我国北方土壤风蚀力时空特征分析

韩柳 王静璞 柴国奇 王光镇 王周龙

摘要 利用1971—2011年北方風蚀区146个气象站的逐时风速资料，将5 m/s以上风速划分为和风、强风、大风、狂风4个等级，采用线性趋势分析、小波分析、M-K突变检验分析和空间相似度分析等方法分析了该地区不同等级土壤风蚀力时空分布特征，并讨论了与平均风速的时空相关性。结果表明，在空间分布上和风时数与强风时数空间分布相似，内蒙古锡林郭勒盟西部、乌兰察布和包头市北部为高值区，新疆天山山脉以南为和风和强风时数的低值区，除新疆天山以北，大部分地区大风和狂风时数极少；4个等级风速平均时数季节变化规律均为春夏秋冬递减，风速等级越高，累计时数越少，季节与地区间的差异越小；在时间变化上，和风、强风、大风和狂风年总时数和四季时数均呈现减少趋势，四季间有明显差异；和风、强风和大风时数变化的主周期均为28年，而狂风时数变化的主周期为11年；和风与平均风速呈现较好的时空相关性，基本可以反映平均风速的时空变化。

关键词 土壤风蚀力；累计时数；时空特征；北方风蚀区

中图分类号 S157.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）32-0059-07

Spatial and Temporal Characteristics of Wind Erosion Forces in Northern China

HAN Liu，WANG Jingpu，CHAI Guoqi et al

（College of Resource and Environmental Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong 264025）

Abstract Using the hourly wind speed data of 146 meteorological stations in the northern wind erosion area from 1971 to 2011， the wind speed above 5 m/s was divided into four levels：moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale.The spatial and temporal distribution characteristics of different grades of soil wind erosion in this area were analyzed by linear trend analysis， wavelet analysis，MK mutation analysis and spatial similarity analysis， and the temporal and spatial correlation with average wind speed was discussed.The results showed as follows： From the spatial distribution of the display， moderate breeze and strong breeze hours were similar. The western part of Xilinguole and the northern part of Wulanchabu and Baotou was high value region， the south of the Tianshan mountains in Xinjiang was the low value region. For fresh gale and whole gale， except for the north of Tianshan Mountains in Xinjiang， there were very few hours in most regions. The average seasonal variation of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale was decreasing in proper order of spring， summer， autumn and winter. The higher wind speed grade was， the less the accumulated time was， and the smaller the difference between season and area was. The hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed decreased trends without exception.The total annual and seasonal hours of moderate breeze， strong breeze， fresh gale and whole gale showed a decreasing trend，and there were significant differences between the four seasons；the hours of moderate breeze，strong breeze and fresh gale exhibited quasiperiodic variations of around 28 year， but the main period of whole gale was around 11 years.There was a good correlation between average wind speed and moderate breeze. Therefore， the temporal and spatial variation of average wind can be basically reflected by the hours of moderate breeze.

Key words Wind erosion forces；Accumulative hours；Temporal and spatial characteristics； Wind erosion region of Northern China

基金项目 国家自然科学基金青年项目（41701005）；山东省自然科学基金项目（ZR2017PD006）。

作者简介 韩柳（1994—），女，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：气候变化及其影响与响应。*通讯作者，讲师，博士，从事遥感、沙漠化过程研究。

收稿日期 2018-06-29

风蚀作用在我国北方地区影响范围十分广泛，受其影响的区域主要位于我国西北干旱半干旱气候区，总面积达340万km2，地表植被稀疏，以草原和荒漠为主，生态环境十分脆弱[1]。在自然和人为因素的作用下水土流失、植被退化、土壤风蚀、沙尘暴灾害频发[2]，其中土壤风蚀是该地区土地退化和环境恶化的主要原因，是我国急需解决的一个环境问题[3-6]。

我国已有大量关于风蚀的动力因素方面的研究，但大部分是围绕着平均风速[7-9]、大风日数[10-13]、最大风速[14]这些指标展开的，这些指标虽然能够很好地反映当地风速的时空特征，但对于诸如风速等级结构、大风持续状况的反映能力较差，甚至会出现相反的结论。而不同等级风速累计时数提高了对风速分析的时间精度，较好地弥补了这方面不足，对于生态环境非常脆弱的北方风蚀区有着十分重要的意义，不仅能够提高对该地区气候变化的认识[15]，为预测未来的气候变化奠定基础，而且对防御大风、减轻风沙灾害对工农业生产的影响和改善北方风蚀区的生态环境有着极其现实的意义[16]。国内外学者通常认为我国北方地区5 m/s为临界风沙起动风速[17-18]，笔者利用我国北方风蚀区146个基本气象站点的1971—2011年逐时风速资料，依据气象局风力等级的划分将5 m/s以上的风速重新划分为和风、强风、大风、狂风4个等级，分析了该地区土壤风蚀力时间变化趋势、空间分布特征、周期性和突变特征，并进一步探究了不同等级风速时数与平均风速的时空相关性。

