引言

环渤海区域地处东亚季风气候区，是全球气候变化的敏感区域之一，近年来随着海洋经济的迅速发展，海洋气象灾害对经济社会的发展影响越来越大。大风是海上主要灾害性天气之一，冬季强冷空气、春秋季温带气旋和夏季热带气旋等天气系统均可引起海上强风等灾害性天气，严重影响海洋经济发展。因此，加强海上强风的研究对海洋气象防灾减灾具有重大的指导意义。

一直以来，环渤海区域海上大风的研究备受关注。通过对环渤海沿岸的站点风速、风向等观测资料的统计分析发现，冬季环渤海区域以偏北大风为主, 春秋季开始出现偏南大风，大风风力以6~7级为主，大风持续时间大多在24 h以内，渤海海峡南部比北部更易出现大风^[1-4]。对近些年来造成近海大风的天气系统进行分型发现，中国近海大风天气过程可归纳为冷空气型、温带气旋型和热带气旋型3种类型^[5]，而对于环渤海区域，冷锋和温带气旋在沿海产生大风的次数最多^[6-7]，冬季强冷空气南下常常引起环渤海区域大风过程。同时基于再分析资料，针对环渤海海上大风也开展了很多个例诊断研究^[8-10]。郭军等^[11]研究表明，环渤海沿海平均风速呈现显著减小趋势，但受台站观测环境变化和迁站的影响较大，大气环流变化对其影响较小。而利用卫星资料对黄渤海大风频次分布特征进行的研究，发现近三十年黄渤海大风频次总体呈上升趋势^[12]。由于海上气象资料严重匮乏，对环渤海强风的研究多基于对沿海测站和再分析资料的分析，主要集中在渤海近海和渤海海峡，这制约了对海上强风特征和影响评估的研究，同时观测资料的代表性对研究结果也存在不确定性。

利用数值模拟的方法，将再分析资料动力降尺度，得到环渤海区域高分辨率的风场资料进行分析，可以解决测站资料短缺的问题。近年来，许多学者利用中尺度数值模式WRF进行环渤海区域海上大风个例的模拟，发现WRF模式可以较好地模拟出强风强度以及开始结束时间，辽东半岛和山东半岛地形对海上大风均有增幅作用^[13-14]。利用WRF模式对环渤海区域风能资源的模拟发现，WRF模式可以较好地对环渤海区域风场进行模拟，渤海中部和北部年平均风速较大^[15]。WRF模式也可以开展长时间的气候模拟，对东海海面风场降尺度模拟研究表明，WRF可以较好地模拟出风场的季节变化^[16]。

本研究利用中尺度数值模式WRF对1981年以来的环渤海强风过程进行数值模拟，利用高分辨率的数值模拟资料开展环渤海区域强风过程的气候特征分析。

1 区域强风过程的定义

韩永清等^[17]利用环渤海区域57个气象站日最大风速资料定义了区域强风过程天气标准：某日环渤海区域出现风速超过6级风的站数≥12站且其中一站最大风速超过20 m·s^-1，或者出现超过6级风的站数≥17站且其中一站最大风速超过17.2 m·s^-1时，定义为一次影响环渤海区域强风天气过程。根据韩永清等的定义，普查了1981年以来环渤海区域的强风过程，得到了1981—2012年的123个强风过程。根据天气学分型，冷锋引起的强风过程最多，为77次，其中西北路冷锋48次，北路冷锋18次，西路冷锋11次；其次为温带气旋引起的强风，其中最主要的为黄河气旋，引起的强风过程为35次。根据强风过程发生的时间，春季最多为59次，其次为冬季31次，秋季20次，夏季最少，为13次。

对挑选出的123个强风过程进行模拟，主要分析冷锋和黄河气旋引起的环渤海区域强风过程的气候特征，其他系统引起的强风过程较少，不做具体分析。

2 资料与模式设计 2.1 资料

采用的资料主要有再分析资料、测风塔和气象台站观测的10 m风资料。再分析资料用于驱动WRF模式进行动力降尺度，测风塔和气象台站资料用于模式模拟效果的检验。通过多种全球再分析数据与环渤海区域的气象台站资料的对比分析发现，欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料在环渤海区域适用性相对较好^[18-21]，因此采用欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析资料驱动WRF进行数值模拟，ERA-interim资料时间段为1981—2012年，每日4个时次，空间分辨率为0.75°× 0.75°。为了验证模式对于海上强风的模拟效果，选取了山东、河北、天津、辽宁四省市沿海的28座测风塔、天津石油平台、山东长岛和成山头2个沿海气象站的逐小时10 m风资料，验证台站分布见图 1a。测风塔从2009年开始有观测，所以验证资料的时间段为2009—2012年。

