劉凱，宋曉姜，王彰貴，于海鵬，郭安博宇

（1. 國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.中國氣象科學(xué)研究院，北京100081）

1 引言

隨著沿海經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國沿海和近海區(qū)域大型建設(shè)項目日趨增多。跨海大橋和海上風(fēng)電場建設(shè)已拓展到離岸更遠的區(qū)域。近海海面強風(fēng)特性無疑是海岸和近海區(qū)域工程項目抗風(fēng)設(shè)計、施工安全要求和未來經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃所關(guān)注的重要自然因素之一[1]。例如2017 年竣工的港珠澳大橋，其海底隧道沉管對接施工現(xiàn)場對海洋環(huán)境的要求極為苛刻，海面風(fēng)不超過5 級，有效波高不超過0.8 m，這對海洋環(huán)境預(yù)報提出了非常高的要求。

為保證海上作業(yè)和港口作業(yè)等施工安全，精細化天氣預(yù)報服務(wù)迫在眉睫。考察大風(fēng)天氣過程中不同沿海地區(qū)和海域風(fēng)力分布狀況，掌握大風(fēng)出現(xiàn)及其活動的規(guī)律，是海上風(fēng)力精細化天氣預(yù)報服務(wù)的前提[1]，同時也對沿海城市和港口地區(qū)大風(fēng)氣候特征的研究具有重要意義。針對不同區(qū)域的大風(fēng)分布特征，無論是內(nèi)陸的新疆維吾爾族自治區(qū)等受寒潮大風(fēng)影響較嚴重的區(qū)域，還是渤海、黃海和東海海域，我國氣象工作者都開展了大量的研究[2-9]。

在華南沿海區(qū)域，覃慶第等[1]利用北部灣代表站及北部灣北岸的氣象觀測站資料對2010——2016年冬半年7級以上偏北風(fēng)進行分析。該文總結(jié)了北部灣沿海冬季偏北大風(fēng)的分布特征，發(fā)現(xiàn)大風(fēng)過程的最大風(fēng)力從海岸到大海中央遞增，大風(fēng)的連續(xù)天數(shù)也增多，西部沿岸的大風(fēng)日數(shù)比東部偏多。廣東沿海95% 的8 級以上大風(fēng)天氣是由臺風(fēng)造成的[10]，廣東沿海春季冷空氣造成的大風(fēng)具有“風(fēng)頭（起風(fēng)時）大、風(fēng)尾（結(jié)束時）小”、起風(fēng)突然、陣風(fēng)大、日變化明顯等特點[11]。閩東沿海與北部灣大風(fēng)過程的風(fēng)力分布也具有類似特征[12]。

以上分析皆是針對某個岸段或區(qū)域的大風(fēng)過程，同時對于廣東沿海也大都分析了7 級或8 級以上大風(fēng)過程，并沒有根據(jù)施工要求針對某個施工海域6級以上大風(fēng)過程進行精細化分析。本文擬利用位于距離香港機場施工海域1.3 km 的赤臘角自動氣象站觀測資料，對香港機場附近海域6 級以上大風(fēng)過程進行詳細分析，包括不同季節(jié)大風(fēng)日數(shù)、大風(fēng)過程以及盛行風(fēng)向和影響系統(tǒng)等，為預(yù)報員了解該海域的氣候背景、提高預(yù)報技巧提供參考。

2 資料和方法

采用香港赤臘角自動氣象觀測站（22.33°N，114.18°E）2000 年1 月——2018 年12 月距海平面14 m高度、30 min平均風(fēng)向及風(fēng)速觀測資料，對香港機場附近海域出現(xiàn)的6級以上大風(fēng)過程和大風(fēng)日數(shù)進行統(tǒng)計分析，著重探討了不同季節(jié)的主要天氣系統(tǒng)和典型天氣過程；同時還對1949——2018年影響香港機場附近海域的臺風(fēng)進行統(tǒng)計分析。臺風(fēng)影響概率的具體計算方法如下：以5月份為例，在1949——2018年南海和西北太平洋海域5 月份共生成臺風(fēng)67 個，其中有7 個影響香港機場附近海域，則影響概率為10.4%，以此類推。在分析氣候背景與氣候波動對高影響天氣系統(tǒng)的影響時，所用的北極濤動指數(shù)（Arctic Oscillation，AO）下載自美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的官方網(wǎng)站，數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic Atmospheric Administration，NOAA）的氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center，CPC）及美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）。對AO 指數(shù)進行標準化處理，大于1為正異常年份，小于-1為負異常年份。

