李宏江，吳志彥，王佳明，呂守敏，李旭杰

（威海市氣象臺，山東威海 264200）

1 引言

山東半島位于我國北方海岸線的中偏南段，北與遼東半島形成環(huán)抱渤海之勢，突出在黃海之中，是中國北方延伸向太平洋的前緣。由于特殊的地理環(huán)境，半島沿海一年四季都易產(chǎn)生大風(fēng)天氣，尤其在冬季容易出現(xiàn)偏北大風(fēng)，而春季則易出現(xiàn)偏南大風(fēng)，呈明顯的季節(jié)變化。以位于半島東端的成山頭為例，1981—2010年30 a間，日最大風(fēng)速大于17.0 m/s的日數(shù)達(dá)到986 d，位于半島北部的威海日最大風(fēng)速大于12.0 m/s的日數(shù)達(dá)到2266 d；進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)表明，各方位都有大風(fēng)出現(xiàn)（見圖1）。對1980—1999年渤海和北黃海大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析表明[1]，冬季主要以偏北方向?yàn)橹?，在過渡季節(jié)既有偏北大風(fēng)也有偏南大風(fēng)的出現(xiàn)。當(dāng)渤海海峽的大風(fēng)到達(dá)山東半島的成山頭，受陸地的抬升作用產(chǎn)生垂直上升運(yùn)動，風(fēng)速再次加大；冬季渤海低空特殊的淺對流，對大風(fēng)加強(qiáng)起了促進(jìn)作用。對2010—2012年山東沿海海區(qū)逐時(shí)最大風(fēng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，山東東部海區(qū)平均風(fēng)速最大，大風(fēng)日數(shù)和大風(fēng)的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度都為全省最高[2]。2001—2010年山東沿海偏北大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)分析表明，冬季、秋季和春季偏北大風(fēng)次數(shù)多、風(fēng)力大，偏北大風(fēng)的持續(xù)時(shí)間較長，有時(shí)持續(xù)一天，最多可達(dá)7 d[3]。

圖1 1981—2010年威海和成山頭各方位最大風(fēng)速（藍(lán)）和風(fēng)向頻率（紅）玫瑰圖

渤海海峽大風(fēng)的強(qiáng)危害性和頻發(fā)性對周邊地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)和海上航運(yùn)造成了極大的影響。威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線氣象保障也是相關(guān)省市日常預(yù)報(bào)服務(wù)的重要項(xiàng)目。近年來，隨著航線氣象服務(wù)的深入開展，以及沿海觀測資料進(jìn)一步豐富，渤海海峽航線大風(fēng)的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)逐漸積累，航線風(fēng)的一些觀測事實(shí)和變化規(guī)律也被揭示。對煙臺、大連沿海幾個(gè)臺站的測風(fēng)資料的分析表明，渤海海峽以偏北風(fēng)和偏南風(fēng)較大，偏東風(fēng)和偏西風(fēng)較小[4]，大風(fēng)日數(shù)存在逐年減少的變化趨勢，且海島站能較好的代表渤海海峽大風(fēng)的情況[5]；對煙臺海域海島站和沿岸站的對比分析表明，在不同風(fēng)向下各海島站對海面大風(fēng)的代表性不同[6]，由于海島站和沿岸站的風(fēng)力極值相差較大，綜合應(yīng)用海島站和沿岸站大風(fēng)記錄，能更加準(zhǔn)確反映渤海海峽大風(fēng)的氣候特征[7]；海島測站觀測值與模擬值的對比分析指出，若通過海面實(shí)測資料與海島測風(fēng)資料直接的對比分析，求得的訂正效果可能最佳,但是極難得到大風(fēng)情形下海面實(shí)測風(fēng)資料[8]。衛(wèi)星反演資料也應(yīng)用到海峽風(fēng)的對比研究中。對海峽附近QuikSCAT散射計(jì)矢量風(fēng)與浮標(biāo)站風(fēng)的對比分析表明，兩者風(fēng)速大小基本吻合，但風(fēng)向偏差較大[9]，對1971—2008年大連沿海測站的統(tǒng)計(jì)分析表明，該海區(qū)大風(fēng)呈減少趨勢[10]，大連附近浮標(biāo)站和內(nèi)陸測站的個(gè)例對比分析表明，最大風(fēng)速海陸差異都比極大風(fēng)速海陸差異明顯，最大風(fēng)速海陸差異最小1級，最大5級，而極大風(fēng)速只差1級左右[11]。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對氣象觀測的投入也日漸增多。有別于傳統(tǒng)的沿岸站，眾多自動氣象觀測站紛紛建立，這為沿海大風(fēng)的觀測提供了更加豐富的資料來源。2009年開始，建立在往返于威海-大連航線的客輪“生生-1”號上的自動氣象站，更是對渤海海峽氣象觀測資料的進(jìn)一步豐富。

