上川島大風(fēng)氣候特征及其對船舶航行的影響

申定雁 張志慧 黃杰雄 甘曉星

摘要：選取上川島國家基準(zhǔn)氣候站（59673）1975—2018年逐日大風(fēng)氣象資料，采用氣候統(tǒng)計方法，分析上川站大風(fēng)的氣候變化特征及其對船舶航行的影響。結(jié)果表明：上川站年平均大風(fēng)日數(shù)為53.3d，年大風(fēng)日數(shù)最多79d（1984年），最少34d（2007年），以氣候傾向率-2.92d·10a-1呈顯著下降趨勢;1a中各月都有大風(fēng)天氣，1月最多，6月最少;大風(fēng)日數(shù)冬季>秋季>春季>夏季，冬半年>夏半年;從年代際來看，20世紀(jì)90年代為大風(fēng)多發(fā)期，21世紀(jì)20年代為低值期。海上大風(fēng)天氣嚴(yán)重影響船舶航行安全，但通過一定的防御措施可減少或避免其帶來的危害。

關(guān)鍵詞：大風(fēng);氣候特征;上川站;航行安全

中圖分類號：S16文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200815045

收稿日期：2020-07-02

作者簡介：申定雁（1989-），男，本科，助理工程師。研究方向：地面氣象觀測服務(wù)。

引言

大風(fēng)是指瞬時風(fēng)速達(dá)到或超過17.0m·s-1的風(fēng)，是一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣，大風(fēng)常伴隨著激烈的降溫、雨雪等，給航運、海上捕撈、漁船作業(yè)、海水養(yǎng)殖以及人們的生產(chǎn)生活等帶來巨大的危害。長期以來，由于大風(fēng)的強災(zāi)害性和頻發(fā)性，使其一直成為氣象研究的熱點問題[1-5]。研究表明，大風(fēng)日數(shù)的年際變化呈顯著的下降趨勢，冷鋒是最主要的影響系統(tǒng)[6];青海省河南縣和內(nèi)蒙古阿拉善右旗的大風(fēng)日數(shù)也呈顯著性減少趨勢[7，8];范蘭艷等從大風(fēng)的成因入手，得出遼寧省朝陽地區(qū)大風(fēng)天氣可分為4種類型，冷鋒過境后的偏北大風(fēng)、高壓后部偏南大風(fēng)、東北低壓發(fā)展加強時的大風(fēng)、颮線過境和雷暴天氣出現(xiàn)時伴隨的大風(fēng)[9]。

上川島地處廣東省臺山市西南部，島嶼面積為157km2，具有優(yōu)越的旅游資源、豐富的漁業(yè)資源和海水養(yǎng)殖資源。全年出現(xiàn)多種災(zāi)害性天氣，其中大風(fēng)的出現(xiàn)頻率最高，給當(dāng)?shù)芈糜巍B(yǎng)殖和捕撈帶來重大影響的同時也威脅著川島航線的航行安全。因此，本文利用上川島地區(qū)1975—2018年的大風(fēng)資料，對其大風(fēng)氣候特征進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)變化規(guī)律，最大可能減少災(zāi)害損失，為防災(zāi)減災(zāi)提供決策參考，也為當(dāng)?shù)貨Q策部門提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

選取上川島國家基準(zhǔn)氣候站1975—2018年共44a逐日大風(fēng)日數(shù)的氣象資料。四季劃分如下：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季;4—9月為夏半年，10月—次年3月份為冬半年。采用一元線性回歸方程進(jìn)行線性擬合，用Yi表示樣本量為n的某一氣候變化量，Xi表示Yi所對應(yīng)的時間，建立Yi與Xi的一元線性回歸方程：

