武威市平均風(fēng)速變化特征及其對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

汪宗成，楊曉玲，李天江，張 凱

(1.甘肅省天?？h氣象局,甘肅 天祝 733299;2.甘肅省武威市氣象局,甘肅 武威 733000;3.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州 730020)

氣候和生態(tài)環(huán)境變化以及人類活動(dòng)是引起全球環(huán)境變化的主要原因[1]。風(fēng)速被廣泛應(yīng)用于氣候變化研究、風(fēng)蝕強(qiáng)度評(píng)估、沙塵暴預(yù)測(cè)、大氣污染評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[2]；風(fēng)要素是影響沙塵天氣最為直接、最優(yōu)相關(guān)的因子,風(fēng)速的大小直接關(guān)系到沙塵天氣頻數(shù)的變化[3]。風(fēng)速的變化幅度不同,對(duì)環(huán)境的影響程度不同[4]。近年來(lái),關(guān)于風(fēng)速變化的研究成果較多。從全球范圍來(lái)看,位于中緯度的中國(guó)、歐洲、北美和澳洲在過(guò)去30～50年間表現(xiàn)出-0.004～-0.017 m/(s·a)的風(fēng)速遞減率,而高緯度地區(qū)(>65°的南極洲)則表現(xiàn)出相反趨勢(shì),風(fēng)速年平均遞增率為0.005 m/(s·a)[5]。對(duì)我國(guó)1956～2002年的風(fēng)速資料分析表明,全國(guó)平均風(fēng)速遞減率為-0.012 m/(s·a)[6]；Wang, et al[7]研究表明,我國(guó)風(fēng)速降低趨勢(shì)普遍,最大降幅發(fā)生在西北地區(qū),季節(jié)最大降幅發(fā)生在冬季；Xu, et al[8]對(duì)我國(guó)1969～2000年的風(fēng)速變化做了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)年均風(fēng)速降低速率為-0.021 m/(s·a),最大降幅主要發(fā)生在冬季和夏季;王遵婭等[9]對(duì)中國(guó)近50年的氣候變化研究表明,中國(guó)大部分地區(qū)的風(fēng)速均顯著減小,冬、春季較明顯,以西北西部最明顯,該區(qū)域20世紀(jì)90年代的年平均風(fēng)速比50年代減小約29%。

武威市地處干旱、半干旱的內(nèi)陸地區(qū),植被稀疏,沙漠戈壁眾多,降水量少,氣候干旱,冷空氣活動(dòng)頻繁,風(fēng)多沙大；特別是冷空氣進(jìn)入河西走廊,在其“狹管效應(yīng)”的作用下,風(fēng)力被加速1.6倍[10]。以往對(duì)武威市風(fēng)速的研究,大多是停留在災(zāi)害性大風(fēng)的時(shí)空變化特征上[11-12],而對(duì)平均風(fēng)速變化特征的分析和報(bào)道少見(jiàn)。本文選取武威市各地近56年逐日平均風(fēng)速序列資料,分析了武威市平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)、周期性以及突變點(diǎn)等信息及其對(duì)氣候變暖的響應(yīng)程度,旨在揭示區(qū)域尺度上風(fēng)速的變化規(guī)律,為提高當(dāng)?shù)貧夂蜃兓A(yù)測(cè)水平、生態(tài)環(huán)境變化研究和風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料來(lái)源于武威市永昌、民勤、涼州、古浪、天祝烏鞘嶺氣象站的逐日平均風(fēng)速,時(shí)間序列為1960～2015年,共56年。上述5個(gè)氣象站56年來(lái)均未曾遷移,觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列長(zhǎng),且完整性和連續(xù)性較好,可信度高,能夠滿足本研究的需要。

