紀(jì)玲玲，襲祝香，劉玉汐，杜冠男，劉子琪

(1.吉林省氣象臺，吉林 長春 130062; 2.吉林省吉林市氣象局，吉林 吉林 132010)

引 言

大風(fēng)是一種十分常見的災(zāi)害性天氣。春季大風(fēng)常常造成作物毀種、補(bǔ)種，夏、秋季大風(fēng)往往導(dǎo)致作物倒伏等[1-2]。大風(fēng)對生態(tài)環(huán)境也有很大影響，可導(dǎo)致土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，干旱加劇，使農(nóng)田退化或沙漠化，造成生態(tài)環(huán)境惡化[3-6]。大風(fēng)還極具破壞性，經(jīng)常導(dǎo)致塑料大棚、日光溫室、養(yǎng)殖暖棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施掀翻或毀壞[7-9]。大風(fēng)對交通、電信、建筑、城市住建等破壞性也較大[10-11]。對于大風(fēng)的破壞性，比較好的考量指標(biāo)是極大風(fēng)速(給定時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的最大值)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型橋梁、高聳建筑物、港口、碼頭、輸變電線路等大型工程項(xiàng)目日益增多，此外，還有城鎮(zhèn)公共設(shè)施等，極大風(fēng)速是這些大風(fēng)易損結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)建設(shè)中必須考慮的問題[12]。因此，對極大風(fēng)速的時(shí)空特征開展研究，對于最大限度地減輕大風(fēng)災(zāi)害造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失意義重大。

目前，有關(guān)大風(fēng)災(zāi)害的研究較多[13-17]：主要集中在大風(fēng)的時(shí)空變化特征方面，研究發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域無論大風(fēng)日數(shù)還是最大風(fēng)速均呈下降趨勢[18-24]；其次是針對大風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，采用多種影響因子建立評估模型，確定各級風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[11，25-28]；還有基于大風(fēng)災(zāi)情資料分析大風(fēng)的災(zāi)情分布特征，并建立大風(fēng)災(zāi)害損失等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[10，29-30]。受觀測手段的限制，上述研究基本都是基于最大風(fēng)速(即10 min平均風(fēng)速的最大值)、大風(fēng)日數(shù)資料等，而對極大風(fēng)速的研究開展較少。2005年后由于自動(dòng)氣象觀測站的使用，開始有極大風(fēng)速的觀測，本文利用2005—2018年極大風(fēng)速和最大風(fēng)速資料，計(jì)算陣風(fēng)系數(shù)，進(jìn)而對1971—2004年的極大風(fēng)速進(jìn)行擬合估算(1971年前最大風(fēng)速資料大多沒有)，在此基礎(chǔ)上對極大風(fēng)速的時(shí)空特征及其與氣候變暖的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為科學(xué)應(yīng)對大風(fēng)災(zāi)害及防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)榧质?，大致位?1°N—47°N，121°E—132°E之間。吉林省為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季晴朗涼爽，冬季寒冷少雪。吉林省地勢東南高、西北低，地勢高度相差較大，中西部地區(qū)平原和東部延邊盆地海拔高度在300 m以下，東南部的長白山主峰白云峰海拔高度達(dá)2691 m(圖1)。在地理位置上，吉林省地處西北部大興安嶺和東南部長白山脈之間的狹長地帶，由于風(fēng)洞效應(yīng)十分有利于大風(fēng)的形成和增強(qiáng)，因此，吉林省大風(fēng)天氣多，風(fēng)力大，危害嚴(yán)重。吉林省的天池、梨樹、白城都曾出現(xiàn)超過40 m·s-1的大風(fēng)，風(fēng)力達(dá)到了臺風(fēng)等級，這在陸地上十分罕見。2017年5月5—7日，吉林省連續(xù)3 d出現(xiàn)全省范圍的大風(fēng)天氣，瞬時(shí)最大風(fēng)力均超8級，其中11個(gè)縣市瞬時(shí)最大風(fēng)力超過10級，持續(xù)大風(fēng)天氣導(dǎo)致部分地方溫棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)損毀，房屋倒塌，受災(zāi)人口26 638人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4032萬元。