圖1 香港機場附近大風(fēng)日數(shù)逐年分布圖（藍色圓點：

分析過程中，6 級大風(fēng)過程的風(fēng)速為10.8～13.8 m/s，7 級大風(fēng)過程的風(fēng)速為13.9～17.1 m/s，8級大風(fēng)過程的風(fēng)速為17.2～20.7 m/s。時間間隔為30 min 的觀測數(shù)據(jù)中，按照1 d 內(nèi)連續(xù)3 個時次出現(xiàn)風(fēng)速大于6級即記為大風(fēng)日數(shù)進行統(tǒng)計。從風(fēng)速超過6 級風(fēng)開始，并持續(xù)3 個以上時次至風(fēng)速減弱至6級風(fēng)以下截止，將該過程定義為一次6 級以上大風(fēng)過程。在個別強冷空氣以及臺風(fēng)影響時，大風(fēng)過程可持續(xù)幾天。在分析大風(fēng)過程季節(jié)分布特征時，冬季指前一年12月——當(dāng)年2月，春季指當(dāng)年的3——5月，夏季為6——8 月，秋季為9——11 月。在分析冷空氣路徑類型時采用1 d 4 次的NCEP/NCAR Reanalysis 1的海平面氣壓再分析數(shù)據(jù)，水平分辨率為2.5°×2.5°[13]。

3 香港機場附近大風(fēng)日數(shù)和大風(fēng)過程的年際和季節(jié)分布特征

圖1 為香港機場附近海域大風(fēng)日數(shù)逐年分布圖。香港機場附近年平均大風(fēng)日數(shù)為35 d，2013年大風(fēng)日數(shù)最多，為47 d；2000年大風(fēng)日數(shù)最少，為14 d。2005——2015 年間大風(fēng)日數(shù)明顯偏多，近4 a 大風(fēng)日數(shù)有減少的趨勢。由于分析時段過短，不能確定香港機場附近海域大風(fēng)日數(shù)是否有10 a左右的年代際振蕩周期。這種大風(fēng)日數(shù)的變化與影響香港機場附近海域的氣候背景和天氣系統(tǒng)有密切的關(guān)系。

圖2 為香港機場附近海域大風(fēng)日數(shù)逐月分布圖。香港機場附近海域月平均大風(fēng)天數(shù)為3 d。2——8月大風(fēng)日數(shù)較多，尤其是3——4月，受冷空氣和華南前汛期以及個別臺風(fēng)的影響，大風(fēng)日數(shù)偏多。1 月及9——12 月大風(fēng)日數(shù)相對較少，尤其是9——10 月，若無臺風(fēng)的影響，初秋冷空氣強度較弱，單純冷空氣影響所帶來的大風(fēng)很難達到6 級以上，除非有全國性寒潮等強冷空氣的影響。6——8 月大風(fēng)日數(shù)較為相近，是臺風(fēng)影響香港機場附近海域的高發(fā)季節(jié)，可能造成嚴重的大風(fēng)大浪過程。

圖2 香港機場附近大風(fēng)日數(shù)逐月分布圖（藍色圓點：

香港機場附近海域近20 a大風(fēng)日數(shù)沒有明顯的線性變化趨勢，主要以波動特征為主，這與江蘇沿海大風(fēng)過程明顯減少的變化趨勢不同[8]。大風(fēng)日主要集中在3——8月。

