引言

琼州海峡是海南岛与我国大陆客货运输的交通要道，也是重要的国际航行水道。海上大风是制约琼州海峡通航的主要气象指标之一。由于海峡地形使得该流域及沿岸的风场结构较单一，下垫面情况更为复杂，同时对特殊地形下，天气尺度和中尺度系统的相互作用理解不足，给准确预报海峡大风带来了相当的难度。自Reel等^[1]在20世纪30年代提出峡道风(gap wind)的概念以来，国内外学者通过大量的野外观测试验，数值模拟等方法对海峡大风进行了研究。认为峡谷大风产生的机制往往与动量下传、地形强迫、气压梯度强迫、冷锋过境有关^[2-7]。Carins等通过MM5与业务Eta模式对地形大风事件中地形波捕捉能力的分析得出：分辨率小于5km是模拟复杂地形风场的必要条件之一^[8]。20世纪90年代，国内学者开始针对渤海海峡大风进行系统研究，揭示大风的气候统计特征以及高空槽、热带气旋北上变性造成渤海大风的机理^[9-12]。不少学者对沿岸气象站、岛屿站、船舶站等观测资料进行了对比分析，得出一些根据沿岸气象站观测数据推算海上大风的方法^[13-14]。杜尧东等^[15]利用琼州海峡北岸、南岸和中部3个观测点5年风塔测站观测资料与海峡北岸徐闻气象站风速之间的关系进行了对比分析。结果表明：3个测点与参照气象站风速之间的关系均以线性方程拟合效果最佳。但到目前为止，由于观测数据的缺乏，对琼州海峡流域大风研究仍然不多，而琼州海峡海岸带的生态及经济综合规划十分需要了解其大风气候演变特征，在目前还没有长时间序列的海峡海面大风观测资料情况下，本文利用海峡沿岸的国家基准气象站观测数据，分析了琼州海峡海岸带大风的天气气候变化规律，为琼州海峡大风预报和海岸带的生态及经济综合规划提供参考化依据。

1 资料及计算方法

所用资料包括中国气象局整编的1977—2006年徐闻、海口、琼山、临高4站地面观测资料以及海南省气象台整编的海南省影响天气系统分类统计资料。

根据联合国经济与社会理事会(1988)对海岸带的定义以及我国20世纪80年代进行的海涂资源综合调查规定：海岸带是指海岸线向海5m等深线和向陆10km的范围。本文所选的站点均为海峡沿岸10km内的国家基本气象站，其中徐闻位于海峡北岸，距海峡海岸线约6km。海口、琼山、临高位于南岸，距离海岸线分别约5km、6km、6km。文中海峡南北海岸带以海口、徐闻作为代表站，琼山、临高观测数据用于与海口站进行对比分析，以检验其结论的代表性。

大风标准采用国内外普遍采用的最大风和极大风两种界定指标。极大风、最大风的定义采用地面观测规范行业标准(2007)，即极大风速指某个时段内出现的3秒钟平均风速最大值。最大风指某个时段内出现的10分钟平均最大风速值。本文根据琼州海峡大风预警业务，定义最大风速≥10m·s^-1和极大风速≥17m·s^-1为大风事件。最大风日数指出现最大风事件的天数，极大风日数指出现极大风事件的天数。大风总日数指出现以上任何一种标准的大风事件的天数(一天中两种标准都出现时，只计一个大风日)。

天气气候分析采用了气候趋势系数、双样本异方差t-检验、曼-肯德尔(Mann-Kendall)与CRAMER气候突变检验、小波变换及合成分析等，具体原理见文献[16]。

2 大风日数 2.1 概况

从1977—2006年琼州海峡南北沿岸出现的大风日数(表 1)可知，南北两岸大风总日数差别不大，分别为211d和202d，平均每年7.0d和6.7d。但两种大风标准的大风日数差别较大。极大风日数南北两岸相差71d，最大风差55d。对南北两岸的极大风日数与最大风日数分别进行双样本异方差检验表明，在0.05的显著性水平上，南北两岸的极大风日数和最大风日数都具有显著性差异。相对而言，海峡北岸易出现最大风事件，南岸易出现极大风事件。北岸最大风日数多于南岸。极大风日数少于南岸。

2.2 年际、年代际变化

近30年琼州海峡南北两岸大风总日数的长期变化趋势出现了不一致的情况(图 1a、1b)。海峡北岸无论是极大风日数、最大风日数还是大风总日数，都呈现了波动的演变趋势。对1977—2006年海峡北岸极大风日数、最大风日数、总大风日数进行Morlet小波变换分析表明(图 2)，在整个研究期间内，极大风日数存在8年的年际变化主周期，最大风日数存在14年的年代际变化主周期，总大风日数与最大风日数的变化周期一致(图略)。在20世纪80年代、20世纪90年代和21世纪初极大风和最大风日数还出现了2~4年的高频年际变化周期，以上周期变化分别通过了0.1显著性水平检验。这与陈小丽等^[17]分析的影响海南热带气旋年频数的显著周期为14年和4年基本一致。因此，海峡北岸大风日数长期变化主要受热带气旋活动周期影响。20世纪70年代后期、20世纪90年代初期以及21世纪初期为大风日数偏多期。