2.2 数值模拟方案设计

WRF模式模拟区域的设置如图 1b，模式采用双层嵌套，内层覆盖了整个渤海区域。中心经度为113.0°E，中心纬度为42.0°N，外层区域水平分辨率27 km，网格格点数157(东西方向)×145(南北方向)，内层区域水平分辨率9 km，网格格点数115(东西方向)×112(南北方向)，垂直方向为35层。地图投影方式采用兰勃特投影，主要物理参数化方案选项见表 1。模式采用ERA-interim再分析资料驱动，每6 h更新一次侧边界。

根据对所有强风过程统计，强风过程持续时间都不超过48 h，因此，每次过程模拟时间设为48 h，涵盖了整个强风过程的时间段。对挑选的123个过程进行数值模拟，模拟结果逐小时输出，得到逐小时的环渤海区域强风过程的模拟数据。对结果的分析主要依据内层的模拟输出数据。

3 模拟效果检验

由于测风塔数据从2009年才开始有观测，因此对模拟效果的检验主要是针对2009年以来的强风过程模拟个例。2009—2012年强风过程个例共有11个，其中冷锋过程引起的5个，气旋引起的6个。

3.1 模拟误差分析

分别计算了11个强风过程对验证站点模拟值的均方根误差和模拟值与观测值之间的相关系数，如图 2所示，横坐标代表检验站点的站号(具体位置见图 1a)。图中均方根误差为各测风塔和气象站大于等于10.8 m·s^-1的强风时段内的计算结果，表征对强风时段风速的模拟效果，相关系数为模拟时段所有时次的计算结果，表征模式对强风过程随时间演变的模拟效果(由于个别测风塔资料某些时段缺测，图中有些点并未连接成线)。冷锋引起的强风过程模拟值的均方根误差基本不超过4.0 m·s^-1，且在多个过程的模拟中，大部分站点均方根误差在3.0 m·s^-1以下(图 2a)。对气旋引起的强风过程的模拟，均方根误差基本不超过5.0 m·s^-1，要略高于冷锋过程，同样，大部分站点在3.0 m·s^-1以下(图 2c)。由模拟值与观测值的相关系数看，冷锋和气旋引起的强风过程相关系数大都在0.7以上(图 2b、d)，说明对强风过程的发展演变把握较好。虽然对2012年11月10日和2010年4月26日两次过程的模拟，个别站点相关系数低于0.3，均方根误差大于5.0 m·s^-1，但总体上，WRF模式在强风过程时段风速模拟效果较好，且能够模拟出强风过程风速的时间变化特征。

3.2 一次强风过程个例模拟检验分析

选取一次典型的西北路冷锋引起的强风过程进行个例检验分析，模拟时间段为2010年1月19日20时—21日20时。本次强风过程由冷空气南下引起，是一次冷锋系统过境，由模拟的环渤海区域强风开始时间(图 3)可以明显地看到强风过程的路径是西北—东南方向，图中出现时间为不同等级风力最早出现的模拟时次，黑色实线代表沿岸海域海洋气象预报分区。1月20日00时开始，渤海北部的辽东湾出现6级大风(图 3a)，随着系统推移，渤海湾和渤海海峡20日08时前陆续出现6级大风，20日12时以后，山东半岛南部海域才陆续出现6级以上的大风，这与实况是一致的。20日上午，渤海的风力逐渐增大到7~8级，08时前后，渤海湾、渤海南部出现7级以上大风，12时前后渤海海峡以东的山东半岛北部海域开始出现7级以上大风，山东半岛东部则出现在12时以后(图 3b)，这与实况非常接近。7级大风开始时间的空间分布与6级大风非常相似，尤其是渤海海域，两者开始时间间隔非常短，这说明渤海区域大风加强的速度较快，海洋下垫面对大风有加强作用，这与盛春岩等^[13]的研究是一致的。本次过程在渤海和山东半岛东部海域出现8级大风(图 3c)，在渤海区域，其开始时间与6级风的开始时间间隔为4 h左右。

