威海-大连航线实测风与沿岸站、海岛站对比分析

李宏江，吴志彦，王佳明，吕守敏，李旭杰

（威海市气象台，山东威海 264200）

1 引言

山东半岛位于我国北方海岸线的中偏南段，北与辽东半岛形成环抱渤海之势，突出在黄海之中，是中国北方延伸向太平洋的前缘。由于特殊的地理环境，半岛沿海一年四季都易产生大风天气，尤其在冬季容易出现偏北大风，而春季则易出现偏南大风，呈明显的季节变化。以位于半岛东端的成山头为例，1981—2010年30 a间，日最大风速大于17.0 m/s的日数达到986 d，位于半岛北部的威海日最大风速大于12.0 m/s的日数达到2266 d；进一步统计表明，各方位都有大风出现（见图1）。对1980—1999年渤海和北黄海大风的统计分析表明[1]，冬季主要以偏北方向为主，在过渡季节既有偏北大风也有偏南大风的出现。当渤海海峡的大风到达山东半岛的成山头，受陆地的抬升作用产生垂直上升运动，风速再次加大；冬季渤海低空特殊的浅对流，对大风加强起了促进作用。对2010—2012年山东沿海海区逐时最大风统计分析发现，山东东部海区平均风速最大，大风日数和大风的持续时间和强度都为全省最高[2]。2001—2010年山东沿海偏北大风的统计分析表明，冬季、秋季和春季偏北大风次数多、风力大，偏北大风的持续时间较长，有时持续一天，最多可达7 d[3]。

图1 1981—2010年威海和成山头各方位最大风速（蓝）和风向频率（红）玫瑰图

渤海海峡大风的强危害性和频发性对周边地区人民的生命财产和海上航运造成了极大的影响。威海-大连航线是渤海海峡航线的重要组成，航线气象保障也是相关省市日常预报服务的重要项目。近年来，随着航线气象服务的深入开展，以及沿海观测资料进一步丰富，渤海海峡航线大风的预报经验逐渐积累，航线风的一些观测事实和变化规律也被揭示。对烟台、大连沿海几个台站的测风资料的分析表明，渤海海峡以偏北风和偏南风较大，偏东风和偏西风较小[4]，大风日数存在逐年减少的变化趋势，且海岛站能较好的代表渤海海峡大风的情况[5]；对烟台海域海岛站和沿岸站的对比分析表明，在不同风向下各海岛站对海面大风的代表性不同[6]，由于海岛站和沿岸站的风力极值相差较大，综合应用海岛站和沿岸站大风记录，能更加准确反映渤海海峡大风的气候特征[7]；海岛测站观测值与模拟值的对比分析指出，若通过海面实测资料与海岛测风资料直接的对比分析，求得的订正效果可能最佳,但是极难得到大风情形下海面实测风资料[8]。卫星反演资料也应用到海峡风的对比研究中。对海峡附近QuikSCAT散射计矢量风与浮标站风的对比分析表明，两者风速大小基本吻合，但风向偏差较大[9]，对1971—2008年大连沿海测站的统计分析表明，该海区大风呈减少趋势[10]，大连附近浮标站和内陆测站的个例对比分析表明，最大风速海陆差异都比极大风速海陆差异明显，最大风速海陆差异最小1级，最大5级，而极大风速只差1级左右[11]。

随着社会经济的发展，对气象观测的投入也日渐增多。有别于传统的沿岸站，众多自动气象观测站纷纷建立，这为沿海大风的观测提供了更加丰富的资料来源。2009年开始，建立在往返于威海-大连航线的客轮“生生-1”号上的自动气象站，更是对渤海海峡气象观测资料的进一步丰富。

采用航线附近沿岸站、海岛站和船舶站测风资料，尤其通过对海岛站、船舶站资料进行检查、去噪、去误、优选、整理和预处理，对海岛站、船舶站、沿岸站测风资料进行对比、统计，分析海岛站、沿岸站在海上航线大风特征方面不同程度的代表性，对海上航线服务具有重要意义。

2 资料简介及预处理

2.1 资料简介

目前的预报业务中，按照鲁气办发[2010]45号《关于开展海洋气象预报业务质量评定试运行的通知》的要求，将刘公岛作为威海-大连航线风预报的参考站点，而在以往的预报经验中，又往往以成山头作为海上风预报的参考站点。因此本文对航线风的研究，将刘公岛、成山头的测风资料同时纳入研究范围，这不仅是对以往经验的再次考证，也是对沿岸站、海岛站测风资料对航线风不同代表性的对比研究。