2 資料與方法

2.1 資料選取及極大風(fēng)速估算

采用吉林省50個(gè)國家氣象站1971—2018年逐日最大風(fēng)速資料、2005—2018年逐日極大風(fēng)速資料。站點(diǎn)選取考慮資料連續(xù)、資料序列長等因素，基本含有吉林省所有具有長年代資料的站點(diǎn)，圖1為研究區(qū)域和站點(diǎn)分布。

圖1 吉林省氣象站點(diǎn)分布及海拔高度(陰影，單位：m)Fig.1 Distribution of meteorological stations and altitudes (the shade, Unit: m) in Jinlin Province

采用陣風(fēng)系數(shù)法[12]對1971—2004年的極大風(fēng)速進(jìn)行估算，陣風(fēng)系數(shù)是瞬時(shí)風(fēng)和平均風(fēng)的比例系數(shù)，陣風(fēng)系數(shù)受下墊面粗糙度及周圍環(huán)境的影響較大，下墊面粗糙度越大，陣風(fēng)系數(shù)越大，而風(fēng)速越大，陣風(fēng)系數(shù)越小。將2005—2018年吉林省各站逐日極大風(fēng)速與當(dāng)日最大風(fēng)速相除，得到逐日陣風(fēng)系數(shù)，為取得穩(wěn)定的陣風(fēng)系數(shù)，將各站逐日最大風(fēng)速按[1，2)，[2，3)，[3，4)，…，[17，18)，≥18 m·s-1區(qū)間分別劃分為1,2,3，…，17，18級，計(jì)算不同級別風(fēng)速的平均陣風(fēng)系數(shù)。圖2為2005—2018年吉林省不同級別風(fēng)速的平均陣風(fēng)系數(shù)。可以看出，隨著最大風(fēng)速的增大，平均陣風(fēng)系數(shù)逐漸減小，當(dāng)最大風(fēng)速為1～2 m·s-1時(shí)，陣風(fēng)系數(shù)最大為1.72，當(dāng)最大風(fēng)速≥18 m·s-1后，陣風(fēng)系數(shù)減小至1.35。

圖2 2005—2018年吉林省不同等級風(fēng)速的陣風(fēng)系數(shù)Fig.2 The gusty wind coefficient under different levels of wind speed in Jilin Province during 2005-2018

根據(jù)此陣風(fēng)系數(shù)，對吉林省1971—2004年極大風(fēng)速進(jìn)行估算，即逐日最大風(fēng)速乘以該風(fēng)速等級下的平均陣風(fēng)系數(shù)，例如某站某日最大風(fēng)速為17.4 m·s-1，該風(fēng)速等級的平均陣風(fēng)系數(shù)為1.4，則該站該日的估算極大風(fēng)速為24.4 m·s-1。估算的逐日極大風(fēng)速和2005—2018年觀測的逐日極大風(fēng)速資料連接，形成1971—2018年極大風(fēng)速資料序列。

2.2 研究方法

多年一遇的氣候要素極值是指在T年內(nèi)(如30 a、50 a)出現(xiàn)一次的極值，這一極值出現(xiàn)的概率為1/T，T為該極值的重現(xiàn)期。在工程設(shè)計(jì)上，為抗御可能出現(xiàn)的異常極大風(fēng)速帶來危害，不同重現(xiàn)期的極大風(fēng)速值，如百年一遇的極大風(fēng)速，是必須考慮的因素。本文采用極值Ⅰ型分布[31-33]估算吉林省各地不同重現(xiàn)期下極大風(fēng)速，具體公式如下：

(1)

采用相關(guān)、線性傾向率、累積距平、Mann-Kendall檢驗(yàn)[34-37]等方法對極大風(fēng)速的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 8級以上逐級極大風(fēng)速分布特征

