川西高原近地面风速时空变化特征及影响因素

2023-01-03甄英

内江师范学院学报 2022年12期

甄英

(内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641100)

0 引言

风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量[1-2].其中，风速是连接大气和近地面物质循环的重要纽带，对气候变化有很大影响[3]，而近地面风速的变化对人们的生产生活更是产生着直接的影响.随着近些年来对风能资源的广泛开发和利用，加上日益严峻的空气状况，风速的变化越来越受到人们的关注.

国内外针对近地面风速的研究已有较多成果.如Vautard等[3]分析了1979—2008年北半球882个站点的近地面风速，结果表明该时期大部分区域风速下降了5%～15%；李艳等[4]、任国玉等[5]对我国近地面风速资料分析发现，过去的几十年地面风速整体呈下降的趋势；金巍等[6]、黄小燕等[7]、刘苏峡等[8]、张志斌等[9]分别分析了我国东北三省、西北地区、华北平原和西南地区的风速变化情况，得出了分别以-0.23 m/(s·10 a)、-0.09 m/(s·10 a)、-0.16 m/(s·10 a)和-0.24m/(s·10 a)的速率呈下降的变化趋势；由于所在地理位置和所有环流形势的不同，各季节变化又均有差别.此外，还有针对小区域风速变化特征和影响因素分析的研究，如邢丽珠等[10]对内蒙古风速变化及影响因素进行分析发现其平均风速总体呈下降趋势，其中春季平均风速下降最为明显.范帅邦等[11]对辽宁省平均风速时空演变特征分析发现1964-2019年间其平均风速呈显著降低的态势，月尺度上呈现出“双峰型”变化特点，季尺度上表现为春季>冬季>秋季>夏季，均未发生明显的突变现象.张培峰等[12]对青岛市北区风速时空变化研究时发现，北区夏季与冬季风速逐年降低，低风速区域面积比重逐年增加，较高风速区域面积比重逐年降低；1.5、10和30 m高度上风速时空变化趋势一致，风速空间分布不均匀.付建新等[13]对祁连山区风速和风向变化特征研究时发现，祁连山区平均风速和最大风速年变化整体均呈下降趋势，春季的平均风速和最大风速是年内风速变化的峰值区.风速的降低不利于空气中污染物扩散，使得近年来中国中东部地区雾霾日数明显增多[14-16]，对人们的健康也有一定影响.

四川省所在地理位置的特殊性，使得其属于我国风能资源贫乏区，而川西高原却是四川省能达到可开发风能资源等级标准的主要区域之一[17].川西高原位于青藏高原东缘和横断山脉的一部分，平均海拔4000m～4500m，包括甘孜藏族自治州、阿坝藏族自治州[18].由于川西高原地势高，空气稀薄，太阳年辐射量和年日照时数均为四川省最高值，是四川省主要的牧业基地[19].分析川西高原风速变化，可为进一步研究该区域气候变化和风能、光能等资源的利用提供数据和理论支撑.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

文中气象资料均来源于国家气象服务中心.选取了15个较能均匀分布且年代连续的气象台站1968-2017年的日平均数据代表川西高原,具体如图1所示.DEM数据(数字高程数据)来源于地理空间数据云网站，分辨率为90 m.

图1 研究区气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 小波变换

对于给定的小波函数ψ(t)，离散水文时间序列f(kt)(k=1，2，…，n)，t为取样时间间隔)的离散小波变换为[20]：

式中:Wf(a,b)为小波变换系数；a为尺度因子；b为时间因子；ψ为小波函数ψ(t)的复共轭函数.本文选用Morlet小波函数ψ(t)=eiω0te-t2/2，其中i为样本尺度，ω0≥5为常数，取ω0=6.

1.2.2 小波方差

小波方差Var(a)反映了波动的能量随尺度的分布，它是指小波变换系数Wf(a,b)的平方在时间域上对b的积分[21]，即

1.2.3 反距离加权插值

在空间数据连续分布的条件下, 两个物体离得越近, 它们的值就越相似, 这就是地理学第一定律. 反距离加权插值就是基于这种相近相似原理[22], 设采样点对插值点具有不同权重的影响, 其权重随着采样点至插值点之间距离的增加而减小.在有效距离内, 所有有效采样点对插值点的插值影响如公式所示[23]：

式中:n为采样点数目;Zi为第i个有效采样点数值;di为i个点到插值点的距离;k为幂级数, 通常取1或2,Z(x,y) 为插值点最终数值.

