1. 引言
宁夏固原市位于黄土高原西部边缘，六盘山在此巍峨耸立，形成一条近似南北向的狭长山脉。据记载[1]，隆德县位于六盘山西侧，受山谷风效应影响，全年主要盛行东南风；而隆德–西吉地区由于地处西南部六盘山与月亮山的环抱之中，地势较低，因此大风日较少。
大风现象四季皆可发生。宁夏地处季风区边缘，风向随季节变化显著。在冬半年，受蒙古冷高压影响，大部分地区主要刮偏北风和偏西风；夏半年则以东南风和偏南风为主[1]。鉴于宁夏春季常有浮尘、扬沙和沙尘暴等灾害性天气，当地学者对春季大风沙尘天气的研究投入了高度关注。众多学者[2]-[7]对宁夏大风沙尘天气过程进行了深入的天气学诊断分析，指出地面大风的形成主要由高空强冷空气和地面强冷锋引起的气压梯度风、变压风所致，而锋面次级环流下的动量下传则加剧了地面大风的强度。此外，热低压梯度大风也是春季形成大风沙尘天气的原因之一。在冬季，高空槽后等高线密集的强风区和地面冷锋过境是导致宁夏大风和强降温的主要因素[8]。同时，也有学者[9] [10]对夏季强对流天气引发的雷暴大风现象进行分析。
大风及其伴随的沙尘暴现象对固原市的设施农业产生了严重的破坏性影响。通过应用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)进行的研究揭示，在温棚、拱棚和温室等农业设施所面临的四种主要气象灾害中，大风灾害的致灾权重占据首位(大风 > 暴雪 > 寒潮 > 低温寡照)，其权重计算结果已通过一致性检验[11]。大风引发的棚膜破裂、结构框架崩塌等结构性损害，每年导致经济损失达数千万人民币。同时，大风对能源基础设施的威胁亦不容忽视——由风偏、舞动引起的电网输变电设备故障占宁夏电网总故障的60%以上[12]。
在这一背景下，本文着重探讨固原市大风天气的时空分布特征及其天气学背景，旨在厘清固原地区大风天气的发生规律，为当地气象灾害的预防与减灾、新能源的合理布局提供科学依据，并为全球气候变暖背景下干旱和半干旱区域极端天气事件的演变趋势提供研究案例。
2. 资料和方法
2.1. 资料
本研究基于1994~2023年宁夏固原市64个大风监测站点的逐日地面极大风速观测数据(观测时段：前一日20时~当日20时)，对固原市大风天气的时空分布特征进行了系统的统计分析，并在此基础上，选取原州区、西吉、隆德、泾源四个国家级监测站点的逐日地面极大风速观测资料作为筛选全市性大风日的依据。同时，利用2000~2023年ERA5再分析资料中的逐小时海平面气压、位势高度、气温、散度、垂直速度以及10米风速等气象要素，对大风日数的相关气象要素变化进行了深入探讨。
2.2. 全市性大风日的选取
在本文中，当某一站点记录的极大风速达到8级及以上风力等级时，判定该站点出现大风天气。宁夏固原市由四县一区构成，当原州区、西吉县、隆德县、泾源县这4个国家级监测站点在同一日内有至少2个站点同时记录到大风天气，则该日被定义为全市性大风日。通过数据筛选，1994~2023年，固原市共记录到68个全市性大风日，其中9个偏南大风日，59个偏北大风日，偏北大风日数占总大风日数的87%。
3. 时空分布特征
3.1. 空间分布特征
Figure 1. Spatial distribution of frequency of windy years in Guyuan, Ningxia (Unit: days/year)
图1. 宁夏固原市大风年发生频数空间分布图(单位：日/年)
宁夏固原市1994~2023年地面大风频数时间分布统计特征如图1所示。宁夏固原市目前有64个大风站点，这些站点的大风年发生频率在0.50~115.47日/年。其中，年发生频率低于3日/年的站点有23个，占总站点数的36%；低于6日/年的站点达42个，占总站点数的66%；而低于10日/年的站点则有50个，占总站点数的78%。根据1994~2023年固原市大风年发生频率空间分布图来看(图1)，固原市大风地理分布极不均匀，并表现出显著的局地性特征。高发区主要集中在原州区北部以及六盘山梯度地带，三个突出的高值点分别为六盘山顶(年发生频率为115.47日/年)、原州区寨科乡(年发生频率为48.42日/年)和黄铎堡镇(年发生频率为38.25日/年)。六盘山顶区域的大风发生频率呈放射状分布，其两侧的隆德县陈靳乡与城关镇、泾源县大湾乡及六盘山镇的大风年发生频率在16.50~27.50日/年。此外，西吉县将台堡镇与偏城乡的大风年发生频率为10~15日/年。