一般情況，風(fēng)力等級越大，破壞力越大。圖3為1971—2018年吉林省8級及以上極大風(fēng)速出現(xiàn)站次?？梢钥闯?，隨著風(fēng)力級別的升高，出現(xiàn)站次迅速降低，其中8級極大風(fēng)速出現(xiàn)站次最多，1971—2018年全省共出現(xiàn)33 283站次，占8級及以上極大風(fēng)速出現(xiàn)總站次的76%；9級其次，共出現(xiàn)7546站次，占總數(shù)的17%；10級共出現(xiàn)2554站次，占總數(shù)的6%；11級明顯減少，只出現(xiàn)394站次，占總數(shù)的1%；12級和13級以上更少，分別出現(xiàn)47站次和14站次。

圖3 1971—2018年吉林省8級及以上極大風(fēng)速出現(xiàn)站次Fig.3 Occurring times of extreme wind speed above 8 levels in Jilin Province during 1971-2018

3.2 極大風(fēng)速的時(shí)間變化特征

3.2.1 逐旬變化

圖4為1971—2018年吉林省逐旬平均極大風(fēng)速變化?？梢钥闯觯鹧骄鶚O大風(fēng)速呈雙峰雙谷特征，1月上旬，處于低谷區(qū)，1月中旬到達(dá)谷值，平均極大風(fēng)速為12.9 m·s-1；之后極大風(fēng)速逐漸增大，4月下旬至5月上旬達(dá)到峰值，也是一年的最高值，平均極大風(fēng)速為19.2 m·s-1，吉林省極大風(fēng)速極值往往出現(xiàn)在這一時(shí)段，例如1971年長春、吉林以及1972年扶余、東崗在5月都出現(xiàn)超過40 m·s-1的極大風(fēng)速；隨后極大風(fēng)速下降，在8月中旬達(dá)到谷值，也是一年的最低值，平均極大風(fēng)速為12.4 m·s-1；然后極大風(fēng)速10月下旬達(dá)到次高峰值，平均極大風(fēng)速為16.2 m·s-1，之后極大風(fēng)速再次下降?？梢?，吉林省極大風(fēng)速峰值出現(xiàn)在春秋季，和吉林省春秋季森林草原防火關(guān)鍵期相對應(yīng)，且春季明顯高于秋季；而谷值出現(xiàn)在冬夏季，且夏季較冬季低。

3.2.2 極大風(fēng)速的年際和年代際變化

圖5為1971—2018年吉林省平均極大風(fēng)速的年際變化。可以看出，1971年以來，吉林省年平均極大風(fēng)速呈減小趨勢，平均每10 a減小0.9 m·s-1，相關(guān)系數(shù)R2為0.59，通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。表1列出1971—2018年吉林省平均極大風(fēng)速及8級以上大風(fēng)發(fā)生站次的年代際變化?？梢钥闯?，平均極大風(fēng)速的年代際變化呈逐年代減小趨勢，各年代超過8級以上大風(fēng)出現(xiàn)站次也基本呈相同的變化趨勢，但仍有極端大風(fēng)天氣出現(xiàn)，2011—2018年出現(xiàn)10級大風(fēng)80站次，11級大風(fēng)14站次，并且還出現(xiàn)1站次13級以上大風(fēng)，因此，仍應(yīng)加強(qiáng)大風(fēng)災(zāi)害防御。

圖4 1971—2018年吉林省旬平均極大風(fēng)速變化Fig.4 The change of ten-day average extreme wind speed in Jilin Province from 1971 to 2018

圖5 1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速變化Fig.5 The annual variation of mean extreme wind speed in Jilin Province from 1971 to 2018

表1 1971—2018年吉林省平均極大風(fēng)速及8級以上大風(fēng)發(fā)生站次的年代際變化Tab.1 Decadal variation of extreme wind speed and occurring times of extreme wind speed above grade 8 in Jilin Province from 1971 to 2018

