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(wù)中心，遼寧大連 116001；2.空軍航空大學(xué)，遼寧錦州 121000）

引言

大風(fēng)是我國(guó)主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。氣旋、冷空氣以及強(qiáng)對(duì)流等惡劣天氣所帶來(lái)的大風(fēng)不僅是港區(qū)作業(yè)易發(fā)生安全事故的關(guān)鍵危險(xiǎn)源［1］，同時(shí)可能對(duì)輪渡、民航、高速鐵路以及建筑施工甚至生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅［2-5］。港口大型起重機(jī)幾乎每年都出現(xiàn)由強(qiáng)風(fēng)所導(dǎo)致的事故［6］，海上大風(fēng)更是引起海難事故的主要致災(zāi)因子［7］。日常天氣預(yù)報(bào)中關(guān)于風(fēng)要素的預(yù)報(bào)通常包括平均風(fēng)和陣風(fēng)，而重大氣象災(zāi)害往往都是由強(qiáng)烈陣風(fēng)引起的［8］。2007年2月新疆列車在遭遇13級(jí)陣風(fēng)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(qiáng)陣風(fēng)導(dǎo)致船舶偏離航線造成的［10］。最新歐洲碼頭起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)（EN3001）明確規(guī)定港口碼頭的起重機(jī)需按照陣風(fēng)值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)［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(gè)專業(yè)裝卸作業(yè)區(qū)，以及包括“煙臺(tái)—大連”航線在內(nèi)共14條海上航線。歷史上大風(fēng)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?xí)l(fā)港口集裝箱傾翻、船損事故等，所造成的損失都是極為嚴(yán)重的。因此，研究近地面陣風(fēng)的變化規(guī)律，加強(qiáng)不同天氣系統(tǒng)下的陣風(fēng)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提高陣風(fēng)預(yù)報(bào)精準(zhǔn)化水平，對(duì)交通和生命財(cái)產(chǎn)安全以及防災(zāi)減災(zāi)都具有重要的意義。

陣風(fēng)的特征研究是大風(fēng)預(yù)報(bào)和服務(wù)的基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用陣風(fēng)系數(shù)作為陣風(fēng)客觀預(yù)報(bào)的主要方法［12-13］。董雙林［14］研究中國(guó)各地代表站的陣風(fēng)極值和陣風(fēng)因子，并得出陣風(fēng)因子隨穩(wěn)定風(fēng)速、平均時(shí)間、距地面高度、地面粗糙度和穩(wěn)定風(fēng)速三階矩變化的經(jīng)驗(yàn)公式。陳燕等［15］利用測(cè)風(fēng)塔的梯度風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析近地層的陣風(fēng)系數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)不同高度層的陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增大而一致性減小，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)6級(jí)后，基本穩(wěn)定少變。Xu等［16］利用船載自動(dòng)站、浮標(biāo)站與岸基自動(dòng)站測(cè)風(fēng)資料，分析發(fā)現(xiàn)瓊州海峽海面陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速增大而減小。由于引起大風(fēng)的天氣系統(tǒng)不同，導(dǎo)致風(fēng)的陣性也會(huì)出現(xiàn)不同差異。周福等［17］普查2011—2013年浙江省大風(fēng)個(gè)例，針對(duì)不同天氣系統(tǒng)所造成的大風(fēng)過(guò)程，對(duì)比分析近地面陣風(fēng)系數(shù)特征，以及進(jìn)行站點(diǎn)模糊聚類并建立陣風(fēng)系數(shù)預(yù)報(bào)模型。胡波等［18］針對(duì)臺(tái)風(fēng)和冬季大風(fēng)天氣系統(tǒng)的單站陣風(fēng)因子展開研究，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)陣風(fēng)因子比冬季大風(fēng)大0.1～0.2，并初步分析得出兩種天氣系統(tǒng)陣風(fēng)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(fēng)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(fēng)系數(shù)變大。下墊面的差異和不同的天氣系統(tǒng)都會(huì)導(dǎo)致各地陣風(fēng)系數(shù)有明顯區(qū)別，因此不同地區(qū)的陣風(fēng)系數(shù)需要用本地實(shí)際觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其特征做專項(xiàng)分析。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)分析，而對(duì)于不同風(fēng)向下陣風(fēng)系數(shù)之間的差異以及陣風(fēng)系數(shù)日變化的統(tǒng)計(jì)研究則較少。北方尤其是北方沿海的大風(fēng)大多由溫帶氣旋或強(qiáng)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(duì)陣風(fēng)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(fēng)氣候，天氣系統(tǒng)復(fù)雜多變，冬季以偏北大風(fēng)居多，春秋季更容易出現(xiàn)偏南大風(fēng)，夏季強(qiáng)對(duì)流往往也能引發(fā)短時(shí)強(qiáng)陣風(fēng)天氣。因此，系統(tǒng)地分析大連地區(qū)陣風(fēng)系數(shù)特征在一定程度上對(duì)北方地區(qū)陣風(fēng)的研究起到有益補(bǔ)充，并且有助于提高當(dāng)?shù)仃囷L(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和服務(wù)質(zhì)量。本研究將依據(jù)大連沿海及內(nèi)陸自動(dòng)氣象站歷史小時(shí)數(shù)據(jù)，分析大連全區(qū)陣風(fēng)系數(shù)時(shí)空分布特征、月際變化、日變化以及不同風(fēng)向之間陣風(fēng)系數(shù)的區(qū)別；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析不同天氣形勢(shì)下陣風(fēng)系數(shù)特征。