3.2. 年分布特征
如图2所示，选取2010~2023年64个大风站点的大风年发生日数，绘制时间序列图。最大年发生日数为11.52日，出现在2016年；最小年发生日数为3.29日，出现在2015年；平均值为7.07日/年。2010~2023年整体呈现增长趋势，每10年增加1.51日。
Figure 2. Annual variation in wind occurrence days at 64 wind stations in Guyuan, Ningxia, 2010~2023
图2. 宁夏固原市2010~2023年64个大风站点的大风年发生日数变化图
根据图3所示，分析原州区、西吉、泾源、隆德4个站点在1994~2023年大风日数的年际变化趋势，可以观察到1994~2003年期间大风年发生日数相对较高，而2007~2017年期间显著下降，均低于4日。然而，近五年来大风年发生日数又呈现上升趋势，增加至10日以上。
Figure 3. shows the annual variation in strong wind occurrence days at four stations in Guyuan, Ningxia from 1994 to 2023
图3. 宁夏固原市4个站点1994~2023年的大风年发生日数变化图
4. 偏北大风的形势场分类
宁夏固原市1994~2023年共发生偏北大风59次，可将其环流形势归纳为4大类、7小类。分别为东高西低背景下的蒙古短波槽型；西高东低背景下的东北槽(涡)型、西高东低背景下的东北–蒙古横槽型、西高东低背景下的华北槽(涡)型、西高东低背景下的短波槽扰动；两槽一脊背景下的东北–蒙古槽底部；宽广槽区底部的偏西气流。
东高西低背景下的蒙古短波槽型(图4)。在40˚N~60˚N之间，蒙古及其以西区域为槽，东北地区为脊，构成一槽一脊的环流形势。蒙古短波槽底部的偏西气流与700 hPa的西北急流带以及地面高压相配合，引发地面大风天气。
Figure 4. Conceptual model of the east-high west-low pattern (left: 500 hPa height field superimposed with 700 hPa wind field; right: 500 hPa height field superimposed with sea-level pressure field)
图4. 东高西低型的概念模型图(左图为500 hPa高度场叠加700 hPa风场、右图为500 hPa高度场叠加海平面气压场)
Figure 5. Conceptual model of the west-high-east-low pattern (left: 500 hPa height field superimposed with 700 hPa wind field; right: 500 hPa height field superimposed with sea-level pressure field). (a) and (b) represent the bottom and rear of the northeast trough; (c) and d show the northeast vortex; (e) and (f) depict the gentle circulation pattern; (g) and (h) indicate the bottom of the northeast-Mongolia horizontal trough; (i) and g show the rear of the North China trough; (k) and (l) represent the two troughs and one ridge within the eastern trough region.)