海峡南岸极大风日数、最大风日数、大风总日数长期变化均出现了显著的线性递减趋势，递减气候趋势系数分别为-0.69、-0.74、-0.75，均通过0.001的显著性检验。为了克服单一统计学检验方法的不足，分别利用Mann-Kendall及CRAMER对其进行了气候突变期检验，两种方法得到的检验结果较为一致。即20世纪90年代中后期是南岸大风日数减少的突变期(图 3)，结果通过0.01显著性检验。从大风总日数距平值来看，1993年以前，除了1977、1984年大风总日数为负距平，其余均为正距平。1993年后所有年份的大风总日数均为负距平。为了检验其演变趋势的代表性，对海峡南岸的琼山、临高气象站的大风总日数演变情况也分别进行了线性趋势分析，两站近30年的大风总日数也出现了线性递减趋势，递减趋势系数分别为-0.50和-0.24，通过0.01和0.1的显著性检验，气候突变期与海口站一致。而且，海口、琼山、临高3个测站20世纪90年代以来测风仪器并无明显差异，因此，可以认为海峡南岸的大风总日数减少趋势具有普遍性。其原因主要是：20世纪90年代以来，海峡南岸城市化进程加快，建筑物普遍增多、增密、增高，测站周围下垫面动力学粗糙度明显增大，城市冠层抬升，近地层风速明显减小，这是城市化带来的城市下垫面边界层特征变化的显著特征之一^[18]；同时，通过进一步的分析发现，南岸大风总日数的减少趋势主要出现在冬季。

2.3 季节变化及月际变化

表 2为不同季节极大风、最大风和大风总日数分别占全年的百分比，如表 2所示，夏季(6—8月)是琼州海峡沿岸大风日数出现最多的季节(表 2)，其次是秋季(9—11月)、春季(3—5月)，海峡两岸大风日数最少的季节是冬季(12—2月)，这与我国大部分地区大风的季节特征不同。夏秋两季的大风占全年大风总日数的70%以上。其中，极大风日数的季节分布比最大风日数更集中。北岸夏秋季节(6—11月)极大风日数占全年极大风总日数的比例高达90.1%。冬季的极大风出现概率很小，南北岸极大风日数仅占总极大风日数2.9%和1%。

如图 4所示，南北两岸极大风与最大风日数的月季分布都呈多峰特征，南北岸的峰值出现的月份不一致，北岸的主峰值为9月，次峰值为7月，南岸主峰值为10月，次峰值为6月和4月。7—9月，南北岸的极大风日数相差不大，其他月份南岸的极大日数多于北岸。最大风日数月际分布特征与极大风相反，除了4月、10月，其他月份北岸的最大风日数多于南岸。

3 最大风的风向和风速

由于地面观测中极大风的风向、风速资料不全，本文只分析南北两岸最大风的风向和风速特征。

3.1 风向

通过1977—2006年海峡两岸最大风总样本的合成风玫瑰图(图略)分析可知，琼州海峡北岸多NE大风，南岸多偏S大风。北岸60%的大风风向出现在东北象限(0~90°)，ENE大风占总样本的25%。南岸45%的大风风向出现在东南象限(90°~180°)，SSE大风占总样本的22%。无论北岸还是南岸，西北象限的大风都较少见。

3.2 风速

近30年的琼州海峡大风事件中，北岸最大风平均风速小于南岸。北岸最大风平均风速为11.7m·s^-1，最大风速≤13m·s^-1的日数占总样本的82.9%。南岸的最大风平均风速为12.1m·s^-1，最大风速≤13m·s^-1的日数占总样本的79.3%。30年中南北岸最大风速极值出现在同一天，即1980年7月23日, 北岸最大风速为30m·s^-1。南岸为24m·s^-1。

4 影响机制分析 4.1 产生机制

大风的形成机制主要有动力驱动与热力驱动。Whiteman等^[5]提出峡谷地形大风的产生机制包括：1)动量下传；2)地形强迫，包括地形动力强迫和气压梯度强迫；3)锋面过境。琼州海峡两岸无高海拔山地，峡墙造成的地形强迫不显著，气压梯度强迫是大风形成的主要动力驱动机制，影响系统主要有冷锋和热带气旋。热力驱动大风常发生在不稳定层结环境中，对流活动产生的垂直运动引起动量下传而形成大风，其影响系统为中尺度强对流天气系统。

