引言

近年来，我国中东部地区大气污染加剧，大范围霾事件急剧增多，严重影响人们的生活和健康。在污染源相对稳定的时间内，城市大气污染的程度主要取决于大气自身的扩散条件^[1]。风速是反映大气扩散条件的要素之一。全球气候正经历着一场以变暖为主要特征的变化过程^[2-3]，近50 a中国几乎全部地区的风速都在显著减小, 冬、春季和西北西部最明显, 风速大幅减小主要是由于亚洲冬、夏季风的减弱^[4-6]。Jiang et al.^[7-8]基于1956—2014年风速观测资料，指出在中国大部分区域平均风速、大风日数和最大风速呈现下降趋势，全球变暖是风速下降的主要背景。由于区域内本身自然影响因素的特殊性, 在风速呈减弱趋势的共性下，各区域的气候变化又各具特点^[9-13]。Li et al.^[14]分析北京市1960—2008年12个气象观测站资料，发现北京市冬季风速下降幅度最大。张人禾等^[15]指出2013年1月东亚冬季风异常偏弱, 在中国东部区域表面风速的减弱和水平风垂直梯度的减小为2013年1月中国东部持续性雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件。谭成好等^[16]研究表明，近50 a来华中地区霾日增加受人为污染物排放增多和东亚季风减弱的共同影响。而冷空气到达北京上空后对下层的影响减弱，3级以上偏北风频率减少是1980—2015年北京地区大气污染扩散条件变化特征^[17]。20世纪90年代前，中国霾日数与盛行风速呈显著负相关^[18]。

青岛是我国北方重要沿海城市, 其城市的发展从清末开始。进入21世纪，随着西海岸建设经济重心的实施，城镇范围逐步扩大，2006—2011年青岛城乡、工矿、居民用地增幅达20.68%^[19]。人类生产和生活极大地改变了城市大气的热力和动力状况，青岛局地气候特征发生了变化，空气污染问题也频频出现^[20-21]。再者，青岛为中国最早开创和发展气象科技的三大城市(香港、上海、青岛)之一。1898年3月青岛建立了气象机构，1899年有了气象记录，虽然气象观测工作在1914年6月—1915年3月、1937年9月—1938年1月两次间断，仍具有长资料序列的优势。本文基于1899—2015年百年尺度风观测资料，开展青岛风环境变化特征分析，对了解全球气候变化和城市化进程背景下，以青岛为代表的北方沿海城市风速气候特征具有科学意义，也为青岛生态宜居城市建设提供科学依据。

1 资料与方法

青岛站(54857)现为国家基本气象站，1899—1960年其观测地址位于青岛市观象山，1961年之后迁至现址青岛市伏龙山，两站相距仅700 m，观测场高度相差不到1 m，观测环境基本一致。本文以1899—2015年的青岛站年平均风速为基础，使用趋势分析等方法研究青岛风速百年气候变化特征；进一步分析1961—2015年青岛市88个地面气象站逐日风速和风向资料，结合水平分辨率为1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料，揭示在全球变暖的气候背景下以及不同城市发展阶段情形下，青岛市近55 a来风环境的空间差异性。其中，青岛、崂山、胶南、即墨、胶州、平度和莱西站是青岛市7个国家级地面气象观测站。

2 青岛站平均风速对全球气候变化的响应

1899—2015年青岛站117 a年平均风速变化曲线如图 1所示。由于观测资料在1914、1915、1937和1938年的部分月份有缺失，考虑资料的连续性，本文阶段性地分析青岛风速变化特征。首先，1899—1913年青岛年平均风速为3.9 m·s^-1, 风速呈现增大趋势，增长速率为0.12 m·s^-1/(10 a)。在观测资料恢复的1916年后青岛年平均风速继续增强，1925年年平均风速达5.9 m·s^-1，之后基本保持平稳；1916—1936年的21 a间，平均风速为5.2 m·s^-1，风速增长速率为0.13 m·s^-1/(10 a)。

