武威市平均风速变化特征及其对气候变暖的响应

汪宗成，杨晓玲，李天江，张 凯

(1.甘肃省天祝县气象局,甘肃 天祝 733299;2.甘肃省武威市气象局,甘肃 武威 733000;3.中国气象局 兰州干旱气象研究所,甘肃 兰州 730020)

气候和生态环境变化以及人类活动是引起全球环境变化的主要原因[1]。风速被广泛应用于气候变化研究、风蚀强度评估、沙尘暴预测、大气污染评价等领域[2]；风要素是影响沙尘天气最为直接、最优相关的因子,风速的大小直接关系到沙尘天气频数的变化[3]。风速的变化幅度不同,对环境的影响程度不同[4]。近年来,关于风速变化的研究成果较多。从全球范围来看,位于中纬度的中国、欧洲、北美和澳洲在过去30～50年间表现出-0.004～-0.017 m/(s·a)的风速递减率,而高纬度地区(>65°的南极洲)则表现出相反趋势,风速年平均递增率为0.005 m/(s·a)[5]。对我国1956～2002年的风速资料分析表明,全国平均风速递减率为-0.012 m/(s·a)[6]；Wang, et al[7]研究表明,我国风速降低趋势普遍,最大降幅发生在西北地区,季节最大降幅发生在冬季；Xu, et al[8]对我国1969～2000年的风速变化做了进一步研究,发现年均风速降低速率为-0.021 m/(s·a),最大降幅主要发生在冬季和夏季;王遵娅等[9]对中国近50年的气候变化研究表明,中国大部分地区的风速均显著减小,冬、春季较明显,以西北西部最明显,该区域20世纪90年代的年平均风速比50年代减小约29%。

武威市地处干旱、半干旱的内陆地区,植被稀疏,沙漠戈壁众多,降水量少,气候干旱,冷空气活动频繁,风多沙大；特别是冷空气进入河西走廊,在其“狭管效应”的作用下,风力被加速1.6倍[10]。以往对武威市风速的研究,大多是停留在灾害性大风的时空变化特征上[11-12],而对平均风速变化特征的分析和报道少见。本文选取武威市各地近56年逐日平均风速序列资料,分析了武威市平均风速的变化趋势、周期性以及突变点等信息及其对气候变暖的响应程度,旨在揭示区域尺度上风速的变化规律,为提高当地气候变化预测水平、生态环境变化研究和风能资源开发利用提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资料

所用资料来源于武威市永昌、民勤、凉州、古浪、天祝乌鞘岭气象站的逐日平均风速,时间序列为1960～2015年,共56年。上述5个气象站56年来均未曾迁移,观测数据时间序列长,且完整性和连续性较好,可信度高,能够满足本研究的需要。

1.2方法

利用逐日平均风速资料,求得月、季、年、年代平均风速。分析年代、年、季和月平均风速及极值的变化趋势。利用线性拟合方法[13]计算平均风速的变化趋势:用xi表示样本量为n的气候变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi和ti之间的一元线性回归方程:xi=a+bti,i=1,2,3，…,n,其中,b为气候变量的倾向率,b>0表示直线递增,b<0表示直线递减,b×10表示每10年的变化率。采用时间t与序列变量x之间的相关系数即气候趋势系数R检验气候变化趋势的显著性。根据蒙特卡罗模拟方法[14]:通过信度=0.10、0.05、0.01显著性检验所对应的相关系数临界值分别为0.3058、0.3653、0.4430,当气候趋势系数的绝对值大于上述临界值时,分别认为气候变化趋势较显著、显著、很显著。应用方差分析方法进行了周期分析,求出F值并进行检验[15]。采用累计距平法对平均风速进行了突变分析,为了检验转折是否达到气候突变的标准,计算转折年信噪比,当信噪比≥1.0时认为存在气候突变,将最大信噪比对应的年定义为气候突变年[16]。采用Pearson相关系数法分析了平均风速与平均气温、平均最高气温、平均最低气温间的相关程度,其中Pearson为积差相关,是计算连续变量或等间距测度变量间的相关分析方法。