圖3 為2000——2018 年香港機場附近海域6 級以上大風(fēng)過程次數(shù)逐年分布圖。表1 為近20 a香港機場附近海域年平均大風(fēng)過程次數(shù)分布。近20 a香港機場附近海域年平均6級大風(fēng)過程為21.6次/a，7級大風(fēng)過程為4.8次/a，8級大風(fēng)過程為1.3次/a。影響香港機場附近海域的大風(fēng)過程主要以6級風(fēng)為主，8級以上大風(fēng)過程次數(shù)較少。從逐年大風(fēng)過程分布圖中可見（見圖3），2000——2003 年、2007——2008 年大風(fēng)過程次數(shù)偏少，而2004——2006 年、2009——2010年和2012——2015 年大風(fēng)過程次數(shù)明顯偏多，其中2006 年、2009 年、2010 年和2012 年大風(fēng)過程次數(shù)明顯大于平均值。

圖3 2000——2018年香港機場附近大風(fēng)過程次數(shù)逐年分布圖

圖4 2000——2018年香港機場附近大風(fēng)過程次數(shù)季節(jié)分布圖

圖4 為近20 a 香港機場附近海域大風(fēng)過程次數(shù)季節(jié)分布圖。圖中可以看出6 級以上大風(fēng)過程在4個季節(jié)均有。其中，冬、春兩季較多，主要受冷空氣的影響，進一步說明單純冷空氣的影響以6 級風(fēng)過程為主；7——8 級大風(fēng)過程主要集中在夏、秋兩季，主要是受臺風(fēng)和對流云團的影響；冬季沒有8 級以上大風(fēng)過程，這與冬季臺風(fēng)影響香港機場附近海域概率較低有關(guān)。

綜上分析可知，香港機場附近年平均6 級以上大風(fēng)過程為21.6 次，目前處于大風(fēng)過程較平均值略多的年份。香港機場附近海域大風(fēng)過程以6級風(fēng)為主，集中在冬、春兩季且風(fēng)向以偏東風(fēng)為主。7——8級以上大風(fēng)過程主要集中在夏、秋兩季，風(fēng)向多變。

表1 近20 a香港機場附近年平均大風(fēng)過程分布表

4 香港機場附近大風(fēng)過程的主要影響系統(tǒng)

第3節(jié)中我們分析了大風(fēng)日數(shù)和大風(fēng)過程的季節(jié)和年際變化特征。本節(jié)中我們分析影響香港機場附近大風(fēng)過程的主要天氣系統(tǒng)。圖5 為近20 a香港機場附近的季節(jié)風(fēng)速玫瑰圖。香港機場附近冬、春兩季風(fēng)向玫瑰圖分布特征較相似，影響系統(tǒng)主要是冷空氣，大風(fēng)盛行風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，除個別對流性天氣和臺風(fēng)影響外，風(fēng)速以6級風(fēng)為主，尤其在冬季無8級以上大風(fēng)過程。夏季大風(fēng)過程風(fēng)向變化較大，主要影響系統(tǒng)變?yōu)槲髂霞撅L(fēng)，但造成大風(fēng)過程的天氣系統(tǒng)以臺風(fēng)和對流性云團為主。初秋造成大風(fēng)過程的影響系統(tǒng)仍以臺風(fēng)為主，而深秋之后隨著冷空氣影響逐漸頻繁，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。

影響香港機場附近大風(fēng)過程的天氣系統(tǒng)和氣候背景十分復(fù)雜，不同季節(jié)存在明顯的差異。通過對香港機場近20 a大風(fēng)過程統(tǒng)計分析，并結(jié)合高空、地面天氣形勢圖，對影響該地區(qū)的典型天氣系統(tǒng)進行了分類，主要為冷空氣、對流性天氣、臺風(fēng)和西南季風(fēng)。由于資料受限，對流性天氣的捕捉比較困難，因此短時、小尺度的對流天氣統(tǒng)計可能存在疏漏。本文中將出現(xiàn)短時雷雨、伴有6 級以上大風(fēng)天氣、天氣圖上有明顯冷暖空氣交匯且無臺風(fēng)影響的過程作為對流性天氣過程。表2 為近20 a不同天氣系統(tǒng)造成的大風(fēng)過程次數(shù)分布表。由表可見，冷空氣過程是影響香港機場附近海域最頻繁的天氣系統(tǒng)，影響次數(shù)為218 次；其次是對流性天氣和臺風(fēng)，影響次數(shù)分別為108 次和89 次；西南季風(fēng)影響次數(shù)為10 次。6 級以上的大風(fēng)過程有51.3% 由于冷空氣造成，25.4% 由于對流性天氣造成，20.9% 由于臺風(fēng)造成，2.4%由于西南季風(fēng)造成。

