大连地区阵风系数特征分析

李昱茜 杨景泰 隋玉秀 邬晓冬 张黎红 孙立娟 王蕾 肖剑

（1.大连市气象服务中心，辽宁大连 116001；2.空军航空大学，辽宁锦州 121000）

引言

大风是我国主要气象灾害之一。气旋、冷空气以及强对流等恶劣天气所带来的大风不仅是港区作业易发生安全事故的关键危险源［1］，同时可能对轮渡、民航、高速铁路以及建筑施工甚至生命财产安全带来严重威胁［2-5］。港口大型起重机几乎每年都出现由强风所导致的事故［6］，海上大风更是引起海难事故的主要致灾因子［7］。日常天气预报中关于风要素的预报通常包括平均风和阵风，而重大气象灾害往往都是由强烈阵风引起的［8］。2007年2月新疆列车在遭遇13级阵风后发生脱轨倾覆［9］。1994年4月“南宽502”货轮在湄公河发生的触礁事故，就是由于强阵风导致船舶偏离航线造成的［10］。最新欧洲码头起重机标准（EN3001）明确规定港口码头的起重机需按照阵风值来进行设计［11］。大连港现有客／车滚装、集装箱码头、油品码头、矿石码头、杂货码头等7个专业装卸作业区，以及包括“烟台—大连”航线在内共14条海上航线。历史上大风天气常常迫使航线停航、集装箱码头暂停装卸作业，影响船舶靠泊，甚至会引发港口集装箱倾翻、船损事故等，所造成的损失都是极为严重的。因此，研究近地面阵风的变化规律，加强不同天气系统下的阵风预测和风险评估，提高阵风预报精准化水平，对交通和生命财产安全以及防灾减灾都具有重要的意义。

阵风的特征研究是大风预报和服务的基础，目前国内外学者普遍采用阵风系数作为阵风客观预报的主要方法［12-13］。董双林［14］研究中国各地代表站的阵风极值和阵风因子，并得出阵风因子随稳定风速、平均时间、距地面高度、地面粗糙度和稳定风速三阶矩变化的经验公式。陈燕等［15］利用测风塔的梯度风观测数据分析近地层的阵风系数分布，发现不同高度层的阵风系数随风速增大而一致性减小，当风速超过6级后，基本稳定少变。Xu等［16］利用船载自动站、浮标站与岸基自动站测风资料，分析发现琼州海峡海面阵风系数随风速增大而减小。由于引起大风的天气系统不同，导致风的阵性也会出现不同差异。周福等［17］普查2011—2013年浙江省大风个例，针对不同天气系统所造成的大风过程，对比分析近地面阵风系数特征，以及进行站点模糊聚类并建立阵风系数预报模型。胡波等［18］针对台风和冬季大风天气系统的单站阵风因子展开研究，发现台风阵风因子比冬季大风大0.1～0.2，并初步分析得出两种天气系统阵风主要成因的差异。刘炳荣等［19］分析深圳地区不同季节条件下各气象站的阵风系数，发现随着离海岸距离的增加，单位面积下垫面的摩擦系数也随之增加，阵风系数变大。下垫面的差异和不同的天气系统都会导致各地阵风系数有明显区别，因此不同地区的阵风系数需要用本地实际观测资料进行验证，并对其特征做专项分析。

目前国内关于阵风系数的研究以南方地区居多，其研究主要侧重在空间分布和热带气旋影响下的阵风系数分析，而对于不同风向下阵风系数之间的差异以及阵风系数日变化的统计研究则较少。北方尤其是北方沿海的大风大多由温带气旋或强冷空气所引发，其影响天气系统与南方地区有明显的差异，但北方地区对阵风的研究尚为欠缺。而大连地处辽东半岛南端，位于黄渤海交界处，属暖温带季风气候，天气系统复杂多变，冬季以偏北大风居多，春秋季更容易出现偏南大风，夏季强对流往往也能引发短时强阵风天气。因此，系统地分析大连地区阵风系数特征在一定程度上对北方地区阵风的研究起到有益补充，并且有助于提高当地阵风预报准确率和服务质量。本研究将依据大连沿海及内陆自动气象站历史小时数据，分析大连全区阵风系数时空分布特征、月际变化、日变化以及不同风向之间阵风系数的区别；在此基础上，进一步分析不同天气形势下阵风系数特征。