2 结果分析

2.1 风速的年际变化

为分析川西高原风速时间变化特征，统计近50年平均风速数据，得到其风速变化时间趋势情况(见图2).由图2(a)可知，近50年年均风速为1.95 m/s，倾向率为-0.087 m/(s·10 a)，这与全国风速均呈下降的变化趋势相一致，但其年均风速值及下降速率都要小于全国水平(2.14 m/s、0.12 m/ (s·10 a))[24]，其中最高风速是1973年2.32 m/s，最低风速是2002年1.52 m/s.利用三阶多项式曲线拟合川西高原风速变化趋势，不难发现其风速变化具有明显的阶段性特点，大致可分为3个阶段和4个时期：1968-1973年和2003-2017年处于上升阶段、1974-2002年处于下降阶段；1968-1969年和1990-2014年是相对小风期,1970-1989年和2015-2017年是相对大风期.这与张志斌等[9]研究的西南地区风速变化趋势相一致，年均风速变化整体趋势:上升-下降-上升.

图2 1968-2017年川西高原年均风速变化趋势

为分析川西高原风速变化的空间特征，利用ArcGIS反距离权重插值法做空间分布图.由图2(b)可见，研究区15个站点多年平均风速在1.1 m/s～2.9 m/s之间，呈西北、东南风速大，中部风速小的特征.风速最大值位于东南部的康定(2.94 m/s)、九龙(2.62 m/s)和西北的石渠(2.71 m/s)，平均风速最小值出现在巴塘(1.2 m/s)，其次是德格(1.3 m/s)、马尔康(1.1 m/s)、松潘(1.4 m/s)一带.川西高原的风速分布除了受环流、季风等的影响外，所在地形也是重要的影响因素.石渠-色达-红原-若尔盖一带以及理塘-稻城地区属于高原区，地势由西北向东南倾斜，由西部的石渠-色达一带平均海拔4000 m～4500 m过渡到东部红原-若尔盖一带的3500 m～4000 m[25]，因此风速随海拔降低而减小.巴塘、德格位于金沙江以东，绝对海拔5000 m以上，属于极高山地区[26].而康定、九龙、稻城一带属于横断山脉中部，是典型的岭谷相间地形，山谷风最为强大.马尔康、松潘平均海拔1500 m～3500 m，位于高原与岭谷过渡带，风速最小.

2.2 风速的季节变化

表1 年均风速季节变化幅度单位：m/(s·10 a)

川西高原月均风速高于年均风速，其中3月最大，12月最小，且3月风速是12月的1.56倍.季节平均风速春季最大(2.37 m/s)，其后依次为冬季(1.93 m/s)、夏季(1.79 m/s)和秋季(1.70 m/s)，呈现出冬春风速大而夏秋风速小的特征.这与川西高原冬季受冷高压和西风南支流的影响有关，加上来自阿拉伯、巴基斯坦和印度北部的温带大陆气团，使得冬季天气寒冷干燥、风速大[19].下半年在副热带高压和青藏高原低值天气系统共同作用下，川西高原多雨，风速小.川西高原年均风速四季均呈减少趋势(表1).由表1可见,春季减幅最明显,为-0.131 m/(s·10 a),其次冬季为-0.081 m/(s·10 a),夏、秋季减幅度均为-0.072 m/(s·10 a)，呈现春季下降趋势大夏秋下降趋势小的特征，这也与我国地面风速的长期变化趋势相一致[26].分时段来看，20世纪70年代和21世纪以来年均风速变率呈上升趋势，四个季节风速变率均高于整个研究时段，风速变率幅度最大的主要是夏季;1980年代年均风速下降，风速变率幅度最大由春季变为秋季.川西高原年均风速季节空间分布特征如图3所示.

