1961-2016年伊犁地區(qū)風(fēng)速時(shí)空變化分析

許超宗，陳蜀江*，黃鐵成，朱 選，姚艷霞，李紅軍，郭 超

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.烏魯木齊空間遙感應(yīng)用研究所，新疆 烏魯木齊 830054；4.莫納什大學(xué)，澳大利亞 墨爾本 3000；5.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100083；6.西天山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，新疆 伊犁 835000)

【研究意義】隨著全球氣候變化、能源危機(jī)的出現(xiàn)，可再生能源漸漸成為世界各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。風(fēng)能作為可再生清潔能源，具有安全、清潔、蘊(yùn)藏量大、開(kāi)發(fā)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)社會(huì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和環(huán)境保護(hù)方面具有重要的意義。風(fēng)速是重要?dú)夂蛞刂唬淖兓瘜?duì)氣候變化及氣候形成具有一定的反應(yīng)[2-3]，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[4-5]。【前人研究進(jìn)展】近些年，有關(guān)風(fēng)速變化的研究逐漸增加。研究表明：從全球范圍來(lái)看，過(guò)去30～50年間中緯度大部分地區(qū)近地面風(fēng)速變化呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，風(fēng)速減小的地區(qū)包括:澳大利亞、中國(guó)、歐洲、北美洲[6]。而高緯度地區(qū)(緯度>65°)南極洲和阿拉斯加風(fēng)速增加大約0.005 m/s[7]。與此同時(shí)，中國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)速有減小的趨勢(shì):我國(guó)平均風(fēng)速以-0.012 m/(s·a)[8]的速率在遞減，王遵婭等[9]對(duì)中國(guó)近50年氣候變化研究表明，中國(guó)大部分地區(qū)風(fēng)速均顯著減小，其中冬、春季較為明顯。WANG et al[10]研究中國(guó)1951-2000年風(fēng)速變化特征顯示，我國(guó)普遍存在風(fēng)速降低的現(xiàn)象，以西北地區(qū)下降的幅度最大，季節(jié)最大降幅發(fā)生在冬季。何毅等對(duì)南北疆風(fēng)速變化研究表明，北疆地區(qū)平均風(fēng)速呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，遞減率為-0.014 m/(s·a)[11]，20世紀(jì)90年代和50年代相比，全國(guó)平均風(fēng)速減小了約16 %，減小最顯著的西北西部，減小了近29 %，幅度非常大[9]。因而對(duì)于西北地區(qū)尤其是西北西部風(fēng)速變化的研究就尤極為重要，風(fēng)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)及強(qiáng)度的變化[12]，風(fēng)速的變化也將直接影響水循環(huán)，風(fēng)能發(fā)展?jié)摿εc風(fēng)速變化也休戚相關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】伊犁地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，42°14′～44°53′N，80°09′～84°56′E，地處南北天山(高度為3000 m以上)之間，位于中緯度內(nèi)陸天山山區(qū)，氣候?yàn)榇箨懶詼貛О敫珊禋夂颉５匦螙|、南、北三面高山環(huán)繞，地勢(shì)東高西低，東窄西寬，呈喇叭型向西敞開(kāi)。伊犁地區(qū)地處西風(fēng)環(huán)流區(qū)，在我國(guó)西風(fēng)帶上游，同時(shí)受到副熱帶高壓的影響，春、夏之交盛行西風(fēng)和西北風(fēng)，是我國(guó)著名的多風(fēng)地區(qū)[13]。伊犁地區(qū)作為整個(gè)新疆重要的糧食基地，素有“新疆糧倉(cāng)”之稱。而大風(fēng)會(huì)產(chǎn)生沙塵暴災(zāi)害，造成土壤風(fēng)蝕、沙化，生態(tài)環(huán)境遭受破壞，危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[14-15]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文主要對(duì)伊犁地區(qū)年平均風(fēng)速變化特征進(jìn)行研究，既可揭示中高緯度西風(fēng)帶控制下干旱區(qū)平均風(fēng)速的變化規(guī)律，也可為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的改善、能源合理開(kāi)發(fā)利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

依據(jù)氣象數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性及最長(zhǎng)時(shí)段性等標(biāo)準(zhǔn)，本研究對(duì)缺測(cè)和誤測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除及預(yù)測(cè)(線性回歸方法預(yù)測(cè))，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，選取質(zhì)量較好的氣象站8個(gè)(表1)。地面氣象站的平均風(fēng)速實(shí)測(cè)日值資料來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站國(guó)家氣象地面基準(zhǔn)站。為確保所選氣象站數(shù)據(jù)資料長(zhǎng)度的均一性與穩(wěn)定性，氣象資料時(shí)間跨度均為1960年1月1日至2016年12月31日。按照氣候方法劃分四季，即3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

