舒海燕，白佳寧，范 野，孫 可，陶 倩，楊曉彤，常相伊，張 旭

（阜新市氣象局，遼寧 阜新 123000）

大風是一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象［1-2］，大風能夠引起浮土，使空氣質(zhì)量下降，空氣中的可吸入顆粒物導致呼吸道等疾病增多、加重，影響人體健康。大風對農(nóng)業(yè)的影響也不容忽視，常造成農(nóng)作物倒伏，農(nóng)業(yè)設(shè)施被毀，甚至能把大樹吹倒或折斷。春季大風可以把農(nóng)作物的幼苗刮走，造成農(nóng)田及草場被掩埋，同時沙塵還使得農(nóng)作物接收到的太陽輻射減少，影響其光合作用，進而影響農(nóng)作物正常生長，最終直接影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民的經(jīng)濟收入。阜新市地處遼寧省大風帶的中心［3］，境內(nèi)大風災(zāi)害的發(fā)生頻率較高，給人們的生活和生產(chǎn)帶來極大不便，同時也造成了巨大的經(jīng)濟損失［4-5］，因此對阜新市大風的研究具有重要意義。

大風作為災(zāi)害性天氣，受到氣象學者們的廣泛關(guān)注，國外研究表明，全球大多數(shù)國家和地區(qū)的大風日數(shù)都呈減少的趨勢［6-7］。在國內(nèi)近地表大風研究表明，整體大風日數(shù)和風速都呈減小的趨勢［8-9］，個別地區(qū)則有相反趨勢。其原因是受亞洲及北半球極渦面積指數(shù)、西風指數(shù)、西伯利亞高壓的影響［10］。風災(zāi)有月份和季節(jié)性特征，但從農(nóng)業(yè)災(zāi)害上看，4—9月給北方農(nóng)民帶來的經(jīng)濟損失最大。遼寧省及各市部分氣象工作者對大風在氣候分析、預報方法等方面取得了一些有價值的研究成果［11-13］，阜新市地處遼寧西北部，歷年(1991—2020年)降水量為490.4 mm，屬于半干旱地區(qū)，雖然風災(zāi)較為嚴重，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大，但目前尚沒有此方面的研究報道。本文對阜新市大風日數(shù)及災(zāi)情進行了統(tǒng)計分析，并從氣候變化角度分析大風日數(shù)變化特征及成因。為當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、風沙預防等方面的防災(zāi)減災(zāi)提供重要的參考，同時也為當?shù)貧庀蟛块T制作政府決策服務(wù)材料提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1961—2020年逐日最大風速和風向的觀測數(shù)據(jù)，來源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺；1990—2019年大風氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)，來源于阜新市的2個國家氣象觀測站、農(nóng)業(yè)及統(tǒng)計部門；亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)(APVAI)、亞洲區(qū)極渦強度指數(shù)(APVII)、北半球極渦面積指數(shù)(NHPVAI)、北半球極渦強度指數(shù)(NHPVII)的月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心發(fā)布的大氣環(huán)流指數(shù)。最大風速是指任意10 min的最大風速，四季劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季，11月—翌年2月為冬季。

1.2 大風標準

本文采用的大風標準是國內(nèi)地面氣象觀測規(guī)范中的最大風的界定指標，即指瞬時風速達到或超過17.0 m/s，即風力達到8級以上的風，有大風出現(xiàn)的一天則被定義為一個大風日。

1.3 研究方法

本文應(yīng)用了氣候變化率及趨勢系數(shù)對阜新地區(qū)大風日數(shù)進行趨勢分析，并對其相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗；利用Morlet小波系數(shù)模和模方對大風日數(shù)進行周期分析；應(yīng)用MTT和Mann-Kendall方法對大風日數(shù)進行突變分析；應(yīng)用Pearson及Spearman方法對大風日數(shù)、大氣環(huán)流指數(shù)進行相關(guān)分析，具體方法均見參考文獻［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 大風日數(shù)的年和年代際變化

由阜新市兩縣的大風日數(shù)時間序列的年際變化圖(圖1)可知，1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數(shù)均呈減少趨勢，這與國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的大風日數(shù)情況一致［8-9］。彰武縣大風日數(shù)的氣候傾向率為-0.962 d/10 a，趨勢系數(shù)為-0.124；阜蒙縣大風日數(shù)的氣候傾向率為-3.135 d/10 a，趨勢系數(shù)為-0.380，通過了0.01水平(雙側(cè))的顯著性t檢驗。彰武縣大風日數(shù)第1個峰值出現(xiàn)在1966年(70次)，阜蒙縣的第1個峰值出現(xiàn)在1963年(84次)。彰武縣第1個谷值出現(xiàn)在2015年，第2個谷值出現(xiàn)在2020年，大風日數(shù)為10次；阜蒙縣的第1個谷值則出現(xiàn)在1982年(6次)。從20世紀60年代到80年代彰武縣和阜蒙縣的大風日數(shù)均呈明顯減少的趨勢，減少的原因可能與同時期的全球變暖密切相關(guān)。20世紀90年代彰武縣和阜蒙縣的大風日數(shù)均呈增加趨勢，21世紀初又呈明顯減少的趨勢。風力減小的原因可能是在全球氣候變暖的影響下，使得海陸溫差相應(yīng)地變小，導致東亞季風有所減弱，中緯度也受到影響，風速相對減?。?5］；城市化進程加快，也導致冷空氣勢力減弱，風力減少的結(jié)果［16］；還有研究認為，氣溫日較差減少也是大風日數(shù)減少的重要因素［17］。