由图3可见，冬季和春季变化特征相似，且春季风速整体略大于冬季.如康定冬季和春季风速分别为2.9 m/s、3.4 m/s;马尔康风速只有1.0 m/s、1.4 m/s;石渠冬季风速3.2 m/s，略大于春季3.1 m/s.西北部石渠和东南部康定成为两个相对大风区，中东部马尔康成为相对小风区，这与所在地势有密切关系.西北部石渠位于甘孜-阿坝高原，风速较大；康定位于峡谷区，山谷风较强.夏秋季风速大值中心都在东南部康定，风速2.7 m/s;小值中心都在马尔康，风速分别为1.0 m/s、0.9 m/s.

2.3 风速周期分析

对研究区内1968-2017年平均风速资料标准差标准化后的序列施行Morlet小波变换，分别得到了小波系数的模平方和实部的分布情况(见图4).

图3 川西高原风速四季变化分布图

图4 Morlet小波变换的时频分布

图4(a)是川西高原1968-2017年平均风速序列小波变换后的模平方分布图.可见在整个研究时段内，25～50 a变化周期性十分明显，中心位于1991年，中心时间尺度为45 a;以7～12 a为时间尺度的周期在研究时段内出现了一个强烈中心，位于2006年，中心时间尺度为10 a.其他周期相对变化较微弱.

图4(b)是研究区1968-2017年平均风速序列小波系数实部的分布图，能够反映出风速序列不同时间尺度变化位相结构和突变线分布.小波系数零等值线对应为突变线，实线(正的等值线)表示风速偏大，虚线(负的等值线)表示风速偏小.风速序列在周期为41～50 a的变化中出现了2条突变线：第一条1990年左右，第二条出现在2008至2017年.由此可见，在1960年代至1980年代中期、21世纪中后期为大风时期，1980年代后期至21世纪初期为小风时期.周期为23～40 a的振荡中出现了3条突变线：分别在1960年代、1990年、21世纪中期至2010年；1960年代、1980后期至21世纪初期为小风时期，1970年代至1980年代中期和2010年之后为大风时期.周期小于23 a的变化中突变线结构分布更加复杂和频繁，以突变线为界大风期与小风期交替出现.

图5为小波方差图.由图5可知，川西高原风速变化具有多时间尺度特征,研究区风速序列存在10 a、18 a和45 a三个时间尺度的主周期，其中45 a尺度的主周期最为明显.

图5 研究区风速小波方差图

2.4 风速变化影响因素分析

川西高原近50 a的气温与气压数据分析结果如图6所示.风是由于气团之间存在的温差及气压梯度而形成的气体流动.因此，选取与风速数据时间段相同的气温、气压两个要素作为影响风速变化的气象因子进行分析.由图6可见，川西高原近50 a的平均气温呈增加趋势，而平均气压呈减小趋势.

图6 年均风速与气温、气压时间序列

为进一步明确风速与两者的相关性，利用SPSS软件作Pearson(皮尔逊)相关分析并进行显著性检验.结果显示，风速与气温、气压相关系数分别为-0.301和0.311，在0.05置信水平下分别呈显著的负相关和显著的正相关关系，从数值来看气压对风速的影响略大于气温.

风的本质是大气运动，从动力学角度来看，驱动力和阻力的改变是导致风速发生变化的关键因素[27].除气象因子的影响外，在气候变暖的背景下，海陆热力差异、南北热力差异同时减小，造成了东西向和南北向气压梯度力的同步减弱，进而减弱地面风速，张爱英等[2]、赵佳莹等[28]对我国高空风速变化的分析都验证了这一点.此外，大尺度大气环流的变化也对地面风速减弱具有一定影响.如江滢等[29]、Xu等[30]认为亚洲纬向环流加强、经向环流指数减弱导致东亚季风减弱，是中国平均风速减小的主要原因.

另一方面，下垫面的改变(如土地利用和城市化)，使得大气运动下边界的地表属性发生直接变化，影响了地气系统能量交换等过程，从而导致区域性风速状况的变化.如查进林[31]定量评估了中国地面风速受土地利用影响的程度，认为城市化率每增加10%，相应地区的风速将降低约0.11 m/s;郑祚芳等[32]采用经验正交函数分析(EOF)方法对近40年北京20个气象站地面风速资料进行了分析，结果表明方差占比为27.1%的第2模态与站点下垫面以及和市区的距离有关，即反映了下垫面改变的影响.