下降风频数分别为534.6次、481.2次、318.5次和217.7次。冬季年平均下降风频数最大值为837次(2006年), 最小值为222次(2010年)。秋季最大值为659次(2007年), 最小值为255次(1999年)。春季最大值为442次(1991年), 最小值为154次(2010年)。夏季最大值为373次(2004年), 最小值为96次(2020年)。

图7 1990—2020年中山站年、夏季和冬季下降风频数的年际变化Fig.7.Interannual variation of annual, summer and winter katabatic wind frequency at Zhongshan Station from 1990 to 2020

1990—2020年中山站年和四季下降风频数均呈减少趋势, 其中夏季和冬季下降风频数减少趋势最为显著, 气候倾向率、趋势系数分别为-30.3次·(10 a)-1、-0.05和-66.0次·(10 a)-1、-0.04,均通过0.05显著性水平检验。春季和秋季下降风频数气候倾向率、趋势系数分别为-0.7次·(10 a)-1、0.0和-19.6次·(10 a)-1、-0.02, 未通过0.05显著性水平检验, 表明春季和秋季下降风变化趋势不显著。

4 大风日数的变化特征

中山站大风主要受极地气旋、极地大陆冷高压和东移锋面扰动的系统影响[1]。图8可以看出,中山站年大风日数范围为81～196 d, 1999年出现的大风日数最多, 2016年和2019年最少。年平均大风日数为140 d, 占全年总日数的38%。年大风日数在100 d以下的有3 a, 分别是2010年、2016年和2019年; 100～200 d有28 a, 占总年份的90%。1990—2002年期间只有1993年的大风日数小于平均值, 2003—2020年期间仅有4 a(2004年、2006年、2007年和2018年)大风日数大于平均值, 初步表明年大风日数有减少趋势。对1990—2020年大风日数进行趋势分析, 结果表明虽然中山站大风日数高(低)值年与平均风速高(低)值年并不一一对应, 但是大风日数的线性趋势与平均风速的变化趋势一致, 均呈减小趋势, 年大风日数气候倾向率为-25.8 d·(10 a)-1(通过0.001显著性水平检验)。大风日数与年平均风速呈正相关,r为0.86, 并通过0.001显著性水平检验。中山站大风风向主要为东风,频率为42%, 东东南、东东北大风次之, 频率分别为27%和16%。

图8 1990—2020年中山站大风日数的年际变化Fig.8.Interannual variation of gale days at Zhongshan Station from 1990 to 2020

中山站月大风日数随时间呈“凸”字型, 月平均大风日数为11.7 d。5—11月大风日数均大于平均值, 8月是大风出现最多的月份, 大风日数达15.4 d, 平均每两天出现一次大风天气。1月出现大风天气的次数最少, 大风日数仅6.6 d。月大风日数与月平均风速呈正相关,r为0.83, 并通过0.001显著性水平检验。中山站春、夏、秋、冬季大风日数分别为36.8、25.8、34.4、43.6 d。大风日数也具有明显的季节变化特征, 冬季大风日数最多, 春季次之, 秋季较少, 夏季最少。春季和冬季大风日数最多分别为62 d和72 d, 均出现在1999年。夏季大风日数最多为39 d, 出现在1996年。秋季大风日数最多为48 d, 出现在1990年、1991和2000年。春、夏、秋、冬季大风日数和风速呈正相关,r分别为0.65、0.75、0.81和0.85,均通过0.001显著性水平检验。

1990—2020年中山站四季大风日数与年大风日数变化一致均呈减少趋势, 其中夏季大风日数减少趋势最为显著, 气候倾向率和趋势系数分别为-8.2 d·(10 a)-1、-0.09, 夏季是年平均风速减小最显著的季节。秋季和春季大风日数气候倾向率和趋势系数分别为-6.3 d·(10 a)-1、-0.07和-5.0 d·(10 a)-1、-0.06。冬季大风日数减小趋势最弱, 气候倾向率和趋势系数为-6.1 d·(10 a)-1、-0.05。显著性检验表明, 四季大风日数减小趋势均通过0.01显著性水平检验, 其中夏季和秋季变化趋势通过0.001显著性水平检验。