1 材料与方法

1.1 资料及来源

我国北方风蚀区地处74°～125°E、33°～53°N，包括黑龙江、吉林、辽宁的西部，河北、北京、山西、陕西的北部，青海省西北部以及内蒙古、宁夏、甘肃、新疆的绝大部分地区。根据全国第一次水利普查收集的各县逐日24 h整点风速资料，从中选取北方风蚀区具有1971—2011年完整观测记录的146个气象观测站（图1）的逐时风速资料，并把一年分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）4个季度，分别计算各个站点年与四季不同等级风速的累计时数。

1.2 风速等级的划分

将原始数据以1 m/s为间隔划分为0～0.99，1.00～1.99，2.00～2.99，…，34.00～34.99 m/s 35个等级，并统计不同等级风速时数。选取大于风蚀起动风速的等级，即5 m/s以上的风速。并根据国家气象局对风力等级的划分（为保证风速在整数处划分，对风力等级所对应风速进行了四舍五入的调整），将以上风速等级划分为和风（风力4～5级）、强风（风力6～7级）、大风（风力8～9级）、狂风（风力10级以上）4个等级，风速分别为5.00～10.99、11.00～16.99、17.00～23.99、24.00～34.99 m/s。

1.3 研究方法

采用一元线性回归分析方法，绘制了我国北方风蚀区年与四季不同等级风速累计时数变化曲线图，并得到了年与四季的倾斜率[19]；利用ArcGIS 10.1将146个气象站不同等级风速平均累计时数进行Kriging空间插值[20]绘制出研究区年与四季不同等级风速累计时数空间分布图；在Matlab软件中运用小波分析方法[21]对不同等级风速累计时数进行多时间尺度的周期性分析；采用Mann-Kendall突变检验[22]的方法对不同等级风速累计时数进行突变分析；采用pearson相关分析的方法对不同等级风速时数与平均风速的相关性进行分析，并采用F分布函数进行显著性检验；另外，还采用了相似系数[23]来表示平均风速和不同等级风速的相似程度，即：

cosθ=ji=1xiyi/ji=1xi2 ji=1yi2（1）

其中，j 为站数；xi、yi分别为第i 站（气象站）平均风速和某个等级风速时数；cosθ=1表示两者的空间分布完全相同，cosθ=-1则表示相反，cosθ=0 表示完全不相同。

2 结果与分析

2.1 空间分布特征

从1971—2011年我国北方风蚀区不同等级风速年平均累计时数空间分布（图2）可以看出，4个等级的风速时数的空间分布具有较好的一致性。北方风蚀区

和风累计时数为83～4 794 h，呈現出东高西低、北高南低的空间变化趋势，其中高值区位于锡林郭勒盟西部、乌兰察布和包头市北部，累计时数在2 000 h及以上，低值区位于新疆天山以南，累计时数在400 h以下。整个区域强风累计时数1～953 h，与和风空间分布较一致，呈现出东高西低、北高南低的空间变化趋势，高值区除锡林郭勒盟之外，还有新疆天山以北，累计时数在150 h及以上，天山以南和内蒙古以南强风累计时数较少，低于30 h。大风时数空间分布图显示，整个区域的累计时数0～220 h，除新疆天山以北和内蒙古北部，其他地区大风时数大多低于3 h；高值区位于新疆天山以北，大风累计时数高于15 h。狂风时数与大风时数的空间分布较为一致，整个区域的狂风累计时数为0～13 h，除新疆天山以北之外的大部分区域狂风时数低于0.1 h；高值区同样位于新疆天山以北，累计时数在0.5 h以上。

从北方风蚀区不同等级风速累计时数季节变化（图3和表1）可以看出，我国北方风蚀区不同等级风速累计时数的季节变化特征明显，和风、强风、大风和狂风平均时数季节变化规律均为春季、夏季、秋季、冬季递减，等级越高，累计时数越少，季节与地区间的差异越小。北方风蚀区和风时数春季、夏季、秋季、冬季平均值分别为458、304、270、249 h，站点间标准差分别为266、238、227、247 h。北方风蚀区强风平均累计时数春季、夏季、秋季、冬季分别为35、12、12、12 h，站点间标准差分别为47、32、24、28 h。北方风蚀区大风平均累计时数春季、夏季、秋季、冬季分别为2、1、1、1 h，站点间标准差分别为9、3、5、3 h。北方风蚀区狂风平均累计时数春季、夏季、秋季、冬季均不足1 h，同样站点间标准差也非常小，不足1 h。