3.3 極大風(fēng)速的空間分布

圖6為1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速氣候傾向率的空間分布。可以看出，全省大部分地區(qū)極大風(fēng)速都呈減小趨勢，50站中有44站呈減小趨勢，長春站減小最多，每10 a減小2.7 m·s-1；雙陽、煙筒山、蛟河、臨江、汪清和延吉6站的極大風(fēng)速呈增大趨勢，其中延吉增大最多，每10 a增大0.51 m·s-1。全省大部分地區(qū)的氣候傾向率都通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，占比達(dá)78%。

圖6 1971—2018吉林省年平均極大風(fēng)速氣候傾向率的空間分布[單位：m·s-1·(10 a)-1] (黑色圓點(diǎn)表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn))Fig.6 The spatial distribution of climate trend rate of annual mean extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018 (Unit： m·s-1·(10 a)-1)(The black dots indicate the stations of climate tendency passing the significance test of 0.05)

圖7為1971—2018年吉林省平均極大風(fēng)速的空間分布。可以看出，吉林省年平均極大風(fēng)速呈西高東低分布，中西部地區(qū)為極大風(fēng)速高值區(qū)，年平均極大風(fēng)速一般在23 m·s-1以上，其中白城地區(qū)大部、長春、四平地區(qū)極大風(fēng)速在25 m·s-1以上，且最大出現(xiàn)在長春站，達(dá)27 m·s-1。吉林省東南部為年平均極大風(fēng)速的低值區(qū)，年平均極大風(fēng)速一般在22 m·s-1以下，尤其在通化、白山地區(qū)南部、延邊地區(qū)東北角，年平均極大風(fēng)速在21 m·s-1以下，最小出現(xiàn)在白山地區(qū)的臨江，為16.9 m·s-1。

圖7 1971—2018年吉林省平均極大風(fēng)速的空間分布(單位：m·s-1)Fig.7 The spatial distribution of annual mean extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018 (Unit: m·s-1)

3.4 不同重現(xiàn)期下極大風(fēng)速估算

圖8為估算的吉林省30 a、50 a重現(xiàn)期下極大風(fēng)速空間分布?？梢钥闯觯质≈形鞑看蟛康貐^(qū)以及長白山高海拔地區(qū)附近，50 a一遇的極大風(fēng)速在32 m·s-1以上，最大出現(xiàn)在長春站(40.7 m·s-1)；東南部大部分地區(qū)和松原地區(qū)附近一般在32 m·s-1以下，尤其通化和白山地區(qū)南部在28 m·s-1以下，最小出現(xiàn)在臨江(23.5 m·s-1)。吉林省30 a一遇的極大風(fēng)速空間分布和50 a一遇類似，也是中西部大、東南部小，但風(fēng)速量值減小，中西部地區(qū)大部、長白山附近、延邊大部一般在28 m·s-1以上，最大出現(xiàn)在長春站，達(dá)36.9 m·s-1；東南部地區(qū)的通化和白山地區(qū)南部一般在28 m·s-1以下，最小出現(xiàn)在臨江，為21.7 m·s-1。

圖8 吉林省30 a(a)、50 a(b)重現(xiàn)期下的極大風(fēng)速估算值空間分布(單位：m·s-1)Fig.8 The spatial distribution of estimated extreme wind speed under 30-year (a) and 50-year (b) return periods in Jilin Province (Unit： m·s-1)

表2列出吉林省地市級代表站不同重現(xiàn)期下的極大風(fēng)速?？梢钥闯?，不同重現(xiàn)期下，中西部地區(qū)(白城、松原、長春、四平、遼源、吉林)極大風(fēng)速較大，其中長春站極大風(fēng)速最大，10～50 a一遇的極大風(fēng)速為33.9～40.7 m·s-1；不同重現(xiàn)期下東南部地區(qū)(通化、白山、延邊)極大風(fēng)速較小，其中通化站最小，10～50 a一遇的極大風(fēng)速為25.6～30.5 m·s-1。