圖1 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數(shù)的年際變化

由圖1a可知，彰武縣大風日數(shù)在2000 s最多(423 d)，其次為1990 s(394 d)，最少為2010 s(183 d)；2000 s大風日數(shù)變化速率最快(-29.5 d/10 a)，其次是1970 s(-21.0 d/10 a)，1990 s變化速率最小(-1.82 d/10 a)。

由圖1b可知，阜蒙縣大風日數(shù)在1960 s最多(362 d)，其次為1970 s(312 d)，最少為1980 s(122 d)；2000 s大風日數(shù)變化速率最快(-29.5 d/10 a)，其次是1960 s(-11.7 d/10 a)，1980 s變化速率最小(0.73 d/10 a)。

2.2 大風日數(shù)的季節(jié)和月變化

由阜新市從1961—2020年大風日數(shù)的季節(jié)變化圖(圖2a)可知，彰武縣的大風日數(shù)明顯多于阜蒙縣的大風日數(shù)，且兩縣春季大風日數(shù)最多(彰武縣為1150次，阜蒙縣為873次)，秋季次之，夏季最少(彰武縣為244次，阜蒙縣為140次)。由于春秋季節(jié)當?shù)靥幱诶渑諝饨粎R頻繁，風力較大；而冬夏季節(jié)的冷暖氣團比較穩(wěn)定，冷暖氣團交匯的頻率較低，風力較小。

圖2 阜新市1961—2020年兩縣大風日數(shù)的季節(jié)和月份變化

由阜新市兩縣從1961—2020年大風日數(shù)的月份變化圖(圖2b)可知，4月份兩縣的大風日數(shù)均為最多(彰武縣為480次，阜蒙縣為373次)，5月份次之，8月份最少(兩縣均為28次)。兩縣的大風日數(shù)在季節(jié)和月份上均呈現(xiàn)出變化趨勢的一致性。本研究結(jié)果與遼寧省其他地區(qū)的大風日數(shù)在季節(jié)和月份上的規(guī)律是一致的［3,11-13］。

2.3 大風日數(shù)的周期性變化

由1961—2020年阜新市彰武縣大風日數(shù)周期分析圖(圖3a)可知，彰武縣大風日數(shù)的最顯著的是50~60 a的振蕩周期(通過了95%的顯著性檢驗)，還有7~12 a的振蕩周期。

圖3 阜新市1961—2020年彰武縣和阜蒙縣大風日數(shù)的小波系數(shù)實部模及模方的等值線分析

由阜蒙縣大風日數(shù)周期分析圖(圖3b)可知，阜蒙縣大風日數(shù)的顯著振蕩周期為50~60 a(通過了95%的顯著性檢驗)，第2振蕩周期為18~25 a，還有7~12 a的振蕩周期。綜合得出，阜新市兩縣的大風日數(shù)的振蕩周期基本一致，其中7~12 a的振蕩周期與敖雪等［10］對遼寧海岸線大風周期的研究結(jié)果一致。

2.4 大風日數(shù)的MTT與M-K分析

由1961—2020年阜新市兩縣大風日數(shù)的滑動t檢驗圖(圖4a)可知，彰武縣在2008—2015年MTT統(tǒng)計量超過了0.01的顯著性檢驗，且為正值，說明在此期間大風日數(shù)減少的趨勢顯著，MTT統(tǒng)計量最高點為突變轉(zhuǎn)折年份(2014年)；而阜蒙縣在1980年左右和2003年左右MTT統(tǒng)計量都超過了0.01的顯著性檢驗，且均為正值，說明在這2個年份的大風日數(shù)都發(fā)生了突變。