2.2 时间变化趋势

从1971—2011年4个等级风速年与四季时数变化特征（表1）以及不同等级风速四季累计时数变化趋势（图4）可以看出，近41年北方风蚀区和风、强风、大风时数均呈现减少趋势，其中和风时数减少速度最快，而狂风时数无明显的变化趋势。各个等级四季变化趋势均与年变化趋势一致，变化速度四季间有明显差异。在近41年来，随着风速等级的升高，年风速时数减小，变化速度减缓，年际间的差异缩小。

和风时数多年平均值为1 281 h，最小值838 h（2011年），最大值1 835 h（1972年），极差997 h。结合表1可以看出，对于该等级的年总时数，春季贡献最大，冬季最小。该等级风速时数的倾向率为-21.4 h/a，其中春季、夏季、秋季、冬季分别为-5.8、-6.2、-5.0、-4.4 h/a，并且均通过了0.01水平的显著性检验，说明和风时数年与四季呈显著减少的趋势。和风年总时数的年际间差异非常大，标准差为268 h，四季的年际间差异夏季最大、冬季最小。从累计时数变化曲线可以看出，该等级风速时数在下降的过程中自1986年开始低于多年平均值。

强风时数平均值为71 h，最小值25 h（2011年），最大值156 h（1972年），极差131 h。对于该等级的年总时数，春季贡献最大，夏季、秋季、冬季贡献相同。该等级风速时数倾向率为-3.0 h/a，春季、夏季、秋季、冬季分别为-1.4、-0.6、-0.5、-0.5 h/a，均能够通过0.01水平的显著性检验，说明强风年总时数和四季时数都呈现出显著的减少趋势。强风年总时数的年际间差异较大，标准差为39 h，四季中年际间差异春季最大，夏季和秋季最小。从累计时数变化曲线可以看出，该等级风速时数在下降的过程中自1988年开始低于多年平均值。

大风时数平均值为4.0 h，最小值0.3 h（2011年），最大值11.0 h（1979年），极差10.7 h。对于该等级的年总时数，春季贡献最大，夏季、秋季、冬季贡献较小。该等级风速时数的倾向率为-0.3 h/a，并且通过了0.01水平的显著性检验，说明大风年总时数呈显著减少的趋势。春季倾向率为-0.1 h/a，夏季、秋季和冬季减少率均不足0.1 h/a。大风年总时数的年际间差异较小，标准差为3 h，四季中年际间差异春季最大、夏季最小。从累计时数变化曲线可以看出，该等级风速时数减少的过程中自1988年开始低于多年平均值。

狂风时数年与四季的平均值和标准差均不足1 h，并且无明显的上升和下降趋势。

2.3 不同等级风速时数的周期性

2.3.1 和风。由和风时数小波系数实部等值线图（图5a1）可知，该等级风速时数在15～20和25～32年2个时间尺度上发生周期振荡。同时可以从小波方差结果（图5b1）中看出小波方差存在2个峰值，分别对应19和28年，其中以28年时间尺度的振荡最为显著，为该等级风速时数变化的主周期，掌控着和风时数在整个时间段内的变化特征。在主周期上该等级风速时数经历了由少到多2个半周期的转换，且在2011年等值线尚未闭合，之后和风时数仍将处于偏少期。

2.3.2 强风。

强风时数小波系数的实部等值线图（图5a2）显示，该等级风速时数在4～6、10～14、15～24和25～32年时间尺度上存在周期振荡，对应的小波方差结果（图5b2）中存在4个峰值，分别对应4、12、18、28年时间尺度，其中以28年时间尺度的振荡最为显著，所以28年时间尺度为强风时数变化的主周期，掌控着该等级风速时数在整个时间段内的变化特征。在主周期上该等级风速时数经历了由少到多2个半周期的转换，且在2011年等值线尚未闭合，之后强风时数仍将处于偏少期。

2.3.3 大风。

从大风时数小波系数的实部等值线图（图5a3）可以看出，该等级风速在10～15和16～25年时间尺度上存在周期振荡，对应的小波方差结果（圖5b3）中存在12和28年2个峰值，其中以28年时间尺度的周期振荡最为显著，为该等级风速时数周期变化的主周期。在主周期上该等级风速时数同样经历了由少到多2个半周期的转换，且在2011年等值线尚未闭合，之后大风时数仍将处于偏少期。

2.3.4 狂风。

狂风时数小波系数的实部等值线图（图5a4）显示，该等级风速时数存在较复杂的周期性振荡，主要有10～15、16～25年2个时间尺度的变化周期。狂风时数小波方差结果（图5b4）中存在11和20年2个峰值，其中11年时间尺度上的周期振荡最为显著，所以狂风时数变化的主周期在11年时间尺度上。在主周期上该等级风速时数同样经历了由多到少6个周期的转换，且在2011年等值线尚未闭合，之后狂风时数仍将处于偏少期。