采用航線附近沿岸站、海島站和船舶站測風(fēng)資料，尤其通過對海島站、船舶站資料進(jìn)行檢查、去噪、去誤、優(yōu)選、整理和預(yù)處理，對海島站、船舶站、沿岸站測風(fēng)資料進(jìn)行對比、統(tǒng)計(jì)，分析海島站、沿岸站在海上航線大風(fēng)特征方面不同程度的代表性，對海上航線服務(wù)具有重要意義。

2 資料簡介及預(yù)處理

2.1 資料簡介

目前的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，按照魯氣辦發(fā)[2010]45號《關(guān)于開展海洋氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)質(zhì)量評定試運(yùn)行的通知》的要求，將劉公島作為威海-大連航線風(fēng)預(yù)報(bào)的參考站點(diǎn)，而在以往的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)中，又往往以成山頭作為海上風(fēng)預(yù)報(bào)的參考站點(diǎn)。因此本文對航線風(fēng)的研究，將劉公島、成山頭的測風(fēng)資料同時(shí)納入研究范圍，這不僅是對以往經(jīng)驗(yàn)的再次考證，也是對沿岸站、海島站測風(fēng)資料對航線風(fēng)不同代表性的對比研究。

圖2 2011年12月“生生-1”號船舶站觀測記錄

本文選取2011年1—12月劉公島、成山頭、威海-大連航線“生生-1”船舶站（以下稱船舶站）測風(fēng)資料進(jìn)行對比分析。船舶站使用江蘇無線電科學(xué)研究所的ZQZ-A自動站，該站建立于2009年，2011年6月后，觀測時(shí)間加密為10 min，本文采用的要素包括：最大風(fēng)、極大風(fēng)、2 min平均風(fēng)。以2011年12月為例，觀測數(shù)據(jù)樣本量為3237個(gè)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖2。劉公島采用華云CAWS600B自動站，測風(fēng)資料包含逐時(shí)最大風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)向、風(fēng)速。成山頭國家基本站測風(fēng)資料包含逐時(shí)最大、極大風(fēng)、2 min平均風(fēng)。以上測風(fēng)資料均符合《地面氣象觀測規(guī)范》要求，風(fēng)向采用360°方位表示，風(fēng)速以m/s為單位，保留一位小數(shù)。

2.2 資料預(yù)處理及計(jì)算方法

船舶站測風(fēng)資料已經(jīng)去除船風(fēng)因素。首先對船舶站資料進(jìn)行普查、去誤和優(yōu)選。具體方案如下：

（1）對船舶站資料的普查表明：氣象條件允許的情況下，觀測船只大致航行時(shí)間：9:00大連—18:00威海；21:00威?！稳?:00大連。當(dāng)船只進(jìn)/出港時(shí)，處于減速/加速狀態(tài)，航速一般較低，且此時(shí)船舶站位于海灣內(nèi)，相較海島站或沿岸站不具備代表性；而當(dāng)船只航行于海面時(shí)，航速趨于穩(wěn)定，約為7—8 m/s。因此設(shè)置臨界航速=6.5 m/s，當(dāng)航速≥6.5 m/s時(shí)，認(rèn)為船只位于航線上，此時(shí)的觀測記錄為航線觀測記錄；

（2）去誤和優(yōu)選。普查表明，船舶站測風(fēng)記錄偶有缺失或不齊。本文在對船舶站數(shù)據(jù)進(jìn)行普查的基礎(chǔ)上再進(jìn)行去誤和優(yōu)選。一些時(shí)次記錄的最大風(fēng)、極大風(fēng)和平均風(fēng)記錄三者缺一或缺二，一些時(shí)次只記錄了經(jīng)緯度、航向航速等而無測風(fēng)記錄，本文將這些時(shí)次的記錄予以舍棄。普查還表明，一些時(shí)次的風(fēng)記錄風(fēng)向?yàn)?80°，風(fēng)速為0，且這一記錄與同時(shí)次的其他測風(fēng)數(shù)據(jù)對比偏差都較大；從出現(xiàn)頻率看，例如2011年5月，745個(gè)時(shí)次每個(gè)時(shí)次5組（包含2 min平均風(fēng)、10 min平均風(fēng)、最大風(fēng)、瞬時(shí)風(fēng)、極大風(fēng)）共3275個(gè)測風(fēng)記錄，存在14個(gè)測風(fēng)記錄將風(fēng)向和風(fēng)速分別記為180°和0。本文認(rèn)為這些記錄不可靠，予以舍棄；

