2005—2020 年新疆百里风区精细化逐时风速特征研究

2023-11-07王秀琴卢新玉黄阿丽

沙漠与绿洲气象 2023年5期

王秀琴，刘艳，卢新玉*，黄阿丽，杜峰

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.新疆气象信息中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.福海县气象局，新疆福海 836400；4.乌兰乌苏气象站，新疆石河子 832199）

风是由空气流动引起的一种自然现象，一般由太阳辐射热引发。人类生产和生活中，风具有“致利”和“致害”两面性。风作为无污染、可再生的清洁能源，是一种重要的气候资源。风能开发是我国调整能源结构、大力发展低碳经济的战略任务之一。作为气象灾害的重要组成部分，大风灾害具有影响范围大、季节性强、灾害损失大等特点，严重影响人居环境和社会经济可持续发展。风能开发、大风特征及其防御研究中需要对风速特征精细把握。围绕这一问题，已有研究对我国不同地区风速指标年际及年代际时空变化特征[1-5]以及日变化特征进行了定量分析[6]。结果显示中国地面风速总体呈显著下降趋势。对于风速的日变化特征，由于小时风速资料不易获取，日变化围绕日最大和日极大风速展开。大部分站点日最大风速出现在午后。

新疆有老风口、阿拉山口、达坂城谷地、百里风区等九大风区，其中百里风区是我国铁路沿线最强的风区[7]，年均八级以上大风日数高达200 d ，具有风速大、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特征[8]，风力之大居全疆之首。大风灾害已成为严重影响百里风区安全运输的主要气象灾害[8-11]。许多学者围绕百里风区大风成因及特征等开展了系列研究。但是，研究多基于4 次定时观测月平均风速、年平均风速及大风日数开展。利用24 h 观测资料的分析，主要是从大风天气过程入手，结论多为风区风速季节和年际特征的定量描述[12-15]。距离百里风区风预报预警等气象科技服务能力建设需求还存在差距。新疆“三山夹两盆”的特殊地形特征，以及复杂的多尺度地形和陆气相互作用过程，使得新疆地区地面风分布、演变过程和异常变化中的科学问题更加突出[9]。面对风速的强脉动性，6 h 间隔的记录数据难以捕捉到风的阵性变化和掌握风精细化时间特征。因此，本文以24 次定时高频风速观测记录数据为例，开展风速精细化特征分析，与4 次定时数据进行异同性比较，精细掌握风速变化过程细节，尝试找出强脉动性干扰下，风观测记录数据与风的完整表达存在的误差[9]，以期为百里风区风的预报预警、气象服务提供理论参考。

1 研究区概况

百里风区处于40 °N 以北，东天山隆起与哈密坳陷过渡地带（图1），指兰新铁路在新疆境内的红旗坎至了墩站，全长约123 km。风区地势北高南低，北面遥对博格达山与巴里坤山山间的七角井垭口。喇叭状的谷地，主要表现为低山丘陵、石质剥蚀平原及山前洪积砂砾，呈现干旱地表状态[8]。

图1 百里风区地理位置

十三间房是百里风区中风力最强劲之处[16]。十三间房气象站位于七角井风口以南约17 km，哈密以西约200 km，南面是兰新铁路线，北面是312 国道。

2 数据和方法

2.1 数据来源

本文选取2005—2020 年十三间房气象站观测的2 min 平均风速、日最大风速、日极大风速和大风日数数据。资料来源于新疆维吾尔自治区气象信息中心，并经严格的数据质量控制。

2.2 数据处理方法

2.2.1 风力等级划分

依据2003 版《地面气象观测规范》[17]，将风力划分为13 级（0 ～12 级），其对应的风速范围如表1 所示。

表1 风力等级

本文涉及相关术语见表2[7，17]。

表2 大风、大风日数等相关定义

2.2.2 计算方法

对24 次及4 次定时风速的对比，采用数据差值法计算；对风速的日变化情况进行每小时平均风速分析，确定风速日变化趋势及高值区与低值区出现时间区间；对风速的年变化特征采用气候趋势率分析。

（1）数据差值

计算24 次与4 次定时观测风速差值。首先对24 次定时观测的2 min 平均风速进行处理，计算21—02 时、03—08 时、09—14 时、15—20 时的平均值，再将其分别与02、08、14、20 时4 次定时观测值进行差值计算，得到23 376 对风速差数据序列。

