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1961-2016年伊犁地区风速时空变化分析

2019-04-09许超宗陈蜀江黄铁成姚艳霞李红军

西南农业学报 2019年2期
关键词:风速速率变化

许超宗,陈蜀江*,黄铁成,朱 选,姚艳霞,李红军,郭 超

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐 830054;2.北京林业大学,北京 100083;3.乌鲁木齐空间遥感应用研究所,新疆 乌鲁木齐 830054;4.莫纳什大学,澳大利亚 墨尔本 3000;5.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京 100083;6.西天山国家级自然保护区,新疆 伊犁 835000)

【研究意义】随着全球气候变化、能源危机的出现,可再生能源渐渐成为世界各国关注的重点[1]。风能作为可再生清洁能源,具有安全、清洁、蕴藏量大、开发技术成熟等优点,对社会能源结构的调整和环境保护方面具有重要的意义。风速是重要气候要素之一,它的变化对气候变化及气候形成具有一定的反应[2-3],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[4-5]。【前人研究进展】近些年,有关风速变化的研究逐渐增加。研究表明:从全球范围来看,过去30~50年间中纬度大部分地区近地面风速变化呈现减小趋势,风速减小的地区包括:澳大利亚、中国、欧洲、北美洲[6]。而高纬度地区(纬度>65°)南极洲和阿拉斯加风速增加大约0.005 m/s[7]。与此同时,中国大部分地区风速有减小的趋势:我国平均风速以-0.012 m/(s·a)[8]的速率在递减,王遵娅等[9]对中国近50年气候变化研究表明,中国大部分地区风速均显著减小,其中冬、春季较为明显。WANG et al[10]研究中国1951-2000年风速变化特征显示,我国普遍存在风速降低的现象,以西北地区下降的幅度最大,季节最大降幅发生在冬季。何毅等对南北疆风速变化研究表明,北疆地区平均风速呈现明显下降趋势,递减率为-0.014 m/(s·a)[11],20世纪90年代和50年代相比,全国平均风速减小了约16 %,减小最显著的西北西部,减小了近29 %,幅度非常大[9]。因而对于西北地区尤其是西北西部风速变化的研究就尤极为重要,风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及强度的变化[12],风速的变化也将直接影响水循环,风能发展潜力与风速变化也休戚相关。【本研究切入点】伊犁地区位于新疆维吾尔自治区西部,42°14′~44°53′N,80°09′~84°56′E,地处南北天山(高度为3000 m以上)之间,位于中纬度内陆天山山区,气候为大陆性温带半干旱气候。地形东、南、北三面高山环绕,地势东高西低,东窄西宽,呈喇叭型向西敞开。伊犁地区地处西风环流区,在我国西风带上游,同时受到副热带高压的影响,春、夏之交盛行西风和西北风,是我国著名的多风地区[13]。伊犁地区作为整个新疆重要的粮食基地,素有“新疆粮仓”之称。而大风会产生沙尘暴灾害,造成土壤风蚀、沙化,生态环境遭受破坏,危害农业生产[14-15]。【拟解决的关键问题】本文主要对伊犁地区年平均风速变化特征进行研究,既可揭示中高纬度西风带控制下干旱区平均风速的变化规律,也可为当地生态环境的改善、能源合理开发利用、工农业生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

依据气象数据资料的连续性及最长时段性等标准,本研究对缺测和误测的数据进行剔除及预测(线性回归方法预测),经过严格的质量控制,选取质量较好的气象站8个(表1)。地面气象站的平均风速实测日值资料来自中国气象科学数据共享服务网站国家气象地面基准站。为确保所选气象站数据资料长度的均一性与稳定性,气象资料时间跨度均为1960年1月1日至2016年12月31日。按照气候方法划分四季,即3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季,12月至次年2月为冬季。

表1 伊犁地区气象站点位置

1.2 研究方法

利用Excel对实测的风速数据进行处理,研究方法主要选取气候倾向率法、6阶多项式拟合曲线等数理统计方法;对研究区近56年风速变化进行分析,用M-K突变检验法、小波分析等方法对风速变化的突变性和周期性进行分析;对空间上的变化主要采用反距离空间插值进行分析。

(1)气候倾向率法。气候倾向率反映气候要素的变化趋势,一般可采用一元线性回归方程的方法计算:

y=b+at,t=1961,1969,…,2016(t—年份序号)

(1)