1 資料與方法

1.1 陣風(fēng)系數(shù)定義

世界氣象組織（WMO）陣風(fēng)系數(shù)定義［20］：在時(shí)距T0的時(shí)間段內(nèi)持續(xù)時(shí)間為τ的最大陣風(fēng)風(fēng)速與時(shí)距為T0的平均風(fēng)速之比，即

式（1）中，Vτ，T0為觀測(cè)周期T0中持續(xù)時(shí)間τ的最大陣風(fēng)；VT0為觀測(cè)周期T0的平均風(fēng)速。趙德山等［21］通過(guò)對(duì)不同時(shí)距風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)研究指出，陣風(fēng)系數(shù)計(jì)算時(shí)，T0必須大于3 min才具有代表性。后續(xù)對(duì)陣風(fēng)系數(shù)的研究［17，22］都沿用了該結(jié)論。

在地面觀測(cè)中，10 min平均風(fēng)速是指風(fēng)速每秒采樣一次，先求出1 min的平均值，再以1 min為步長(zhǎng)求出逐10 min的平均值；極大風(fēng)速是指記錄時(shí)間正點(diǎn)前1 h內(nèi)的最大陣風(fēng)風(fēng)速。根據(jù)陣風(fēng)系數(shù)的定義和實(shí)際觀測(cè)記錄，本文取T0為10 min，τ為3 s，取逐小時(shí)極大風(fēng)速Vτ，T0與該極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)10 min平均風(fēng)速VT0計(jì)算每個(gè)時(shí)次的陣風(fēng)系數(shù)。

1.2 資料及處理方法

選取大連地區(qū)大連、金州、長(zhǎng)海、莊河、普蘭店、瓦房店、長(zhǎng)興島、旅順、皮口9個(gè)國(guó)家站和165個(gè)區(qū)域站逐10 min的10 m風(fēng)觀測(cè)資料。所選站點(diǎn)遍布渤海、渤海海峽、黃海北部沿岸、海島以及相對(duì)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(dòng)觀測(cè)開始業(yè)務(wù)運(yùn)行的時(shí)間不同，選取國(guó)家站2015年5月至2020年4月、區(qū)域站2017年1—12月觀測(cè)數(shù)據(jù)。所用數(shù)據(jù)均已通過(guò)極值檢查、要素邏輯關(guān)系檢查等質(zhì)量控制檢驗(yàn)，剔除誤差較多的區(qū)域自動(dòng)站，檢驗(yàn)后合格的區(qū)域站165個(gè)和國(guó)家站9個(gè)（圖1）。

