李昱茜 楊景泰 隋玉秀 鄔曉冬 張黎紅 孫立娟 王蕾 肖劍

（1.大連市氣象服務中心，遼寧大連 116001；2.空軍航空大學，遼寧錦州 121000）

引言

大風是我國主要氣象災害之一。氣旋、冷空氣以及強對流等惡劣天氣所帶來的大風不僅是港區(qū)作業(yè)易發(fā)生安全事故的關(guān)鍵危險源［1］，同時可能對輪渡、民航、高速鐵路以及建筑施工甚至生命財產(chǎn)安全帶來嚴重威脅［2-5］。港口大型起重機幾乎每年都出現(xiàn)由強風所導致的事故［6］，海上大風更是引起海難事故的主要致災因子［7］。日常天氣預報中關(guān)于風要素的預報通常包括平均風和陣風，而重大氣象災害往往都是由強烈陣風引起的［8］。2007年2月新疆列車在遭遇13級陣風后發(fā)生脫軌傾覆［9］。1994年4月“南寬502”貨輪在湄公河發(fā)生的觸礁事故，就是由于強陣風導致船舶偏離航線造成的［10］。最新歐洲碼頭起重機標準（EN3001）明確規(guī)定港口碼頭的起重機需按照陣風值來進行設計［11］。大連港現(xiàn)有客／車滾裝、集裝箱碼頭、油品碼頭、礦石碼頭、雜貨碼頭等7個專業(yè)裝卸作業(yè)區(qū)，以及包括“煙臺—大連”航線在內(nèi)共14條海上航線。歷史上大風天氣常常迫使航線停航、集裝箱碼頭暫停裝卸作業(yè)，影響船舶靠泊，甚至會引發(fā)港口集裝箱傾翻、船損事故等，所造成的損失都是極為嚴重的。因此，研究近地面陣風的變化規(guī)律，加強不同天氣系統(tǒng)下的陣風預測和風險評估，提高陣風預報精準化水平，對交通和生命財產(chǎn)安全以及防災減災都具有重要的意義。

陣風的特征研究是大風預報和服務的基礎，目前國內(nèi)外學者普遍采用陣風系數(shù)作為陣風客觀預報的主要方法［12-13］。董雙林［14］研究中國各地代表站的陣風極值和陣風因子，并得出陣風因子隨穩(wěn)定風速、平均時間、距地面高度、地面粗糙度和穩(wěn)定風速三階矩變化的經(jīng)驗公式。陳燕等［15］利用測風塔的梯度風觀測數(shù)據(jù)分析近地層的陣風系數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)不同高度層的陣風系數(shù)隨風速增大而一致性減小，當風速超過6級后，基本穩(wěn)定少變。Xu等［16］利用船載自動站、浮標站與岸基自動站測風資料，分析發(fā)現(xiàn)瓊州海峽海面陣風系數(shù)隨風速增大而減小。由于引起大風的天氣系統(tǒng)不同，導致風的陣性也會出現(xiàn)不同差異。周福等［17］普查2011—2013年浙江省大風個例，針對不同天氣系統(tǒng)所造成的大風過程，對比分析近地面陣風系數(shù)特征，以及進行站點模糊聚類并建立陣風系數(shù)預報模型。胡波等［18］針對臺風和冬季大風天氣系統(tǒng)的單站陣風因子展開研究，發(fā)現(xiàn)臺風陣風因子比冬季大風大0.1～0.2，并初步分析得出兩種天氣系統(tǒng)陣風主要成因的差異。劉炳榮等［19］分析深圳地區(qū)不同季節(jié)條件下各氣象站的陣風系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著離海岸距離的增加，單位面積下墊面的摩擦系數(shù)也隨之增加，陣風系數(shù)變大。下墊面的差異和不同的天氣系統(tǒng)都會導致各地陣風系數(shù)有明顯區(qū)別，因此不同地區(qū)的陣風系數(shù)需要用本地實際觀測資料進行驗證，并對其特征做專項分析。