圖5 近20 a香港機場附近6級以上大風(fēng)過程風(fēng)速玫瑰圖的季節(jié)分布特征

冬、春兩季影響香港機場附近海域的主要天氣系統(tǒng)為冷空氣，冷空氣路徑和強度的不同其影響也存在明顯差異。春季還有另一系統(tǒng)影響香港機場附近海域，隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，華南前汛期雨季開始，受華南準靜止鋒的影響，冷暖氣流交匯，容易在午后和傍晚發(fā)生對流性天氣引起6級以上大風(fēng)過程。而夏、秋兩季影響附近海域的主要強天氣系統(tǒng)是臺風(fēng)，當(dāng)臺風(fēng)進入南海，尤其是在華南沿海登陸時，都會給香港機場附近海域帶來強風(fēng)暴雨等惡劣天氣，并對施工和人員安全造成嚴重影響。

圖6 為1949——2018 年5——10 月影響香港機場附近海域的臺風(fēng)個數(shù)和概率分布圖。圖6a 和6b 分別是影響半徑為300 km 和110 km 范圍內(nèi)的臺風(fēng)個數(shù)；圖6c 和6d 分別是影響半徑為300 km 和110 km范圍內(nèi)的臺風(fēng)影響概率。從圖中可以發(fā)現(xiàn)影響半徑無論是300 km還是110 km，香港機場附近海域的臺風(fēng)個數(shù)和臺風(fēng)影響概率均在7——9 月最大。在300 km 影響半徑內(nèi)，8 月份生成的臺風(fēng)有近60% 會影響香港機場附近海域。1822 號臺風(fēng)“山竹”（超強臺風(fēng)級）成為2018 年登陸我國的最強臺風(fēng)。臺風(fēng)“山竹”環(huán)流尺度大，影響范圍廣，海浪和風(fēng)暴潮的預(yù)警級別為紅色，廣東惠州、鹽田、赤灣、橫門和三灶潮位站出現(xiàn)了破歷史記錄的高潮位，也因此造成了嚴重的海洋災(zāi)害。臺風(fēng)“山竹”對香港機場附近海域造成了12——13 級的偏東風(fēng)，陣風(fēng)達37 m/s，超過1713 號臺風(fēng)“天鴿”（超強臺風(fēng)級）影響香港機場附近海域時創(chuàng)下的記錄（東北風(fēng)11——12 級，30 min平均風(fēng)速達28 m/s）。對香港機場附近海域造成嚴重影響的兩個臺風(fēng)均發(fā)生在8 月，可見8 月是該地區(qū)汛期項目施工防臺的重中之重。

表2 近20 a香港機場附近不同天氣系統(tǒng)造成大風(fēng)過程次數(shù)

為了進一步了解冷空氣對香港機場附近海域的影響，根據(jù)冷高壓南下的路徑以及環(huán)流場的差異，通過對比218次冷空氣過程中冷高壓中心位置、南下路徑以及西南低壓的環(huán)流配置形勢，將冷空氣對香港機場附近海域的影響分為4 類典型的形勢場。從中挑選具有代表性的個例繪制成圖8，個例具體時間在圖中標出。冷高壓中心位于100°～110°E內(nèi)為西路冷空氣（見圖7a）；位于110°～120°E 內(nèi)為中路冷空氣（見圖7b）；位于120°～130°E 內(nèi)為東路冷空氣（見圖7c）；當(dāng)我國西南地區(qū)有低壓配合并伴有東路冷空氣時，定義為西南低壓配合東路冷空氣（見圖7d）。圖8為不同路徑冷空氣影響香港機場附近海域的次數(shù)分布圖，圖9 為不同系統(tǒng)影響香港機場附近海域期間大風(fēng)持續(xù)的時間。在這些不同路徑冷空氣中，東路冷空氣對附近海域的影響最為頻繁（88 次），與西南低壓的配合過程有33 次，西路冷空氣和中路冷空氣的影響次數(shù)相當(dāng)，分別為55次和42 次。西路冷空氣影響時，香港機場附近海域多為偏北風(fēng)且持續(xù)時間較短，一般表現(xiàn)為風(fēng)速增大快減小也快，過程平均持續(xù)時間為4.5 h；中路冷空氣影響附近海域時為偏北風(fēng)或偏東風(fēng)，持續(xù)的時間也較短，過程平均持續(xù)時間為3.4 h；東路冷空氣及與西南低壓配合影響時，附近海域易出現(xiàn)偏東風(fēng)且持續(xù)時間較長，分別為8 h和14 h，且影響較大。