由前面模拟误差和个例分析可以看出，模式可以很好地模拟出整个环渤海强风过程的推进演变，对观测站点风速的模拟效果较好，因此利用模拟数据开展环渤海强风气候特征分析是可行的。从个例分析看出，渤海和渤海海峡在冷锋过程中，风速加强快，从6级风增强到8级风经历的时间短，这对于冷锋过境引起的海上强风的预警有一定的指示意义。

4 环渤海区域强风过程气候特征分析

利用内层嵌套的高分辨率的模式结果，得到逐小时9 km分辨率的海平面风速资料。为了表征强风的强度特征，利用模拟输出的逐小时海平面风速分别计算每个格点6级以上风、7级以上风和8级以上风的持续时间，以及强风过程在每个格点的最大风速。强风持续时间为整个过程出现强风的累加时次，强风过程最大风速为整个模拟时段出现的最大风速。

4.1 不同天气系统下强风过程气候特征分析

对1981年以来的冷锋和黄河气旋引起的环渤海区域的强风过程进行分析，得到不同强风过程最大风速和持续时间的分布特征，如图 4-6所示，其中冷锋过程分为三类：西北路冷锋、北路冷锋和西路冷锋。

图 4中最大风速为所有相同类型强风过程个例最大风速的平均值，代表这一类强风过程的强度在不同区域的分布。在冷锋引起的强风过程中，西北路冷锋最大风速在渤海海区达16 m·s^-1以上(图 4a)，明显高于北路冷锋和西路冷锋(图 4b、c)，最大风速容易出现在辽东半岛西部沿海和渤海海峡北部，可达17 m·s^-1，北路冷锋引起的强风过程范围较小，主要集中在渤海海区(图 4b)。黄河气旋引起的强风过程最大风速出现在山东半岛北部和东部，达16 m·s^-1以上(图 4d)，在渤海海峡以东海域强风强度高于冷锋过程，在渤海最大风速出现在辽东半岛西部沿海和渤海北部，渤海东部强度高于渤海西部，与西北路冷锋相似。

由6级以上强风持续时间(图 5)来看，西北路冷锋引起的环渤海区域强风过程持续时间最长，强风集中在辽东半岛西部、渤海海峡和山东半岛东部，而西路冷锋的强风过程主要集中在山东半岛东部，北路冷锋则区域差别不明显(图 5a-c)。西北路和西路冷锋在山东半岛东部引起的6级以上强风持续时间在1 d以上，是整个海域持续时间最长的区域。由7级以上强风过程持续时间来看，西北路冷锋明显强于北路和西路冷锋(图 5d-f)，而8级以上强风持续时间差异更加明显(图 5g-i)，西北路冷锋在整个渤海海域均会出现8级以上强风，特别集中在渤海中部和渤海海峡，北路冷锋8级以上强风主要出现在辽东半岛西部沿海，西路冷锋出现8级以上的强风较少，强度明显偏弱。

黄河气旋引起的强风过程持续时间(图 6a-c)与冷锋相比，分布特征有明显不同，6级以上强风持续时间主要集中在山东半岛东部及黄海海域，渤海海域强风持续时间相对较短，而8级以上的强风主要分布在辽东半岛西部沿海和山东半岛东部。

4.2 不同季节强风过程气候特征分析

分别计算发生在春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—次年2月)的强风过程最大风速和强风持续时间。强风过程最大风速存在明显的季节变化，秋冬季较大，春季次之，夏季强风过程较少，并且最大风速在四个季节中是最小的(图 7a-d)。秋冬季强风过程最大风速主要出现在渤海北部和辽东半岛西部沿海，最大风速在16 m·s^-1以上，秋季可达17 m·s^-1以上，山东半岛东部海区冬季强风过程最大风速也在16 m·s^-1以上，其他海区基本在14~16 m·s^-1之间。春季发生的强风过程在环渤海区域最大风速大多在14~16 m·s^-1，相对秋冬季略小。夏季发生的强风过程最大风速主要出现在渤海湾和渤海海峡，在16 m·s^-1以上，其他海区风速较小。