差值绝对值指24 次定时观测的时（日、月、年）平均值与4 次定时观测的时（日、月、年）平均值的差的绝对值。

（2）风速日变化

式中：R（t，d）表示第d 天t 时（t=1，2，…，24）的小时风速，dz是有观测资料的总天数是t 时的平均风速。

（3）气候趋势率

气候要素变化的趋势，采用一元线性回归表示，即：

式中：x 表示气候要素，t 表示时间；a0表示回归常数，a1表示回归系数[18]。

3 结果与分析

3.1 风速特征差异

将2005—2020 年十三间房气象站5 844 d 自动气象观测站24 次与4 次定时观测的风速数据进行对比分析。从各定时及日平均差值（表3）可知，02、20 时差值为负值，08、14 时差值为正值，日平均差值为正值。24 次定时观测数据平均高于4 次定时观测值。14、20 时差值绝对值平均明显高于02、08时，即白天时段风速阵性强于夜间，观测频数越多，越能真实反映风速变化特征。由各月平均及年平均差值（表4）可知，春、夏季差值负值偏多，秋、冬季正值偏多，说明春、夏季24 次定时值平均低于4 次定时观测值，秋、冬季反之。此外，两组对比值中的差值绝对值显示，随时间分辨率提高，两组数据差异程度增大。

表3 4 次定时及日平均风速差值 m·s-1

表4 月平均及年平均差值 m·s-1

对不同等级风速数据进行差异分析。以02、08、14、20 时观测值进行风速等级划分，各级风速出现时数见表5。0～4 级，以正偏差为主，5～12 级以负偏差为主，即风力在4 级及以下时，24 次定时观测数据高于4 次定时观测值；5 级或5 级以上。从差值偏差程度可知，风力等级越高，偏差越大。各级风力出现时数与差值呈反相关，即出现时数越多，数据差异越小，如2～3 级风出现时数最多，差值绝对值最小。但日常服务往往关注的是风力较大时风速测量的精确度。

表5 各级风速出现时数及平均差值

由不同时间分辨率对比情况可知，数据观测频次越密，差值越大；风速越大，差值越大。采用每小时1 次时间分辨率的观测数据，比每日4 次的观测频次更能全面、准确反映风速的变化特征。故本文选取24 次定时观测值进行风特征分析。

3.2 风速变化特征分析

3.2.1 风速日变化特征

由十三间房2005—2020 年24 次定时观测各时平均风速序列分布（图2）可知，风速全天持续较高，日平均风速达8.3 m·s-1，最高值出现在04 时左右，平均风速达8.9 m·s-1，最低值出现在15 时，平均风速为7.6 m·s-1。夜间平均风速为8.6 m·s-1，上午时段平均风速为8.2 m·s-1，下午时段平均风速为7.9 m·s-1，即该地平均风速最大值出现在夜间，最小值出现在下午。

图2 平均风速与大风出现次数日变化

百里风区以风大、大风日数多而著称。对2005—2020 年3 209 个大风日15 786 个大风时数按出现时间（图2）进行分类。十三间房大风出现次数最多的时次为17—20 时，处于小时平均风速较低时段。日变化规律与新疆整个区域大风的日变化趋势一致，具有明显阶段性，集中在下午时段[19]。

对16 a 的5 844 d 各日极大风速和最大风速出现时间（图3）进行统计。日极大风速日变化规律与大风出现时间日变化规律相似。日极大风速出现时间发生次数较多的集中在16—20 时，最大值为20时的1 093 次，占总次数的18.7%，其次为16 时，为537 次。11～12 级风集中在15—18 时。日最大风速出现时间发生次数最多的为20 时，为865 次，占总次数的14.8%，与极大风速最大值为同一时次。但最大风速在夜间到10 时出现频数一直处于较高位，且相对稳定，均高于210 次。即最大风速与平均风速持续较高时段均在夜间到上午，但下午时段极大风速出现次数高于其他时段。从最大风速与极大风速定义可以判断，下午时段风速阵性特征凸显。说明受太阳辐射作用影响，下午是该地风速波动最大的时段。

图3 最大风速与极大风速出现次数日变化

十三间房平均风速、最大风速、极大风速、大风出现时次的日变化规律存在一定差异，各指标显示的峰谷值出现时间明显不一。平均风速和最大风速表示一段时间内风的平均状况，可代表一日中持续时间较长的风速情况。十三间房平均风速与最大风速高值出现在凌晨到上午，极大风速及大风出现最多的时次为午后，说明风速变化在地形作用的基础上，还一定程度上受太阳辐射日变化影响。另外一个重要影响因子是十三间房区域性大风在大气环流背景下的动量下传[12]。因此在预报过程中，针对下午时段风阵性预报，可多关注西风急流的影响，针对上午及傍晚，可多关注气温变化。

3.2.2 风速月变化特征

十三间房月平均风速季节变化特征（图4）明显，春、夏季平均风速大，秋季次之，冬季最小。5—8月月平均风速均超过10.0 m·s-1，其中6 月最大，月平均风速达10.96 m·s-1。其次是5 月，月平均风速为10.66 m·s-1。1 月最小，月平均风速为3.94 m·s-1，12月次之，为4.56 m·s-1。

图4 风速及大风日数月变化

大风日数各月分布与平均风速规律一致（图4），春、夏季出现次数明显高于秋、冬季。最高值出现在6 月，月平均大风日数为24.5 d，其次是7 月，为23.3 d。5—8 月是大风易发月，平均达23.2 d，大风日数全年共200.6 d，这一时段就有92.6 d，占全年大风日数的46%。