目前國內(nèi)關(guān)于陣風系數(shù)的研究以南方地區(qū)居多，其研究主要側(cè)重在空間分布和熱帶氣旋影響下的陣風系數(shù)分析，而對于不同風向下陣風系數(shù)之間的差異以及陣風系數(shù)日變化的統(tǒng)計研究則較少。北方尤其是北方沿海的大風大多由溫帶氣旋或強冷空氣所引發(fā)，其影響天氣系統(tǒng)與南方地區(qū)有明顯的差異，但北方地區(qū)對陣風的研究尚為欠缺。而大連地處遼東半島南端，位于黃渤海交界處，屬暖溫帶季風氣候，天氣系統(tǒng)復雜多變，冬季以偏北大風居多，春秋季更容易出現(xiàn)偏南大風，夏季強對流往往也能引發(fā)短時強陣風天氣。因此，系統(tǒng)地分析大連地區(qū)陣風系數(shù)特征在一定程度上對北方地區(qū)陣風的研究起到有益補充，并且有助于提高當?shù)仃囷L預報準確率和服務質(zhì)量。本研究將依據(jù)大連沿海及內(nèi)陸自動氣象站歷史小時數(shù)據(jù)，分析大連全區(qū)陣風系數(shù)時空分布特征、月際變化、日變化以及不同風向之間陣風系數(shù)的區(qū)別；在此基礎上，進一步分析不同天氣形勢下陣風系數(shù)特征。

1 資料與方法

1.1 陣風系數(shù)定義

世界氣象組織（WMO）陣風系數(shù)定義［20］：在時距T0的時間段內(nèi)持續(xù)時間為τ的最大陣風風速與時距為T0的平均風速之比，即

式（1）中，Vτ，T0為觀測周期T0中持續(xù)時間τ的最大陣風；VT0為觀測周期T0的平均風速。趙德山等［21］通過對不同時距風的陣風系數(shù)研究指出，陣風系數(shù)計算時，T0必須大于3 min才具有代表性。后續(xù)對陣風系數(shù)的研究［17，22］都沿用了該結(jié)論。

在地面觀測中，10 min平均風速是指風速每秒采樣一次，先求出1 min的平均值，再以1 min為步長求出逐10 min的平均值；極大風速是指記錄時間正點前1 h內(nèi)的最大陣風風速。根據(jù)陣風系數(shù)的定義和實際觀測記錄，本文取T0為10 min，τ為3 s，取逐小時極大風速Vτ，T0與該極大風速出現(xiàn)時刻相對應10 min平均風速VT0計算每個時次的陣風系數(shù)。

1.2 資料及處理方法

選取大連地區(qū)大連、金州、長海、莊河、普蘭店、瓦房店、長興島、旅順、皮口9個國家站和165個區(qū)域站逐10 min的10 m風觀測資料。所選站點遍布渤海、渤海海峽、黃海北部沿岸、海島以及相對內(nèi)陸的地區(qū)，能較好地代表大連海陸分布的特殊地理狀況。由于各氣象站自動觀測開始業(yè)務運行的時間不同，選取國家站2015年5月至2020年4月、區(qū)域站2017年1—12月觀測數(shù)據(jù)。所用數(shù)據(jù)均已通過極值檢查、要素邏輯關(guān)系檢查等質(zhì)量控制檢驗，剔除誤差較多的區(qū)域自動站，檢驗后合格的區(qū)域站165個和國家站9個（圖1）。

圖1 大連地區(qū)國家氣象站（a）和區(qū)域氣象站（b）位置分布Fig.1 Location of a national weather station（a）and regional weather station（b）in Dalian