由6级以上强风过程持续时间(图 8a-d)看，秋冬季强风持续时间最长，秋季渤海大部地区强风持续时间都在1 d以上，渤海北部和辽东半岛西部沿海达30 h以上，冬季强风在渤海海峡和山东半岛东部持续时间最长，渤海海峡在1 d以上，山东半岛东部达30 h以上。春季强风过程持续时间较长的区域位于渤海东部、渤海海峡到山东半岛东部，大多在15~20 h，山东半岛东部可达20 h以上。夏季强风过程持续时间明显较短，大部海区不足15 h，强风持续时间较长的区域主要位于山东半岛南部。由此可见，秋冬季的强风过程持续时间长，风速大，造成这种现象的原因是秋冬季受冷锋过程影响较多，冷锋引起的强风过程强度要强于其他天气系统，这与上节的分析结果是一致的。

4.3 强风过程的年代际变化

分别计算1981—1990年、1991—2000年和2001—2012年3个时间段所有强风过程最大风速的平均值，探讨环渤海区域强风过程的气候变化特征(图 9)。20世纪80年代，环渤海区域强风最大风速集中在辽东半岛西部的渤海区域，山东半岛东部和北部，最大风速在18~19 m·s^-1(图 9a)。到20世纪90年代，强风过程最大风速出现在渤海海峡，为19~20 m·s^-1(图 9b)，与20世纪80年代相比，强风过程在渤海海峡和渤海南部的最大风速在增强，平均增加了1~2 m·s^-1，而在环渤海其他区域强风过程的最大风速在减小。2001年以来，强风过程最大风速出现在辽东半岛西部海域，达到20 m·s^-1以上(图 9c)，与20世纪90年代相比，渤海北部海域和渤海湾最大风速增加了1~2 m·s^-1，其他海域的风速在减小。

由年代际变化来看，从20世纪80年代到20世纪90年代，强风过程在渤海海峡和渤海南部有增强趋势，其他海域变化不明显或略有减小，从20世纪90年代到21世纪最初10年，强风过程在渤海北部有增强趋势，其他海域过程最大风速在减小。21世纪最初10年相比于20世纪80年代，强风过程在渤海海域的最大风速是增加的，而在渤海海峡以东海域和山东半岛南部呈减小的趋势。

5 结论与讨论

利用中尺度数值模式WRF对环渤海区域1981年以来的强风过程进行了模拟，并对不同天气系统形势下环渤海区域的强风过程气候特征进行了分析，得到以下结论：

1) WRF数值模式可以较好地模拟环渤海区域强风过程的发展演变特征，模拟结果可以用于对环渤海区域强风过程的气候特征分析。

2) 西北路冷锋过程引起的环渤海区域强风强度较其他过程偏强，在渤海海区风速最大，强风持续时间在辽东半岛西部、渤海海峡和山东半岛东部最长，而西路冷锋的强风过程主要集中在山东半岛东部。黄河气旋引起的强风过程与冷锋相比，分布特征有着明显的不同，强风主要集中在山东半岛东部及黄海海域，渤海海域的强风持续时间相对较短。

3) 强风过程最大风速和持续时间存在明显的季节变化，秋冬季强风持续时间长，在渤海和山东半岛东部海域持续1 d以上，春季强风持续时间大部海域在15~20 h，夏季强风过程持续时间明显较短，大部海区不足15 h。秋冬季强风过程最大风速也高于春季和夏季。

4) 强风过程在环渤海区域存在年代际变化，从20世纪80年代到20世纪90年代，强风过程在渤海海峡和渤海南部有增强趋势，从20世纪90年代到21世纪最初10年，强风过程在渤海北部有增强趋势。21世纪最初10年相比于20世纪80年代，强风过程在渤海海域的最大风速是增加的，而在渤海海峡以东海域和山东半岛南部呈减小的趋势。

本文主要从强风过程最大风速和持续时间的角度来讨论强风过程在环渤海区域的气候特征，强风过程在不同的海区存在着明显的不同，在一次强风过程中，有些海区可能并未出现强风，因此对于不同的精细化预报海区强风过程的气候变化特征还需要构建相应的强风过程指标做进一步详细的分析。另外，对于引起强风过程的天气系统强度、路径等是否存在明显的气候变化，则需要更深入的探讨。