圖4 阜新市1961—2020年彰武縣及阜蒙縣大風日數(shù)的MTT(a)與M-K(b)統(tǒng)計檢驗分析

從M-K突變檢驗圖(圖4b)可知，彰武縣的M-K統(tǒng)計量UF與UB在2014年左右有交點，且交點在可信區(qū)間，相交后統(tǒng)計量UF明顯向下，說明在此年有突變性轉(zhuǎn)折，突變后大風日數(shù)顯著減少；而阜蒙縣的M-K統(tǒng)計量UF、UB在1975—1980、2002—2006年期間都有交點，且交點在可信區(qū)間，相交后統(tǒng)計量UF也明顯向下，說明在這2個年份期間都有突變性轉(zhuǎn)折，突變后大風日數(shù)顯著減少。綜合分析得出，彰武縣的大風日數(shù)在2014年發(fā)生了突變，突變后大風日數(shù)呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢；阜蒙縣的大風日數(shù)在1980和2003年左右均發(fā)生了突變，突變后大風日數(shù)也呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢。

2.5 大風風向的分布特征

根據(jù)大風的16個方向，對1961—2020年阜新市兩縣大風風向出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：阜新地區(qū)大風以偏南風為主，這種特征彰武縣表現(xiàn)得尤其明顯，其次是偏北風，阜蒙縣表現(xiàn)明顯。這個結(jié)論與吳春英等［11-12］的研究結(jié)論一致。偏南大風較多可能受蒙古氣旋和地形影響顯著，偏北大風的產(chǎn)生是受西伯利亞和蒙古高壓影響。

由圖5a可知，彰武縣出現(xiàn)南西南(SSW)的大風頻率最高，占比為60.0%；其次為南風(S)占7.0%，西西北風(WNW)占5.4%，西西南風(WSW)占5.3%；東風(E)占比最少，僅為0.5%。由圖5b可知，阜蒙縣出現(xiàn)南西南(SSW)的大風頻率最高，占比為19.4%；其次為北西北風(NNW)占16.2%，西北風(NW)占15.3%，西南風(SW)占13.2%，南風(S)占10.5%；東風(E)的占比為0%。

圖5 阜新市1961—2020 年彰武縣和阜蒙縣最大風速出現(xiàn)頻率的風向分析

3 大風的農(nóng)業(yè)災(zāi)情特征及其影響因子

3.1 大風對農(nóng)業(yè)造成的危害

從1990—2019年的大風造成的重災(zāi)實況記錄來看(表1)，共記錄84次風災(zāi)情況，均出現(xiàn)在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現(xiàn)(占比為39.3%)，有24次有暴雨伴隨出現(xiàn)(占比為35.7%)，有12次伴隨雷電出現(xiàn)(占比為14.3%)，均出現(xiàn)在6—9月。從經(jīng)濟損失上看(表1)，6—8月大風造成的經(jīng)濟損失最為嚴重，約占80%，9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風災(zāi)害并不單一出現(xiàn)，而往往伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災(zāi)害同時出現(xiàn)，其中冰雹只對作物的危害最大，而暴雨對作物、人、畜和房屋等都能構(gòu)成嚴重危害，雷電也能對人、畜、設(shè)備等造成危害。如1994年7月12日午后至7月13日夜間，受臺風北上影響，阜新地區(qū)普降暴雨，這次大暴風雨造成坡耕地水土流失，積水內(nèi)澇，水沖沙壓，農(nóng)田沖毀，房屋倒塌，人畜傷亡；全市66個鄉(xiāng)鎮(zhèn)有49個重災(zāi)，造成8人死亡，2人重傷，耕畜傷亡959頭，死亡家禽4705只，房屋倒塌，人畜傷亡嚴重；沖毀道路57 km，沖走林木11.02萬棵,保護地倒塌169.67 hm2；農(nóng)作物受災(zāi)面積40000 hm2，減產(chǎn)五成以上的有6667 hm2，減產(chǎn)五成以下的有28000 hm2，絕收5333 hm2；沖毀民房、校舍、烤煙房約15000間，直接經(jīng)濟損失1億元，工業(yè)損失達100萬元。又如2008年9月17日晚19：40至19：58，彰武縣阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭受龍卷風襲擊，并伴有雷電和短時降雨，龍卷風造成房屋倒塌和損壞、農(nóng)作物倒伏、林木刮斷、通信和電力線路、公益設(shè)施、居民家庭財產(chǎn)損毀嚴重，受災(zāi)范圍寬700 m，長15 km，阿爾鄉(xiāng)鎮(zhèn)阿爾鄉(xiāng)村北屯、新房子屯和阿爾鄉(xiāng)農(nóng)場白音花、馬家坑2個分場嚴重受災(zāi)；據(jù)統(tǒng)計：龍卷風共造成受災(zāi)人口1394人，因災(zāi)受傷人口23人。如2016年5月2日夜間至3日夜間，受強氣旋影響，阜新市出現(xiàn)大風強降雨天氣，全市平均風速7到8級，部分地區(qū)陣風達9~10級；受大風災(zāi)害影響，阜新市部分樹木、設(shè)施農(nóng)業(yè)、民房、廣告牌等受損嚴重；全市樹木倒伏5764株，大棚損壞12368.9棟，房屋損毀7162間，受災(zāi)人口24759人。