圖6 1949——2018年5——10月影響香港機場附近海域的臺風(fēng)個數(shù)和概率分布圖

圖7 冷空氣影響香港機場附近海域的典型天氣形勢（單位：hPa）

影響香港機場附近海域的高頻率系統(tǒng)（冷空氣和臺風(fēng)）還受到大環(huán)流背景場和氣候異常的影響。6 級風(fēng)以上過程主要發(fā)生在冬、春季并且主要由冷空氣造成，而AO 指數(shù)的正負能夠直接反應(yīng)冷空氣的強弱。下文將通過簡單分析AO 指數(shù)和大風(fēng)日數(shù)的分布特征，找到與香港機場附近海域大風(fēng)日數(shù)較為相關(guān)的氣候因子。圖10 為冬、春季標準化AO 指數(shù)和大風(fēng)日數(shù)距平時間序列分布特征。其中，標準化后的AO 指數(shù)，大于1 的年份為正異常年份，對應(yīng)冷空氣強度偏弱；小于-1 的年份為負異常年份，對應(yīng)冷空氣強度偏強。從圖10 可以明顯地看出，AO指數(shù)與大風(fēng)日數(shù)距平存在很好的負相關(guān)關(guān)系，在春季尤為顯著。2000——2004 年、2006——2008 年春季，AO 指數(shù)正異常對應(yīng)大風(fēng)日數(shù)負異常；2008——2014年，AO 指數(shù)負異常對應(yīng)大風(fēng)日數(shù)正異常。這與李彩玲等[14]的研究成果一致。他們指出AO 的強弱變化與廣東省寒潮存在密切聯(lián)系，當(dāng)AO 指數(shù)為高值年時，東亞大槽位置出現(xiàn)反氣旋式渦旋異常，東亞大槽偏弱，異常風(fēng)方向由東南向西北，不利于冷空氣由北到南的輸送，對寒潮爆發(fā)有阻礙作用；當(dāng)AO指數(shù)為低值年時，東亞大槽位置出現(xiàn)氣旋式渦旋異常，東亞大槽偏強，異常風(fēng)方向由西北向東南，有利于寒潮向華南地區(qū)輸送。AO 指數(shù)也存在與大風(fēng)距平對應(yīng)關(guān)系不好的年份，主要是由于造成大風(fēng)的天氣系統(tǒng)多變以及影響天氣系統(tǒng)的氣候波動較復(fù)雜。如華南地區(qū)寒潮和強冷空氣活動同樣受熱帶太平洋海氣相互作用厄爾尼諾和南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）的影響，冷空氣多的年份一般出現(xiàn)在中等或強的El Ni?o期間，寒潮和強冷空氣活動少的年份容易出現(xiàn)在拉尼娜（La Ni?a）期間，而較難出現(xiàn)在El Ni?o 期間[15]。如2015——2016年間香港機場附近海域冬季出現(xiàn)顯著的大風(fēng)日數(shù)正距平，可能與這兩年的超強El Ni?o事件有關(guān)。

圖8 不同路徑冷空氣影響香港機場附近海域的次數(shù)