（3）對時(shí)間分辨率進(jìn)行調(diào)整。由于成山頭和劉公島測風(fēng)資料的時(shí)間分辨率為1 h，因此相應(yīng)地，將船舶站逐10 min測風(fēng)資料處理為逐時(shí)資料。具體方法為：對最大風(fēng)和極大風(fēng)，分別選取每小時(shí)6個(gè)測值中的最大的風(fēng)速及其對應(yīng)的風(fēng)向?yàn)橹饡r(shí)最大風(fēng)和極大風(fēng)；對平均風(fēng)，與成山頭平均風(fēng)相對應(yīng)地，取整點(diǎn)前2 min平均風(fēng)作為該時(shí)次的平均風(fēng)；

（4）普查表明，研究時(shí)段內(nèi)劉公島、成山頭站均存在缺測情況，這可能是自動站故障、通訊中斷等原因所致，這些個(gè)別的缺測情況不影響較長時(shí)間序列樣本的連續(xù)性。為方便對比研究，在對船舶站資料進(jìn)行去誤和優(yōu)選的基礎(chǔ)上，再次舍棄劉公島、成山頭站缺測時(shí)船舶站的同時(shí)次資料。

因此，經(jīng)以上處理得到的測風(fēng)資料，不僅排除了所涉測站的缺測情況，也排除了船舶站測風(fēng)資料不具備航線代表性的情況，即同時(shí)保證劉公島、成山頭、船舶站這3個(gè)測站參與對比研究的測風(fēng)資料真實(shí)并且有效。

3 船舶站風(fēng)資料分析

基于以上預(yù)處理，得到2011年1—12月船舶站逐時(shí)風(fēng)（包含平均風(fēng)、最大風(fēng)、極大風(fēng)），逐月樣本量如圖3所示。就樣本量而言，1月最少，這是由于船舶站在1月19日前觀測數(shù)據(jù)缺失所致。其余月份樣本量均在300—400左右，其中7月份最多，為458個(gè)。由于篇幅的限制，同時(shí)考慮樣本量和季節(jié)因素，選擇4月、7月、10月、12月的最大風(fēng)分別代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)，考察各季節(jié)風(fēng)向、風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向的變化規(guī)律。各月風(fēng)玫瑰圖如圖4所示。

圖3 船舶站2011年各月逐時(shí)最大風(fēng)樣本量

從圖4可見，各季節(jié)的主導(dǎo)風(fēng)向各不相同。春季以西南風(fēng)最多，其次為西北風(fēng)；風(fēng)力以4—5級為主，偏南風(fēng)、偏西風(fēng)和西北風(fēng)均有出現(xiàn)6—7級風(fēng)力，反映了春季作為過渡季節(jié)南北大風(fēng)交替出現(xiàn)的特點(diǎn)。夏季各風(fēng)向的頻率差別較春季小得多，但以偏南風(fēng)和東南風(fēng)最多；風(fēng)力以4—5級為最多，3級以下風(fēng)頻率較春季明顯增多，6—7級風(fēng)主要出現(xiàn)在東南-南風(fēng)-偏西風(fēng)方向。秋季以偏南風(fēng)-偏西風(fēng)-西北風(fēng)為主，其中以偏西和西北風(fēng)最多；風(fēng)力以4—5級為主，6—7級風(fēng)主要出現(xiàn)在偏西風(fēng)附近。冬季則以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，且6—7級大風(fēng)的出現(xiàn)頻率較另外3個(gè)季節(jié)明顯增多。綜觀以上分析，發(fā)現(xiàn)船舶站主導(dǎo)風(fēng)向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律，且與季節(jié)特征相符；風(fēng)力以4—5級為主，夏季3級以下風(fēng)頻率最多，秋冬季6—7級大風(fēng)明顯增多。

圖4 2011年船舶站最大風(fēng)玫瑰圖

4 觀測資料對比

上一節(jié)的分析表明，船舶站作為渤海海峽航線海上風(fēng)的代表，其變化規(guī)律與季節(jié)特征相符。那么船舶站測風(fēng)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)沿岸站、海島站對比，有何異同？本節(jié)從風(fēng)向和風(fēng)速兩個(gè)方面進(jìn)行分析。為了更清晰地了解所涉測風(fēng)資料的偏差程度，分別計(jì)算了各月逐時(shí)風(fēng)速的平均偏差、絕對偏差和均方差偏差。計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)速、風(fēng)向的均方差偏差分布與絕對偏差相似，因此本節(jié)將均方差偏差序列圖略去，僅給出平均偏差和絕對偏差序列。