表1 1990—2019年大風重災(zāi)發(fā)生的時間、次數(shù)、伴隨天氣現(xiàn)象及災(zāi)情實況

3.2 大風日數(shù)的影響因子

影響大風日數(shù)變化的綜合因素有很多，其中大氣環(huán)流成為氣象學者［10］討論的主要因子，筆者主要對APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個大氣環(huán)流指數(shù)進行分析，并探討與大風日數(shù)的關(guān)系。

3.2.1 大氣環(huán)流指數(shù)趨勢變化 由1961—2020年大氣環(huán)流指數(shù)趨勢變化曲線(圖6)可知，APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII的變化均呈減少趨勢，與阜新地區(qū)的大風日數(shù)的變化趨勢一致，其氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a，其趨勢系數(shù)分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792，均通過了0.01水平(雙側(cè))的顯著性t檢驗。

圖6 1961—2020年亞洲區(qū)極渦和北半球極渦的面積及強度指數(shù)曲線

3.2.2 大風日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性分析 由表2可知，阜新市1961—2020年大風日數(shù)與APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII呈正相關(guān)關(guān)系，這與敖雪等［10］的研究結(jié)果基本一致。其中彰武縣的大風日數(shù)與4個大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性較差，而阜蒙縣大風日數(shù)與4個大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性均較好。計算得出阜蒙縣大風日數(shù)與4個大氣環(huán)流指數(shù)的Pearson及Spearman相關(guān)系數(shù)均較大，均超過0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，其中與APVAI和NHPVAI的相關(guān)性最強，與NHPVII的相關(guān)性次之，與APVII的相關(guān)性最差。

表2 阜新市1961—2020年兩縣大風日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

通過對1961—2020年阜新市的大風日數(shù)及農(nóng)業(yè)災(zāi)情進行統(tǒng)計分析，得到的結(jié)論如下：

（1）阜新市的大風日數(shù)年變化呈減少趨勢，其中彰武縣氣候傾向率為-0.962 d/10 a，趨勢系數(shù)為-0.124；阜蒙縣氣候傾向率為-3.135 d/10 a，趨勢系數(shù)為-0.380，通過了0.01的顯著性檢驗，說明減少趨勢是顯著的。

（2）阜新市大風日數(shù)出現(xiàn)較多年代為1960 s和2000 s，較少的年代為1980 s和2010 s。從季節(jié)來看，春季大風日數(shù)均最多，秋季次之，夏季最少；從月份來看，4月大風日數(shù)均最多，5月次之，8月最少；兩縣的大風日數(shù)在季節(jié)和月份上均呈現(xiàn)出變化趨勢的一致性。

（3）阜新市大風日數(shù)有50~60 a的振蕩周期，還有7~12 a的振蕩周期。彰武縣的大風日數(shù)在2014年發(fā)生了突變，突變后大風日數(shù)呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢；阜蒙縣的大風日數(shù)在1980和2003年左右均發(fā)生了突變，突變后大風日數(shù)也呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢。

（4）阜新地區(qū)大風以偏南風為主，這種特征彰武縣表現(xiàn)得尤其明顯，其次是偏北風，東風占比最低，原因可能是受蒙古氣旋和地形影響顯著。

（5）大風會對農(nóng)作物生長、發(fā)育及成熟均能造成諸多影響，最終影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。從1990—2019年記錄的大風重災(zāi)情況得知，共有84次重災(zāi)情發(fā)生，均出現(xiàn)在4—9月。其中有26次伴隨有冰雹出現(xiàn)（占比為39.3%），有24次有暴雨伴隨出現(xiàn)（占比為35.7%），有12次伴隨雷電出現(xiàn)（占比為14.3%），均出現(xiàn)在6—9月。從經(jīng)濟損失上分析，6—8月大風造成的經(jīng)濟損失最為嚴重，約占80%；9月和4—5月各約占10%。原因是6—9月大風災(zāi)害常伴隨著冰雹、暴雨、雷電等災(zāi)害同時出現(xiàn)，其中冰雹只對作物的危害最大，而暴雨對作物、人、畜和房屋等都能構(gòu)成嚴重危害，雷電也能對人、畜、設(shè)備等造成危害。

（6）在影響大風日數(shù)變化的諸多因素中，APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII這4個因子的變化均呈顯著減少趨勢，氣候傾向率分別為-3.374、-1236.4、-10.003、-4215.4/10 a，趨勢系數(shù)分別為-0.815、-0.800、-0.865、-0.792。阜新市兩縣大風日數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)APVAI、APVII、NHPVAI、NHPVII均呈正相關(guān)關(guān)系，但兩縣的相關(guān)性差異較大，阜蒙縣的相關(guān)性明顯大于彰武縣，且相關(guān)性極顯著。