1.2方法

利用逐日平均風(fēng)速資料,求得月、季、年、年代平均風(fēng)速。分析年代、年、季和月平均風(fēng)速及極值的變化趨勢(shì)。利用線性擬合方法[13]計(jì)算平均風(fēng)速的變化趨勢(shì):用xi表示樣本量為n的氣候變量,用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,建立xi和ti之間的一元線性回歸方程:xi=a+bti,i=1,2,3，…,n,其中,b為氣候變量的傾向率,b>0表示直線遞增,b<0表示直線遞減,b×10表示每10年的變化率。采用時(shí)間t與序列變量x之間的相關(guān)系數(shù)即氣候趨勢(shì)系數(shù)R檢驗(yàn)氣候變化趨勢(shì)的顯著性。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[14]:通過(guò)信度=0.10、0.05、0.01顯著性檢驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值分別為0.3058、0.3653、0.4430,當(dāng)氣候趨勢(shì)系數(shù)的絕對(duì)值大于上述臨界值時(shí),分別認(rèn)為氣候變化趨勢(shì)較顯著、顯著、很顯著。應(yīng)用方差分析方法進(jìn)行了周期分析,求出F值并進(jìn)行檢驗(yàn)[15]。采用累計(jì)距平法對(duì)平均風(fēng)速進(jìn)行了突變分析,為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算轉(zhuǎn)折年信噪比,當(dāng)信噪比≥1.0時(shí)認(rèn)為存在氣候突變,將最大信噪比對(duì)應(yīng)的年定義為氣候突變年[16]。采用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析了平均風(fēng)速與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫間的相關(guān)程度,其中Pearson為積差相關(guān),是計(jì)算連續(xù)變量或等間距測(cè)度變量間的相關(guān)分析方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均風(fēng)速的空間分布

武威市地處祁連山東麓,境內(nèi)地形復(fù)雜,高山平原沙漠并存,平均風(fēng)速的地域分布存在一定差異。統(tǒng)計(jì)分析武威市5個(gè)氣象站近56年平均風(fēng)速資料發(fā)現(xiàn):全市多年年平均風(fēng)速為3.2 m/s,平均風(fēng)速以天祝最大,為5.0 m/s；古浪次之,為3.4 m/s；以下依次為永昌(3.0 m/s)、民勤(2.7 m/s)；以涼州最小,為1.8 m/s(圖1)。這是由于天祝位于南部高寒山區(qū),植被和建筑物稀少,海拔高度在3000 m(700 hPa)以上,遮擋物少,因此常年風(fēng)速較大;永昌、古浪地處淺山區(qū),海拔高度較高,氣候相對(duì)潤(rùn)濕,風(fēng)速相對(duì)較大;涼州地處中部綠洲平原區(qū),海拔高度較低,氣候相對(duì)干燥,但植被覆蓋率高,因此風(fēng)速最小;民勤地處北部荒漠戈壁地帶,海拔高度最低,植被較少,沙漠氣候顯著,氣候干燥,白天升溫快,導(dǎo)致局地氣壓梯度增大,平均風(fēng)速明顯較涼州大,但比山區(qū)小。由以上分析可知,武威市平均風(fēng)速有明顯的地域性,平均風(fēng)速不僅受天氣氣候、地形地貌和植被覆蓋的影響,還與海拔高度有一定的關(guān)系,海拔高,風(fēng)速小,海拔低,風(fēng)速大。這與姚正毅等[17]、董安祥等[18]的研究結(jié)論基本一致。

2.2 平均風(fēng)速的時(shí)間變化

2.2.1 平均風(fēng)速的年、年代變化 除天祝外,武威市年平均風(fēng)速總體呈減小趨勢(shì)(圖2),這與王毅榮等[19]、李振朝等[20]分析的河西走廊以及文獻(xiàn)[6-9]指出的中國(guó)平均風(fēng)速普遍呈現(xiàn)減小趨勢(shì)的結(jié)論一致。用線性擬合統(tǒng)計(jì)56年來(lái)武威市年平均風(fēng)速的氣候傾向率，結(jié)果如下：永昌-0.135 m/(s·a),氣候趨勢(shì)系數(shù)R為-0.554;民勤-0.091 m/(s·a),R為-0.622;涼州-0.065 m/(s·a),R為-0.347;古浪-0.117 m/(s·a),R為-0.455;天祝0.092 m/(s·a),R為0.346;全市-0.063 m/(s·a),R為-0.423；除天祝呈增大趨勢(shì)外,其他均呈減小趨勢(shì),減小速度表現(xiàn)為永昌>古浪>民勤>涼州>全市>天祝。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的規(guī)定進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn):永昌、民勤、古浪年平均風(fēng)速的減小趨勢(shì)很顯著;全市的減小趨勢(shì)顯著;涼州的減小趨勢(shì)較顯著;天祝的增大趨勢(shì)較顯著。這主要是由于全球氣候變暖使冷空氣強(qiáng)度減弱和頻次減少,從而導(dǎo)致年平均風(fēng)速下降[21-22]。另外,城市的發(fā)展以及建筑物增多、增高等對(duì)風(fēng)速的減小也起到了一定的作用[23-24]。