1 资料与方法

1.1 阵风系数定义

世界气象组织（WMO）阵风系数定义［20］：在时距T0的时间段内持续时间为τ的最大阵风风速与时距为T0的平均风速之比，即

式（1）中，Vτ，T0为观测周期T0中持续时间τ的最大阵风；VT0为观测周期T0的平均风速。赵德山等［21］通过对不同时距风的阵风系数研究指出，阵风系数计算时，T0必须大于3 min才具有代表性。后续对阵风系数的研究［17，22］都沿用了该结论。

在地面观测中，10 min平均风速是指风速每秒采样一次，先求出1 min的平均值，再以1 min为步长求出逐10 min的平均值；极大风速是指记录时间正点前1 h内的最大阵风风速。根据阵风系数的定义和实际观测记录，本文取T0为10 min，τ为3 s，取逐小时极大风速Vτ，T0与该极大风速出现时刻相对应10 min平均风速VT0计算每个时次的阵风系数。

1.2 资料及处理方法

选取大连地区大连、金州、长海、庄河、普兰店、瓦房店、长兴岛、旅顺、皮口9个国家站和165个区域站逐10 min的10 m风观测资料。所选站点遍布渤海、渤海海峡、黄海北部沿岸、海岛以及相对内陆的地区，能较好地代表大连海陆分布的特殊地理状况。由于各气象站自动观测开始业务运行的时间不同，选取国家站2015年5月至2020年4月、区域站2017年1—12月观测数据。所用数据均已通过极值检查、要素逻辑关系检查等质量控制检验，剔除误差较多的区域自动站，检验后合格的区域站165个和国家站9个（图1）。

图1 大连地区国家气象站（a）和区域气象站（b）位置分布Fig.1 Location of a national weather station（a）and regional weather station（b）in Dalian

计算阵风系数时，首先查询逐小时极大风速（Vτ，T0）及其出现时刻，然后找出与该时刻对应的10 min平均风速（VT0），再按式（1）计算阵风系数。本文风级和风向均以与极大风速出现时刻对应的10 min平均风速为依据。当平均风速过小时容易产生奇异偏大值［11］，因此平均风速在1级以下的不参与讨论。统计国家站风速资料发现，当平均风速2级时，极大风速分别只有一个时次达到6级和7级，其余均在5级以下；当平均风速3级时，极端阵风可达到8级。综上，除2．2节针对平均风速2级以上的情形分析外，其他均指3级以上风级。

2 结果分析

2.1 阵风系数月际变化

由图2可知，月平均阵风系数的变化范围较小，峰值出现在12月，为1.77；谷值出现在6月，为1.66；峰值与谷值之间相差0.11。年平均阵风系数为1.72，秋末冬初（10月至翌年1月）偏大，为1.75～1.77；而夏季（尤其是6—7月）偏小，为1.66～1.72，这与南方沿海地区夏季阵风系数大于冬季的特征有明显差异［15］。主要原因是南方沿海地区易受台风影响，台风阵风具有非常强的瞬时性，从而导致夏季阵风系数偏大，而大连主要受西风带系统影响，冬季多受强冷空气控制，夏季天气系统偏弱，台风影响的次数较少，因此夏季阵风系数小于冬季。

图2 2015—2020年大连地区阵风系数月际变化Fig.2 Monthly variation of gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