圖1 大連地區(qū)國(guó)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(jì)算陣風(fēng)系數(shù)時(shí)，首先查詢逐小時(shí)極大風(fēng)速（Vτ，T0）及其出現(xiàn)時(shí)刻，然后找出與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的10 min平均風(fēng)速（VT0），再按式（1）計(jì)算陣風(fēng)系數(shù)。本文風(fēng)級(jí)和風(fēng)向均以與極大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的10 min平均風(fēng)速為依據(jù)。當(dāng)平均風(fēng)速過(guò)小時(shí)容易產(chǎn)生奇異偏大值［11］，因此平均風(fēng)速在1級(jí)以下的不參與討論。統(tǒng)計(jì)國(guó)家站風(fēng)速資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均風(fēng)速2級(jí)時(shí)，極大風(fēng)速分別只有一個(gè)時(shí)次達(dá)到6級(jí)和7級(jí)，其余均在5級(jí)以下；當(dāng)平均風(fēng)速3級(jí)時(shí)，極端陣風(fēng)可達(dá)到8級(jí)。綜上，除2．2節(jié)針對(duì)平均風(fēng)速2級(jí)以上的情形分析外，其他均指3級(jí)以上風(fēng)級(jí)。

2 結(jié)果分析

2.1 陣風(fēng)系數(shù)月際變化

由圖2可知，月平均陣風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(tái)風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)陣風(fēng)具有非常強(qiáng)的瞬時(shí)性，從而導(dǎo)致夏季陣風(fēng)系數(shù)偏大，而大連主要受西風(fēng)帶系統(tǒng)影響，冬季多受強(qiáng)冷空氣控制，夏季天氣系統(tǒng)偏弱，臺(tái)風(fēng)影響的次數(shù)較少，因此夏季陣風(fēng)系數(shù)小于冬季。

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

最小陣風(fēng)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(fēng)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(shí)平均陣風(fēng)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的并不是最高值。

2.2 各風(fēng)級(jí)陣風(fēng)系數(shù)比較

大氣的湍流擾動(dòng)，使得平均風(fēng)速疊加了風(fēng)速脈動(dòng)，從而產(chǎn)生陣風(fēng)。大氣湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(fēng)速的影響。分析2～8級(jí)風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)變化可知（圖3），總體來(lái)看，隨著風(fēng)速的增大，平均陣風(fēng)系數(shù)和最大陣風(fēng)系數(shù)均呈現(xiàn)出一致性減小的趨勢(shì)（風(fēng)速為8級(jí)的樣本數(shù)量較少，只有6時(shí)次，統(tǒng)計(jì)意義上具有一定偏差），而最小陣風(fēng)系數(shù)呈逐漸遞增趨勢(shì)；最大、最小陣風(fēng)系數(shù)隨著風(fēng)力的增大逐漸向平均陣風(fēng)系數(shù)收斂。從陣風(fēng)系數(shù)變化幅度來(lái)看，2～8級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的平均陣風(fēng)系數(shù)為1.58～1.75，2級(jí)風(fēng)最大為1.75，8級(jí)風(fēng)最小為1.58，最大值與最小值相差0.17。相比之下最大陣風(fēng)系數(shù)波動(dòng)明顯，范圍為1.76～5.59，最小陣風(fēng)系數(shù)則在1.04～1.53。當(dāng)風(fēng)速為2級(jí)時(shí)，最大陣風(fēng)系數(shù)5.59，最小陣風(fēng)系數(shù)為1.05，兩者之間相差達(dá)4.54；當(dāng)風(fēng)速增大到4級(jí)時(shí)，最大陣風(fēng)系數(shù)與最小陣風(fēng)系數(shù)之差迅速減小至2.25；到7級(jí)風(fēng)時(shí)，兩者之差為0.71；8級(jí)風(fēng)進(jìn)一步減小至0.23。最大陣風(fēng)系數(shù)與最小陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)級(jí)增大向平均陣風(fēng)系數(shù)靠攏并呈趨于一致的變化趨勢(shì)，對(duì)實(shí)際預(yù)報(bào)中確定平均風(fēng)速與陣風(fēng)風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系有很好的參考價(jià)值。

圖3 2015—2020年大連地區(qū)2～8級(jí)風(fēng)的陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)頻率分布