5 风速的变化趋势

表3为中山站日平均风速、日最大风速在各风速范围内的平均日数、气候倾向率和趋势系数。中山站日平均风速主要出现在3.4～10.7 m·s-1之间, 即以3～5级风为主, 年平均日数为245 d, 占全年总日数的67%, 其中3级、4级和5级风分别占年总日数的21.3%、25.6%和20.1%。1990—2020年中山站日平均风速≤7.9 m·s-1(≤4级)日数呈增加趋势, 其中日平均风速1.6～3.3 m·s-1(2级)日数增加趋势最显著, 气候倾向率为6.6 d·(10 a)-1,通过0.01显著性水平检验。日平均风速≥8.0 m·s-1(≥5级)日数呈减小趋势, 其中 5级风(8.0～10.7 m·s-1)日数减少趋势最为显著, 气候倾向率为-7.6 d·(10 a)-1, 通过0.01显著性水平检验。四季日平均风速不同风力等级日数的分布特征与年的分布特征基本一致, 但变化趋势没有年日平均风速变化趋势显著。

表3 中山站日平均风速和日最大风速在各风速范围内的平均日数(d)及气候倾向率[d·(10 a)-1]/趋势系数Table 3.Average days (d) of daily wind speed and maximum wind speed in different speed range and climatic tendency rate[d·(10 a)-1]/trend coefficient of Zhongshan Station

对于日最大风速而言, 风速≤5级日数呈增加趋势, 其中日最大风速4级日数增加趋势最显著,气候倾向率为5.6 d·(10 a)-1。日最大风速≥6级日数呈减小趋势,6级风是日最大风速一年中出现日数最多的风速段(年平均日数为97.4 d), 但变化趋势未能通过0.05显著性水平检验。日最大风速7级日数减小趋势最显著, 气候倾向率为-6.7 d·(10 a)-1,通过0.01显著性水平检验。四季日最大风速不同风力等级日数的分布特征与年分布特征基本一致, 但变化趋势没有年日最大风速变化趋势显著。

通过对中山站日平均风速和日最大风速风力等级日数变化趋势分析, 初步认为, 中山站中小风日数(日平均风速＜8.0 m·s-1)增加, 中大风或大风日数(日平均风速≥8.0 m·s-1)减少。年平均风速减小主要是由中大风和大风日数减少造成的。

6 风速变化与大气环流异常的关系

图1表明中山站年平均风速在2002年发生突变性减小, 对影响风速变化的大气环流背景场进行分析。选取海平面气压场、表面气温场以及高空高度场做相关分析(图9), 并对2002年前后中山站附近的大气环流场做合成分析(图10)。图9a为中山站年平均风速与地面海平面气压的相关分布, 由图可见, 在南极内陆和普里兹湾海域北部的南印度洋海平面气压场存在显著的相关区, 中山站风速与极地高压呈显著的正相关,r超过0.5;与南印度洋海平面气压呈负相关,r低于-0.35, 均通过0.05水平显著性检验。图9b可以看出, 中山站年平均风速与南极内陆和普里兹湾海域北部的南印度洋表面气温存在显著的负相关, 与南极戴维斯海附近表面气温呈显著的正相关。从海平面气压和风差值场(图10a)来看, 中山站南部极地高压负距平, 北部南印度洋低压为正距平, 极地冷高压和绕极低压带强度减弱, 高、低压之间气压梯度减小, 空气流动性减弱, 造成中山站平均风速减小。影响中山站的气旋活动主要为西北路径,中山站北部南印度洋的海平面气压正异常,使中山站不易受气旋影响[20]。彼得森浅滩附近海平面气压呈负距平, 形成顺时针环流风场, 南极玛丽皇后地附近偏南风增强,在戴维斯海附近形成负变温中心。表面气温差值场上南极内陆和普里兹湾海域北部的南印度洋表面气温为正变温, 而且南极内陆表面增温幅度大于南印度洋表面。南半球环状模或南极涛动(Antarctic Oscillation, AAO)与中山站风速呈显著负相关, 南极涛动的正位相会引起中山站西风和北风异常[21]。2002—2020年AAO指数正位相较1990—2001年数值增大, 中山站附近北风增强, 与观测数据一致。