式中,b为截距;a为回归系数也称为倾向率。当回归系数为正值时,即a>0,表明要素y在计算时间内是线性增加,反之则是减小的。

(2)M-K突变检验。Mann-Kendall突变检验简称M-K检验,是非参数的统计检验法,其不受异常值干扰,也无需遵循样本分布。在统计中,UF大于0说明序列呈上升趋势,小于0则相反,超出临界线时,表明变化趋势显著。若UF和UB在临界线内交于一点,则其对应的年份即为突变的时间点。

(3)小波分析。小波分析(Wavelet Analysis)是一种具有时-频多分辨率功能的分析方法,能清晰揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期,充分反映系统在不同时间尺度的变化趋势,是研究气象要素长期变化的重要工具[16-18]。

图1 1961-2016年伊犁地区年均风速变化趋势Fig.1 Trend of annual average wind speed in Yili area from 1961 to 2016

2 结果与分析

2.1 时间变化

2.1.1 年际变化特征及趋势分析 近56年间,伊犁地区风速总体处于波动下降趋势,倾向率为-0.171 m/(s·a),与全国风速变化吻合均处于递减状态,递减速率高于全国速率[0.012 m/(s·a)][19]。其中年平均风速17.76 m/s,最高风速1971年23.59 m/s,最低风速12.95 m/s(1998年),二者相差10.64 m/s。6阶多项式拟合曲线显示,伊犁地区平均风速变化具有明显的阶段性特征,大致可以分为2个时期和5个阶段:1961-1985年的相对大风时期和1986-2016年相对小风时期;1961-1964年、1974-1995年、2010-2016年的下降阶段和1965-1973年、1996-2010年的上升阶段,这与刘栎杉[20]等研究的全疆风速变化具有一致性。年均风速的变化趋势为波动下降—缓慢增长—趋于稳定。

图2 1961-2016年伊犁地区平均风速M-K突变检验Fig.2 M-K mutation test of average wind speed in Yili area from 1961 to 2016

2.1.2 突变检验 研究区平均风速M-K突变检验(图2)表明,年均风速UF曲线多位于0值以下,风速呈波动下降趋势。1972年UF﹥0,风速呈增加趋势,其他年份UF均位于小于0,风速减小,并在1980年以后超过了0.01显著性水平临界值置信区间(U0.01=2.58),风速达到极显著减小。UF与UB曲线在置信区间内有一交点1979年,经过滑动t检验,此点通过了检验,为伊犁地区年均风速的突变时间。

2.1.3 季节变化特征 四季风速变化与全年风速变化基本一致,均表现为波动下降趋势(图3)。四季平均风速依次为22.07、18.47、16.40和14.08 m/s,风速最大为春季,冬季风速最小。倾向率变化显示,下降最显著的为春季-0.196 m/(s·a),其次为秋季-0.185 m/(s·a)、夏季-0.166 m/(s·a),冬季下降最小-0.139 m/(s·a)。6阶多项式拟合曲线表明,春季、秋季和冬季平均风速变化阶段具有一致性,大致可分为4个阶段:2个风速增加时期和2个风速减小时期,各季节风速增加、减小的阶段性又存在差异;夏季平均风速的变化较为特殊,可分为2个增加期和3个减小期。

图3 1961-2015年伊犁四季平均风速变化趋势Fig.3 Trends in average wind speed over the four seasons of Yili from 1961 to 2015

平均风速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

距平值和变异系数(c.v.)分别反映气候要素相对于某个长期平均值的高低程度和离散情况[21]。从风速年代际变化情况(表2)分析,全年风速距平在1960s和1970s为正值(偏大),1980s后为负值风速转小,变异系数最大值出现在80s,最小值出现在2001-2010年,表明风速在1980s时期波动的幅度最为显著。四季风速年代际变化中,春季、秋季和冬季的变化基本一致,表现为1960s和1970s期间风速偏大,20世纪80年代至今,风速偏小,与研究区全年风速的变化保持一致;夏季风速变化较为复杂,3个风速偏小时期和2个风速偏大期。变异系数则表现为:秋季变化幅度最小,其次为夏季、春季,冬季变化幅度最大,表明秋季风速较为稳定波动不大,冬季风速离散程度最大,变化较为剧烈。春季、夏季和秋季在1980s变化较剧烈,冬季则在1970s变化幅度较剧烈。