最小阵风系数的月变化差异也比较小，变化范围为1.04～1.16。相比较而言，最大阵风系数各月差异较大，呈现出较为明显的双峰分布，峰值与次峰值分别为3.94、3.92，出现在8月、4月，而此时平均阵风系数所对应的并不是最高值。

2.2 各风级阵风系数比较

大气的湍流扰动，使得平均风速叠加了风速脉动，从而产生阵风。大气湍流运动强弱不仅与下垫面粗糙程度、大气层结有关，还受到稳定风速的影响。分析2～8级风的阵风系数变化可知（图3），总体来看，随着风速的增大，平均阵风系数和最大阵风系数均呈现出一致性减小的趋势（风速为8级的样本数量较少，只有6时次，统计意义上具有一定偏差），而最小阵风系数呈逐渐递增趋势；最大、最小阵风系数随着风力的增大逐渐向平均阵风系数收敛。从阵风系数变化幅度来看，2～8级风对应的平均阵风系数为1.58～1.75，2级风最大为1.75，8级风最小为1.58，最大值与最小值相差0.17。相比之下最大阵风系数波动明显，范围为1.76～5.59，最小阵风系数则在1.04～1.53。当风速为2级时，最大阵风系数5.59，最小阵风系数为1.05，两者之间相差达4.54；当风速增大到4级时，最大阵风系数与最小阵风系数之差迅速减小至2.25；到7级风时，两者之差为0.71；8级风进一步减小至0.23。最大阵风系数与最小阵风系数随风级增大向平均阵风系数靠拢并呈趋于一致的变化趋势，对实际预报中确定平均风速与阵风风速的对应关系有很好的参考价值。

图3 2015—2020年大连地区2～8级风的阵风系数比较Fig.3 Comparison of gust coefficients of Grade 2～8 wind in Dalian from 2015 to 2020

2.3 阵风系数频率分布

为了分析不同风级下阵风系数的分布规律，将平均阵风系数以0.1为间隔，统计大连9个国家站3～7级风平均阵风系数的频率分布（图4）。由图4可知，各风级平均阵风系数的频率分布均呈单峰型，风级越大，分布范围越窄，峰值始终在1.5～1.6。3～4级风的平均阵风系数主要集中在1.3～2.0和1.4～1.9，分别占总频率的89%、82%；随着风级增加，峰值稳定，集中程度则越来越明显，当7级风时，80%以上的平均阵风系数为1.4～1.6。综合所有风级来说，平均阵风系数的高频区在1.4～1.6，占总频率的70%。这与江苏沿海地区10 m高度处的阵风系数集中在1.2～1.6，峰值为1.3［15］具有一定差异，可见不同地区的阵风系数需根据实际观测记录专门分析。

图4 2015—2020年大连地区阵风系数频率分布Fig.4 Frequency distribution of gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

2.4 各风向阵风系数差异

由表1可知，冷空气所引起的通常是偏北、西北、东北以及偏西大风，上述4个风向的平均阵风系数明显比其他风向偏大，其中北风最大，为1.84，东北风次之，为1.78；而与暖空气相对应的东风、东南风、南风以及西南风的平均阵风系数明显偏小，变化区间在1.61～1.66，其中南风最小。可见，受冷空气影响时，风的脉动特性要更强一些，尤以北风最为明显。阵风相对于平均风速的增量是由湍流和对流两个分量引起的［23］，而冷空气所引发的对流要明显最为大于和多于暖空气，因此导致地面风的脉动性更强。最大的北风与最小的南风之差达0.23，比风级间（0.17）、月际间（0.11）的最大差值更明显。

表1 2015—2020年大连地区不同风向阵风系数比较Table 1 Comparison of gust coefficients of different wind directions in Dalian from 2015 to 2020