2 结果与分析

2.1 平均风速的空间分布

武威市地处祁连山东麓,境内地形复杂,高山平原沙漠并存,平均风速的地域分布存在一定差异。统计分析武威市5个气象站近56年平均风速资料发现:全市多年年平均风速为3.2 m/s,平均风速以天祝最大,为5.0 m/s；古浪次之,为3.4 m/s；以下依次为永昌(3.0 m/s)、民勤(2.7 m/s)；以凉州最小,为1.8 m/s(图1)。这是由于天祝位于南部高寒山区,植被和建筑物稀少,海拔高度在3000 m(700 hPa)以上,遮挡物少,因此常年风速较大;永昌、古浪地处浅山区,海拔高度较高,气候相对润湿,风速相对较大;凉州地处中部绿洲平原区,海拔高度较低,气候相对干燥,但植被覆盖率高,因此风速最小;民勤地处北部荒漠戈壁地带,海拔高度最低,植被较少,沙漠气候显著,气候干燥,白天升温快,导致局地气压梯度增大,平均风速明显较凉州大,但比山区小。由以上分析可知,武威市平均风速有明显的地域性,平均风速不仅受天气气候、地形地貌和植被覆盖的影响,还与海拔高度有一定的关系,海拔高,风速小,海拔低,风速大。这与姚正毅等[17]、董安祥等[18]的研究结论基本一致。

2.2 平均风速的时间变化

2.2.1 平均风速的年、年代变化 除天祝外,武威市年平均风速总体呈减小趋势(图2),这与王毅荣等[19]、李振朝等[20]分析的河西走廊以及文献[6-9]指出的中国平均风速普遍呈现减小趋势的结论一致。用线性拟合统计56年来武威市年平均风速的气候倾向率，结果如下：永昌-0.135 m/(s·a),气候趋势系数R为-0.554;民勤-0.091 m/(s·a),R为-0.622;凉州-0.065 m/(s·a),R为-0.347;古浪-0.117 m/(s·a),R为-0.455;天祝0.092 m/(s·a),R为0.346;全市-0.063 m/(s·a),R为-0.423；除天祝呈增大趋势外,其他均呈减小趋势,减小速度表现为永昌>古浪>民勤>凉州>全市>天祝。根据蒙特卡罗模拟方法的规定进行显著性水平检验:永昌、民勤、古浪年平均风速的减小趋势很显著;全市的减小趋势显著;凉州的减小趋势较显著;天祝的增大趋势较显著。这主要是由于全球气候变暖使冷空气强度减弱和频次减少,从而导致年平均风速下降[21-22]。另外,城市的发展以及建筑物增多、增高等对风速的减小也起到了一定的作用[23-24]。

由图2可以看出,全市及各地年平均风速的变化步调比较一致,运用方差分析周期发现,年平均风速的时间序列明显存在9～11年的准周期变化,经F检验,通过了信度=0.05的显著性水平检验。

表1为武威市逐年代平均风速距平(多年平均值以56年为基准)。由表1可知,武威市各地平均风速的年代变化很不一致,除天祝外,平均风速总体上在减小。永昌的平均风速在20世纪60年代持平,70年代特大,80年代至21世纪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;凉州在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。

上方数据为年平均风速(单位为m/s);

图2 武威市年平均风速的变化趋势

表1 武威市各地逐年代平均风速距平 m/s

2.2.2 各季节平均风速的年变化 表2为武威市春、夏、秋、冬四季平均风速的多年均值、增长率及趋势系数。除古浪外,武威市各地平均风速的季节性变化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬两季较小;古浪却出现了相反的变化,即冬季最大,秋季次之,春、夏季较小。以往的研究结果表明：春季冷暖空气交替频繁,地气间气压梯度加大,常出现强劲的大风,致使平均风速最大;夏季气层不稳定,多出现阵性大风,使平均风速较大;在秋季,逐渐转为浅脊控制,太阳辐射量减少,低层大气迅速降温,层结趋向稳定,风速明显减小;冬季气层稳定,加上地面强烈的辐射冷却,产生了深厚的逆温层,使风速较小。所以,一般春、夏季平均风速大,秋、冬季平均风速小。因此,大气环流是风速发生季节性变化的主要原因。