表2 吉林省地市級代表站不同重現(xiàn)期極大風(fēng)速Tab.2 Extreme wind speed of representative stations of prefecture-level cities in Jilin Province under different recurrence periods 單位：m·s-1

3.5 極大風(fēng)速和氣候變暖的關(guān)系

圖9為1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速和年平均氣溫的散點(diǎn)圖?？梢钥闯?，二者呈明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)-0.5639，且通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。即隨著年平均氣溫升高，年平均極大風(fēng)速減小，氣溫每升高1 ℃，極大風(fēng)速減小約1.33 m·s-1。

圖9 1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速和年平均氣溫的散點(diǎn)圖Fig.9 The scatter plot of annual average extreme wind speed and annual mean temperature in Jilin Province during 1971-2018

圖10為1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速和年平均氣溫的累積距平曲線?？梢钥闯?，1970年代以來，年平均極大風(fēng)速和氣溫呈明顯的反位相變化，1971—1987年年平均極大風(fēng)速為偏高階段、年平均氣溫為偏低階段，1988年后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，1988—2018年年平均極大風(fēng)速為偏低階段、年平均氣溫為偏高階段。1980年代以來，吉林省出現(xiàn)氣候變暖趨勢，年平均極大風(fēng)速處于減小趨勢。

圖10 1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速和年平均氣溫的累積距平曲線Fig.10 The accumulated anomaly courves of annual average extreme wind speed and annual mean temperature in Jilin Province during 1971-2018

東北地區(qū)氣溫在1988年前后發(fā)生突變[38]，之后氣溫表現(xiàn)出明顯的變暖趨勢，由于吉林省極大風(fēng)速和氣溫存在明顯的反相關(guān)和反位相關(guān)系，因此，利用Mann-Kendal檢驗(yàn)方法對吉林省年平均極大風(fēng)速進(jìn)行突變分析。由圖11可以看出，UF值呈波動(dòng)下降趨勢，且一直為負(fù)值，UB則呈上升趨勢。UF與UB兩條曲線在±1.96臨界線之間相交于1988年左右，且UF曲線超過-1.96臨界線，說明在α=0.05的顯著性水平下，吉林省年平均極大風(fēng)速在1988年前后發(fā)生突變，即1988年前后極大風(fēng)速明顯減小，年極大風(fēng)速在氣溫變暖突變的同時(shí)，出現(xiàn)減小的突變。

圖11 1971—2018年吉林省年平均極大風(fēng)速的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.11 The Mann-kendall test of annual average extreme wind speed in Jilin Province during 1971-2018

4 極大風(fēng)速分布及其變化成因探討

4.1 極大風(fēng)速空間分布成因

4.1.1 地形因素

吉林省極大風(fēng)速中西部大、東南部小和該地地形分布有很大關(guān)系，吉林省位于東北地區(qū)中部，西北部為大興安嶺，東南部為長白山脈，西北—東南走向的大興安嶺和長白山脈使吉林省中西部平原地區(qū)產(chǎn)生了明顯的風(fēng)洞效應(yīng)，加速了西南氣流的流動(dòng)，容易形成大風(fēng)。此外，中西部地區(qū)為平坦的松嫩平原，對風(fēng)的摩擦力小，有利于風(fēng)速增強(qiáng)加大，東南部地區(qū)為山區(qū)，地面粗糙度明顯增加，風(fēng)速因而減弱降低。