从最大阵风系数的比较来看，西风最大为3.94，其次为北风3.92，东南风最小为2.91。虽然与暖空气相关的风向平均阵风系数小，但仍可出现较大的阵风，东风最大阵风系数为3.82，南风3.57。将阵风系数从大到小进行排列，取前50个样本进行统计分析，发现大的阵风系数多为西北风，其次是北风和西风，这三个风向占比接近80%，东南风则没有进入前50例。由此可得出大连地区大的阵风系数绝大多数是由冷空气活动引起的，其脉动特性更强。最小阵风系数各风向间的差异比平均阵风系数小，其中西南风最小为1.04，西风最大，为1.16。

2.5 阵风系数日变化

由于大气运动存在明显的日变化，一些影响风速大小的因子如动量下传等存在明显的日变化，因此有必要讨论阵风系数的日变化特征。从8个风向的平均值来看（图5），大连地区平均阵风系数全天较大的时段在07—15时，其中09—13时达到最大，为1.74，下午到夜间则偏小，18—23时为全天最小1.70，00—06时略有增大，为1.71。

图5 2015—2020年大连地区N、NE、W、NW风向（a）和E、SE、SW风向（b）平均阵风系数日变化Fig.5 Daily variations in mean gust coefficients with N、NE、W、NW（a）and E、SE、SW（b）wind directions in Dalian from 2015 to 2020

通常来说，日出后大气湍流运动发展加强，日落后湍流发展受到抑制而逐渐减弱［24-25］，平均阵风系数日变化表现出一致的变化趋势，但通过对8个风向平均阵风系数日变化的统计分析，发现每个风向的日变化与平均值具有一定的差异，个别风向表现出相反的日变化规律。其中，北风、南风及东南风的最小时段出现在00—05时，与平均值略有差异；东北风的平均阵风系数日变化不明显；而西南风则表现出夜间平均阵风系数大于白天的特点，18—24时阵风系数逐渐增大。

此外，与暖空气相对应的东风、东南风、南风、西南风振幅明显大于冷空气相对应的风向，东南风的振幅最大，达0.12，而东北风的振幅最小，仅有0.03。说明受暖空气影响时，阵风系数的日变化比冷空气明显。造成这种差异的原因可能与大连地区所处半岛环境的海陆风有关，白天受海风影响，加大了与暖空气相对应的各风向风的阵性，而与冷空气对应的各风向风的阵性被减弱，夜间则相反，所以暖空气影响下阵风系数的日变化更明显。

2.6 阵风系数空间分布

下垫面粗糙程度以及地理条件的差异都是影响阵风系数的因子［26］，而海陆差异对阵风系数也有明显的影响［15］，本文根据国家站和区域站风资料，分别讨论阵风系数的空间分布。分析发现，与南方近海海面阵风系数小于陆地的特征不同［17］，大连地区平均阵风系数空间分布没有明显规律（图6）。位于西南沿海的大连站和旅顺站平均阵风系数最大，分别为1.91和1.83；位于内陆的瓦房店站略小，为1.75；而同样位于沿海地区的长兴岛、庄河站以及作为海岛代表站的长海站则相对偏小，分别为1.61、1.70、1.70。这可能是由于大连位于辽东半岛最南端，三面环海的特殊地理位置以及地形的峡谷作用等，导致阵风系数空间分布存在较大差异。

图6 2015—2020年大连地区平均阵风系数与最大阵风系数空间分布Fig.6 Spatial distribution of mean gust coefficients and maximum gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

从最大阵风系数的空间分布来看，东部地区普遍大于西部，庄河站最大阵风系数3.94，相较于旅顺和长兴岛分别偏大0.50、0.68。

由图7可知，不同风向平均阵风系数空间分布差异不大，大值区均集中在大连地区的北部及东北—西南一线，东南部和西北部沿海的阵风系数均偏小。各风向的平均阵风系数大小略有差异，北风的平均阵风系数相比其他风向明显偏大，变化范围集中在1.6～2.5，说明北风的阵性最为明显，其次是西风，东风的阵性相对较差。