計算陣風系數(shù)時，首先查詢逐小時極大風速（Vτ，T0）及其出現(xiàn)時刻，然后找出與該時刻對應的10 min平均風速（VT0），再按式（1）計算陣風系數(shù)。本文風級和風向均以與極大風速出現(xiàn)時刻對應的10 min平均風速為依據(jù)。當平均風速過小時容易產(chǎn)生奇異偏大值［11］，因此平均風速在1級以下的不參與討論。統(tǒng)計國家站風速資料發(fā)現(xiàn)，當平均風速2級時，極大風速分別只有一個時次達到6級和7級，其余均在5級以下；當平均風速3級時，極端陣風可達到8級。綜上，除2．2節(jié)針對平均風速2級以上的情形分析外，其他均指3級以上風級。

2 結(jié)果分析

2.1 陣風系數(shù)月際變化

由圖2可知，月平均陣風系數(shù)的變化范圍較小，峰值出現(xiàn)在12月，為1.77；谷值出現(xiàn)在6月，為1.66；峰值與谷值之間相差0.11。年平均陣風系數(shù)為1.72，秋末冬初（10月至翌年1月）偏大，為1.75～1.77；而夏季（尤其是6—7月）偏小，為1.66～1.72，這與南方沿海地區(qū)夏季陣風系數(shù)大于冬季的特征有明顯差異［15］。主要原因是南方沿海地區(qū)易受臺風影響，臺風陣風具有非常強的瞬時性，從而導致夏季陣風系數(shù)偏大，而大連主要受西風帶系統(tǒng)影響，冬季多受強冷空氣控制，夏季天氣系統(tǒng)偏弱，臺風影響的次數(shù)較少，因此夏季陣風系數(shù)小于冬季。

圖2 2015—2020年大連地區(qū)陣風系數(shù)月際變化Fig.2 Monthly variation of gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

最小陣風系數(shù)的月變化差異也比較小，變化范圍為1.04～1.16。相比較而言，最大陣風系數(shù)各月差異較大，呈現(xiàn)出較為明顯的雙峰分布，峰值與次峰值分別為3.94、3.92，出現(xiàn)在8月、4月，而此時平均陣風系數(shù)所對應的并不是最高值。

2.2 各風級陣風系數(shù)比較

大氣的湍流擾動，使得平均風速疊加了風速脈動，從而產(chǎn)生陣風。大氣湍流運動強弱不僅與下墊面粗糙程度、大氣層結(jié)有關(guān)，還受到穩(wěn)定風速的影響。分析2～8級風的陣風系數(shù)變化可知（圖3），總體來看，隨著風速的增大，平均陣風系數(shù)和最大陣風系數(shù)均呈現(xiàn)出一致性減小的趨勢（風速為8級的樣本數(shù)量較少，只有6時次，統(tǒng)計意義上具有一定偏差），而最小陣風系數(shù)呈逐漸遞增趨勢；最大、最小陣風系數(shù)隨著風力的增大逐漸向平均陣風系數(shù)收斂。從陣風系數(shù)變化幅度來看，2～8級風對應的平均陣風系數(shù)為1.58～1.75，2級風最大為1.75，8級風最小為1.58，最大值與最小值相差0.17。相比之下最大陣風系數(shù)波動明顯，范圍為1.76～5.59，最小陣風系數(shù)則在1.04～1.53。當風速為2級時，最大陣風系數(shù)5.59，最小陣風系數(shù)為1.05，兩者之間相差達4.54；當風速增大到4級時，最大陣風系數(shù)與最小陣風系數(shù)之差迅速減小至2.25；到7級風時，兩者之差為0.71；8級風進一步減小至0.23。最大陣風系數(shù)與最小陣風系數(shù)隨風級增大向平均陣風系數(shù)靠攏并呈趨于一致的變化趨勢，對實際預報中確定平均風速與陣風風速的對應關(guān)系有很好的參考價值。

圖3 2015—2020年大連地區(qū)2～8級風的陣風系數(shù)比較Fig.3 Comparison of gust coefficients of Grade 2～8 wind in Dalian from 2015 to 2020