2.1.4 周期性特征 小波系数实部等值线图表明,研究区年平均风速的周期性变化存在2个周期震荡(图4),即18和28年。18年震荡周期贯穿于整个研究时间段,在全年平均风速的震荡周期最为强烈,为时序变化的主要周期。28年周期在1975-2005年期间较为明显,其余时间内较为弱化。对四季风速周期性变化而言,春季和夏季的变化周期与全年风速变化周期吻合,均存在18、28年2种年尺度周期变化。较为特殊的是夏季在1970-2000年间存在着一个较为完整的6年次周期,且夏季的18年周期震荡较春季强。秋季主要存在18、22、8~10年2种年尺度周期变化,其中22年年尺度周期震荡在2010年后震荡逐渐减弱。冬季主要存在10、18、22年3种年尺度周期变化,10年震荡周期贯穿于整个时间段,且由强逐渐减弱;1973年以后22年震荡周期开始出现。四季风速的周期性变化与全年风速的变化具有统一性,春、夏、秋、冬四季与全年在18年尺度的震荡周期上存在一致性,但四季具有各自的特殊性。

2.2 空间变化

利用Arcgia反距离空间插值法结合研究区8个气象站点对其风速在空间上的变化进行分析(图5)表明,年平均风速在空间上变化主要由西北向东、向西递减,具有两个明显的高值中心和2个低值中心,高值中心分别为尼勒克(5.78 m/s)、察布查尔(5.08 m/s),低值中心霍城(1.70 m/s)、新源(1.83 m/s)。整个伊犁地区风速倾向率的变化均表现为减小的趋势,风速倾向率空间变化与平均风速变化大体呈反方向变化,即尼勒克、察布查尔等年平均风速较高的地区,倾向率减小的速率较慢,反之平均风速较低的地区,其减小的速率较快。风速的这种空间变化与其所处的地理位置(中纬西风带)、地形等条件具有密切的联系。

3 讨 论

伊犁地区风速的变化趋势与全国基本吻合,但其减小的速率要高于全国的速率,这一变化与前人[11,13]对新疆风速变化的研究一致。空气的水平运动成为风,它是气团之间存在温差、出现气压梯度而产生的气体流动,因此风速的减小与气候变暖也有一定的关系[22],XUE et al[23]的研究认为中国北方地区比南海地区变暖的幅度大,主要与我国冬季风的减弱有关。首先,随着全球气候变暖的发生,我国新疆地区气候的变化朝着暖湿化发展[24],伊犁地区也不例外,因而,其风速减小与当地气候变暖存在一定的关联性。特别是我国和亚欧大陆近年来的气温上升,使得冬季较高的地面气温可能降低地表气压,进而减弱陆地和邻近海洋之间的气温和气压梯度,最终降低气压梯度力并导致风速下降[25]。其次,伊犁地区属于中纬西风带,且地形呈喇叭型向西敞开,易受西风环流的影响,其风速的大小会受到中纬西风强弱的影响。最后,随着我国城市化速度及水平的加快,迅速崛起的建筑物对风速有一定的阻挡作用,会使平均风速减小。江滢等[26]研究表明,全国城市气象站风速减小趋势要比乡镇气象站更为明显,说明城市化扩大影响了风速的变化。国家对新疆发展的支持与援助,使得新疆地区的经济发展、社会建设等各方面取得了进步,伊犁地区城市化的发展对伊犁地区风速的变化也具有重要影响。

图4 1961-2015年伊犁风速小波分析Fig.4 Yili wind speed wavelet analysis from 1961 to 2015

图5 伊犁地区年平均风速空间分布Fig.5 Spatial distribution of annual average wind speed in Yili area

4 结 论

(1)1961-2016年伊犁地区平均风速呈明显的下降趋势,其递减速率为-0.171 m/(s·a),高于全国递减速率。四季变化趋势与全年基本吻合,春季递减速率最高,冬季最小。

(2)研究时间段内,该区年平均风速在1979年前后出现了突变。此研究与刘栎彤[20]对全疆风速变化研究的突变年份1981年基本相似,但与全国的突变点1969年不一致,说明风速的突变存在地区的空间差异性。

(3)周期性研究表明,伊犁地区平均风速存在明显的18年震荡周期,且贯穿于整个研究时间段,全年和四季都符合此震荡周期。但四季风速的变化周期存在差异性,夏、秋季节基本吻合全年风速震荡周期变化,冬、春季节较为特殊,存在早于显著震荡周期(18年)的周期。

(4)空间上,伊犁地区平均风速的变化趋势主要是由西北向东、向西递减,存在2个高值中心和2个低值中心;倾向率的空间变化与年均风速空间分布呈反方向。

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