4.1 風(fēng)向?qū)Ρ?/h3>

首先對3個(gè)測站的風(fēng)向偏差進(jìn)行對比。偏差取同時(shí)次船舶站風(fēng)向角度減去劉公島/成山頭風(fēng)向角度。偏差正值表示順時(shí)針偏差，負(fù)值表示逆時(shí)針偏差。對以上結(jié)果進(jìn)行偏差控制，偏差絕對值≤180°[12]。例如當(dāng)風(fēng)向在北風(fēng)附近時(shí)，若船舶站為350°，劉公島為5°，則偏差取-15°而非345°。

2011年逐月船舶站和成山頭平均風(fēng)向、最大風(fēng)向、極大風(fēng)向的對比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5?？梢姵藰颖玖孔钚〉?月份，其余各月的平均偏差都在20°以下，可以認(rèn)為船舶站和成山頭的風(fēng)向偏差不大。無論平均風(fēng)、最大風(fēng)還是極大風(fēng)，在1—6月，風(fēng)向平均偏差為負(fù)值，即船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差；在8—12月平均偏差均為正值，表示船舶站風(fēng)向較成山頭有順時(shí)針偏差。從絕對偏差看，偏差值12月最小，2月最大。均方差偏差12月最小，3月最大。綜合以上分析可知，船舶站和成山頭的風(fēng)向平均偏差不大；12月的偏差最小，即在12月，成山頭的風(fēng)向與船舶站最接近，用成山頭的風(fēng)向代表海上航線風(fēng)向是可行的。

圖5 船舶站和成山頭逐月風(fēng)向偏差

圖6 船舶站和劉公島逐月風(fēng)向偏差

船舶站和劉公島的風(fēng)向偏差分析如圖6所示。最大風(fēng)和極大風(fēng)的平均偏差在3、4月份最小，且在4—12月，風(fēng)向偏差均為正值，表示船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差；從偏差值看，除1月份外，其余各月份絕大部分情況偏差都在20°以內(nèi)，10月份偏差雖然略大一些，但也僅為28°左右。絕對偏差在12月最小。綜合以上分析可見，船舶站和劉公島的風(fēng)向平均偏差不大，尤其在春季，兩者風(fēng)向偏差最小。

以上結(jié)果表明，除了樣本量較小的1月份，其余11個(gè)月船舶站和成山頭/劉公島的風(fēng)向平均偏差大多都在20°以下。在1—6月，船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差，在8—12月則為順時(shí)針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差。12月成山頭的風(fēng)向與船舶站更接近，可用成山頭的風(fēng)向代表海上航線風(fēng)向；而劉公島與船舶站的風(fēng)向偏差在4月最小?？梢娫诓煌募竟?jié)，海島站和沿岸站對航線風(fēng)的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風(fēng)向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風(fēng)向更接近。

4.2 風(fēng)速對比

首先考察船舶站和成山頭/劉公島的逐月風(fēng)速序列的相關(guān)性，取置信度α=0.01，對各月相關(guān)系數(shù)作檢驗(yàn)，如表1所示。結(jié)果表明，船舶站和成山頭的平均風(fēng)除了1月、3月、10月、12月之外均顯著相關(guān)，最大風(fēng)和極大風(fēng)除了1月和3月外均顯著相關(guān)；船舶站和劉公島的最大風(fēng)在4—12月顯著相關(guān)，極大風(fēng)除了1月和3月均顯著相關(guān)。

船舶站和成山頭的風(fēng)速偏差如圖7所示。從圖7a可以看出，平均偏差除了4月的最大風(fēng)速偏差為負(fù)外，其它均為正值。平均風(fēng)速偏差在0.15 m/s（9月）—6.5 m/s（1月）之間，最大風(fēng)速偏差在-0.57（4月）—5.32（2月）之間，極大風(fēng)偏差在0.61 m/s（4月）—6.37 m/s（2月）之間，平均偏差值1月、2月最大，4—9月相對較小；3—12月的偏差值大多在2 m/s以下。從4—12月的偏差對比看，極大風(fēng)速的偏差較平均風(fēng)速和最大風(fēng)速偏差大1 m/s左右，即船舶站風(fēng)速往往大于成山頭，且極大風(fēng)速較成山頭偏差更大。從絕對偏差看依舊是1月和2月最大，極大風(fēng)速偏差較平均風(fēng)速、最大風(fēng)速偏差大，1—3月偏大1—2 m/s，4—12月偏大1 m/s以下；相對最小值出現(xiàn)在7月份。