从1939—2015年共有77 a连续的风观测资料，其平均风速为5.0 m·s^-1，风速减小速率为0.25 m·s^-1/(10 a), 这77 a的风速减小速率不但远大于前两个阶段风速的增长速率，而且还远大于全国50 a来的风速减小速率(0.12 m·s^-1/(10 a))^[7]。在这77 a间，1939—1992年风速变化较为平缓，从5 a滑动平均来看，振荡幅度在0.7 m·s^-1范围内。1949年年平均风速高达7.1 m·s^-1，是有史以来风速最大的一年。由风速的MK检验图(图 2)可以看到，UF指数在1939—1955年少变，该时段的线性趋势也显示风速变化较小，风速增长速率仅为0.12 m·s^-1/(10 a)。UF指数在1956—1967年表现为下降趋势，对应风速时间序列也呈减小趋势，风速减小速率为0.36 m·s^-1/(10 a)。从1968年开始风速呈增加趋势，其中1968—1982年风速保持小幅变化，10 a风速仅增加0.09 m·s^-1, 1983—1991年平均风速要比上一阶段有所减小，风速的变化仍很平缓。但从1992年开始UF指数迅速降低，且在2005年左右风速明显减弱，风速减弱速率为0.65 m·s^-1/(10 a)，是117 a间风速减弱最强的阶段；年平均风速从1992年的5.4 m·s^-1下降到2015年的3.2 m·s^-1，远远低于气候态平均水平。

青岛站1899—2015年年平均风速的季节变化如图 3所示。青岛四季的风速在117 a里也大致呈现为先增强(1899—1938年)、再波动维持(1939—1991年)、又急剧减小的趋势(1992—2015年)，具有和年平均风速相似的变化趋势。但各个季节在不同时期平均风速具有不同的变化特征。譬如，1939—2015年77 a春、夏、秋、冬四个季节风速减小趋势分别为0.21 m·s^-1/(10 a)、0.35 m·s^-1/(10 a)、0.19 m·s^-1/(10 a)、0.23 m·s^-1/(10 a)，夏季是风速减小趋势最明显的季节；而1961—2015年55 a中春、夏、秋、冬四季的风速减小趋势则分别为0.34 m·s^-1/(10 a)、0.33 m·s^-1/(10 a)、0.44 m·s^-1/(10 a)、0.48 m·s^-1/(10 a)，冬季风速的减小趋势最显著，均通过了99%的信度检验。近55 a的风速减弱趋势明显高于近77 a的，尤其在冬季，前者是后者两倍多, 20世纪90年代后风速的显著减小是主要贡献者。本文将在后文中重点分析1961—2015年青岛风速变化原因。

3 全球气候变化背景下1961—2015年青岛大尺度环流背景特征

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，分析1961—2015年冬季(12、1、2月)和夏季(6、7、8月)地面平均风场和500 hPa平均高度场(图略)。整体来说，地面风场上，冬季欧亚大陆为反气旋环流，中国大陆为高压控制，山东半岛地区多为风速低于2 m·s^-1的弱西北流场；夏季在山东半岛主要是弱的东南流场影响。在500 hPa位势高度场上，中国冬季都是较为平直的纬向环流，冷空气影响势力偏北偏东；夏季，西北太平洋副热带高压整体偏东。

分析表明，21世纪最初10年之后青岛站平均风速呈现为明显的减小趋势(图 1)。本文对比分析了2006—2015年近10 a和1961—2015年共计55 a夏季和冬季500 hPa位势高度场和地面风速值的差异，如图 4和图 5所示。冬、夏两季在我国中东部范围内均表现为位势高度正距平，东亚大槽偏弱，西北太平洋副热带高压呈现为偏强特点。Qu et al.^[22]指出加强的西北太平洋副热带高压，伴随着充沛的暖湿空气，与包括山东在内的中国东部低能见度现象呈显著负相关。45~55°N东西带是冷空气影响山东半岛的上游地区，500 hPa位势高度差在冬季和夏季表现为相反的变化特征：冬季为偏差小值区，夏季为偏差大值区。近10 a来自北方的冷空气强度趋于减弱，向南的渗透影响能力也趋于减弱，减弱强度夏季强于冬季，但显著性检验表明这种差异不显著。Qu et al.^[23]定量分析指出1973—2012年中国东部冷空气强度每10 a减小0.15 m·s^-1，冷空气发生频率在40 a间减小了18%。