武威市各地各季节平均风速的变化趋势有一定的差异,除天祝各季节为增大趋势外,全市及其他各地各季节均为减小趋势。根据蒙特卡罗模拟方法的规定进行显著性水平检验:永昌和民勤春季、民勤夏季、永昌和古浪秋冬季、全市冬季平均风速的减小趋势很显著;凉州和全市春季、民勤和全市秋季、民勤冬季的减小趋势显著;永昌和古浪夏季、凉州冬季的减小趋势较显著;天祝夏秋季的增大趋势较显著;古浪和天祝春季、凉州和全市夏季、凉州秋季、天祝冬季的变化趋势不显著。

表2 武威市各地各季节的平均风速及其气候倾向率和趋势系数

注:“*”、“**”、“***”分别表示通过了=0.10、0.05、0.01的显著性水平检验。下同。

2.2.3 平均风速的月变化 分析武威市逐月平均风速发现,全市(除古浪外)各地平均风速在1月较小,1～4月迅速增大,4月达最大值,4～9月缓慢减小,在9月最小(天祝在7月出现最小值),9～11月缓慢增大,11月到次年1月缓慢减小;古浪在1～3月迅速减小,3月出现最小值,3～6月缓慢增大,5～6月出现次大值,6～9月缓慢减小,9月出现次小值,9～12月迅速增大,12月达最大值(图3)。平均风速的月变率不大,在0.7～1.2 m/s,但仍有明显的变化特征,全市及各地(除古浪外)均有两个低谷和一个高峰,1月、9月为两个低谷,4月为明显高峰；古浪3月、9月为两个低谷,5～6月、12月为两个高峰。

图3 武威市平均风速的月变化

2.2.4 平均风速的极值变化 武威市各地平均风速极大值的多年均值差异较大,天祝最大,永昌次之,再次为民勤和全市,古浪次小,凉州最小(表3)。平均风速年极大值总体上呈减小趋势(图4),根据蒙特卡罗模拟方法的规定进行显著性水平检验，结果显示:永昌、民勤、凉州及全市平均风速年极大值的减小趋势很显著;古浪的减小趋势显著;天祝的减小趋势不显著。平均风速最大值全市出现在1975年(11.7 m/s),永昌出现在1975年4月4日(13.0 m/s),民勤出现在1965年11月28日、1975年4月4日、1981年3月23日(12.5 m/s),凉州出现在1982年5月1日(10.5 m/s),古浪出现在1986年11月8日(11.8 m/s),天祝出现在1975年3月6日(16.8 m/s);平均风速次大值全市出现在1982年(10.5 m/s),永昌出现在1977年12月14日(12.0 m/s),民勤出现在1970年1月9日(11.0 m/s),凉州出现在1975年4月4日(8.8 m/s),古浪出现在1986年12月21日(11.0 m/s),天祝出现在1980年4月12日(16.5 m/s)。

武威市(除天祝外)各地平均风速的年极小值多数年份为0.0 m/s,天祝平均风速的年极小值在2.0 m/s以下,多数年份在1.0 m/s以下,个别年份在0.0 m/s,所以未作具体分析。