图7 2017年大连地区北风（a）、东风（b）、南风（c）和西风（d）平均阵风系数空间分布Fig.7 Spatial distribution of mean gust coefficients of north wind（a），east wind（b），south wind（c），and west wind（d）in Dalian in 2017

建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）中，针对A、B、C和D类地面粗糙度的围护结构给出了相应的阵风系数标准，在实际工程设计时应根据不同区域和不同迎风面（风向）阵风系数的明显差异性进行一定调整。对于大连地区来说，绝大多数区域（测站）与A、B类地面粗糙度相当，10 min平均风速6级及以上强风的最大阵风系数明显超过该标准下的阈值，因此在实际应用中有必要适当提高本地参数标准。

2.7 不同天气系统阵风系数特征

近地面阵风不仅与局地地形有关，还与天气系统有密切联系。本文根据一个观测日内大连地区任一国家气象站观测到8级以上阵风的情况统计大风个例，2015年5月至2020年4月共计164 d。按地面天气系统将大风个例分为气旋、台风、高压前部、高压后部、叠加型（受海上气旋和高压前部共同影响，但已脱离低压环流直接影响）以及雷暴大风共6类，针对10 min平均风速≥10.8 m·s-1（6级以上）的情况进行分析，仅统计与上述天气系统相对应风向的阵风系数，当某站出现一次平均风速6级以上的实况，即记为1站次。

由表2可知，大连地区的大风天气过程多由叠加型天气系统引起，累计共出现920站次。从6类天气系统的平均阵风系数来看，雷暴大风虽然出现站次少，但平均阵风系数最大，为1.85，可见强对流天气影响下的大风阵性特点更加明显；台风类次之，平均值1.66；与暖空气所对应的高压后部类最小，仅为1.46，与冷空气对应的高压前部型为1.58，明显高于高压后部型；气旋天气系统下各风向都有大风出现，但与冷空气对应风向的阵风系数明显高于与暖空气对应的风向，再次印证了冷空气活动更容易产生大的阵风事实。结合图3和图4，大连地区6级风以上的平均阵风系数为1.58～1.60，高频区集中为1.5～1.6。可见，在同风级下，气旋、台风以及雷暴大风天气的平均阵风系数更大，均在1.64以上，说明上述天气系统更容易出现强阵风。因此，在实际预报中需要格外关注，尤其在工程抗风、防台减灾等工作中，针对不同天气系统进行科学布防也是有效应对强风灾害的关键。

表2 2015—2020年大连地区不同天气系统平均阵风系数与平均风速6级以上大风发生站次Table 2 Mean gust coefficients of different weather systems and the times of gales with average wind grade above 6 in Dalian from 2015 to 2020

3 结论

（1）大连地区1—12月平均阵风系数的变化范围较小，为1.66～1.77，且秋末冬初平均阵风系数偏大，夏季偏小。随着风级增大，平均阵风系数和最大阵风系数均呈减小趋势，最小阵风系数则呈逐渐递增趋势，最大阵风系数和最小阵风系数随着风力的增大逐渐向平均阵风系数收敛。各风级的平均阵风系数频率分布均呈单峰型，且风级越大，分布范围越窄，峰值为1.5～1.6。

（2）与冷空气相对应的西、西北、北、东北风平均阵风系数明显大于与暖空气相对应的各风向，其中北风最大，为1.84；各风向间的平均阵风系数最大差值比风级间、月际间的最大差值更明显。除西南风外，其他风向的阵风系数均表现出白天大、夜间小的特点。

（3）大连地区平均阵风系数空间分布没有明显规律，且风向基本不影响阵风系数的空间分布，北部及东北—西南一线的阵风系数偏大，东南部和西北部沿海均偏小。

（4）大连地区平均风力6级以上的大风过程多受海上气旋和高压前部双系统共同影响。在同风级下，气旋、台风以及雷暴大风天气的平均阵风系数更大，均在1.64以上。