為了分析不同風(fēng)級(jí)下陣風(fēng)系數(shù)的分布規(guī)律，將平均陣風(fēng)系數(shù)以0.1為間隔，統(tǒng)計(jì)大連9個(gè)國(guó)家站3～7級(jí)風(fēng)平均陣風(fēng)系數(shù)的頻率分布（圖4）。由圖4可知，各風(fēng)級(jí)平均陣風(fēng)系數(shù)的頻率分布均呈單峰型，風(fēng)級(jí)越大，分布范圍越窄，峰值始終在1.5～1.6。3～4級(jí)風(fēng)的平均陣風(fēng)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(fēng)級(jí)增加，峰值穩(wěn)定，集中程度則越來(lái)越明顯，當(dāng)7級(jí)風(fēng)時(shí)，80%以上的平均陣風(fēng)系數(shù)為1.4～1.6。綜合所有風(fēng)級(jí)來(lái)說(shuō)，平均陣風(fēng)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(fēng)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(fēng)系數(shù)需根據(jù)實(shí)際觀測(cè)記錄專門分析。

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

2.4 各風(fēng)向陣風(fēng)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(fēng)，上述4個(gè)風(fēng)向的平均陣風(fēng)系數(shù)明顯比其他風(fēng)向偏大，其中北風(fēng)最大，為1.84，東北風(fēng)次之，為1.78；而與暖空氣相對(duì)應(yīng)的東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)以及西南風(fēng)的平均陣風(fēng)系數(shù)明顯偏小，變化區(qū)間在1.61～1.66，其中南風(fēng)最小?？梢?，受冷空氣影響時(shí)，風(fēng)的脈動(dòng)特性要更強(qiáng)一些，尤以北風(fēng)最為明顯。陣風(fēng)相對(duì)于平均風(fēng)速的增量是由湍流和對(duì)流兩個(gè)分量引起的［23］，而冷空氣所引發(fā)的對(duì)流要明顯最為大于和多于暖空氣，因此導(dǎo)致地面風(fēng)的脈動(dòng)性更強(qiáng)。最大的北風(fēng)與最小的南風(fēng)之差達(dá)0.23，比風(fēng)級(jí)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(fēng)向陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)的比較來(lái)看，西風(fēng)最大為3.94，其次為北風(fēng)3.92，東南風(fēng)最小為2.91。雖然與暖空氣相關(guān)的風(fēng)向平均陣風(fēng)系數(shù)小，但仍可出現(xiàn)較大的陣風(fēng)，東風(fēng)最大陣風(fēng)系數(shù)為3.82，南風(fēng)3.57。將陣風(fēng)系數(shù)從大到小進(jìn)行排列，取前50個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大的陣風(fēng)系數(shù)多為西北風(fēng)，其次是北風(fēng)和西風(fēng)，這三個(gè)風(fēng)向占比接近80%，東南風(fēng)則沒有進(jìn)入前50例。由此可得出大連地區(qū)大的陣風(fēng)系數(shù)絕大多數(shù)是由冷空氣活動(dòng)引起的，其脈動(dòng)特性更強(qiáng)。最小陣風(fēng)系數(shù)各風(fēng)向間的差異比平均陣風(fēng)系數(shù)小，其中西南風(fēng)最小為1.04，西風(fēng)最大，為1.16。

2.5 陣風(fēng)系數(shù)日變化

由于大氣運(yùn)動(dòng)存在明顯的日變化，一些影響風(fēng)速大小的因子如動(dòng)量下傳等存在明顯的日變化，因此有必要討論陣風(fēng)系數(shù)的日變化特征。從8個(gè)風(fēng)向的平均值來(lái)看（圖5），大連地區(qū)平均陣風(fēng)系數(shù)全天較大的時(shí)段在07—15時(shí)，其中09—13時(shí)達(dá)到最大，為1.74，下午到夜間則偏小，18—23時(shí)為全天最小1.70，00—06時(shí)略有增大，為1.71。