图2 2011年12月“生生-1”号船舶站观测记录

本文选取2011年1—12月刘公岛、成山头、威海-大连航线“生生-1”船舶站（以下称船舶站）测风资料进行对比分析。船舶站使用江苏无线电科学研究所的ZQZ-A自动站，该站建立于2009年，2011年6月后，观测时间加密为10 min，本文采用的要素包括：最大风、极大风、2 min平均风。以2011年12月为例，观测数据样本量为3237个，数据点分布如图2。刘公岛采用华云CAWS600B自动站，测风资料包含逐时最大风向风速、极大风向、风速。成山头国家基本站测风资料包含逐时最大、极大风、2 min平均风。以上测风资料均符合《地面气象观测规范》要求，风向采用360°方位表示，风速以m/s为单位，保留一位小数。

2.2 资料预处理及计算方法

船舶站测风资料已经去除船风因素。首先对船舶站资料进行普查、去误和优选。具体方案如下：

（1）对船舶站资料的普查表明：气象条件允许的情况下，观测船只大致航行时间：9:00大连—18:00威海；21:00威海—次日5:00大连。当船只进/出港时，处于减速/加速状态，航速一般较低，且此时船舶站位于海湾内，相较海岛站或沿岸站不具备代表性；而当船只航行于海面时，航速趋于稳定，约为7—8 m/s。因此设置临界航速=6.5 m/s，当航速≥6.5 m/s时，认为船只位于航线上，此时的观测记录为航线观测记录；

（2）去误和优选。普查表明，船舶站测风记录偶有缺失或不齐。本文在对船舶站数据进行普查的基础上再进行去误和优选。一些时次记录的最大风、极大风和平均风记录三者缺一或缺二，一些时次只记录了经纬度、航向航速等而无测风记录，本文将这些时次的记录予以舍弃。普查还表明，一些时次的风记录风向为180°，风速为0，且这一记录与同时次的其他测风数据对比偏差都较大；从出现频率看，例如2011年5月，745个时次每个时次5组（包含2 min平均风、10 min平均风、最大风、瞬时风、极大风）共3275个测风记录，存在14个测风记录将风向和风速分别记为180°和0。本文认为这些记录不可靠，予以舍弃；

（3）对时间分辨率进行调整。由于成山头和刘公岛测风资料的时间分辨率为1 h，因此相应地，将船舶站逐10 min测风资料处理为逐时资料。具体方法为：对最大风和极大风，分别选取每小时6个测值中的最大的风速及其对应的风向为逐时最大风和极大风；对平均风，与成山头平均风相对应地，取整点前2 min平均风作为该时次的平均风；

（4）普查表明，研究时段内刘公岛、成山头站均存在缺测情况，这可能是自动站故障、通讯中断等原因所致，这些个别的缺测情况不影响较长时间序列样本的连续性。为方便对比研究，在对船舶站资料进行去误和优选的基础上，再次舍弃刘公岛、成山头站缺测时船舶站的同时次资料。

因此，经以上处理得到的测风资料，不仅排除了所涉测站的缺测情况，也排除了船舶站测风资料不具备航线代表性的情况，即同时保证刘公岛、成山头、船舶站这3个测站参与对比研究的测风资料真实并且有效。

3 船舶站风资料分析

基于以上预处理，得到2011年1—12月船舶站逐时风（包含平均风、最大风、极大风），逐月样本量如图3所示。就样本量而言，1月最少，这是由于船舶站在1月19日前观测数据缺失所致。其余月份样本量均在300—400左右，其中7月份最多，为458个。由于篇幅的限制，同时考虑样本量和季节因素，选择4月、7月、10月、12月的最大风分别代表春、夏、秋、冬四个季节，考察各季节风向、风速和主导风向的变化规律。各月风玫瑰图如图4所示。