图9 中山站年平均风速与同期海平面气压(a)、表面气温场(b)以及700 hPa高度场(c)的相关系数。圆点表示通过了0.05水平显著性检验Fig.9.Correlation coefficient of the annual mean wind speed at Zhongshan Station with sea level pressure (a), surface termperature filed (b) and 700 hPa height filed of the same period (c).Dot means that it passed the 0.05 reliability significance test

图9c为年平均风速与700 hPa高度场的相关分布, 可以看出, 中山站风速与普里兹湾海域北部的南印度洋700 hPa高度场呈显著负相关,r超过0.5, 与极地内陆高度场虽呈正相关, 但相关性不显著。年平均风速与500 hPa高度场的相关分布与700 hPa分布基本一致。从高空位势高度和风差值场来看, 700 hPa(图10b)普里兹湾海域北部的南印度洋附近为正变高, 南极内陆为负变高, 这样的变高场配置, 使南印度洋附近低压和极地高压均减弱。中山站东部的玛丽皇后地高度场为正变高, 形成弱高压中心, 有利于中山站偏北气流的加强和维持。500 hPa(图10c)南极内陆高原和南印度洋高度场均呈正变高, 在两高之间, 形成顺时针的风场, 中山站附近经向环流加强。

图10 2002—2020年与1990—2001年合成场之差。a)海平面气压(hPa)和风场(m·s-1); b)700 hPa高度场(gpm)和风场(m·s-1); c) 500 hPa高度场(gpm)和风场(m·s-1)Fig.10.Difference of composite fields between 2002—2020 and 1990—2001.a) sea level pressure (hPa) and wind field(m·s-1); b) 700 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1); c) 500 hPa height field (gpm) and wind field (m·s-1)

7 结论

1.中山站月平均风速随时间呈倒“U”字型,1月平均风速最小, 6月和8月风速达到全年最大。风速存在明显的季节变化, 冬季风速最大,秋季次之, 夏季最小。中山站风速日变化呈单峰单谷型, 峰值出现在凌晨5时, 谷值出现在15时。从季节变化来看, 春季和夏季风速具有明显日变化特征, 秋季和冬季风速日变化不明显。中山站全年风向变化较小, 2—11月东风出现频率最高,1月和12月东东北风出现频率最大。

2.中山站年最多风向以东北至东东南为主,东风出现频率最高。近31年风速呈减小趋势, 四个季节中夏季风速减小趋势最大。中山站年下降风频数也呈减少趋势, 其中夏季和冬季下降风频数减少趋势最为显著。中山站纬向风速明显大于经向风速, 纬向风速呈减小趋势, 而经向风速变化趋势不明显。南风分量年平均风速减小速率都显著大于其他风分量, 西风和北风变化趋势不显著, 东风分量在夏季减小趋势最显著。

3.近31年中山站大风日数和各季节总大风日数均呈明显的减少趋势。夏季大风日数减少趋势最大, 冬季是大风日数最多的季节, 但大风日数减少趋势最弱。中山站中小风日数增加了, 中大风或大风日数减少了, 年平均风速减小主要由中大风和大风日数减少造成的。

4.中山站年平均风速在2002年发生突变,突变后风速减小。从大气环流的变化来看, 2002年以后中山站南部极地冷高压和北部南印度洋绕极低压带强度减弱, 导致高、低压之间气压梯度减小, 造成中山站平均风速减小。高空经向环流加强, 造成中山站附近纬向风减弱, 经向风增强。