表1 伊犁地區(qū)氣象站點(diǎn)位置

1.2 研究方法

利用Excel對(duì)實(shí)測(cè)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究方法主要選取氣候傾向率法、6階多項(xiàng)式擬合曲線等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法；對(duì)研究區(qū)近56年風(fēng)速變化進(jìn)行分析，用M-K突變檢驗(yàn)法、小波分析等方法對(duì)風(fēng)速變化的突變性和周期性進(jìn)行分析；對(duì)空間上的變化主要采用反距離空間插值進(jìn)行分析。

(1)氣候傾向率法。氣候傾向率反映氣候要素的變化趨勢(shì)，一般可采用一元線性回歸方程的方法計(jì)算：

y=b+at，t=1961，1969，…，2016(t—年份序號(hào))

(1)

式中，b為截距；a為回歸系數(shù)也稱為傾向率。當(dāng)回歸系數(shù)為正值時(shí)，即a>0,表明要素y在計(jì)算時(shí)間內(nèi)是線性增加，反之則是減小的。

(2)M-K突變檢驗(yàn)。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)，是非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，其不受異常值干擾，也無(wú)需遵循樣本分布。在統(tǒng)計(jì)中，UF大于0說(shuō)明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則相反，超出臨界線時(shí)，表明變化趨勢(shì)顯著。若UF和UB在臨界線內(nèi)交于一點(diǎn)，則其對(duì)應(yīng)的年份即為突變的時(shí)間點(diǎn)。

(3)小波分析。小波分析(Wavelet Analysis)是一種具有時(shí)-頻多分辨率功能的分析方法，能清晰揭示出隱藏在時(shí)間序列中的多種變化周期，充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度的變化趨勢(shì)，是研究氣象要素長(zhǎng)期變化的重要工具[16-18]。

圖1 1961-2016年伊犁地區(qū)年均風(fēng)速變化趨勢(shì)Fig.1 Trend of annual average wind speed in Yili area from 1961 to 2016

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化

2.1.1 年際變化特征及趨勢(shì)分析 近56年間，伊犁地區(qū)風(fēng)速總體處于波動(dòng)下降趨勢(shì)，傾向率為-0.171 m/(s·a)，與全國(guó)風(fēng)速變化吻合均處于遞減狀態(tài)，遞減速率高于全國(guó)速率[0.012 m/(s·a)][19]。其中年平均風(fēng)速17.76 m/s，最高風(fēng)速1971年23.59 m/s，最低風(fēng)速12.95 m/s(1998年)，二者相差10.64 m/s。6階多項(xiàng)式擬合曲線顯示，伊犁地區(qū)平均風(fēng)速變化具有明顯的階段性特征，大致可以分為2個(gè)時(shí)期和5個(gè)階段：1961-1985年的相對(duì)大風(fēng)時(shí)期和1986-2016年相對(duì)小風(fēng)時(shí)期；1961-1964年、1974-1995年、2010-2016年的下降階段和1965-1973年、1996-2010年的上升階段，這與劉櫟杉[20]等研究的全疆風(fēng)速變化具有一致性。年均風(fēng)速的變化趨勢(shì)為波動(dòng)下降—緩慢增長(zhǎng)—趨于穩(wěn)定。

圖2 1961-2016年伊犁地區(qū)平均風(fēng)速M(fèi)-K突變檢驗(yàn)Fig.2 M-K mutation test of average wind speed in Yili area from 1961 to 2016

2.1.2 突變檢驗(yàn) 研究區(qū)平均風(fēng)速M(fèi)-K突變檢驗(yàn)(圖2)表明，年均風(fēng)速UF曲線多位于0值以下，風(fēng)速呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。1972年UF﹥0，風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，其他年份UF均位于小于0，風(fēng)速減小，并在1980年以后超過(guò)了0.01顯著性水平臨界值置信區(qū)間(U0.01=2.58)，風(fēng)速達(dá)到極顯著減小。UF與UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)有一交點(diǎn)1979年，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)，此點(diǎn)通過(guò)了檢驗(yàn)，為伊犁地區(qū)年均風(fēng)速的突變時(shí)間。