图3 船舶站2011年各月逐时最大风样本量

从图4可见，各季节的主导风向各不相同。春季以西南风最多，其次为西北风；风力以4—5级为主，偏南风、偏西风和西北风均有出现6—7级风力，反映了春季作为过渡季节南北大风交替出现的特点。夏季各风向的频率差别较春季小得多，但以偏南风和东南风最多；风力以4—5级为最多，3级以下风频率较春季明显增多，6—7级风主要出现在东南-南风-偏西风方向。秋季以偏南风-偏西风-西北风为主，其中以偏西和西北风最多；风力以4—5级为主，6—7级风主要出现在偏西风附近。冬季则以西北风为主导风向，且6—7级大风的出现频率较另外3个季节明显增多。综观以上分析，发现船舶站主导风向的变化呈现明显的季节规律，且与季节特征相符；风力以4—5级为主，夏季3级以下风频率最多，秋冬季6—7级大风明显增多。

图4 2011年船舶站最大风玫瑰图

4 观测资料对比

上一节的分析表明，船舶站作为渤海海峡航线海上风的代表，其变化规律与季节特征相符。那么船舶站测风数据与传统沿岸站、海岛站对比，有何异同？本节从风向和风速两个方面进行分析。为了更清晰地了解所涉测风资料的偏差程度，分别计算了各月逐时风速的平均偏差、绝对偏差和均方差偏差。计算结果表明风速、风向的均方差偏差分布与绝对偏差相似，因此本节将均方差偏差序列图略去，仅给出平均偏差和绝对偏差序列。

4.1 风向对比

首先对3个测站的风向偏差进行对比。偏差取同时次船舶站风向角度减去刘公岛/成山头风向角度。偏差正值表示顺时针偏差，负值表示逆时针偏差。对以上结果进行偏差控制，偏差绝对值≤180°[12]。例如当风向在北风附近时，若船舶站为350°，刘公岛为5°，则偏差取-15°而非345°。

2011年逐月船舶站和成山头平均风向、最大风向、极大风向的对比统计结果如图5。可见除了样本量最小的1月份，其余各月的平均偏差都在20°以下，可以认为船舶站和成山头的风向偏差不大。无论平均风、最大风还是极大风，在1—6月，风向平均偏差为负值，即船舶站风向较成山头有逆时针偏差；在8—12月平均偏差均为正值，表示船舶站风向较成山头有顺时针偏差。从绝对偏差看，偏差值12月最小，2月最大。均方差偏差12月最小，3月最大。综合以上分析可知，船舶站和成山头的风向平均偏差不大；12月的偏差最小，即在12月，成山头的风向与船舶站最接近，用成山头的风向代表海上航线风向是可行的。

图5 船舶站和成山头逐月风向偏差

图6 船舶站和刘公岛逐月风向偏差

船舶站和刘公岛的风向偏差分析如图6所示。最大风和极大风的平均偏差在3、4月份最小，且在4—12月，风向偏差均为正值，表示船舶站较刘公岛有顺时针偏差；从偏差值看，除1月份外，其余各月份绝大部分情况偏差都在20°以内，10月份偏差虽然略大一些，但也仅为28°左右。绝对偏差在12月最小。综合以上分析可见，船舶站和刘公岛的风向平均偏差不大，尤其在春季，两者风向偏差最小。

以上结果表明，除了样本量较小的1月份，其余11个月船舶站和成山头/刘公岛的风向平均偏差大多都在20°以下。在1—6月，船舶站风向较成山头有逆时针偏差，在8—12月则为顺时针偏差；而4—12月，船舶站较刘公岛有顺时针偏差。12月成山头的风向与船舶站更接近，可用成山头的风向代表海上航线风向；而刘公岛与船舶站的风向偏差在4月最小。可见在不同的季节，海岛站和沿岸站对航线风的代表性有所不同。在春季（尤其4月），刘公岛和船舶站风向较接近；而在冬季（尤其12月），成山头和船舶站风向更接近。

4.2 风速对比

首先考察船舶站和成山头/刘公岛的逐月风速序列的相关性，取置信度α=0.01，对各月相关系数作检验，如表1所示。结果表明，船舶站和成山头的平均风除了1月、3月、10月、12月之外均显著相关，最大风和极大风除了1月和3月外均显著相关；船舶站和刘公岛的最大风在4—12月显著相关，极大风除了1月和3月均显著相关。