由圖2可以看出,全市及各地年平均風(fēng)速的變化步調(diào)比較一致,運(yùn)用方差分析周期發(fā)現(xiàn),年平均風(fēng)速的時(shí)間序列明顯存在9～11年的準(zhǔn)周期變化,經(jīng)F檢驗(yàn),通過(guò)了信度=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

表1為武威市逐年代平均風(fēng)速距平(多年平均值以56年為基準(zhǔn))。由表1可知,武威市各地平均風(fēng)速的年代變化很不一致,除天祝外,平均風(fēng)速總體上在減小。永昌的平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代持平,70年代特大,80年代至21世紀(jì)00年代略偏小,2010～2015年偏小;民勤在60～70年代略偏大,80～90年代持平,00年代偏小,2010～2015年略偏小;涼州在60年代、80年代、00年代持平,70年代偏大,2010～2015年略偏小;古浪在60年代略偏小,70～80年代偏大,90年代略偏大,00年代略偏小,2010～2015年特小;天祝在60年代特小,70年代偏大,80年代至2015年略偏大;全市在60年代、00年代略偏小,70年代偏大,80年代略偏大,90年代持平,2010～2015年偏小。

上方數(shù)據(jù)為年平均風(fēng)速(單位為m/s);

圖2 武威市年平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)

表1 武威市各地逐年代平均風(fēng)速距平 m/s

2.2.2 各季節(jié)平均風(fēng)速的年變化 表2為武威市春、夏、秋、冬四季平均風(fēng)速的多年均值、增長(zhǎng)率及趨勢(shì)系數(shù)。除古浪外,武威市各地平均風(fēng)速的季節(jié)性變化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬兩季較小;古浪卻出現(xiàn)了相反的變化,即冬季最大,秋季次之,春、夏季較小。以往的研究結(jié)果表明：春季冷暖空氣交替頻繁,地氣間氣壓梯度加大,常出現(xiàn)強(qiáng)勁的大風(fēng),致使平均風(fēng)速最大;夏季氣層不穩(wěn)定,多出現(xiàn)陣性大風(fēng),使平均風(fēng)速較大;在秋季,逐漸轉(zhuǎn)為淺脊控制,太陽(yáng)輻射量減少,低層大氣迅速降溫,層結(jié)趨向穩(wěn)定,風(fēng)速明顯減小;冬季氣層穩(wěn)定,加上地面強(qiáng)烈的輻射冷卻,產(chǎn)生了深厚的逆溫層,使風(fēng)速較小。所以,一般春、夏季平均風(fēng)速大,秋、冬季平均風(fēng)速小。因此,大氣環(huán)流是風(fēng)速發(fā)生季節(jié)性變化的主要原因。

武威市各地各季節(jié)平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)有一定的差異,除天祝各季節(jié)為增大趨勢(shì)外,全市及其他各地各季節(jié)均為減小趨勢(shì)。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的規(guī)定進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn):永昌和民勤春季、民勤夏季、永昌和古浪秋冬季、全市冬季平均風(fēng)速的減小趨勢(shì)很顯著;涼州和全市春季、民勤和全市秋季、民勤冬季的減小趨勢(shì)顯著;永昌和古浪夏季、涼州冬季的減小趨勢(shì)較顯著;天祝夏秋季的增大趨勢(shì)較顯著;古浪和天祝春季、涼州和全市夏季、涼州秋季、天祝冬季的變化趨勢(shì)不顯著。

表2 武威市各地各季節(jié)的平均風(fēng)速及其氣候傾向率和趨勢(shì)系數(shù)

注:“*”、“**”、“***”分別表示通過(guò)了=0.10、0.05、0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。下同。