圖5 2015—2020年大連地區(qū)N、NE、W、NW風(fēng)向（a）和E、SE、SW風(fēng)向（b）平均陣風(fēng)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(lái)說(shuō)，日出后大氣湍流運(yùn)動(dòng)發(fā)展加強(qiáng)，日落后湍流發(fā)展受到抑制而逐漸減弱［24-25］，平均陣風(fēng)系數(shù)日變化表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，但通過(guò)對(duì)8個(gè)風(fēng)向平均陣風(fēng)系數(shù)日變化的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)風(fēng)向的日變化與平均值具有一定的差異，個(gè)別風(fēng)向表現(xiàn)出相反的日變化規(guī)律。其中，北風(fēng)、南風(fēng)及東南風(fēng)的最小時(shí)段出現(xiàn)在00—05時(shí)，與平均值略有差異；東北風(fēng)的平均陣風(fēng)系數(shù)日變化不明顯；而西南風(fēng)則表現(xiàn)出夜間平均陣風(fēng)系數(shù)大于白天的特點(diǎn)，18—24時(shí)陣風(fēng)系數(shù)逐漸增大。

此外，與暖空氣相對(duì)應(yīng)的東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)振幅明顯大于冷空氣相對(duì)應(yīng)的風(fēng)向，東南風(fēng)的振幅最大，達(dá)0.12，而東北風(fēng)的振幅最小，僅有0.03。說(shuō)明受暖空氣影響時(shí)，陣風(fēng)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(fēng)有關(guān)，白天受海風(fēng)影響，加大了與暖空氣相對(duì)應(yīng)的各風(fēng)向風(fēng)的陣性，而與冷空氣對(duì)應(yīng)的各風(fēng)向風(fēng)的陣性被減弱，夜間則相反，所以暖空氣影響下陣風(fēng)系數(shù)的日變化更明顯。

2.6 陣風(fēng)系數(shù)空間分布

下墊面粗糙程度以及地理?xiàng)l件的差異都是影響陣風(fēng)系數(shù)的因子［26］，而海陸差異對(duì)陣風(fēng)系數(shù)也有明顯的影響［15］，本文根據(jù)國(guó)家站和區(qū)域站風(fēng)資料，分別討論陣風(fēng)系數(shù)的空間分布。分析發(fā)現(xiàn)，與南方近海海面陣風(fēng)系數(shù)小于陸地的特征不同［17］，大連地區(qū)平均陣風(fēng)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(fēng)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(zhǎng)興島、莊河站以及作為海島代表站的長(zhǎng)海站則相對(duì)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(dǎo)致陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)與最大陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)的空間分布來(lái)看，東部地區(qū)普遍大于西部，莊河站最大陣風(fēng)系數(shù)3.94，相較于旅順和長(zhǎng)興島分別偏大0.50、0.68。

由圖7可知，不同風(fēng)向平均陣風(fēng)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(fēng)系數(shù)均偏小。各風(fēng)向的平均陣風(fēng)系數(shù)大小略有差異，北風(fēng)的平均陣風(fēng)系數(shù)相比其他風(fēng)向明顯偏大，變化范圍集中在1.6～2.5，說(shuō)明北風(fēng)的陣性最為明顯，其次是西風(fēng)，東風(fēng)的陣性相對(duì)較差。

圖7 2017年大連地區(qū)北風(fēng)（a）、東風(fēng)（b）、南風(fēng)（c）和西風(fēng)（d）平均陣風(fēng)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(duì)A、B、C和D類地面粗糙度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)給出了相應(yīng)的陣風(fēng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域和不同迎風(fēng)面（風(fēng)向）陣風(fēng)系數(shù)的明顯差異性進(jìn)行一定調(diào)整。對(duì)于大連地區(qū)來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)區(qū)域（測(cè)站）與A、B類地面粗糙度相當(dāng)，10 min平均風(fēng)速6級(jí)及以上強(qiáng)風(fēng)的最大陣風(fēng)系數(shù)明顯超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)下的閾值，因此在實(shí)際應(yīng)用中有必要適當(dāng)提高本地參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.7 不同天氣系統(tǒng)陣風(fēng)系數(shù)特征

近地面陣風(fēng)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(gè)觀測(cè)日內(nèi)大連地區(qū)任一國(guó)家氣象站觀測(cè)到8級(jí)以上陣風(fēng)的情況統(tǒng)計(jì)大風(fēng)個(gè)例，2015年5月至2020年4月共計(jì)164 d。按地面天氣系統(tǒng)將大風(fēng)個(gè)例分為氣旋、臺(tái)風(fēng)、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(fēng)共6類，針對(duì)10 min平均風(fēng)速≥10.8 m·s-1（6級(jí)以上）的情況進(jìn)行分析，僅統(tǒng)計(jì)與上述天氣系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)風(fēng)向的陣風(fēng)系數(shù)，當(dāng)某站出現(xiàn)一次平均風(fēng)速6級(jí)以上的實(shí)況，即記為1站次。