2.3 陣風系數(shù)頻率分布

為了分析不同風級下陣風系數(shù)的分布規(guī)律，將平均陣風系數(shù)以0.1為間隔，統(tǒng)計大連9個國家站3～7級風平均陣風系數(shù)的頻率分布（圖4）。由圖4可知，各風級平均陣風系數(shù)的頻率分布均呈單峰型，風級越大，分布范圍越窄，峰值始終在1.5～1.6。3～4級風的平均陣風系數(shù)主要集中在1.3～2.0和1.4～1.9，分別占總頻率的89%、82%；隨著風級增加，峰值穩(wěn)定，集中程度則越來越明顯，當7級風時，80%以上的平均陣風系數(shù)為1.4～1.6。綜合所有風級來說，平均陣風系數(shù)的高頻區(qū)在1.4～1.6，占總頻率的70%。這與江蘇沿海地區(qū)10 m高度處的陣風系數(shù)集中在1.2～1.6，峰值為1.3［15］具有一定差異，可見不同地區(qū)的陣風系數(shù)需根據(jù)實際觀測記錄專門分析。

圖4 2015—2020年大連地區(qū)陣風系數(shù)頻率分布Fig.4 Frequency distribution of gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

2.4 各風向陣風系數(shù)差異

由表1可知，冷空氣所引起的通常是偏北、西北、東北以及偏西大風，上述4個風向的平均陣風系數(shù)明顯比其他風向偏大，其中北風最大，為1.84，東北風次之，為1.78；而與暖空氣相對應的東風、東南風、南風以及西南風的平均陣風系數(shù)明顯偏小，變化區(qū)間在1.61～1.66，其中南風最小?？梢?，受冷空氣影響時，風的脈動特性要更強一些，尤以北風最為明顯。陣風相對于平均風速的增量是由湍流和對流兩個分量引起的［23］，而冷空氣所引發(fā)的對流要明顯最為大于和多于暖空氣，因此導致地面風的脈動性更強。最大的北風與最小的南風之差達0.23，比風級間（0.17）、月際間（0.11）的最大差值更明顯。

表1 2015—2020年大連地區(qū)不同風向陣風系數(shù)比較Table 1 Comparison of gust coefficients of different wind directions in Dalian from 2015 to 2020

從最大陣風系數(shù)的比較來看，西風最大為3.94，其次為北風3.92，東南風最小為2.91。雖然與暖空氣相關(guān)的風向平均陣風系數(shù)小，但仍可出現(xiàn)較大的陣風，東風最大陣風系數(shù)為3.82，南風3.57。將陣風系數(shù)從大到小進行排列，取前50個樣本進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)大的陣風系數(shù)多為西北風，其次是北風和西風，這三個風向占比接近80%，東南風則沒有進入前50例。由此可得出大連地區(qū)大的陣風系數(shù)絕大多數(shù)是由冷空氣活動引起的，其脈動特性更強。最小陣風系數(shù)各風向間的差異比平均陣風系數(shù)小，其中西南風最小為1.04，西風最大，為1.16。

2.5 陣風系數(shù)日變化

由于大氣運動存在明顯的日變化，一些影響風速大小的因子如動量下傳等存在明顯的日變化，因此有必要討論陣風系數(shù)的日變化特征。從8個風向的平均值來看（圖5），大連地區(qū)平均陣風系數(shù)全天較大的時段在07—15時，其中09—13時達到最大，為1.74，下午到夜間則偏小，18—23時為全天最小1.70，00—06時略有增大，為1.71。

圖5 2015—2020年大連地區(qū)N、NE、W、NW風向（a）和E、SE、SW風向（b）平均陣風系數(shù)日變化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