2.2.5 年平均风速的突变分析 采用累计距平方法对近56年的年平均风速进行突变分析,从图5可以看出:永昌的年平均风速在20世纪60年代至后期呈减小趋势,在1968年开始呈快速增大趋势,在1980年后呈波动减小趋势,在1968年、1980年的信噪比分别为2.4、2.0,均通过了信噪比检验;民勤的年平均风速在20世纪60年代至80年代中期呈缓慢增大趋势,在1984年开始呈缓慢减小趋势,在1984年的信噪比为1.0,通过了信噪比检验;凉州的年平均风速在20世纪60年代至后期呈减小趋势,在1968年开始呈快速增大趋势,在1984年后呈波动减小趋势,在1968年、1984年的信噪比分别为0.4、1.1,1984年通过了信噪比检验;古浪的年平均风速在20世纪60年代至后期呈减小趋势,在1968年开始呈快速增大趋势,在1999年后呈缓慢减小趋势,在1968年、1999年的信噪比分别为1.0、1.1,均通过了信噪比检验;天祝的年平均风速在20世纪60年代至后期呈快速减小趋势,在1968年开始呈快速增大趋势,在1968年的信噪比为2.1,通过了信噪比检验; 武威市全区域的年平均风速在20世纪60年代至后期呈减小趋势,在1968年开始呈快速增大趋势,在1987年后呈波动减小趋势,在1968年、1987年的信噪比分别为1.6、1.3,均通过了信噪比检验。因此,可认为平均风速发生突变的年份永昌在1968、1980年,民勤、凉州在1984年,古浪在1968、1999年,天祝在1968年,全区域在1968、1987年。

图4 武威市平均风速年极大值的变化

表3 武威市各地年平均风速的极大值、气候倾向率及趋势系数

2.3 平均风速对区域变暖的响应

风是气团之间存在温差、出现气压梯度而造成的气体流动,因此风速的减小与气候变暖也有一定的关系[25]。有关研究表明,近几十年来大陆尺度气候变化对我国风速降低产生了很大的影响[26]。较高的地面气温可能降低地表气压,进而减小陆地和邻近海洋之间的气温差和气压梯度,最终降低气压梯度，导致风速减小[27]。Xu, et al[8]研究发现气温不对称变化引起的气压梯度变化对风速有显著影响。如表4所示,1960～2015年武威全市及各地年平均气温、平均最高气温和平均最低气温均呈显著上升趋势,平均最低气温的升高幅度最大,其次是平均气温。根据蒙特卡罗模拟方法的规定进行显著性水平检验，发现全市及各地上述3个气温指标的上升趋势均很显著。除天祝外,全市及其他各地平均风速与平均气温、平均最高和最低气温均呈负相关,其中永昌、民勤、古浪、全市的相关系数通过了显著性水平检验,平均最低气温、平均气温与平均风速间的相关性更为显著；凉州、天祝的相关系数没有通过显著性水平检验,相关性不明显,且天祝呈正相关。由此表明,气候显著变暖在一定程度上减弱了风速,但不同区域气温升高对风速的减弱程度有所不同。总之,气候变暖是造成武威市平均风速减小的可能原因。

表4 武威市年气温的气候倾向率及与平均风速的相关性

注:“**”、“***”分别表示通过了=0.01、0.001的显著性水平检验。

3 结论

受天气气候、地形地势、植被覆盖以及海拔高度等影响,武威市平均风速表现为山区大于荒漠区,荒漠区大于绿洲平原区。除天祝外,全市及各地年代、年、各季节平均风速及极大值总体呈减小趋势,天祝为增大趋势。除古浪外,武威市平均风速的季节性变化一致,春季最大,夏季次之,秋、冬两季最小,古浪却出现了相反的情况；月变化也相对一致,1月和9月为两个低谷,4月为一个高峰,古浪3月、9月为两个低谷,5～6月、12月为两个高峰。全市及各地平均风速的时间序列存在9～11年的准周期变化,且发生了气候突变,突变的时间不尽相同。

全市及各地年平均气温、平均最高和最低气温均呈上升趋势,均通过了=0.01的显著性水平检验,其中以平均最低气温的升高幅度最大。除天祝外,全市及其他各地平均风速与平均气温、平均最高和最低气温均呈负相关,永昌、民勤、古浪、全市的相关系数通过了显著性水平检验,仅天祝表现为正相关。气候变暖是造成武威市风速减小的可能原因,但不同区域气候变暖对风速的影响程度不同。