圖9 不同天氣系統(tǒng)對香港機場附近海域的影響時間

圖10 AO指數(shù)標準化（紅色圓點）和大風(fēng)日數(shù)距平（柱狀圖）時間序列分布特征

5 總結(jié)和討論

詳細了解施工海域大風(fēng)分布特征及氣候背景，能夠提高預(yù)報員預(yù)報技巧，改進數(shù)值預(yù)報技術(shù)，改善預(yù)報保障服務(wù)質(zhì)量，為沿海施工工程提供更加及時、準確、精細化的海洋環(huán)境預(yù)報。本文利用香港赤臘角附近氣象觀測站數(shù)據(jù)對香港機場附近海域近20 a 大風(fēng)日數(shù)、過程以及典型天氣系統(tǒng)進行了分型，并對AO 與大風(fēng)日數(shù)的相關(guān)關(guān)系進行了初步的討論。主要結(jié)論如下：

（1）香港機場附近海域年平均大風(fēng)日數(shù)為35 d，月平均大風(fēng)日數(shù)為3 d。3——8 月大風(fēng)日數(shù)較多，尤其是春季的3——4月，主要由于受到冷空氣和華南前汛期以及個別臺風(fēng)的影響；1月以及9——12月大風(fēng)日數(shù)相對較少，尤其是9——10 月，若無臺風(fēng)的影響，初秋冷空氣強度較弱，單純冷空氣的影響所帶來的大風(fēng)很難達到6 級以上；6——8 月大風(fēng)日數(shù)較為相近，是臺風(fēng)影響附近海域的高發(fā)季節(jié)，易造成嚴重的大風(fēng)大浪過程。

（2）香港機場附近海域6 級大風(fēng)過程在4 個季節(jié)均有。冬、春兩季較多，主要受冷空氣的影響，進一步說明單純冷空氣的影響以6級風(fēng)過程為主；7——8 級大風(fēng)過程主要集中在夏、秋兩季，主要受臺風(fēng)和對流云團的影響；冬季沒有8級以上大風(fēng)過程，這與冬季臺風(fēng)影響附近海域的概率較低有密切的關(guān)系。

（3）冬、春兩季影響系統(tǒng)主要是冷空氣，大風(fēng)盛行風(fēng)向以偏東風(fēng)為主，除個別對流性天氣和臺風(fēng)的影響外，風(fēng)速以6 級風(fēng)為主，尤其在冬季近20 a 無8級以上大風(fēng)過程；夏季大風(fēng)過程風(fēng)向變化較大，影響系統(tǒng)變?yōu)槲髂霞撅L(fēng)，出現(xiàn)8 級風(fēng)以上過程主要受臺風(fēng)以及對流云團的影響；初秋造成大風(fēng)過程的影響系統(tǒng)仍以臺風(fēng)為主，深秋之后隨著冷空氣影響逐漸頻繁，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。

（4）統(tǒng)計分析表明：近20 a影響香港機場附近海域的天氣系統(tǒng)主要為冷空氣、對流性天氣、臺風(fēng)和西南季風(fēng)。冷空氣是影響最為頻繁的天氣系統(tǒng)，香港機場附近海域6 級以上大風(fēng)過程中51.3% 是由冷空氣造成的，其次是對流性天氣和臺風(fēng)過程。冷空氣影響過程中東路冷空氣影響次數(shù)最多、持續(xù)時間最長，西路和中路冷空氣易造成偏北大風(fēng)，持續(xù)時間較短。對1949——2018 年影響香港機場附近海域的臺風(fēng)歷史路徑和強度信息做統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其影響時間主要集中在7——9月。

（5）AO 指數(shù)與大風(fēng)日數(shù)距平存在很好的負相關(guān)關(guān)系，這種相關(guān)關(guān)系在春季尤為顯著。2000——2004年、2006——2008年春季，AO 指數(shù)正異常對應(yīng)大風(fēng)日數(shù)的負異常；2008——2014 年，AO 指數(shù)主要為負異常，對應(yīng)大風(fēng)日數(shù)的正距平。但2015——2016 年間，AO 指數(shù)為正異常，而香港機場附近海域冬季出現(xiàn)顯著的大風(fēng)日數(shù)正距平，這可能與2015——2016年出現(xiàn)的超強El Ni?o 事件有關(guān)。之后，將對AO 和ENSO 對華南冷空氣的影響機制進行研究，分析其環(huán)流異常在季節(jié)尺度和次季節(jié)尺度的表現(xiàn)形式。