2.4 不同等级风速时数变化突变性检验

为了进一步讨论不同等级风速时数的突变特征，采用M-K突变检验方法对不同等级风速时数序列进行分析（图6）。由图6可知，和风时数在1975年之后有逐年减少的趋势；并从1980年开始突破了0.01显著水平线，呈显著减少趋势。UF和UB曲线于1988年左右相交，交点位于显著性水平线区间之外，说明和风时数在1988年可能发生突变。强风时数同样从1975年开始有逐年减少的趋势，并在1980年突破0.01显著水平线，开始呈显著减少趋势；UF和UB曲线也于1987年左右在显著水平线之外相交，说明强风时数在1987年可能突变。大风时数1972—1976年呈逐年减少的趋势，1977—1981年呈上升趋势，均未通过显著性检验；1981年之后该等级风速时数又呈减少趋势，并在1988年突破0.01显著水平线，呈显著减少趋势；UF和UB曲线于1992年左右在显著水平线之外相交，说明大风时数在1992年可能发生突变。狂风和大风时数的变化趋势相似，1972—1976年呈逐年减少的趋势，1977—1981年呈上升趋势，均未通过显著性检验；1981年之后该等级风速时数又呈减少趋势，并在1997年突破0.01显著水平线，开始呈显著减少趋势；UF和UB曲线的交点稍有推后，在1996年左右且位于显著性水平线区间内，说明狂风时数在1996年发生了明显突变。

由上述可知，1971—2011年我国北方风蚀区除狂风时数在1996年发生明显突变外，其他等级风速时数均无明显突变现象。

2.5 不同等级风速时数与平均风速的时空相关性分析

近41年来我国北方风蚀区平均风速呈现北高南低的空间分布特征，在时间上为显著的下降趋势，变化幅度空間差异明显。结合以上分析可知，我国北方风蚀区平均风速与不同等级风速时数时空分布既有相似也有不同。

将1971—2011年逐年平均风速与对应年份的和风、强风、大风、狂风4个等级风速时数进行pearson相关性分析，结果发现，平均风速与和风、强风、大风、狂风4个等级风速时数的pearson相关系数分别为0.981、0.988、0.921、0.614，且全部通过了0.01水平的显著性检验，说明平均风速与和风、强风、大风分别呈极强相关关系，而平均风速与狂风呈强相关关系。另外，对北方风蚀区各个气象站平均风速与对应的4个等级的风速时数进行空间相似度分析，得出平均风速与和风、强风、大风、狂风4个等级风速时数的空间相似系数分别为0.953、0.672、0.340、0.221，表明平均风速与和风时数的空间分布非常一致，与强风时数空间分布较为一致，而与大风和狂风时数的空间分布较不一致。

综上所述，不管是平均风速与各个等级的风速时数逐年变化的相关性，还是平均风速与各个等级风速时数的空间相似度，平均风速与和风都呈现较好的相关关系。所以和风时数的时空变化基本可以反映平均风速的变化。不同等级风速时数的分析提高了对风速分析的时间精度，弥补了平均风速、大风日数等指标的不足，可进一步利用不同等级风速时数探究风作为动力因素对土壤风蚀和沙尘暴天气的影响，对于生态环境非常脆弱的北方风蚀区有着十分重要的意义。

3 结论

（1）不同等级风速时数空间分布显示，北方风蚀区和风、强风时数的空间分布特征较为一致，内蒙古锡林郭勒盟西部、乌兰察布和包头市北部为和风与强风时数的高值区，新疆天山山脉以南为和风与强风时数的低值区。北方风蚀区大风和狂风时数的空间分布较为一致，除新疆天山山脉以北，大部分地区大风和狂风时数极少。

（2）我国北方风蚀区不同等级风速累计时数的季节变化特征明显，和风、强风、大风和狂风平均时数季节变化规律均为春季、夏季、秋季、冬季递减。风速等级越高，累计时数越少，季节与地区间的差异越小。

（3）不同等级风速时数时间变化趋势显示，和风、强风、大风和狂风时数均呈现减少趋势，其中和风减少速度最快，而狂风时数无明显变化趋势。各个等级四季变化趋势均与年变化趋势一致，变化速度四季间有明显差异。在近41年来，随着风速等级的升高，年风速时数减小，变化速度减缓，年际间的差异缩小。

（4）利用时、频多分辨率Morlet小波分析方法对北方风蚀区不同等级风速时数进行分析，发现和风、强风和大风时数变化的主周期均为28年时间尺度，与该地区平均风速变化的主周期一致，而狂风时数变化的主周期为11年。除狂风累计时数在1996年存在突变点外，该地区其他等级风速累计时数的变化无明显突变现象。

（5）由不同等级风速时数与平均风速的时空相关性分析可知，平均风速与和风呈现较好的相关关系。所以和风时数的时空变化基本可以反映平均风速的变化。

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