由表2可知，大連地區(qū)的大風(fēng)天氣過(guò)程多由疊加型天氣系統(tǒng)引起，累計(jì)共出現(xiàn)920站次。從6類天氣系統(tǒng)的平均陣風(fēng)系數(shù)來(lái)看，雷暴大風(fēng)雖然出現(xiàn)站次少，但平均陣風(fēng)系數(shù)最大，為1.85，可見強(qiáng)對(duì)流天氣影響下的大風(fēng)陣性特點(diǎn)更加明顯；臺(tái)風(fēng)類次之，平均值1.66；與暖空氣所對(duì)應(yīng)的高壓后部類最小，僅為1.46，與冷空氣對(duì)應(yīng)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(fēng)向都有大風(fēng)出現(xiàn)，但與冷空氣對(duì)應(yīng)風(fēng)向的陣風(fēng)系數(shù)明顯高于與暖空氣對(duì)應(yīng)的風(fēng)向，再次印證了冷空氣活動(dòng)更容易產(chǎn)生大的陣風(fēng)事實(shí)。結(jié)合圖3和圖4，大連地區(qū)6級(jí)風(fēng)以上的平均陣風(fēng)系數(shù)為1.58～1.60，高頻區(qū)集中為1.5～1.6?？梢?，在同風(fēng)級(jí)下，氣旋、臺(tái)風(fēng)以及雷暴大風(fēng)天氣的平均陣風(fēng)系數(shù)更大，均在1.64以上，說(shuō)明上述天氣系統(tǒng)更容易出現(xiàn)強(qiáng)陣風(fēng)。因此，在實(shí)際預(yù)報(bào)中需要格外關(guān)注，尤其在工程抗風(fēng)、防臺(tái)減災(zāi)等工作中，針對(duì)不同天氣系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)布防也是有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)災(zāi)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(fēng)系數(shù)與平均風(fēng)速6級(jí)以上大風(fēng)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(fēng)系數(shù)的變化范圍較小，為1.66～1.77，且秋末冬初平均陣風(fēng)系數(shù)偏大，夏季偏小。隨著風(fēng)級(jí)增大，平均陣風(fēng)系數(shù)和最大陣風(fēng)系數(shù)均呈減小趨勢(shì)，最小陣風(fēng)系數(shù)則呈逐漸遞增趨勢(shì)，最大陣風(fēng)系數(shù)和最小陣風(fēng)系數(shù)隨著風(fēng)力的增大逐漸向平均陣風(fēng)系數(shù)收斂。各風(fēng)級(jí)的平均陣風(fēng)系數(shù)頻率分布均呈單峰型，且風(fēng)級(jí)越大，分布范圍越窄，峰值為1.5～1.6。

（2）與冷空氣相對(duì)應(yīng)的西、西北、北、東北風(fēng)平均陣風(fēng)系數(shù)明顯大于與暖空氣相對(duì)應(yīng)的各風(fēng)向，其中北風(fēng)最大，為1.84；各風(fēng)向間的平均陣風(fēng)系數(shù)最大差值比風(fēng)級(jí)間、月際間的最大差值更明顯。除西南風(fēng)外，其他風(fēng)向的陣風(fēng)系數(shù)均表現(xiàn)出白天大、夜間小的特點(diǎn)。

（3）大連地區(qū)平均陣風(fēng)系數(shù)空間分布沒有明顯規(guī)律，且風(fēng)向基本不影響陣風(fēng)系數(shù)的空間分布，北部及東北—西南一線的陣風(fēng)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(fēng)力6級(jí)以上的大風(fēng)過(guò)程多受海上氣旋和高壓前部雙系統(tǒng)共同影響。在同風(fēng)級(jí)下，氣旋、臺(tái)風(fēng)以及雷暴大風(fēng)天氣的平均陣風(fēng)系數(shù)更大，均在1.64以上。