2.2.3 平均風(fēng)速的月變化 分析武威市逐月平均風(fēng)速發(fā)現(xiàn),全市(除古浪外)各地平均風(fēng)速在1月較小,1～4月迅速增大,4月達(dá)最大值,4～9月緩慢減小,在9月最小(天祝在7月出現(xiàn)最小值),9～11月緩慢增大,11月到次年1月緩慢減小;古浪在1～3月迅速減小,3月出現(xiàn)最小值,3～6月緩慢增大,5～6月出現(xiàn)次大值,6～9月緩慢減小,9月出現(xiàn)次小值,9～12月迅速增大,12月達(dá)最大值(圖3)。平均風(fēng)速的月變率不大,在0.7～1.2 m/s,但仍有明顯的變化特征,全市及各地(除古浪外)均有兩個(gè)低谷和一個(gè)高峰,1月、9月為兩個(gè)低谷,4月為明顯高峰；古浪3月、9月為兩個(gè)低谷,5～6月、12月為兩個(gè)高峰。

圖3 武威市平均風(fēng)速的月變化

2.2.4 平均風(fēng)速的極值變化 武威市各地平均風(fēng)速極大值的多年均值差異較大,天祝最大,永昌次之,再次為民勤和全市,古浪次小,涼州最小(表3)。平均風(fēng)速年極大值總體上呈減小趨勢(shì)(圖4),根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的規(guī)定進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)，結(jié)果顯示:永昌、民勤、涼州及全市平均風(fēng)速年極大值的減小趨勢(shì)很顯著;古浪的減小趨勢(shì)顯著;天祝的減小趨勢(shì)不顯著。平均風(fēng)速最大值全市出現(xiàn)在1975年(11.7 m/s),永昌出現(xiàn)在1975年4月4日(13.0 m/s),民勤出現(xiàn)在1965年11月28日、1975年4月4日、1981年3月23日(12.5 m/s),涼州出現(xiàn)在1982年5月1日(10.5 m/s),古浪出現(xiàn)在1986年11月8日(11.8 m/s),天祝出現(xiàn)在1975年3月6日(16.8 m/s);平均風(fēng)速次大值全市出現(xiàn)在1982年(10.5 m/s),永昌出現(xiàn)在1977年12月14日(12.0 m/s),民勤出現(xiàn)在1970年1月9日(11.0 m/s),涼州出現(xiàn)在1975年4月4日(8.8 m/s),古浪出現(xiàn)在1986年12月21日(11.0 m/s),天祝出現(xiàn)在1980年4月12日(16.5 m/s)。

武威市(除天祝外)各地平均風(fēng)速的年極小值多數(shù)年份為0.0 m/s,天祝平均風(fēng)速的年極小值在2.0 m/s以下,多數(shù)年份在1.0 m/s以下,個(gè)別年份在0.0 m/s,所以未作具體分析。

2.2.5 年平均風(fēng)速的突變分析 采用累計(jì)距平方法對(duì)近56年的年平均風(fēng)速進(jìn)行突變分析,從圖5可以看出:永昌的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至后期呈減小趨勢(shì),在1968年開(kāi)始呈快速增大趨勢(shì),在1980年后呈波動(dòng)減小趨勢(shì),在1968年、1980年的信噪比分別為2.4、2.0,均通過(guò)了信噪比檢驗(yàn);民勤的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至80年代中期呈緩慢增大趨勢(shì),在1984年開(kāi)始呈緩慢減小趨勢(shì),在1984年的信噪比為1.0,通過(guò)了信噪比檢驗(yàn);涼州的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至后期呈減小趨勢(shì),在1968年開(kāi)始呈快速增大趨勢(shì),在1984年后呈波動(dòng)減小趨勢(shì),在1968年、1984年的信噪比分別為0.4、1.1,1984年通過(guò)了信噪比檢驗(yàn);古浪的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至后期呈減小趨勢(shì),在1968年開(kāi)始呈快速增大趨勢(shì),在1999年后呈緩慢減小趨勢(shì),在1968年、1999年的信噪比分別為1.0、1.1,均通過(guò)了信噪比檢驗(yàn);天祝的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至后期呈快速減小趨勢(shì),在1968年開(kāi)始呈快速增大趨勢(shì),在1968年的信噪比為2.1,通過(guò)了信噪比檢驗(yàn); 武威市全區(qū)域的年平均風(fēng)速在20世紀(jì)60年代至后期呈減小趨勢(shì),在1968年開(kāi)始呈快速增大趨勢(shì),在1987年后呈波動(dòng)減小趨勢(shì),在1968年、1987年的信噪比分別為1.6、1.3,均通過(guò)了信噪比檢驗(yàn)。因此,可認(rèn)為平均風(fēng)速發(fā)生突變的年份永昌在1968、1980年,民勤、涼州在1984年,古浪在1968、1999年,天祝在1968年,全區(qū)域在1968、1987年。