图5. 西高东低型的概念模型图(左图为500 hPa高度场叠加700 hPa风场、右图为500 hPa高度场叠加海平面气压场) (a)、(b) 为东北槽底部及后部；(c)、(d) 为东北涡；(e)、(f) 为平缓环流形势场) (g)、(h) 为东北–蒙古横槽底部；(i)、(g) 为华北槽后；(k)、(l)为东部槽区内两槽一脊
在西高东低的背景下(30˚N~60˚N之间，东部为槽区，西部是脊区) (图5)，槽脊型可分成四小类。(1) 东北槽的底部及其后部。宁夏受槽区底部及其后方偏西或者西北气流的影响，在700 hPa上通常伴有西北急流，冬季和初春时地面被高压控制；当存在东北涡的时候，环流形势场更加竖直，高度梯度更大；当槽与脊都不强盛时，环流形势场更为平缓。(2) 东北–蒙古横槽底部的偏西气流，在700 hPa上伴有西北急流，地面大多受高压控制。(3) 华北槽后方的西北气流，在700 hPa上常伴有西北急流，地面气压有所减弱。(4) 东部槽区里两槽一脊的环流形势，两槽中间呈现平直的西风气流，短波槽扰动会造成地面大风。
两槽一脊背景下的东北–蒙古槽底部(图6)。在40˚N~60˚N的中纬度地区，东部与西部均展现出明显的槽区特征，而这两个槽区之间则构成了一个显著的脊区。宁夏地区的大风现象，主要受槽后脊前西北或偏西气流的影响，该气流在700 hPa高空图上伴随着西北急流，与此同时，地面上的高压场也与之呼应，共同作用。
Figure 6. Conceptual model of the two-slab-one-ridge configuration (left: 500 hPa height field superimposed with 700 hPa wind field; right: 500hPa height field superimposed with sea-level pressure field)
图6. 两槽一脊型的概念模型图(左图为500 hPa高度场叠加700 hPa风场、右图为500 hPa高度场叠加海平面气压场)
宽广槽区底部的偏西气流(图7)。在40˚N~60˚N之间是一个广阔的槽区范围，槽区底部存在明显的偏西气流，700 hPa高空图上存在西北急流；当槽区内部出现强蒙古涡时，地面受高压场控制。
Figure 7. Conceptual model of the wide trough region (left: 500 hPa height field superimposed with 700 hPa wind field; right: 500 hPa height field superimposed with sea-level pressure field)
图7. 宽广槽区型的概念模型图(左图为500 hPa高度场叠加700 hPa风场、右图为500 hPa高度场叠加海平面气压场)
5. 相关要素
基于宁夏固原市2000~2023年期间36个全市性偏北大风日，利用 ERA5逐小时10m风速数据开展二次筛选，重新选出单点风力等级达到或超过8级的大风日，并对相关要素展开统计分析。最终，有14个大风日满足要求(表1)。
Table 1. Wind element analysis of days with wind force ≥ 8 in Guyuan city, Ningxia (2000~2023)
表1. 宁夏固原市2000~2023年单点风力等级 ≥ 8级的大风日要素分析表
时间 |
地面 |
700 hPa |
500 hPa |
700 hPa + 500 hPa散度 |
700 hPa + 500 hPa垂直运动 |
20000327 |
气压下降，气温上升 |
恒高，气温升高 |
恒高，气温升高 |
辐散 + 辐合 |
双下沉 |
20000409 |
恒温恒压 |
恒高，气温下降 |
恒高，气温下降 |
双辐散 |
下沉 + 上升 |
20000428 |
气压上升，气温下降 |
高度升高，气温下降 |
槽脊波动，气温下降 |
辐合 + 辐散 |
下沉 + 上升 |
20000511 |
气压下降，气温上升 |
恒高，气温上升 |
高度上升，气温下降 |
辐散 + 辐合 |
双下沉 |
20010303 |
气压下降，气温上升 |
高度上升，气温上升 |
高度上升，气温上升 |
辐散 + 中性 |
双下沉 |
20010408 |
气压上升，气温下降 |
高度上升，气温下降 |
槽脊波动，气温上升 |
强辐合 + 弱辐合 |
下沉 + 上升 |
20010429 |
气压上升，气温下降 |
高度上升，气温下降 |
高度上升，气温下降 |
强辐合 + 弱辐合 |
下沉 + 上升 |
20040302 |
气压上升，气温下降 |
高度上升，气温下降 |
槽脊波动，气温下降 |