2.1.3 季節(jié)變化特征 四季風(fēng)速變化與全年風(fēng)速變化基本一致，均表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖3)。四季平均風(fēng)速依次為22.07、18.47、16.40和14.08 m/s，風(fēng)速最大為春季，冬季風(fēng)速最小。傾向率變化顯示，下降最顯著的為春季-0.196 m/(s·a)，其次為秋季-0.185 m/(s·a)、夏季-0.166 m/(s·a)，冬季下降最小-0.139 m/(s·a)。6階多項(xiàng)式擬合曲線表明，春季、秋季和冬季平均風(fēng)速變化階段具有一致性，大致可分為4個(gè)階段：2個(gè)風(fēng)速增加時(shí)期和2個(gè)風(fēng)速減小時(shí)期，各季節(jié)風(fēng)速增加、減小的階段性又存在差異；夏季平均風(fēng)速的變化較為特殊，可分為2個(gè)增加期和3個(gè)減小期。

圖3 1961-2015年伊犁四季平均風(fēng)速變化趨勢(shì)Fig.3 Trends in average wind speed over the four seasons of Yili from 1961 to 2015

平均風(fēng)速1960s1970s1980s1990s2001-2010春距平4.314.00-0.45-3.59-2.33c.v.0.0870.0810.1260.0590.026夏距平4.113.3-0.62-3.51-2.21c.v.0.0590.0480.1260.0470.037秋距平4.353.070.58-3.96-2.67c.v.0.0350.0720.0940.0730.041冬距平3.582.42-0.24-2.92-2.04c.v.0.1060.1210.0930.0960.069年距平4.263.24-0.12-3.52-2.38c.v.0.0420.0640.1020.0530.028

距平值和變異系數(shù)(c.v.)分別反映氣候要素相對(duì)于某個(gè)長(zhǎng)期平均值的高低程度和離散情況[21]。從風(fēng)速年代際變化情況(表2)分析，全年風(fēng)速距平在1960s和1970s為正值(偏大)，1980s后為負(fù)值風(fēng)速轉(zhuǎn)小，變異系數(shù)最大值出現(xiàn)在80s，最小值出現(xiàn)在2001-2010年，表明風(fēng)速在1980s時(shí)期波動(dòng)的幅度最為顯著。四季風(fēng)速年代際變化中，春季、秋季和冬季的變化基本一致，表現(xiàn)為1960s和1970s期間風(fēng)速偏大，20世紀(jì)80年代至今，風(fēng)速偏小，與研究區(qū)全年風(fēng)速的變化保持一致；夏季風(fēng)速變化較為復(fù)雜，3個(gè)風(fēng)速偏小時(shí)期和2個(gè)風(fēng)速偏大期。變異系數(shù)則表現(xiàn)為：秋季變化幅度最小，其次為夏季、春季，冬季變化幅度最大，表明秋季風(fēng)速較為穩(wěn)定波動(dòng)不大，冬季風(fēng)速離散程度最大，變化較為劇烈。春季、夏季和秋季在1980s變化較劇烈，冬季則在1970s變化幅度較劇烈。

2.1.4 周期性特征 小波系數(shù)實(shí)部等值線圖表明，研究區(qū)年平均風(fēng)速的周期性變化存在2個(gè)周期震蕩(圖4)，即18和28年。18年震蕩周期貫穿于整個(gè)研究時(shí)間段，在全年平均風(fēng)速的震蕩周期最為強(qiáng)烈，為時(shí)序變化的主要周期。28年周期在1975-2005年期間較為明顯，其余時(shí)間內(nèi)較為弱化。對(duì)四季風(fēng)速周期性變化而言，春季和夏季的變化周期與全年風(fēng)速變化周期吻合，均存在18、28年2種年尺度周期變化。較為特殊的是夏季在1970-2000年間存在著一個(gè)較為完整的6年次周期，且夏季的18年周期震蕩較春季強(qiáng)。秋季主要存在18、22、8～10年2種年尺度周期變化，其中22年年尺度周期震蕩在2010年后震蕩逐漸減弱。冬季主要存在10、18、22年3種年尺度周期變化，10年震蕩周期貫穿于整個(gè)時(shí)間段，且由強(qiáng)逐漸減弱；1973年以后22年震蕩周期開(kāi)始出現(xiàn)。四季風(fēng)速的周期性變化與全年風(fēng)速的變化具有統(tǒng)一性，春、夏、秋、冬四季與全年在18年尺度的震蕩周期上存在一致性，但四季具有各自的特殊性。