式中，a為回歸系數(shù)，b為回歸常數(shù)，回歸系數(shù)a的符號表示氣候變量Y的趨勢傾向（a×10為氣候傾向率）[10]。當(dāng)a>0（a<0）時，說明隨時間X的增加Y呈上升（下降）趨勢。a值的大小表示上升或下降的傾向程度。

a和b用最小二乘法進(jìn)行估計。觀測數(shù)據(jù)Yi及對應(yīng)時間Xi的回歸常數(shù)b和回歸系數(shù)a的最小二乘法估計為：

2大風(fēng)日數(shù)的變化特征

2.1年際變化特征

從1975—2018年上川站年大風(fēng)日數(shù)統(tǒng)計得出，44a里共出現(xiàn)2343d大風(fēng)天氣，年平均日數(shù)為53.3d，年大風(fēng)日數(shù)最多為79d（1981年），最少為34d（2007年）。利用最小二乘法分析44a上川站年大風(fēng)日數(shù)變化特征（圖1），得出上川站大風(fēng)日數(shù)的一元線性回歸方程為：

相關(guān)系數(shù)|r|=0.405。氣候傾向率為-2.92d·10a-1，說明上川站年大風(fēng)日數(shù)呈顯著下降趨勢（p<0.01）。1975—2002年出現(xiàn)的大風(fēng)日數(shù)大部分都在平均線以上，大風(fēng)日數(shù)超過平均值的年份達(dá)18a;2009—2015年為大風(fēng)日數(shù)低值期，出現(xiàn)的大風(fēng)日數(shù)在37～48d波動，均小于平均值。

2.2月、季變化特征

分析1975—2018上川站大風(fēng)日數(shù)月變化（圖2）可知，上川站的大風(fēng)天氣在1—12月都有發(fā)生，但各月發(fā)生的次數(shù)有明顯差異。上川站1—12月的大風(fēng)日數(shù)呈“V”型，6月大風(fēng)日數(shù)最少（93d），占比3.97%，1月大風(fēng)日數(shù)最多（315d），占比13.44%。

統(tǒng)計結(jié)果表明，上川站不同季節(jié)的大風(fēng)發(fā)生日數(shù)也不相同（圖略）。春夏秋冬四季的平均大風(fēng)日數(shù)分別為10.3d、8.3d、15.0d、19.7d，其所占比例為19.3%、15.6%、28.2%、36.9%。夏半年大風(fēng)平均日數(shù)為19.8d，占比35.0%，冬半年為36.8，占比65.0%。由此可見，上川站冬半年大風(fēng)日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏半年，也進(jìn)一步說明冷空氣南下是引起上川站大風(fēng)天氣的主要因素，強對流和熱帶氣旋的影響是次要因素。

2.3年代際變化

由表1可知，上川站20世紀(jì)90年代的大風(fēng)平均日數(shù)最多，21世紀(jì)20年代的大風(fēng)平均日數(shù)最少，二者之差為10.2d。1975—2000年前的大風(fēng)日數(shù)普遍大于50d，而2000年后的大風(fēng)日數(shù)普遍小于50d。年代際平均大風(fēng)日數(shù)總體呈逐步減小趨勢，與大風(fēng)日數(shù)年變化特征相對應(yīng)。

3大風(fēng)對船舶航行的影響

川山群島地理位置的特殊，只有一條川島航線使其與內(nèi)陸連接，經(jīng)常出現(xiàn)的大風(fēng)天氣嚴(yán)重影響川島航運交通，對船舶的航行安全構(gòu)成極大威脅，主要影響的天氣系統(tǒng)有冷空氣、熱帶氣旋和強對流性天氣。冷空氣在11月中旬開始影響川島海域，12月—次年2月活動最為頻繁，一直到次年4月結(jié)束。冬季強烈的冷高壓活動帶來強冷空氣侵襲，給川山群島附近海面帶來激烈降溫、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。強冷空氣南下影響時，海上風(fēng)力可達(dá)8～10級，有時會出現(xiàn)12級大風(fēng)，持續(xù)影響時間多在1～2d，個別強冷空氣（寒潮）持續(xù)影響時間多達(dá)3～4d。熱帶氣旋是夏秋影響上川島地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，多出現(xiàn)在7—10月。超強臺風(fēng)正面登陸時，瞬時風(fēng)力可達(dá)15～16級（2008年“黑格比”、2018年“山竹”），受臺風(fēng)外圍環(huán)流影響時的大風(fēng)風(fēng)速多為8～10級（2017“天鴿”、2018年“艾云尼”）。強對流性天氣產(chǎn)生的雷雨大風(fēng)是一種生成時間短、影響范圍小，來勢猛、破壞力大、突發(fā)性強的中小尺度天氣系統(tǒng)?，F(xiàn)階段利用天氣形勢分析、數(shù)值預(yù)報、天氣雷達(dá)和氣象衛(wèi)星等方法對雷雨大風(fēng)進(jìn)行預(yù)測，相對于冷空氣大風(fēng)和臺風(fēng)大風(fēng)至少提前24h做出準(zhǔn)確預(yù)報，給予港口、碼頭、船舶充裕的時間做出反應(yīng)，進(jìn)而避免或減少大風(fēng)造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。雷雨大風(fēng)的影響時間、地點等尚難以提前、準(zhǔn)確地預(yù)報，還存在很多局限性。