通常來說，日出后大氣湍流運動發(fā)展加強，日落后湍流發(fā)展受到抑制而逐漸減弱［24-25］，平均陣風系數(shù)日變化表現(xiàn)出一致的變化趨勢，但通過對8個風向平均陣風系數(shù)日變化的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)每個風向的日變化與平均值具有一定的差異，個別風向表現(xiàn)出相反的日變化規(guī)律。其中，北風、南風及東南風的最小時段出現(xiàn)在00—05時，與平均值略有差異；東北風的平均陣風系數(shù)日變化不明顯；而西南風則表現(xiàn)出夜間平均陣風系數(shù)大于白天的特點，18—24時陣風系數(shù)逐漸增大。

此外，與暖空氣相對應的東風、東南風、南風、西南風振幅明顯大于冷空氣相對應的風向，東南風的振幅最大，達0.12，而東北風的振幅最小，僅有0.03。說明受暖空氣影響時，陣風系數(shù)的日變化比冷空氣明顯。造成這種差異的原因可能與大連地區(qū)所處半島環(huán)境的海陸風有關(guān)，白天受海風影響，加大了與暖空氣相對應的各風向風的陣性，而與冷空氣對應的各風向風的陣性被減弱，夜間則相反，所以暖空氣影響下陣風系數(shù)的日變化更明顯。

2.6 陣風系數(shù)空間分布

下墊面粗糙程度以及地理條件的差異都是影響陣風系數(shù)的因子［26］，而海陸差異對陣風系數(shù)也有明顯的影響［15］，本文根據(jù)國家站和區(qū)域站風資料，分別討論陣風系數(shù)的空間分布。分析發(fā)現(xiàn)，與南方近海海面陣風系數(shù)小于陸地的特征不同［17］，大連地區(qū)平均陣風系數(shù)空間分布沒有明顯規(guī)律（圖6）。位于西南沿海的大連站和旅順站平均陣風系數(shù)最大，分別為1.91和1.83；位于內(nèi)陸的瓦房店站略小，為1.75；而同樣位于沿海地區(qū)的長興島、莊河站以及作為海島代表站的長海站則相對偏小，分別為1.61、1.70、1.70。這可能是由于大連位于遼東半島最南端，三面環(huán)海的特殊地理位置以及地形的峽谷作用等，導致陣風系數(shù)空間分布存在較大差異。

圖6 2015—2020年大連地區(qū)平均陣風系數(shù)與最大陣風系數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distribution of mean gust coefficients and maximum gust coefficients in Dalian from 2015 to 2020

從最大陣風系數(shù)的空間分布來看，東部地區(qū)普遍大于西部，莊河站最大陣風系數(shù)3.94，相較于旅順和長興島分別偏大0.50、0.68。

由圖7可知，不同風向平均陣風系數(shù)空間分布差異不大，大值區(qū)均集中在大連地區(qū)的北部及東北—西南一線，東南部和西北部沿海的陣風系數(shù)均偏小。各風向的平均陣風系數(shù)大小略有差異，北風的平均陣風系數(shù)相比其他風向明顯偏大，變化范圍集中在1.6～2.5，說明北風的陣性最為明顯，其次是西風，東風的陣性相對較差。

圖7 2017年大連地區(qū)北風（a）、東風（b）、南風（c）和西風（d）平均陣風系數(shù)空間分布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

建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）中，針對A、B、C和D類地面粗糙度的圍護結(jié)構(gòu)給出了相應的陣風系數(shù)標準，在實際工程設計時應根據(jù)不同區(qū)域和不同迎風面（風向）陣風系數(shù)的明顯差異性進行一定調(diào)整。對于大連地區(qū)來說，絕大多數(shù)區(qū)域（測站）與A、B類地面粗糙度相當，10 min平均風速6級及以上強風的最大陣風系數(shù)明顯超過該標準下的閾值，因此在實際應用中有必要適當提高本地參數(shù)標準。