船舶站和成山头的风速偏差如图7所示。从图7a可以看出，平均偏差除了4月的最大风速偏差为负外，其它均为正值。平均风速偏差在0.15 m/s（9月）—6.5 m/s（1月）之间，最大风速偏差在-0.57（4月）—5.32（2月）之间，极大风偏差在0.61 m/s（4月）—6.37 m/s（2月）之间，平均偏差值1月、2月最大，4—9月相对较小；3—12月的偏差值大多在2 m/s以下。从4—12月的偏差对比看，极大风速的偏差较平均风速和最大风速偏差大1 m/s左右，即船舶站风速往往大于成山头，且极大风速较成山头偏差更大。从绝对偏差看依旧是1月和2月最大，极大风速偏差较平均风速、最大风速偏差大，1—3月偏大1—2 m/s，4—12月偏大1 m/s以下；相对最小值出现在7月份。

船舶站和刘公岛的风速对比如图8所示。平均偏差除了4月和6月的最大风偏差外均为正值，最大风速偏差在-0.18（4月）—6.67（1月）之间，极大风速偏差在1.19 m/s（4月）—7.62 m/s（2月）之间。4—12月的极大风速偏差较最大风速偏差大，相对而言，4—9月偏差较小，冬季（12、1、2月）偏差较大。绝对偏差最小值出现在6、7月份，极大风速偏差大于最大风速。无论平均偏差还是绝对偏差，都是1、2月的偏差最大。

以上对比分析表明，船舶站和成山头/刘公岛风速相关显著，尤其在4—12月，最大风和极大风显著相关。船舶站风速往往大于成山头和刘公岛，且1月、2月偏差最大，4—9月相对较小，极大风速偏差大于最大风速偏差。4—12月，船舶站和成山头的极大风速偏差较平均风速和最大风速偏差大，其中3—12月的平均偏差值大多在2 m/s以下。船舶站和刘公岛的极大风速平均偏差在1.19—7.62 m/s之间，2月最大，4月最小；总体而言，成山头与船舶站的风速差异较刘公岛小一些。

表1 船舶站和成山头和刘公岛风速相关系数（加粗数值表示通过α=0.01的信度检验）

图7 船舶站和成山头逐月风速偏差

图8 船舶站和刘公岛逐月风速偏差

5 小结与讨论

威海-大连航线是渤海海峡航线的重要组成，航线保障服务一直是专业气象服务重点之一。为了分析业务常用参考站点对航线风的代表性，本文对威海-大连航线“生生-1”号船舶站测风资料进行了普查、优选和预处理，首先考察了船舶站测风资料所代表的航线风的变化规律；然后结合目前海上航线保障服务和现行参考站点，对比统计分析了2011年1—12月船舶站、刘公岛、成山头的风向、风速偏差，以期为海上航线的风预报提供一些参考。本文主要结论如下：

（1）船舶站主导风向的变化呈现明显的季节规律，且与季节特征相符。春季主导风向为西南风和西北风，夏季为偏南和东南风、秋季为偏西和西北风，冬季为西北风。风力以4—5级为主，夏季3级以下风频率最多，秋冬季6—7级大风明显增多；

（2）除了样本量较小的1月份，其余11个月船舶站和成山头/刘公岛的风向平均偏差不大，大多都在20°以下。在不同的季节，海岛站和沿岸站对航线风的代表性有所不同。在春季（尤其4月），刘公岛和船舶站风向较接近；而在冬季（尤其12月），成山头和船舶站风向更接近。在1—6月，船舶站风向较成山头有逆时针偏差，在8—12月则为顺时针偏差；而4—12月，船舶站较刘公岛有顺时针偏差；

（3）船舶站和成山头/刘公岛风速相关显著，尤其在4—12月，最大风和极大风显著相关。船舶站风速往往大于成山头和刘公岛，且1月、2月偏差最大，4—9月相对较小，极大风速偏差大于最大风速偏差。总体而言，成山头与船舶站的风速差异较刘公岛小一些。

由于冬季强冷空气引起的偏北大风往往造成威海-大连航线停航，强风天气背景下的船舶站测风资料无法获取。尽管引进了船载自动站的观测资料，但受观测样本量限制，本文涉及的资料范围仍然较短。不同测站对航线风代表性的分析，以及航线风在不同天气背景下的的变化规律，有赖于收集更为多源的、长时间的海上观测资料进行进一步对比分析，以及在此基础上数值模拟的进一步揭示。

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