大風(fēng)在海上必然引起涌浪，風(fēng)速越大，涌浪越高，對船舶的影響越大。船舶在航行過程中遇到大風(fēng)浪時，船體會出現(xiàn)激烈晃動，航向不穩(wěn)，進(jìn)而引起操縱困難，嚴(yán)重時將導(dǎo)致船體傾覆。大風(fēng)產(chǎn)生的涌浪將增大船舶航行時受到的阻力，增加涌浪和船體之間的碰撞力度和頻率，增大對船體的危害。波浪高時，船體被拋出水面，造成螺旋槳空轉(zhuǎn)，還可能受到波峰的作用，發(fā)生中拱現(xiàn)象，使船體變形，嚴(yán)重時會造成船體斷裂。另外，由于波浪和大風(fēng)的共同作用，行進(jìn)中搖晃的船體還未恢復(fù)初始平衡位置，就被后續(xù)的涌浪和風(fēng)持續(xù)影響，船舶向受兩者作用而傾斜的方向繼續(xù)傾斜，最終導(dǎo)致船體傾覆。甲板和船艙上浪嚴(yán)重，海水腐蝕加上船體與涌浪的猛烈撞擊，船上設(shè)備極易受損。

4船舶防御大風(fēng)對策

川山群島海域大風(fēng)天氣必然形成巨浪，在大風(fēng)浪的環(huán)境中，船舶航行安全受到威脅，需要預(yù)報員提前做出預(yù)報，及時發(fā)布預(yù)警信息，港口、碼頭要充分利用預(yù)警時間，選擇正確的避險方式。船員應(yīng)熟悉船只性能，密切關(guān)注氣象部門發(fā)布的海況信息和預(yù)報產(chǎn)品，詳細(xì)了解大風(fēng)影響的持續(xù)時間和影響范圍。同時，強化船員的專業(yè)素質(zhì)，加強船員應(yīng)對大風(fēng)浪天氣的專業(yè)技術(shù)技能培訓(xùn)，定期開展應(yīng)急演練，加強船員的安全意識和應(yīng)急反應(yīng)能力。全力推進(jìn)船舶更新?lián)Q代，投入標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化和適應(yīng)地方特色的新型船舶，全面提升船舶適應(yīng)各種復(fù)雜海況的安全性能。

5結(jié)論

上川站年平均大風(fēng)日數(shù)為53.3d，最多79d（1981年），最少34d（2007年），年大風(fēng)日數(shù)呈顯著下降趨勢，下降幅度為2.92d·10a-1;1975—2002年為大風(fēng)天氣多發(fā)期，2009—2015年為低值期。

上川站1a內(nèi)均有大風(fēng)天氣發(fā)生，但月間波動較大，1月最多，12月次之，6月最少。年代際平均大風(fēng)日數(shù)最多是20世紀(jì)90年代，最少是21世紀(jì)20年代，二者相差10.2d。

冷空氣、強對流和熱帶氣旋是產(chǎn)生川山群島海域大風(fēng)的主要天氣系統(tǒng);提高預(yù)報準(zhǔn)確率、強化船員專業(yè)素質(zhì)和推進(jìn)新型船舶下水是防御海上大風(fēng)的有效手段。

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（責(zé)任編輯李媛媛）