2.7 不同天氣系統(tǒng)陣風系數(shù)特征

近地面陣風不僅與局地地形有關(guān)，還與天氣系統(tǒng)有密切聯(lián)系。本文根據(jù)一個觀測日內(nèi)大連地區(qū)任一國家氣象站觀測到8級以上陣風的情況統(tǒng)計大風個例，2015年5月至2020年4月共計164 d。按地面天氣系統(tǒng)將大風個例分為氣旋、臺風、高壓前部、高壓后部、疊加型（受海上氣旋和高壓前部共同影響，但已脫離低壓環(huán)流直接影響）以及雷暴大風共6類，針對10 min平均風速≥10.8 m·s-1（6級以上）的情況進行分析，僅統(tǒng)計與上述天氣系統(tǒng)相對應風向的陣風系數(shù)，當某站出現(xiàn)一次平均風速6級以上的實況，即記為1站次。

由表2可知，大連地區(qū)的大風天氣過程多由疊加型天氣系統(tǒng)引起，累計共出現(xiàn)920站次。從6類天氣系統(tǒng)的平均陣風系數(shù)來看，雷暴大風雖然出現(xiàn)站次少，但平均陣風系數(shù)最大，為1.85，可見強對流天氣影響下的大風陣性特點更加明顯；臺風類次之，平均值1.66；與暖空氣所對應的高壓后部類最小，僅為1.46，與冷空氣對應的高壓前部型為1.58，明顯高于高壓后部型；氣旋天氣系統(tǒng)下各風向都有大風出現(xiàn)，但與冷空氣對應風向的陣風系數(shù)明顯高于與暖空氣對應的風向，再次印證了冷空氣活動更容易產(chǎn)生大的陣風事實。結(jié)合圖3和圖4，大連地區(qū)6級風以上的平均陣風系數(shù)為1.58～1.60，高頻區(qū)集中為1.5～1.6。可見，在同風級下，氣旋、臺風以及雷暴大風天氣的平均陣風系數(shù)更大，均在1.64以上，說明上述天氣系統(tǒng)更容易出現(xiàn)強陣風。因此，在實際預報中需要格外關(guān)注，尤其在工程抗風、防臺減災等工作中，針對不同天氣系統(tǒng)進行科學布防也是有效應對強風災害的關(guān)鍵。

表2 2015—2020年大連地區(qū)不同天氣系統(tǒng)平均陣風系數(shù)與平均風速6級以上大風發(fā)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 結(jié)論

（1）大連地區(qū)1—12月平均陣風系數(shù)的變化范圍較小，為1.66～1.77，且秋末冬初平均陣風系數(shù)偏大，夏季偏小。隨著風級增大，平均陣風系數(shù)和最大陣風系數(shù)均呈減小趨勢，最小陣風系數(shù)則呈逐漸遞增趨勢，最大陣風系數(shù)和最小陣風系數(shù)隨著風力的增大逐漸向平均陣風系數(shù)收斂。各風級的平均陣風系數(shù)頻率分布均呈單峰型，且風級越大，分布范圍越窄，峰值為1.5～1.6。

（2）與冷空氣相對應的西、西北、北、東北風平均陣風系數(shù)明顯大于與暖空氣相對應的各風向，其中北風最大，為1.84；各風向間的平均陣風系數(shù)最大差值比風級間、月際間的最大差值更明顯。除西南風外，其他風向的陣風系數(shù)均表現(xiàn)出白天大、夜間小的特點。

（3）大連地區(qū)平均陣風系數(shù)空間分布沒有明顯規(guī)律，且風向基本不影響陣風系數(shù)的空間分布，北部及東北—西南一線的陣風系數(shù)偏大，東南部和西北部沿海均偏小。

（4）大連地區(qū)平均風力6級以上的大風過程多受海上氣旋和高壓前部雙系統(tǒng)共同影響。在同風級下，氣旋、臺風以及雷暴大風天氣的平均陣風系數(shù)更大，均在1.64以上。