各月各等级风速分布呈现春、夏季平均风速大，且较大风速持续时间长；秋、冬季风速相对较小，大风出现次数也较少。从各月各级风速分布（图5）及不同风力等级各月出现时数和不同月份各级风力出现时数占比（图6）可以看出，2～7 级风出现频次较多，2 级风年平均出现时数为1 571.5 h，3 级为1 555.3 h；出现时数最少的是11、12 级，分别为12.3、1.3 h。冬半年（10—3 月），0～3 级风出现时数占全年总时数的71%，夏半年（4—9 月）4～10 级风出现时数占全年总时数的67%。

图5 各季不同风力等级风速出现时数

图6 不同风力等级分布

春、夏季频繁的天气过程是引起风区风力增加的重要驱动因素。春季北方冷空气活动频繁，受地形影响，积聚在准噶尔盆地，与盆地上升的热气流相遇，因南北地势海拔落差较大，气压梯度力剧增；夏季新疆受副热带西风急流影响，以及本地沙漠和戈壁在日光照射下升温快，使地面附近的空气层十分不稳定，加之喇叭口地形产生的狭管效应，致使十三间房春、夏季多大风。汤浩等[19]使用WRF 模式进行中尺度模拟，通过强风天气个例分析，进一步说明该地夏季风力强劲的重要成因是地形强迫引发有限振幅重力波，背风坡上空大风区之上的临界层吸收上层能量并向下传递，增大了风区风速[19]。潘新民等[20]通过对天山色皮山口的狭管效应和越山后流洩风作用形成强风的试算、验算，发现入侵的冷空气越冷，背风坡山脚处的气温越高时流洩风的风速越大。在冬季，由于近地层逆温层的出现，背风坡山脚处的气温不高，所以在这个季节流洩风的作用大为减弱。

十三间房月平均风速变化规律与大气环流紧密相关，地形起到放大作用。因此，建议加强春夏期间大风的预报和预防[12，19-22]。

3.2.3 风速年变化特征

十三间房年平均风速与年大风日数均呈微弱减小趋势（图7）。2005—2020 年的年平均风速达8.3 m·s-1，最大值出现在2010 年，是16 a 中唯一年平均风速超过9.0 m·s-1的年份。这与2010 年多大风有关，这一年大风日数为224 d，达1 396 h，是近16 年持续大风时数最长的一年。其中风力达30 m·s-1以上的就有62 d。年平均风速最小值出现在2020 年，为8.0 m·s-1。其他年份平均风速变化不大，为8.0～8.5 m·s-1。由于时间分辨率较低，基于24次观测的年平均风速与4 次定时观测计算的年平均风速差值不大，与其他研究结果基本一致。大风日数分布趋势与年平均风速一致，2014—2020 年连续7 a的年大风日数均低于平均值200.6 d。

图7 十三间房年平均风速及大风日数年变化

4 讨论

风的预报预警是气象服务的重要内容，同时也是难点之一。新疆风口大风对当地生产生活造成极大影响[12]。长期以来，受风资料时间频次限制，风的日变化、强度变化特征研究受到一定制约。相对于百里风区，苗运玲等[7，12-14]基于4 次定时观测数据，对百里风区风速变化特征进行了分析，结果表明，百里风区年平均风速呈减小趋势，春、夏季风速大于秋、冬季，月平均风速最大值出现在5 月。对风速的日变化特征分析主要从大风出现时间着手，结果显示百里风区与新疆整个区域大风的日变化趋势一致，具有明显阶段性，集中在下午时段[19]，但各时次风速变化的分析较少。

本研究基于24 次定时风速观测数据，首先对24 次定时与4 次定时的差异性进行对比，不同时间分辨率平均风速的数据差异可见，随风速增大，二者差异随之增大。且时间分辨率越高，越能捕捉风的阵性特征。考虑以往研究对日变化分析较少，本文着重对风速的日变化特征进行了探讨，发现十三间房平均风速最大值出现在夜间，最小值出现在下午，这与《新疆气象预报手册》[22]所描述“主要风口及风区风速上午最小”结论有所不同。考虑这2 个时次为非4次定时观测时间，故4 次定时观测不能正常捕捉小时平均风速最高值及最低值出现时间。但极大风速与大风出现时间与前人研究结果一致，均出现在17—20 时，说明风阵性特征最明显的时间出现在下午。在月变化特征分析中，将24 次定时与4 次定时分析结果也进行了对比，二者也有一定差异，24 次观测值显示月平均风速最大值出现在6 月，与前人研究结果略有不同。年变化特征24 次定时与4 次定时观测表现出的变化趋势基本一致。

风作为一种阵性特征极强的天气现象，观测时间分辨率越高，对临近或短期预报的参考性越强。随着气象观测自动化水平的不断提高，风特征的研究可基于更高时间分辨率的观测数据。