与近10 a影响我国中东部冷空气强度减小相对应的是，我国中东部夏季地面风速近10 a也表现为减小的分布特征，风速增大的区域主要出现在东南沿海(图 5)。冬季，地面风速存在明显的空间差异：(30~50°N，110~117°E)为风速的正距平区，而在我国东海、黄海到渤海及其沿海地区皆表现为负的风速距平带，并且在山东半岛南部存在着一个负距平大值区。近10 a山东半岛冬季地面风速的减小是明显的，且地面风速差异通过了0.001的显著性检验。研究^[24]表明, 亚洲夏季风自20世纪70年代末就开始变弱。Jiang et al.^[7]基于1956—2004年观测资料分析也指出东亚大槽趋于向北向东调整，强度有所减弱，并且冬季风和夏季风强度均呈减小特点。

4 青岛局地风场对城市化进程的响应

青岛市辖管6个市辖区(市南、市北、李沧、崂山、黄岛、城阳)，代管4个县级市(即墨、胶州、平度、莱西)。在全球气候变化背景下，青岛市不同地区风速变化呈现出局地性变化特征。由1961—2015年青岛市年平均风速变化趋势系数分布(图 6)可以看到，东南沿海地区风速减小趋势较大，北部内陆地区相对较小，其中沿海青岛站年平均风速减小趋势最大(0.41 m·s^-1/(10 a))，内陆平度站最小(0.16 m·s^-1/(10 a))。在相同的气候背景下，这是局地风场对近年来青岛市自南向北推进城市化的响应。周雅清和任国玉^[25]指出城市化对华北地区平均气温和平均最低气温增温明显，而陶寅等^[26]指出城市化对安徽省年平均风速有很显著的减弱作用。青岛地区近几十年发展迅速，尤其在南部沿海地区城市化进程显著，势必会对青岛当地的气象要素造成影响。本文以青岛站为城市站，崂山、胶南、即墨、胶州、平度和莱西站为乡村站，考察城市化对地面风速的影响。城市化贡献率的计算方法如下：

$ E_{u}=\frac{T_{u}-T_{r}}{\left|T_{u}\right|} \times 100 \% $

(1)

其中，E_u为城市化贡献率，反映了城市化影响在城市附近台站相对风速趋势变化中所占的比率；T_u和T_r分别为青岛站和其他6个台站相对风速的变化趋势系数。若城市化贡献率为正值则表明城市化对风速起到增加贡献，若为负值则表明城市化对风速起到减弱贡献^[26]。

如表 1和表 2所示，青岛站和崂山站之间变化趋势系数差达到了-0.234 m·s^-1/(10 a)，相对于崂山站，青岛站对年平均风速造成减弱贡献率为-46.5%。而相对于胶南站，城市化对平均风速起到了增强的贡献，青岛站城市化影响为14.5%，青岛站和胶南站之间变化趋势系数差为0.073 m·s^-1/(10 a)。这是因为胶南站位于青岛西海岸，城市发展起步早，与城市参考站青岛站差距较小，城乡差别近于消失，胶南站也已发展为一个城市站。改革开放初期青岛城市发展主要集中在东海岸的老城区和黄岛地区，1992年青岛市东部大开发，实现城市中心东移，2001年建设西海岸经济新区，青岛经济重心西移，青岛市城镇范围逐步扩大。按照1993年民政部撤县设市标准^[27]，截至1998年，莱西和即墨市区人口规模小，城市化水平低。表 2表明相对于即墨站和莱西站，青岛站城市化影响并不明显。城市化对风速贡献率的大小反映了青岛各区市城市化水平的高低和发展步伐。就季节而言，相对于崂山和胶州站，平均风速在冬季受城市化影响较大，与崂山、莱西站比较，城市化在夏季影响较大；而即墨站，在冬季城市化对平均风速造成了减弱影响，在夏季则是增加的贡献。城市化对平均风速贡献率的季节差异反映了青岛作为一个北方沿海城市观测站点处下垫面组成和性质的季节差异。整体来说，城市化使地面年平均风速减小，城市化贡献率约为-17.3%。