统计1977—2006年南北两岸211个和202个大风事件样本中影响系统的比例(如图 5)发现，热带气旋影响发生的大风事件比例最高，其中北岸极大风、最大风比例分别为71%和56%，南岸为39%和47%。冷空气影响南北两岸的大风比例差别不大，北岸的极大风、最大风比例为22%和13%, 南岸为12%和22%；而强对流天气影响的南北两岸大风比例差别较大，北岸极大风、最大风比例为13%和18%, 南岸达到33%和39%。相对而言，南岸热力驱动大风比北岸显著。

4.2 影响系统 4.2.1 热带气旋

近30年，共有79个热带气旋引起海峡沿岸大风，平均每年2.3个。北岸大风以ENE大风为主，平均最大风速12.7m·s^-1，南岸大风SSE大风较多，其次为NNE大风，平均最大风速13.3m·s^-1。台风(中心风力≥33m·s^-1)在海南岛到雷州半岛之间登陆时，南北两岸同时出现大风。30年中，此类样本56个，占71%。台风在广东阳江到雷州半岛一带登陆或在海南岛南部近海西行时，仅引起北岸大风，此类样本17个，占22%。在海南岛东北部转向的台风或在海南岛南部登陆的强热带风暴(25m·s^-1≤中心风力＜33m·s^-1)仅引起南岸大风，此类样本6个，占8%。以上大风由热带气旋环流风场直接引起，大风分布类型与热带气旋大风范围半径、中心强度、路径密切相关。热带气旋引起的海峡沿岸大风表现出两岸同步的特征，即两岸同时出现大风。

4.2.2 冷空气

近30年，共有85次冷空气过程引起海峡沿岸大风。冷空气造成的大风表现出明显的两岸非同步特征。除了3次冷空气过程造成南北岸同时出现大风外，其余的样本均只在一侧引起大风。北岸大风以最大风为主，极大风、最大风的样本占总样本比例为11%、71%。南岸以极大风为主，极大风、最大风样本比例为69%、12%。北岸大风以NE-ENE风为主，南岸风向发散性强，NE、SE、W大风均常见。大风分布与冷空气强度及冷锋到达区域密切相关。冷锋到达海峡北岸时，冷气团未变性，易产生锋后偏北大风，大风持续时间相对较长，出现最大风事件概率高。锋面经过海峡海面到达南岸时，干冷气团变性，湿度加大，易出现锋前对流大风，持续时间短，瞬时风力较强，出现极大风事件概率高。

4.2.3 强对流

强对流过程引起的海峡沿岸大风常伴有闪电和雷暴。近30年共有此类样本110个，强对流大风与冷空气大风一样，具有两岸非同步的特征。除2次强对流天气同时引起南北岸大风外，其余样本均只在一侧引起大风。南北岸大风均以偏S风为主。南北岸大风出现的频数比例为73：35，南岸强对流天气产生的大风远远多于北岸。

4.2.4 热带气旋与冷空气共同影响

30年中，热带气旋与冷空气共同影响产生的大风样本17个，其季节性特征突出，绝大多数在10—11月出现(占总样本82%)，具有南北岸同步特征，而且均以NE大风为主。此类样本的天气系统配置较典型，即热带气旋位于南海中部，北方冷空气前锋到达华南沿海，冷高压前部的NE风与热带气旋外围环流西北象限的NE风耦合，NE大风较强，持续时间较单一系统影响时间长。

5 结论与讨论

(1) 近30年来，琼州海峡南北海岸带大风日数年际变化呈现不一致特征。北岸大风日数呈现周期波动趋势，极大风日数存在8年的年际变化主周期，最大风日数和大风总日数存在14年的年代际变化主周期，在20世纪80年代初期、20世纪90年代和21世纪初期极大风、最大风和大风总日数还出现了2~4年的高频年际变化周期，波动周期与影响海南岛热带气旋频数变化周期一致。南岸大风日数显著减少，气候突变期为20世纪90年代中后期。南岸大风明显减少的原因是城市化进展和冷空气势力减弱。

(2) 海峡两岸大风事件均以夏季出现频率最高，冬季最少，这与我国大部分地区大风的季节特征不同。这主要是由于我国大部分地区的大风主要由西风带系统引起，而琼州海峡海岸带大风主要由热带气旋引起。平均而言，受热带气旋和冷空气系统的动力驱动影响，北岸出现最大风事件概率较高，易出现NE大风。受强对流天气系统的热力驱动影响，南岸出现极大风事件概率较高，易出现偏S大风，南岸由强对流天气引起大风的概率远大于北岸。