2.2 空間變化

利用Arcgia反距離空間插值法結(jié)合研究區(qū)8個(gè)氣象站點(diǎn)對(duì)其風(fēng)速在空間上的變化進(jìn)行分析(圖5)表明，年平均風(fēng)速在空間上變化主要由西北向東、向西遞減，具有兩個(gè)明顯的高值中心和2個(gè)低值中心，高值中心分別為尼勒克(5.78 m/s)、察布查爾(5.08 m/s)，低值中心霍城(1.70 m/s)、新源(1.83 m/s)。整個(gè)伊犁地區(qū)風(fēng)速傾向率的變化均表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)，風(fēng)速傾向率空間變化與平均風(fēng)速變化大體呈反方向變化，即尼勒克、察布查爾等年平均風(fēng)速較高的地區(qū)，傾向率減小的速率較慢，反之平均風(fēng)速較低的地區(qū)，其減小的速率較快。風(fēng)速的這種空間變化與其所處的地理位置(中緯西風(fēng)帶)、地形等條件具有密切的聯(lián)系。

3 討 論

伊犁地區(qū)風(fēng)速的變化趨勢(shì)與全國(guó)基本吻合，但其減小的速率要高于全國(guó)的速率，這一變化與前人[11,13]對(duì)新疆風(fēng)速變化的研究一致?？諝獾乃竭\(yùn)動(dòng)成為風(fēng)，它是氣團(tuán)之間存在溫差、出現(xiàn)氣壓梯度而產(chǎn)生的氣體流動(dòng)，因此風(fēng)速的減小與氣候變暖也有一定的關(guān)系[22]，XUE et al[23]的研究認(rèn)為中國(guó)北方地區(qū)比南海地區(qū)變暖的幅度大，主要與我國(guó)冬季風(fēng)的減弱有關(guān)。首先，隨著全球氣候變暖的發(fā)生，我國(guó)新疆地區(qū)氣候的變化朝著暖濕化發(fā)展[24]，伊犁地區(qū)也不例外，因而，其風(fēng)速減小與當(dāng)?shù)貧夂蜃兣嬖谝欢ǖ年P(guān)聯(lián)性。特別是我國(guó)和亞歐大陸近年來(lái)的氣溫上升，使得冬季較高的地面氣溫可能降低地表氣壓，進(jìn)而減弱陸地和鄰近海洋之間的氣溫和氣壓梯度，最終降低氣壓梯度力并導(dǎo)致風(fēng)速下降[25]。其次，伊犁地區(qū)屬于中緯西風(fēng)帶，且地形呈喇叭型向西敞開(kāi)，易受西風(fēng)環(huán)流的影響，其風(fēng)速的大小會(huì)受到中緯西風(fēng)強(qiáng)弱的影響。最后，隨著我國(guó)城市化速度及水平的加快，迅速崛起的建筑物對(duì)風(fēng)速有一定的阻擋作用，會(huì)使平均風(fēng)速減小。江瀅等[26]研究表明，全國(guó)城市氣象站風(fēng)速減小趨勢(shì)要比鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象站更為明顯，說(shuō)明城市化擴(kuò)大影響了風(fēng)速的變化。國(guó)家對(duì)新疆發(fā)展的支持與援助，使得新疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)建設(shè)等各方面取得了進(jìn)步，伊犁地區(qū)城市化的發(fā)展對(duì)伊犁地區(qū)風(fēng)速的變化也具有重要影響。

圖4 1961-2015年伊犁風(fēng)速小波分析Fig.4 Yili wind speed wavelet analysis from 1961 to 2015

圖5 伊犁地區(qū)年平均風(fēng)速空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual average wind speed in Yili area

4 結(jié) 論

(1)1961-2016年伊犁地區(qū)平均風(fēng)速呈明顯的下降趨勢(shì)，其遞減速率為-0.171 m/(s·a)，高于全國(guó)遞減速率。四季變化趨勢(shì)與全年基本吻合，春季遞減速率最高，冬季最小。

(2)研究時(shí)間段內(nèi)，該區(qū)年平均風(fēng)速在1979年前后出現(xiàn)了突變。此研究與劉櫟彤[20]對(duì)全疆風(fēng)速變化研究的突變年份1981年基本相似，但與全國(guó)的突變點(diǎn)1969年不一致，說(shuō)明風(fēng)速的突變存在地區(qū)的空間差異性。

(3)周期性研究表明，伊犁地區(qū)平均風(fēng)速存在明顯的18年震蕩周期，且貫穿于整個(gè)研究時(shí)間段，全年和四季都符合此震蕩周期。但四季風(fēng)速的變化周期存在差異性，夏、秋季節(jié)基本吻合全年風(fēng)速震蕩周期變化，冬、春季節(jié)較為特殊，存在早于顯著震蕩周期(18年)的周期。

(4)空間上，伊犁地區(qū)平均風(fēng)速的變化趨勢(shì)主要是由西北向東、向西遞減，存在2個(gè)高值中心和2個(gè)低值中心；傾向率的空間變化與年均風(fēng)速空間分布呈反方向。