船舶站和劉公島的風(fēng)速對比如圖8所示。平均偏差除了4月和6月的最大風(fēng)偏差外均為正值，最大風(fēng)速偏差在-0.18（4月）—6.67（1月）之間，極大風(fēng)速偏差在1.19 m/s（4月）—7.62 m/s（2月）之間。4—12月的極大風(fēng)速偏差較最大風(fēng)速偏差大，相對而言，4—9月偏差較小，冬季（12、1、2月）偏差較大。絕對偏差最小值出現(xiàn)在6、7月份，極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速。無論平均偏差還是絕對偏差，都是1、2月的偏差最大。

以上對比分析表明，船舶站和成山頭/劉公島風(fēng)速相關(guān)顯著，尤其在4—12月，最大風(fēng)和極大風(fēng)顯著相關(guān)。船舶站風(fēng)速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速偏差。4—12月，船舶站和成山頭的極大風(fēng)速偏差較平均風(fēng)速和最大風(fēng)速偏差大，其中3—12月的平均偏差值大多在2 m/s以下。船舶站和劉公島的極大風(fēng)速平均偏差在1.19—7.62 m/s之間，2月最大，4月最?。豢傮w而言，成山頭與船舶站的風(fēng)速差異較劉公島小一些。

表1 船舶站和成山頭和劉公島風(fēng)速相關(guān)系數(shù)（加粗?jǐn)?shù)值表示通過α=0.01的信度檢驗(yàn)）

圖7 船舶站和成山頭逐月風(fēng)速偏差

圖8 船舶站和劉公島逐月風(fēng)速偏差

5 小結(jié)與討論

威海-大連航線是渤海海峽航線的重要組成，航線保障服務(wù)一直是專業(yè)氣象服務(wù)重點(diǎn)之一。為了分析業(yè)務(wù)常用參考站點(diǎn)對航線風(fēng)的代表性，本文對威海-大連航線“生生-1”號船舶站測風(fēng)資料進(jìn)行了普查、優(yōu)選和預(yù)處理，首先考察了船舶站測風(fēng)資料所代表的航線風(fēng)的變化規(guī)律；然后結(jié)合目前海上航線保障服務(wù)和現(xiàn)行參考站點(diǎn)，對比統(tǒng)計(jì)分析了2011年1—12月船舶站、劉公島、成山頭的風(fēng)向、風(fēng)速偏差，以期為海上航線的風(fēng)預(yù)報(bào)提供一些參考。本文主要結(jié)論如下：

（1）船舶站主導(dǎo)風(fēng)向的變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)規(guī)律，且與季節(jié)特征相符。春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)和西北風(fēng)，夏季為偏南和東南風(fēng)、秋季為偏西和西北風(fēng)，冬季為西北風(fēng)。風(fēng)力以4—5級為主，夏季3級以下風(fēng)頻率最多，秋冬季6—7級大風(fēng)明顯增多；

（2）除了樣本量較小的1月份，其余11個(gè)月船舶站和成山頭/劉公島的風(fēng)向平均偏差不大，大多都在20°以下。在不同的季節(jié)，海島站和沿岸站對航線風(fēng)的代表性有所不同。在春季（尤其4月），劉公島和船舶站風(fēng)向較接近；而在冬季（尤其12月），成山頭和船舶站風(fēng)向更接近。在1—6月，船舶站風(fēng)向較成山頭有逆時(shí)針偏差，在8—12月則為順時(shí)針偏差；而4—12月，船舶站較劉公島有順時(shí)針偏差；

（3）船舶站和成山頭/劉公島風(fēng)速相關(guān)顯著，尤其在4—12月，最大風(fēng)和極大風(fēng)顯著相關(guān)。船舶站風(fēng)速往往大于成山頭和劉公島，且1月、2月偏差最大，4—9月相對較小，極大風(fēng)速偏差大于最大風(fēng)速偏差?？傮w而言，成山頭與船舶站的風(fēng)速差異較劉公島小一些。

由于冬季強(qiáng)冷空氣引起的偏北大風(fēng)往往造成威海-大連航線停航，強(qiáng)風(fēng)天氣背景下的船舶站測風(fēng)資料無法獲取。盡管引進(jìn)了船載自動站的觀測資料，但受觀測樣本量限制，本文涉及的資料范圍仍然較短。不同測站對航線風(fēng)代表性的分析，以及航線風(fēng)在不同天氣背景下的的變化規(guī)律，有賴于收集更為多源的、長時(shí)間的海上觀測資料進(jìn)行進(jìn)一步對比分析，以及在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬的進(jìn)一步揭示。

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