4.1.2 環(huán)流成因

吉林省處于中高緯度地區(qū)，該區(qū)域風(fēng)力與氣壓場基本符合地轉(zhuǎn)風(fēng)、梯度風(fēng)原理，風(fēng)力加大往往和氣壓系統(tǒng)加強(qiáng)或者氣壓梯度加大有關(guān)。吉林省極大風(fēng)速高值區(qū)主要位于中西部地區(qū)，這里春季盛行的西南大風(fēng)全國聞名，其頻數(shù)之多、范圍之廣、風(fēng)速之大、持續(xù)時(shí)間之長均為全年之冠。春季該區(qū)域高空環(huán)流平直，暖空氣逐漸活躍，小槽活動(dòng)多，速度較快，地面氣旋活動(dòng)頻繁，黃海、渤海上的暖高壓入海機(jī)會(huì)增多。當(dāng)入海的暖高壓和地面氣旋相遇時(shí)，低壓的東南部和暖高壓的西北部常形成南高北低形勢，氣壓梯度加大，從而產(chǎn)生西南大風(fēng)，導(dǎo)致風(fēng)力加大。

4.2 極大風(fēng)速減小成因

研究表明，近年來風(fēng)速減小和緯度、海陸溫差、氣溫日較差減小有關(guān)[39-40]，此外，風(fēng)速減小和高空環(huán)流、海平面氣壓的變化也有一定的關(guān)系[40-41]。因此，計(jì)算吉林省氣溫日較差和年平均極大風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.499(樣本數(shù)48)，通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，說明由于氣候變暖，最高氣溫和最低氣溫的溫差減小，使局地山谷風(fēng)、海陸風(fēng)減弱，因此風(fēng)速普遍減小[41]。吉林省年平均極大風(fēng)速和高低空環(huán)流關(guān)系也極為密切，由于大氣環(huán)流由西向東運(yùn)行，吉林省的天氣受上游地區(qū)環(huán)流影響較大，計(jì)算吉林省年平均極大風(fēng)速和吉林省上游地區(qū)(10°N—85°N、0°E—130°E)年平均500 hPa位勢高度、海平面氣壓及年平均500 hPa位勢高度和海平面氣壓差的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)-0.5407、0.4749、-0.7778(樣本數(shù)48)，這可能和近年來西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)以及地面高壓減弱有關(guān)[40]，近年來吉林省上游地區(qū)500 hPa位勢高度呈增大趨勢，即西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)，緯向環(huán)流加強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流交換減弱，冷暖空氣交換弱，風(fēng)速減??；同時(shí)，近年來吉林省上游地區(qū)海平面氣壓場降低，地面高壓也隨之減弱，導(dǎo)致地面高低壓之間的梯度減小，風(fēng)速減??；此外，氣候變暖，氣溫升高，暖空氣上升，使地面氣壓下降，高空氣壓上升，從而使地面風(fēng)速降低。

5 結(jié) 論

(1)吉林省8級及以上大風(fēng)隨著風(fēng)力級別的升高，出現(xiàn)站次迅速降低，8～9級占93%，10級以上只占7%。

(2)吉林省年內(nèi)極大風(fēng)速呈雙峰雙谷特征，春、秋季出現(xiàn)峰值，冬、夏季出現(xiàn)谷值；1971年以來，吉林省年平均極大風(fēng)速呈減小趨勢，每10 a下降0.9 m·s-1。吉林省逐年代年平均極大風(fēng)速及8級及以上大風(fēng)次數(shù)均呈減小趨勢。

(3)年平均極大風(fēng)速、10～50 a一遇極大風(fēng)速都呈西北高、東南低的空間分布，中西部年平均極大風(fēng)速一般在23 m·s-1以上，東南部在22 m·s-1以下，長春站10～50 a一遇的極大風(fēng)速最大，達(dá)33.9～40.7 m·s-1。

(4)吉林省年平均極大風(fēng)速和氣溫呈明顯的反相關(guān)和反位相關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.5639，氣溫每升高1 ℃，極大風(fēng)速減小約1.33 m·s-1，年平均極大風(fēng)速偏大、偏小階段分別對應(yīng)氣溫的偏低、偏高階段；吉林省年平均極大風(fēng)速在1988年前后發(fā)生突變，和東北地區(qū)氣溫突變同步。