辐散 + 辐散；辐散 + 辐合 |
双下沉 |
20100426 |
气压下降，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
高度上升，气温上升 |
辐散 + 辐散；辐合 + 辐合；辐合 + 辐散； |
双下沉减弱 |
20210428 |
气压下降，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
辐散 + 辐合；辐合 + 辐合； |
双下沉减弱 |
20210429 |
气压下降，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
弱辐合 + 弱辐合； |
双下沉减弱 |
20210430 |
气压下降，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
辐散 + 辐合；双中性 |
双下沉减弱 |
20211106 |
气压上升，气温下降 |
高度上升，气温下降 |
高度下降，气温下降 |
辐合 + 辐散 |
弱下沉 + 强上升 |
20230428 |
气压下降，气温上升 |
槽脊波动，气温上升 |
槽脊波动，气温波动 |
辐合 + 辐合；辐散 + 辐散；辐散 + 辐合； |
双下沉 |
对表1数据展开详细分析后可知，在观测的14个大风天气日里，地面气压与气温的变化特征显著呈现出两种类型：其一为海平面气压持续上升，同时气温显著下降；其二为海平面气压明显下降，同时气温上升。具体来讲，第一种情况，即海平面气压上升伴随气温下降的现象，共出现5次，占总观测日数的35.7%；而第二种情况，即海平面气压下降伴随气温上升的现象，出现8次，占总观测日数的57.1%。
进一步分析表明，当出现海平面气压下降伴随气温上升的地面要素变化时，700 hPa和500 hPa等压面上的气温也呈同步升高趋势。结合高空形势场分析可知，这类大风天气通常发生在高空槽后西北急流带控制的区域。在这种天气形势下，当高层(500 hPa)出现辐合，而低层(700 hPa)出现辐散时，二者形成良好的耦合关系，进而建立起高效的动量下传通道。在此过程中，700 hPa和500 hPa同时存在的下沉运动相互作用，显著促进了高空动量向地面的有效下传。
相反，当观测到海平面气压上升伴随气温下降的地面要素变化时，700 hPa和500 hPa等压面上的气温也呈下降趋势。通过形势场分析发现，这类大风天气主要出现在蒙古槽底前部的偏西气流控制区域，且地面通常伴有冷锋活动。在这种天气形势下，垂直运动模式表现为700 hPa下沉运动与500 hPa上升运动的组合配置。
基于上述分析结果，在开展地面大风天气预报工作时，建议采用以下系统性的预报思路：首先，需准确判别当前的天气形势场特征；其次，要仔细核查海平面气压和地面气温在24小时内的变化幅度；最后，还需重点分析700 hPa和500 hPa等压面上的散度配置情况以及垂直运动配置特征。这种分步骤、多层次的预报方法有助于提升大风天气预报的准确性。
6. 总结
(1) 宁夏固原市大风的地理分布具有显著的局地性特征，此特征与当地复杂的地形地貌存在紧密关联。在空间分布上，大风高发区集中于原州区北部以及六盘山梯度地带两个区域。在时间尺度上，2010 ~2023年，大风日数总体呈持续增长趋势，平均每10年增加1.51日。
(2) 偏北大风形势场可归纳为4大类、7小类。具体包括：东高西低背景下出现的蒙古短波槽型，西高东低背景下形成的东北槽(涡)型、东北–蒙古横槽型、华北槽(涡)型和短波槽扰动类型，两槽一脊背景下的东北–蒙古槽底部，以及宽广槽区底部呈现的偏西气流型。
(3) 宁夏固原市偏北大风的地面气压与气温的变化特征显著呈现出两种类型：其一为海平面气压持续上升，同时气温显著下降；其二为海平面气压明显下降，同时气温上升。
(4) 当地面要素出现海平面气压降低、气温升高时，700 hPa与500 hPa等压面气温同步上升。结合高空形势场分析，此类大风天气常出现在高空槽后西北急流带控制区。在此天气背景下，当高层(500 hPa)辐合、低层(700 hPa)辐散形成良好耦合关系，建立动量下传通道，期间700 hPa和500 hPa下沉运动配合，推动高空动量向地面传递。
(5) 当地面要素出现海平面气压升高、气温降低时，700 hPa与500 hPa等压面气温同时下降。结合高空形势场分析，此类大风天气多发生在蒙古槽底前部受偏西气流主导、地面常伴有冷锋活动的区域。而且，在此天气背景下，垂直运动特征为700 hPa下沉运动与500 hPa上升运动组合配置。
基金项目
宁夏自然科学基金重点项目(2023AAC02088)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。