圖4 武威市平均風(fēng)速年極大值的變化

表3 武威市各地年平均風(fēng)速的極大值、氣候傾向率及趨勢(shì)系數(shù)

2.3 平均風(fēng)速對(duì)區(qū)域變暖的響應(yīng)

風(fēng)是氣團(tuán)之間存在溫差、出現(xiàn)氣壓梯度而造成的氣體流動(dòng),因此風(fēng)速的減小與氣候變暖也有一定的關(guān)系[25]。有關(guān)研究表明,近幾十年來(lái)大陸尺度氣候變化對(duì)我國(guó)風(fēng)速降低產(chǎn)生了很大的影響[26]。較高的地面氣溫可能降低地表氣壓,進(jìn)而減小陸地和鄰近海洋之間的氣溫差和氣壓梯度,最終降低氣壓梯度，導(dǎo)致風(fēng)速減小[27]。Xu, et al[8]研究發(fā)現(xiàn)氣溫不對(duì)稱變化引起的氣壓梯度變化對(duì)風(fēng)速有顯著影響。如表4所示,1960～2015年武威全市及各地年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫均呈顯著上升趨勢(shì),平均最低氣溫的升高幅度最大,其次是平均氣溫。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法的規(guī)定進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全市及各地上述3個(gè)氣溫指標(biāo)的上升趨勢(shì)均很顯著。除天祝外,全市及其他各地平均風(fēng)速與平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈負(fù)相關(guān),其中永昌、民勤、古浪、全市的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn),平均最低氣溫、平均氣溫與平均風(fēng)速間的相關(guān)性更為顯著；涼州、天祝的相關(guān)系數(shù)沒(méi)有通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn),相關(guān)性不明顯,且天祝呈正相關(guān)。由此表明,氣候顯著變暖在一定程度上減弱了風(fēng)速,但不同區(qū)域氣溫升高對(duì)風(fēng)速的減弱程度有所不同?？傊?氣候變暖是造成武威市平均風(fēng)速減小的可能原因。

表4 武威市年氣溫的氣候傾向率及與平均風(fēng)速的相關(guān)性

注:“**”、“***”分別表示通過(guò)了=0.01、0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

受天氣氣候、地形地勢(shì)、植被覆蓋以及海拔高度等影響,武威市平均風(fēng)速表現(xiàn)為山區(qū)大于荒漠區(qū),荒漠區(qū)大于綠洲平原區(qū)。除天祝外,全市及各地年代、年、各季節(jié)平均風(fēng)速及極大值總體呈減小趨勢(shì),天祝為增大趨勢(shì)。除古浪外,武威市平均風(fēng)速的季節(jié)性變化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬兩季最小,古浪卻出現(xiàn)了相反的情況；月變化也相對(duì)一致,1月和9月為兩個(gè)低谷,4月為一個(gè)高峰,古浪3月、9月為兩個(gè)低谷,5～6月、12月為兩個(gè)高峰。全市及各地平均風(fēng)速的時(shí)間序列存在9～11年的準(zhǔn)周期變化,且發(fā)生了氣候突變,突變的時(shí)間不盡相同。

全市及各地年平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈上升趨勢(shì),均通過(guò)了=0.01的顯著性水平檢驗(yàn),其中以平均最低氣溫的升高幅度最大。除天祝外,全市及其他各地平均風(fēng)速與平均氣溫、平均最高和最低氣溫均呈負(fù)相關(guān),永昌、民勤、古浪、全市的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了顯著性水平檢驗(yàn),僅天祝表現(xiàn)為正相關(guān)。氣候變暖是造成武威市風(fēng)速減小的可能原因,但不同區(qū)域氣候變暖對(duì)風(fēng)速的影響程度不同。