图 7为青岛站、平度站和胶南站1961—2015年平均风速距平年变化曲线，其中1981—2010年的年平均风速为气候态风速值。1961—2015年青岛、平度、胶州三站全年、冬季和夏季的平均风速均通过99%的线性趋势检验。在20世纪60年代和70年代，青岛站年平均风速呈现维持增长态势，之后持续下降，1991—2000年平均风速下降显著，下降率每年达到了0.15 m·s^-1；2001—2015年平均风速为3.8 m·s^-1，平均风速下降率有所减缓，下降率为0.72 m·s^-1/(10 a)。平度站年平均风速表现为阶段性的增长和下降，但整体呈现为下降的趋势，下降率为0.16 m·s^-1/(10 a)。其中，20世纪60—90年代平度站年平均风速都呈现为增长趋势，20世纪80年代年平均风速增长率达到了0.36 m·s^-1/(10 a)。2001—2015年，平均风速又转为快速下降趋势。值得注意的是，在20世纪80年代和90年代，内陆平度站具有和沿海青岛站相反的风速变化趋势；2001—2015年间，平度站的年平均风速减小率(1.02 m·s^-1/(10 a))远大于青岛站的风速减小率(0.72 m·s^-1/(10 a))。在相同的气候背景下，这反映了青岛市区和平度市不同的城市发展速度和发展阶段对城市风速的影响。胶南站年平均风速呈现为下降趋势，下降率为0.349 m·s^-1/(10 a)，1988年后胶南站年平均风速均低于气候值(2.5 m·s^-1)。此外，冬、夏两季青岛、平度和胶南站的年平均风速均是下降的，且在冬季下降最显著。

青岛属半湿润温带季风气候，冬季盛行西北风，夏季盛行东南风。青岛地区偏北风强度的变化一定程度反映了冬季冷空气对青岛的影响强弱。本文统计了1961—2015年青岛7个基本气象站WNW、NW、NNW、N、NNE、NE六个风向出现频率以及出现各风向对应的风速，以反映青岛偏北风变化情况。全市偏北风平均风速呈持续下降趋势(表 3)，平均风速从20世纪60年代的3.8 m·s^-1下降到了21世纪最初10年的2.5 m·s^-1，偏北风出现频率变化不大，平均频率为35.4%。1961—2015年全市偏北风下降率约为0.33 m·s^-1/(10 a)，偏北风出现频率为35.8%。与2001—2010年相比，2010—2015年，胶南、胶州、即墨、莱西各站偏北风出现频率增大明显，偏北风风力也有所增强，特别是在胶州站偏北风风力加大明显，这与大尺度环流背景的调整和变化有关，也与胶州站2011年由市区(海拔高度12.4 m)迁站至郊区(海拔高度84.4 m)有一定关系。

5 结论

1) 1899—2015年青岛站的平均风速变化是一个先增强(1899—1938年)，再波动维持(1939—1991年)，之后又减小(1992—2015年)的过程；1992—2015年风速持续降低，风速减弱速率为0.65 m·s^-1/(10 a)，是117 a来风速减弱最强的阶段。

2) 青岛站春、夏、秋、冬四季的平均风速均呈减小趋势，1939—2015年77 a夏季风速减小趋势显著，1961—2015年55 a冬季风速减小趋势显著；近55 a的风速减小趋势(0.41 m·s^-1/(10 a))明显强于近77 a的情形(0.25 m·s^-1/(10 a)), 20世纪90年代后风速的显著减小是其主要贡献者。

3) 1961—2015年青岛地区平均风速呈减小分布，东南沿海地区风速减小幅度大，北部内陆地区减小幅度小，全市偏北风减小率约为0.33 m·s^-1/(10 a)。城市化对年平均风速造成减小贡献率最大为-46.5%，不同地区风速减小幅度、年变化差异和当地城市化水平高低相关。